网络第五章网络层

网络第五章网络层第1页，课件共79页，创作于2023年2月TCP/IP的主要协议

FTP

telnet

HTTP

SMTP

SNMP

DNS

其他

TCP

UDPIPARP/RARPICMP

Ethernet

Token

Ring

FDDI

ATM其他第2页，课件共79页，创作于2023年2月网际层的主要功能提供与多种网络的接口，支持异构网络的互连。将不同的网络技术在网络层统一在IP协议之下----

不同网络技术的主要区别在数据链路层和物理层，如不同的局域网技术和广域网技术。负责接收数据报并将其独立地发送到目标网络上----

不同的数据包可能经由不同的网络路径。第3页，课件共79页，创作于2023年2月5.4IP协议网际协议IP是TCP/IP协议栈中核心协议之一，使用IP可使众多的小网络通过路由器构成大网络。网际层传输的数据单元是IP数据报，其包含了路由器转发数据包时所必须的信息。第4页，课件共79页，创作于2023年2月网络网络路由器路由器每个分组的首部都有IP地址信息源IP地址目的IP地址网络路由器根据目的IP地址查找路由表查出下一跳路由器的地址根据目的IP地址查找路由表查出下一跳路由器的地址网络路由器第5页，课件共79页，创作于2023年2月IP协议规定：IP

地址是32

位二进制数字：11001010011011001111100111001110为方便阅读和从键盘上输入，可把每8

位二进制数字转换成一个十进制数字，并用小数点隔开：06这就是“点分十进制”记法。我们从键盘上输入点分十进制的

IP地址，计算机就把它转换为

32位的二进制数字。二进制与点分十进制第6页，课件共79页，创作于2023年2月IP地址分类IP地址由两部分组成，即网络标识（net_id）和主机标识（host_id）。net_id用来确定某一特定网络，而host_id指明属于该网络下的一台主机。这点与电话号相近但又有区别，网络ID没有地域属性。根据网络规模不同，将常用的IP地址分为A、B、C三类第7页，课件共79页，创作于2023年2月三类基本IP地址第8页，课件共79页，创作于2023年2月IP地址分类特征类别最大网络数最小网络号最大网络号最大主机数A126112616777214

至54B16382128.0/1191.25465535

至54C2097150192.0.0/1233.255.254254

至54第9页，课件共79页，创作于2023年2月私有IP地址为了满足内部网络的需要，IANA将A、B、C三类地址中的一部分保留下来，作为私人IP地址使用。类别IP地址范围网络ID网络数A~55101B~55172.16~172.3116C~55192.168.0~192.168.255254第10页，课件共79页，创作于2023年2月特殊IP地址全0或全1的地址有特殊意义网络主机源目的含义00可以不可本网络上的本主机0h_id可以不可本网络上的某个主机全1全1不可可以只在本网络广播n_id全1不可可以对某网络广播127任意可以可以本地软件回送测试第11页，课件共79页，创作于2023年2月其他IP地址D类IP地址是多播地址，主要留给IAB因特网体系结构委员会使用。E类地址保留今后使用1110多播地址D类11110保留地址E类第12页，课件共79页，创作于2023年2月子网掩码（SubnetMask)Question

机器如何获知源或目标机器所在的网络号？如何从给定的IP地址中分离出网络号和主机号？Answer

子网掩码（SubnetMask)

第13页，课件共79页，创作于2023年2月子网掩码（SubnetMask)子网掩码(subnetmasking)的功能是告知主机或路由设备，地址的哪一部分是包括子网的网络号部分，哪一部分是主机号部分。子网掩码使用与IP地址相同的编址格式，即4个8位组的32位长格式。在子网掩码中，网络部分和子网络部分对应的位全为“1”，主机部分对应的位全为“0”。通过将子网掩码与IP地址进行“与”操作，可提供所给定的IP地址所属的网络号（包括子网络号）。第14页，课件共79页，创作于2023年2月net-idnet-idhost-id为全0net-id网络地址A类地址默认子网掩码网络地址B类地址默认子网掩码网络地址C类地址默认子网掩码111111111111111111111111000000000000000000000000111111111111111100000000000000001111111100000000host-id为全0host-id为全0A类、B类和C类IP地址的默认子网掩码第15页，课件共79页，创作于2023年2月IP地址的一些重要特点(1)IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：第一，IP

地址管理机构在分配

IP

地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了

IP

地址的管理。第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。第16页，课件共79页，创作于2023年2月IP地址的一些重要特点(2)实际上IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号net-id必须是不同的。这种主机称为多接口主机(multihomedhost)。由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址。第17页，课件共79页，创作于2023年2月IP地址的一些重要特点(3)用中继器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号net-id。(4)所有分配到网络号net-id的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。第18页，课件共79页，创作于2023年2月IP地址的分配与管理Internet连接了全世界的成千上万的网络及大小网络设备，而且不断地在扩展。为了保证IP地址不重复，由Internet网络信息中心NIC统一管理。NIC管理的是IP地址中的net_id字段，而host_id字段由获得了IP地址的单位自行分配管理。如我校申请了C类地址后，拥有分配254台主机的权利。第19页，课件共79页，创作于2023年2月IP子网的划分现有IP地址分配方法存在很大浪费。如某单位有10000台主机连入Internet，申请到了一个B类IP地址,于是其余55000多个IP地址就浪费了，因为其他单位不能再使用这个网络的地址了。另外如果上述10000台主机连入同一个网络一旦发生广播风暴是很难处理的。容易造成网络瘫痪。需要一种技术将这个大网络在内部划分为由不同部门来管理的小网络。第20页，课件共79页，创作于2023年2月在主机标识部分利用子网掩码，将其前若干比特作为“子网号字段”，其余仍作为主机号。将本单位所属主机划分为若干个子网，每个子网分配一个子网号，各子网间利用路由器相连，方便管理子网划分属于本单位内部使用，从外部看各部门的子网仍是同一个大网络。划分子网的基本思路第21页，课件共79页，创作于2023年2月凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报，仍然是根据IP数据报的目的网络号

net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。然后此路由器在收到IP数据报后，再按目的网络号net-id和子网号subnet-id找到目的子网。最后就将IP数据报直接交付给目的主机。划分子网的基本思路（续）第22页，课件共79页，创作于2023年2月………01014563所有到网络的分组均到达此路由器我的网络地址是R1R3R2网络一个未划分子网的B类网络第23页，课件共79页，创作于2023年2月划分为三个子网后对外仍是一个网络01014563………子网子网子网所有到达网络的分组均到达此路由器网络R1R3R2第24页，课件共79页，创作于2023年2月若有三个主机数在30的网段，需要从NIC为其申请几个C类网络?

1个还是3个C类网络？第25页，课件共79页，创作于2023年2月申请3个C类网络的分析：

用掉的IP地址为3*30=90个浪费的IP地址为3*（254-30）=672

浪费率为672/（254*3）=88.19%子网划分技术分析第26页，课件共79页，创作于2023年2月子网划分由网络管理员将一个A类、B类或C类网络划分成若干个规模更小的子网络，简称子网(subnets)。目标：

-提供IP地址使用的灵活性

-减少广播域的大小问题:

如何进行子网划分？第27页，课件共79页，创作于2023年2月从一个IP数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网的划分。使用子网掩码(subnetmask)可以找出IP地址中的子网部分。子网掩码第28页，课件共79页，创作于2023年2月IP地址的各字段和子网掩码网络号net-id主机号host-id两级IP地址网络号net-idhost-id三级IP地址主机号subnet-id子网号子网掩码因特网部分本地部分因特网部分本地部分划分子网时的网络地址1111111111111111

1111111100000000net-idsubnet-idhost-id为全0第29页，课件共79页，创作于2023年2月(IP

地址)AND(子网掩码)=

网络地址网络号net-id主机号host-id两级IP地址网络号三级IP地址主机号net-idhost-idsubnet-id子网号子网掩码因特网部分本地部分因特网部分本地部分划分子网时的网络地址1111111111111111

1111111100000000net-idsubnet-idhost-id为全0AND第30页，课件共79页，创作于2023年2月子网划分为了获得子网标识，网管从主机位中借出若干位，指定作为子网络标识。必须为主机位中的高n位。从主机位中所借的子网位的位数n取决于子网络的规模n的最小值为2（为什么不是1？）n的最大值是多少？

只要能保证有2位的主机标识位。第31页，课件共79页，创作于2023年2月子网掩码10net_idhost_id11111111111111110000000000000000255.255.0.0B类IP地址标准子网掩码10net_idhost_idsubnet11111111111111111111110000000000255.255.252.0划分了子网的B类IP地址该子网掩码从host_id中划出高六位作为子网号子网划分是使用子网掩码来实现的。由一连串的“1”与“0”组成，“1”对应网络号而“0”对应主机号。第32页，课件共79页，创作于2023年2月最大的子网位网络的类

缺省的主机位长度最大的子网位长度A2422B1614C86第33页，课件共79页，创作于2023年2月子网位与子网规模SubnetbitsSubnetnumber

validsubnetnumber121=22-2=0222=44-2=2323=88-2=6424=1616-2=14525=3232-2=30626=6464-2=62727=128128-2=126828=256256-2=254929=512512-2=510…….…第34页，课件共79页，创作于2023年2月网络标识与网络广播地址的变化无子网划分时，网络位就是网络标识。子网划分后:

需要将网络位及子网络位同时作为主机所在的网络的标识。广播地址也要进行相应的改变。

第35页，课件共79页，创作于2023年2月C类子网划分举例(A-1)如何对一个C类网络划分，以得到两个可用的子网Question1:

需要借多少位作为子网位?Answer1:

借2位Question2:

你可得到多少子网?其中可用的是几个?Answer2:4个子网，但只有2个是可用的。第36页，课件共79页，创作于2023年2月C类子网划分举例(A-2)Question3:

每个子网得到的(可用的?)子网地址范围是什么?

Answer3:

subnet1:

X.X.X.00000000-X.X.X.00111111

(-3)

subnet2:X.X.X.01000000-X.X.X.01111111

(4-27)

subnet3:X.X.X.10000000-X.X.X.10111111

(28-91)

subnet4:X.X.X.11000000-X.X.X.11111111

(92-55)

第37页，课件共79页，创作于2023年2月C类子网划分举例(A-3)Question4:

每个子网的广播地址Answer4:

subnet1:

X.X.X.00111111-3

subnet2:

X.X.X.01111111-27subnet3:

X.X.X.10111111-91subnet4:

X.X.X.11111111-55第38页，课件共79页，创作于2023年2月C类子网划分举例(A-4)Question5:

每个子网的网络号（含子网络号）Answer5:

subnet1:X.X.X.00000000()

subnet2:X.X.X.01000000(4)

subnet3:X.X.X.10000000(28)subnet4:X.X.X.11000000(92)第39页，课件共79页，创作于2023年2月C类子网划分举例(A-5)Question6:

每个子网的子网掩码是什么？Answer6:everysubnetwouldhavethesamesubnetmask,itis:

11111111.11111111.11111111.11000000

or

255.255.255.192Question7:

每个子网拥有多少台主机?Answer7:

26-2=64-2=62第40页，课件共79页，创作于2023年2月回到最初的问题，现在你知道该申请多少个C类地址了吗？请同学们课后完成。对这三个主机规模不大于30的网段，一个C类地址就够了。246第41页，课件共79页，创作于2023年2月关于子网划分的总结在创建子网时，首先要决定子网的数量和所拥有的主机规模，由此来确定从原主机位所借的位数。创建子网后，主机的网络号、所在网络的广播地址、子网掩码等要相应地改变。注意，任何方式的子网划分存在网络地址的损失：

-第一和最末的两个子网

-第一和最末的两个子网中的所有IP地址。第42页，课件共79页，创作于2023年2月对子网技术的评价可以将拥有较多数目主机的单个网络划分为主机数目相对较少的若干个子网络，以简化网络管理，分隔和减少网络上不必要的通信流量。可节省IP地址资源

举例来说，现共有6个主机数目在32以下的小网络，若分别为它们申请6个C类的IP地址，则至少要浪费222*6个IP地址，且不考虑是否能申请到这么多的C类地址。若采用子网技术，则只要申请1个C类地址则足够了

第43页，课件共79页，创作于2023年2月子网掩码分配原则确定划分子网的数量，并转化为二进制，若为全1则加1。如果准备划分6个子网则值为110，7个子网则为1000计算子网所需的二进制位数，将此二进制数全部置1，即6个是111,7个是1111。按字节以高位顺序开始转化为十进制数，6个是224，则A类地址子网掩码是B类是C类是24。7个是240，则A类地址子网掩码是B类是C类是40。第44页，课件共79页，创作于2023年2月子网掩码分配实例我们学校申请到一个C类IP地址，。欲组建校园网，并接入Internet。假设有5个独立部门，分别拥有计算机20、25、29、10、15台套，请运用子网技术合理分配IP地址。有5个部门，需规划出5个子网，二进制数为101，在C类地址主机标识中需要至少3比特作为子网标识，则子网掩码为24。子网号分别为1-001、2-010、3-011、4-100、5-101、6-110。子网分配如下表所示：第45页，课件共79页，创作于2023年2月子网掩码分配实例子网第四字节IP地址分配100100001~001111103~62201000001~010111105~94301100001~011111107~126410000001~1001111029~158510100001~1011111061~190611000001~1101111093~222第46页，课件共79页，创作于2023年2月子网掩码分配实例子网本子网地址子网广播地址1232453627428595609169221每个子网所容纳主机数为30台第47页，课件共79页，创作于2023年2月IP数据报的格式一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。参见《IP数据报的格式》

第48页，课件共79页，创作于2023年2月IP协议的配置安装网络接口卡，安装驱动程序在控制面板下的网络组件中添加协议输入静态IP地址及子网掩码，配置默认网关即默认路由器地址输入默认DNS服务器地址使用Ping命令测试第49页，课件共79页，创作于2023年2月IP实验要求添加服务、客户、协议理解协议的作用掌握IP配置技术Ping/？为帮助使用Ipconfig/all命令检测本机IP地址及物理地址。共享管理第50页，课件共79页，创作于2023年2月IP数据报的格式与工作原理网络层的基本传输单元叫做数据报，如果运行的是IP协议，则称为IP数据报。是实现IP协议的信息组织。其由两部分组成：首部+数据区，其中只对首部做了要求，而数据部分没有格式限制，可传输任意数据。数据报首部数据区域第51页，课件共79页，创作于2023年2月IP数据报基本格式版本头长服务类型总长度标志号MDX片偏移量生存周期协议报头校验和源地址目的地址可选项填充数据0481631定长20字节第52页，课件共79页，创作于2023年2月IP数据报格式一版本：4bit值为4代表IPv4,保证通信双方及中间经过的路由器能按同一种格式处理IP数据报。首部长：4bit给出以32bit字长为一个单位的报文首部的长度。最小首部长为5，即首部最小为5*4=20字节。服务类型：8bit表示数据优先级、可靠性和延迟量等，通知IP如何处理携带的数据。第53页，课件共79页，创作于2023年2月服务类型优先级表示数据重要程度，级别越高本数据报数据越重要。D：低的时延（Delay）T：要求高的吞吐量（Throughput）R：要求高的可靠性（Reliability）C：选择费用更低廉的路由（Cost）优先级DTRC未用01234567第54页，课件共79页，创作于2023年2月总长度总长度：16bit，数据报的总长度是多少字节。最大数据报长度是65535字节。若分片则代表分片后数据报片的长度。MTU（MaximumTransferUnit）最大传输单元网络0MTU为650网络1MTU=1500网络2MTU=1500R1R21500B1500B分片640B片1640B片2240B片3重组第55页，课件共79页，创作于2023年2月分片与组装当IP数据报将被封装为帧时，由于局域网所规定允许传输的最大帧长的限制，有可能一个IP数据报不能被封装在一个帧内，需要通过路由器将数据报切分成若干片，封装在不同的帧内，此过程称为IP分片，每个分片称为IP数据报片。每个分片的报文头与原数据报头几乎一样，到达目的节点时，需要由IP协议将其重新组装。第56页，课件共79页，创作于2023年2月IP分片示例H1数据1L1H3数据3L3H2数据2L2IP数据报片1IP数据报片2IP数据报片3帧1帧2帧3IP数据报用户数据H片1片2片3第57页，课件共79页，创作于2023年2月IP数据报格式二标志号：16bit，若数据报被分片，每片所具有的唯一标识，使得接收节点将具有此标识的所有分片组装在一起。标志符：3bit，数据报是否被分片，D：DF=0不分片,M:MF=0若干分片的最后一片,MF=1后面还有分片.X未定义。片偏移：该片在原数据分组中的相对位置，相对于用户字段的起始位置。以8字节为单位。第58页，课件共79页，创作于2023年2月IP数据报格式三生存周期（TTL）：表示数据报被丢弃前在网络中能存活的以秒为单位的时间。每个计算机或路由器处理过一次数据报，将该值减一，为零则丢弃数据报。可保证数据报不会因为选择了错误的循环路由而在网络内无休止地转发与传送。协议：8bit，表示传输层所使用的协议类型。UDP17TCP6ICMP1GGP3等第59页，课件共79页，创作于2023年2月IP数据报格式四报头校验和：16bit，由转发方计算填充，由接收方计算校验，报文头是否出错。具体方法是先将校验和部分清零，将报头部分按16bit一组相加，其和的反码填入校验和部分。接收方同样方法相加若和不为全1则出错，丢弃数据报。源地址：32bit，源节点的完整IP地址。目的地址：32bit目的节点的完整IP地址。第60页，课件共79页，创作于2023年2月IP数据报格式五可选项：表示可选的路由和相关的实时信息，用来规定附加服务。如排错、安全措施、记录路由、时间戳等。长度是可变的。填充：保证可选项以32bit为一组。数据：源节点发送的原始数据（传输层报文）。第61页，课件共79页，创作于2023年2月IP协议总结IP是第三层的主要协议，主要任务为数据报选择路由，另外具有分片重组及差错校验与控制功能。但只对报文头部进行差错校验，并不对包含的数据进行差错控制，不能保证数据的完整性，即不提供可靠数据传输。需要由高层来完成此任务。所以IP是一个不可靠的无连接的协议。第62页，课件共79页，创作于2023年2月

ICMP简介

为了让互连网中的路由器报告错误或提供有关意外情况的信息，设计者在TCP／IP中加入了一个特殊用途的报文机制。Internet控制报文协议ICMP（InternetControlMessageProtocol），作为IP的一部分，在每个IP实现中都必须使用它。第63页，课件共79页，创作于2023年2月ICMP简介ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的信息。ICMP不是高层协议，它仍是IP层中的协议。ICMP报文作为IP数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。第64页，课件共79页，创作于2023年2月ICMP报文格式第65页，课件共79页，创作于2023年2月ICMP报文格式类型字段占一个字节，不同类型决定了后面长度可变部分。

ICMP报文的代码字段也占一个字节。为的是进一步区分某种类型中的几种不同的情况。检验和占两个字节，它检验整个ICMP报文。

第66页，课件共79页，创作于2023年2月类型字段类型字段的值ICMP报文的类型03458111213141718Echo（回送）回答目的站不可达源站抑制（SourceQuench）改变路由（Redirect）Echo请求数据报的时间超过数据报的参数有问题时间戳（Timestamp）请求时间戳回答地址掩码（AddressMask）请求地址掩码回答第67页，课件共79页，创作于2023年2月ICMP报文更改路由网络1HC网络2HBR1R2网络3HA第68页，课件共79页，创作于2023年2月ICMPEcho请求报文

是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问。收到此报文的机器必须给源主机发送ICMPEcho回答报文。这种询问报文用来测试目的站是否可达以及了解其有关状态。

Ping使用此报文第69页，课件共79页，创作于2023年2月ICMP时间戳请求报文

是请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。在ICMP时间戳回答报文中有一个32bit的字段，其中写入的整数代表从1900年1月1日起到当前时刻一共有多少秒。时间戳请求与回答可用来进行时钟同步和测量时间。

ICMP地址掩码请求报文可使主机向子网掩码服务器得到某