【计算机课件】计算机网络(十)

第4章网络层

■知识点归纳部分

4.1网络层提供的两种服务

31=虚电路服务数据报服务

思痛可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来保

证

连接的建立必须有不需要

终点地址仅在连接建立阶段使用，每每个分组都有终点的完整地址

个分组使用短的虚电路号

分组的转发属于同一条虚电路的分组均每个分组独立选择路由进行转

按照同一路由进行转发发

当结点出故障时所有通过出故障的结点的虚出故障的结点可能会丢失分组,

电路均不能工作一些路由可能会发生变化

分组的顺序总是按发送顺序到达终点到达终点时不一定按发送顺序

端到端的差错处可以由网络负责，也可以由由用户主机负责

理和流量控制用户主机负责

4.2网际协议IP

4.2.1虚拟互连网络

■中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。

■物理层中继系统：转发器(repeater)。

■数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。

■网络层中继系统：路由器(router)。

■网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。

■网络层以上的中继系统：网关(gateway)。

4.2.2分类的IP地址

I1.IP地址及其表示方法

■我们把整个因特网看成为一个单一的、抽

象的网络。IP地址就是给每个连接在因特

网上的主机(或路由器)分配一个在全世

界范围是唯一的32位的标识符。

-IP地址现在由因特网名字与号码指派公司

ICANN(InternetCorporationforAssigned

NamesandNumbers)进彳亍分酉己

IP地址中的网络号字段和主机号字段

类地址

C1101：

net-idhost-id—*1

24位8位

D类地址1110；多播地址

E类地址1111；保留为今后使用

4.2.3地址解析协议ARP和

逆地址解析协议RARP

IP地址ARP物理地址

物理地址RARPIP地址

4.2.4IP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。

04816192431

[版本首^长度区分服务总长度

标识标志片偏移

工zE,1

F部生存时间协议首部检验和

部分

源地址

、目的地址

]可选字段（长度可变）填充:

数据部分

首部数据部分

IP数据报

发送在前

分组转发算法

(1)从数据报的首部提取目的主机的IP地址。，得出目

］华网络地址为A/。

(2盘网络N与此路由器直接相连,则把数据报直接交

付目的主机否则是间接交付，执行(3)。

(3)若路由表中有目的地址为。的特定主机路由，则把

数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否

贝IJ,执行(4)。

(4)若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送

给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。

(5)若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路

由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。

(6)报告转发分组出错。

4.3划分子网和构造超网

4.3.1划分子网

1.从两级IP地址到三级IP地址

■在ARPANET的早期，IP地址的设计确

实不够合理。

■IP地址空间的利用率有时很低。

■给每一个物理网络分配一个网络号会使路由

表变得太大因而使网络性能变坏。

■两级的IP地址不够灵活。

划分子网的基本思路

-划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然

表现为没有划分子网的网络。

■从主机号借用若干个位作为子网号subnet-id,而主

机号host-id也就相应减少了若干个位。

IP地址::={v网络号＞，v子网号)，v主机号〉}(4-2)

2.子网掩码

■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

子网划分。

■使用子网掩码(subnetmask)可以找出

IP地址中的子网部分。

年划分子网的情况下路由器转发分组的算法

(1)从收到的分组的首部提取目的IP地址Do

(2)先用各网络的子网掩码和。逐位相“与”，看是否

和

相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。

否则就是间接交付，执行(3)。

(3)若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则将

分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。

(4)对路由表中的每一行的子网掩码和。逐位相“与”，

若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送

给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。

(5)若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表

中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。

(6)报告转发分组出错:

4.4网际控制报文协议ICMP

前4个字节__________§__________苴___________________芝1

都是一样的一►类型代码检验和

（这4个字节取决于ICMP报文的类型）

ICMP的数据部分（长度取决于类型）

ICMP报文

首部数据部分

IP数据报

4.5因特网的路由选择协议

4.5.1有关路由选择协议的几个基本概念

1.理想的路由算法

■算法必须是正确的和完整的。

■算法在计算上应简单。

■算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，这

就是说，要有自适应性。

■算法应具有稳定性。

■算法应是公平的。

■算法应是最佳的。

2.分层次的路由选择协议

■因特网采用分层次的路由选择协议。

■因特网的规模非常大。如果让所有的路由器

知道所有的网络应怎样到达，则这种路由表

将非常大，处理起来也太花时间。而所有这

些路由器之间交换路由信息所需的带宽就会

使因特网的通信链路饱和。

■许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布

局细节和本部门所采用的路由选择协议（这

属于本部门内部的事情），但同时还希望连

接到因特网上。

4.5.2内部网关协议RIP

(RoutingInformationProtocol)

1.工作原理

■路由信息协议RIP是内部网关协议IGP

中最先得到广泛使用的协议。

■RIP是一种分布式的基于距离向量的路

由选择协议。

■RIP协议要求网络中的每一个路由器都

要维护从它自己到其他每一个目的网络

的距离记录。

RIP协议的三个要点

■仅和相邻路由器交换信息。

■交换的信息是当前本路由器所知道的全

部信息，即自己的路由表。

■按国定的时间间隔交换路由信息，例如,

每隔30秒。

2.距离向量算法

收到相邻路由器(其地址为X)的一个RIP报文:

(1)先修改此RIP报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地

址都改为X,并把所有的“距离”字段的值加1。

(2)对修改后的RIP报文中的每一个项目，重复以下步骤：

若项目中的目的网络不在路由表中，则把该项目加到路由表中。

否则

若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则把收到的项目

替换原路由表中的项目。

否则

若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新，

否则，什么也不做。

⑶若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路

由器记为不可达路由器，即将距离置为16(距离为16表示不可

达)。

(4)返回。

RIP协议的优缺点

■RIP存在的一个问题是当网络出现故障时，要

经过比较长的时间才能将此信息传送到所有

的路由器。

■RIP协议最大的优点就是实现简单，开销较

小。

■RIP限制了网络的规模，它能使用的最大距离

为15（16表示不可达）。

■路由器之间交换的路由信息是路由器中的完

整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销

也就增加。

4.5.3内部网关协议OSPF

(OpenShortestPathFirst)

OSPF协议的基本特点

・“开放”表明OSPF协议不是受某一家厂商

控制，而是公开发表的。

■“最短路径优先”是因为使用了Dijkstra提出

的最短路径算法SPF

■OSPF只是一个协议的名字，它并不表示其

他的路由选择协议不是“最短路径优先”。

-是分布式的链路状态协议。

三个要点

!向本自治系统中所有路由器发送信息,这里

使用的方法是洪泛法。

■发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由

器的链路状态，但这只是路由器所知道的部

分信息。

-“链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相

邻，以及该链路的“度量”（metric）。

■只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪

泛法向所有路由器发送此信息。

2.OSPF的五种分组类型

4---------

■类型1,问候(Hell。)分组。

■类型2,数据库描述(DatabaseDescription)分组。

■类型3,链路状态请求(LinkStateRequest)分组。

■类型4,链路状态更新(LinkStateUpdate)分组，

用洪泛法对全网更新链路状态。

■类型5,链路状态确认(LinkStateAcknowledgment)

分组。

4.6下一代的网际协议IPv6(IPng)

.4.6.1解决IP地址耗尽的措施

■从计算机本身发展以及从因特网规模和网络传输

速率来看，现在IPv4已很不适用。

■最主要的问题就是32位的IP地址不够用。

■要解决IP地址耗尽的问题的措施：

-采用无类别编址CIDR,使IP地址的分配更加合理。

-采用网络地址转换NAT方法以节省全球IP地址。

-采用具有更大地址空间的新版本的IP协议IPv6。

4.6.2IPv6的基本首部

IPv6仍支持无连接的传送所引进的主要变化如下

更大的地址空间。IPv6将地址从IPv4的32位增大

到了到8位。

扩展的地址层次结构。

灵活的首部格式。

改进的选项。

允许协议继续扩充。

支持即插即用（即自动配置）

支持资源的预分配。

位0412162431

/版本通信量类流标号

有效载荷长度下一个首部跳数限制

_源地址_

IPv6的1（128位）

基本首部］

(40B)

_目的地址_

一（128位）一

/

IPv6的有效载荷（扩展首部/数据）

有效载荷（

（至64KB）

463IPv6的地址空间

1,地址的类型与地址空间

IPv6数据报的目的地址可以是以下三种基本类型

地址之一：

(1)单播(unicast)单播就是传统的点对点通信。

(2)多播(multicast)多播是一点对多点的通信。

(3)任播(anycast)这是IPv6增加的一种类型。

任播的目的站是一组计算机，但数据报在交付时

只交付其中的一个，通常是距离最近的一个。

冒号十六进制记法

(colonhexadecimalnotation)

-每个16位的值用十六进制值表示，各值之

间用冒号分隔。

68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF

■零压缩(zerocompression),即一连串连续

的零可以为一对冒号所取代。

■FF05:0:0:0:0:0:0:B3可以写成：

■FF05::B3

I2.全球单播地址的等级结构

J------------------

IPv6扩展了地址的分级概念，使用以下三个等级:

(1)全球路由选择前缀，占48位。

(2)子网标识符，占16位。

(3)接口标识符，占64位。

第一级第二级第三级

位04864127

全球路由选择前缀子网

标识符接口标识符

(48位)(16位)(64位)

464从IPv4向IPv6过渡

■向IPv6过渡只能采用逐步演进的办法，同时,

还必须使新安装的IPv6系统能够向后兼容。

■IPv6系统必须能够接收和转发IPv4分组，并

且能够为IPv4分组选择路由。

■双协议栈(dualstack)是指在完全过渡到IPv6

之前，使一部分主机(或路由器)装有两个协

议栈，一个IPv4和一个IPv6。

■使用隧道技术从IPv4到IPv6过渡

第4章网络层

■典型例题讲解部分

一、填空题

1.IP地址采用分段地址方式，长度为4个字节，

每个字节对应一个（十）制数。

2.网络层中，数据传输的单位是（分组）。

3.如果IP地址为202.130.191.33,子网掩码

为255.255.255.0,那么网络地址是

（202.130.191.0）o

4,令牌总线网在逻辑结构上是一种（环形）的局

域网。

5.IPv6的地址长度是IPv4的（四）倍。

一、填空题

6.IP地址采用分段地址方式，长度为4个字节，

每个字节对应一个（十）制数。

7.如果要进行网络层协议的转换，应使用（路由

器）。

8.路由器所具有的主要功能有（路径选择）、

（隔离广播信息）、（网络控制与管理）。

9.如果一个C类网的地址为128.21312,它的网

络掩码是（255.255.255.0）。

10.如果一个网络中的设备只有200台，应分配

（C）类IP地址。。

二、选择题

1.一台功能完整的路由器能支持多种协议数据的

转发，但不能支持（C）功能。

A：数据过滤B：计费

C：删除病毒文件D：网络管理

2,局域网与广域网、广域网与广域网的互联是通

过哪种网络设备实现的（C）。

A：服务器B：网桥

C：路由器D：交换机

二、选择题

3.一个IP地址包含网络地址与（B）o

A：广播地址B：主机地址

C：多址地址D：子网掩码

4.IPv4的32位地址共40多亿个，IPv6的128位地

址是IPv4地址总数的（C）倍。

A：4B：96

C：2的96次方D：2的4次方

二、选择题

5.下面（C）命令可以查看网卡的IP地址和MAC

地址。

A：ipconfig/release

B：ipconfig/renew

C：ipconfig/all

D：ipconfig/registerdns

6.IP地址11011011.00001101.00000101.

11101110o用点分10进制表示可写为（A）o

A：219.13.5.238B：217.192.153.140

C：223.17.15.29D：218.107.158.222

二、选择题

7.因特网的规模非常大，用什么方法可以实现整

个因特网路由(D)

A：距离矢量算法B：链路状态路由算法

C：混合算法D：分层次

8.下列路由协议中哪一个属于常用的链路状态路

由协议(B)o

A.RIPB.OSPF

C.RIPv2D.BGP

7.三、判断题

■JI-------------------

1.使用虚电路服务的网络分组总是按发送顺序到

达终点。（T）

2.一台主机同时只能有一个IP地址，一个路由器

可以有多个IP地址。（F）

3.ICMP不是高层协议，而是IP层的协议，所

以不能封装在IP分组内。（F）

4,内部网关协议IGP在一个自治系统内部使用的

路由选择协议。目前这类路由选择协议使用得

最多，如RIP和OSPF协议。（T）

7.三、判断题

-JI--------

5.0SPF限制了网络的规模，它能使用的最大距

离为15(16表示不可达)。(F)

6,为了能够用于规模很大的网络，OSPF将一个

自治系统再划分为若干个更小区域。(T)

7」Pv6采用无类别编址CIDR,使IP地址的分配

更加合理。(T)

8.隧道技术是指在完全过渡到IPv6之前，使一

部分主机(或路由器)装有两个协议栈，一个

IPv4和一个IPv6。(F)

四、问答题

1.简述网络层的两种操作方式及其差别。

虚电路方式和数据报方式给有优缺。

数据报方式中，不需要建立连接和拆除连接，直

接就可以发送数据，同虚电路相比较，节省了建立和

拆除的时间，但是，数据报方式要进行路由选择，这

是要费时间。相反，虚电路方式一旦建立线路，就可

以直接传输了。

虚电路可以有效防止拥塞的发生，而数据报很难

做到这一点，但虚电路的故障承受能力较弱，数据报

则随时可以根据网络的情况选择路由，很容易做到均

衡网络负载。

四、问答题

2.简述网络中需要RARP协议的原因。

当主机系统启动时，通常可以从硬盘中读取一个

配置文件，从而获得本系统的IP地址，然而对于没有

本地硬盘的系统，如无盘工作站，无法存放接入网络

所需的IP地址，这就需要其他方法来获得系统的IP地

址。每个系统都有一个唯一的硬件地址，可以从接口

中读取，因此要解决从系统的硬件地址寻找其逻辑地

址，这就需要RARP(ReverseAddressResolution

Protocol),即逆向地址解析协议。

四、问答题

3,已知互联网和路由器中的路由表。主机H〔

向出发送分组。试讨论R1收至I」H1向出发送

的分组后查找路由表的过程。（见后页图）

R1的路由表（未给出默认路由器）

128.30.33.13目的网络地址子网掩码下一跳

子网1：

网络地址128.30.33.0128.30.33.0255.255.255.128接口0

子网掩码255.255.255.128128.30.33.128255.255.255.128接口1

128.30.36.0255.255.255.0R

128.30.33.102

SRi

子网2：网络地址128.30.33.128

128.30.33.1301子网掩码255,255.255.128

0128.30.33.129I

28.30.33.138_J.

1128.30.36.2

1子网3：网络地址128.30.36.0

^_^128.30.36.12子网掩码255,255.255.0

主机H1要发送分组给力

要发送的分组的目的IP地址：128.30.33.138

R1的路由表（未给出默认路由器）

128.30.33.13目的网络地址子网掩码下一跳

子网1：/

网络地址128.06.33.0128.30.33.0255.255.255.128接口0

128.30.33.128255.255.255.128接口1

128.30.36.0255.255.255.0

R2

子网2：网络地址128.30.33.128

128.30.33.130子网掩码255,255.255.128

0128.30.33.129

J128.30.33.138」

----------------------1

因此H1首先检查主机128.30.33.138是否连接在本网络上

如果是，则直接交付；

否则，就送交路由器并逐项查找路由表。

本子网的子网掩码255,255.255.128

与分组的IP地址128.30.33.138逐比特相“与”(AND操

255.255.255.128AND128.30.33.138的计算

255就是二进制的全1,因此255ANDxyz=xyz,

这里只需计算最后可128AND?38即可。

128一附000000

138^<001010

逐比特AND操作后：lloOOOOO->128

255.255.255128

逐比特AND操作128.30.33.138

128.30.33128wH1的网络地址

因此H1必须把分组传送到路由器

然后逐项查找路由表

R1的路由表（未给出默认路由器）

128.30.33.13I目的网络地址子网掩码下一跳

H口子网1：

宇网络地址128.30.33.0M28.30.33.0255.255.255.128接口0

丁子网掩石鼻255.255.255.128M28.30.33.128255.255.255.128接口1

M28.30.36.0255.255.255.0

128.30.33.1R2

R；

子网2：网络地址128.30.33.128

128.30.33.130I1子网掩码255,255.255.128

0128.30.33.129

R出口128.30.33.138/

2_..-.

1128.30.36.2

1子网3：网络地址128.30.36.0

^_^128.30.36.12子网掩码255,255.255.0

路由器R1收到分组后就用路由表中第1个项目的

子网掩码和128.30.33.138逐比特AND操作

R1收至ij的分?且的目的IP地址：128.30.33.133

128.30.33.13I目的网络地址子网掩码下一跳

Hi_J子网1：

网络地址12U.30.33.0>128.30.33.0255.255.255.128接口0

子网掩石马255255.255.128128.30*128255.255.255.128接口1

f128.30.热工

255.255.255.0R

128.30.33.02

RI

子网2雷不一致128

128.30.33.1301

5.128

^^8.30.33.129

H20128.30.33.138

R2

255.255.255.128AND128.30.33.138=128.30.33.128

不匹配！

（0^128.30.33.128与路由表中的128.30.33.0不一致）

路由器R1再用路由表中第2个项目的

子网掩码和128.30.33.138逐比特AND操作

R1收到的分组的目的IP地址：128.30.33.138

128.30.33.13目的网络地址子网掩码下一跳

子网

网络地址12130.33.0128.30.33.0255.255.255.128接口0

子网掩码255.*5.255.1281128^0,33,128255.255.255.128接口1

128.30.3

128.30.33.R2

子网2：网络地

128.30.33.1301子网掩彳

0128.30.33.129

H20128.30.33.138

255.255.255.128AND128.30.33.138=128.30.33.128

匹配！

这表明子网2就是收到的分组所要寻找的目的网络

四、问答题

4•简述网络互连的主要设备及其作用。

网络互连设备按其工作层次可分为以下四种：

•中继器（HUB集线器）：工作在物理层，用来增加网

络的物理距离。

.网桥数（SWITCH交换机）：工作在数据链路层，用

来转发和隔离网段。

・路由器：工作在网络层，用来转发网络分组、连接子

网。

・网关：工作在传输层之上，用来转发传输层或应用层

报文。