计算机网络原理网络层

第04章网络层讲师：韩立刚QQ：458717185QQ教学群：247549141

指引网络层提供的服务网际协议IP因特网的路由选择协议RIPOSPFARP协议网际控制报文协议ICMPInternet组播管理协议IGMP应用层运输层数据链路层网络层物理层网络层4个协议之间层次网络层提供的服务应用层运输层网络层数据链路层物理层应用层运输层网络层数据链路层物理层H1H2IP数据报丢失H1

发送给H2

的分组可能沿着不同路径传送因特网：数据报服务网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即IP数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传送的时限。尽最大努力交付的好处：由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉（与电信网的交换机相比较）。如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责（包括差错处理、流量控制等）。采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用。因特网能够发展到今日的规模，充分证明了当初采用这种设计思路的正确性。网络互连的设备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)集线器(HUB)。数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)交换机。网络层中继系统：路由器(router)。网络互连的设备：路由器当中继系统是转发器或网桥时，一般并不称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。互联网都是指用路由器进行互连的网络。由于历史的原因，许多有关TCP/IP的文献将网络层使用的路由器称为网关。5432154321主机H1

主机H2R1R4R5R2R3R1R2R3H1R5H2R4间接交付间接交付间接交付间接交付间接交付直接交付3221132211322113221132211分组在互联网中的传送从网络层看IP数据报的传送如果我们只从网络层考虑问题，那么IP数据报就可以想象是在网络层中传送。网络层网络层网络层网络层网络层网络层网络层IP数据报H1R1R2R3R4R5H2互连网络与虚拟互连网络网络网络网络网络网络(a)互连网络(b)虚拟互连网络路由器

虚拟互连网络（互联网）虚拟互连网络的意义所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用IP协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。使用IP协议的虚拟互连网络可简称为IP网。使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节。IP协议简介网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一。与IP协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议ARP(AddressResolutionProtocol)逆地址解析协议RARP(ReverseAddressResolutionProtocol)网际控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)网际组管理协议IGMP(InternetGroupManagementProtocol)IP地址与MAC硬件地址TCP报文IP数据报MAC帧应用层数据首部首部尾部首部链路层及以下使用硬件地址硬件地址网络层及以上使用IP地址IP地址下面介绍一下计算机A和计算机B通信过程。为什么不直接使用硬件地址进行通信？由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事。连接到因特网的主机都拥有统一的IP地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，因为调用ARP来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的。HA1HA5HA4HA3HA6主机H1主机H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网通信的路径H1→经过R1转发→再经过R2转发→H2查找路由表查找路由表HA1HA5HA4HA3HA6主机H1主机H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报从协议栈的层次上看数据的流动HA1HA5HA4HA3HA6主机H1主机H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报从虚拟的

IP

层上看

IP数据报的流动HA1HA5HA4HA3HA6主机H1主机H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报在链路上看

MAC帧的流动IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报图中的IP1→IP2

表示从源地址IP1

到目的地址IP2

两个路由器的IP地址并不出现在IP数据报的首部中IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2MAC帧从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报在具体的物理网络的链路层只能看见MAC帧而看不见IP数据报IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2MAC帧从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节在抽象的网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或主机和路由器之间的通信ARP&RARPIP地址物理地址ARP物理地址IP地址RARPARP简介不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARPcache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址。ARP响应AYXBZ主机B向A发送ARP响应分组主机A广播发送ARP请求分组ARP请求ARP请求ARP请求ARP请求209.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-1808-00-2B-00-EE-0A我是209.0.0.5，硬件地址是00-00-C0-15-AD-18我想知道主机209.0.0.6的硬件地址我是209.0.0.6硬件地址是08-00-2B-00-EE-0AAYXBZ209.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-18ARP高速缓存的作用为了减少网络上的通信量，主机A在发送其ARP请求分组时，就将自己的IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组。当主机B收到A的ARP请求分组时，就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中。这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了。应当注意的问题ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。使用ARP的四种典型情况发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用ARP找到目的主机的硬件地址。发送方是主机，要把IP数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。发送方是路由器，要把IP数据报转发到本网络上的一个主机。这时用ARP找到目的主机的硬件地址。发送方是路由器，要把IP数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。逆地址解析协议RARP逆地址解析协议RARP使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址。动手实验实验4-1：ARP命令实验4-2：MAC地址扫描工具指引网络层提供的两种服务网际协议IP虚拟互联网IP地址IP地址与硬件地址IP数据报格式IP转发分组的流程网际控制报文协议ICMP因特网的路由选择协议IP多播虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT应用层运输层数据链路层网络层物理层IP数据报一个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。数据部分首部IP数据报发送在前固定部分可变部分04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分数据部分首部IP数据报首部发送在前IP数据报可变部分首部04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分数据部分首部IP数据报固定部分发送在前IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分数据部分首部IP数据报固定部分可变部分区分服务发送在前IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分版本——占4位，指IP协议的版本目前的IP协议版本号为4(即IPv4)区分服务IP数据报首部的固定部分中的各字段首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分首部长度——占4位，可表示的最大数值是15个单位(一个单位为4字节)因此IP的首部长度的最大值是60字节。区分服务IP数据报首部的固定部分中的各字段首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分区分服务——占8位，用来获得更好的服务.在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直未被使用过。1998年这个字段改名为区分服务。只有在使用区分服务（DiffServ）时，这个字段才起作用。在一般的情况下都不使用这个字段QoS服务质量区分服务IP数据报首部的固定部分中的各字段首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分总长度——占16位，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为65535字节。总长度必须不超过最大传送单元MTU。区分服务IP数据报首部的固定部分中的各字段首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分标识(identification)占16位，它是一个计数器，用来产生数据报的标识，不是序号，每产生一个数据包，就增加1。区分服务IP数据报首部的固定部分中的各字段首部04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分标志(flag)占3位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是MF(MoreFragment)。MF

1表示后面“还有分片”。MF

0表示最后一个分片。标志字段中间的一位是DF(Don'tFragment)。只有当DF

0时才允许分片。IP数据报首部的固定部分中的各字段首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分片偏移(13位)指出：较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以8个字节为偏移单位。区分服务IP数据报首部的固定部分中的各字段偏移=0/8=0偏移=0/8=0偏移=1400/8=175偏移=2800/8=350140028003799279913993799需分片的数据报数据报片1首部数据部分共3800字节首部1首部2首部3字节0数据报片2数据报片314002800字节0IP数据报分片举例首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分生存时间(8位)记为TTL(TimeToLive)数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。区分服务IP数据报首部的固定部分中的各字段首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分协议(8位)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程区分服务IP数据报首部的固定部分中的各字段运输层网络层首部TCPUDPICMPIGMPOSPF数据部分IP数据报协议字段指出应将数据部分交给哪一个进程IP数据报首部的固定部分中的各字段首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分首部检验和(16位)字段只检验数据报的首部不检验数据部分。这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法。区分服务IP数据报首部的固定部分中的各字段发送端接收端16位字116位字2置为全0检验和16位字n16位反码算术运算求和……取反码数据报首部IP数据报16位检验和16位字116位字216位检验和16位字n16位反码算术运算求和16位结果……取反码数据部分若结果为0,则保留；否则，丢弃该数据报数据部分不参与检验和的计算校验过程首部04816192431版本标志生存时间协议标识总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分固定部分可变部分源地址和目的地址都各占4字节区分服务IP数据报IP数据报首部的可变部分IP首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。选项字段的长度可变，从1个字节到40个字节不等，取决于所选择的项目。增加首部的可变部分是为了增加IP数据报的功能，但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。动手实验实验4-2：使用snifferpro抓取IP数据报指引网络层提供的两种服务网际协议IP虚拟互联网IP地址IP地址与硬件地址IP数据报格式IP转发分组的流程划分子网和构造超网网际控制报文协议ICMP因特网的路由选择协议IP多播虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT应用层运输层数据链路层网络层物理层IP路由路由就是路由器从一个网段到另外一个网段转发数据包的过程，即数据包通过路由器转发，就是数据路由。网络畅通条件，要求数据包必须能够到达目标地址，同时数据包必须能够返回发送地址。这就要求沿途经过的路由器必须知道到目标网络如何转发数据包，即到达目的网络下一跳转发给哪个路由器，也就是必须有到达目标网络的路由，沿途的路由器还必须有数据包返回所需的路由。网络畅通的条件配置静态路由下面学习使用Cisco的PacketTracer。打开第五章练习“01静态路由.pkt”，如下图所示。可以看到，该网络中有5个网段，网络中的计算机和路由器都配置好了IP地址，现在需要您在路由器上添加路由表，实现这5个网段的互联互通。默认路由网络地址和子网掩码都为0，如图所示配置，这就意味着到任何网络下一跳转发给10.0.0.2。网络地址和子网掩码均为0的路由就是默认路由。Router(config)#iproute0.0.0.00.0.0.010.0.0.2Windows上的默认路由和网关计算机也有路由表，我们可以在计算机上运行routeprint显示Windows操作系统上的路由表。运行netstat–r也可以显示Windows操作系统上的路由表。如图所示，给计算机配置网关就是给计算机添加默认路由。Windows上的默认路由和网关如果不配置计算机的网关，使用以下命令添加默认路由。如图所示，去掉本地连接的网关，在命令提示符下，输入routeprint，可以看到没有默认路由了，该计算机也不能访问其他网段，ping202.99.160.68提示“目标主机不可到达”。Windows上的默认路由和网关如图所示，在命令提示符下，输入route/?可以看到该命令的帮助。输入routeadd0.0.0.0mask0.0.0.0192.168.8.1，添加默认路由。输入routeprint可以显示路由表，默认路由已经出现。Ping202.99.160.68可以ping通。Windows上的默认路由和网关如图所示，内网的计算机需要配置IP地址、子网掩码和网关，网关就是Server的内网网卡的IP地址。在Server的两个连接，内网的网卡不需要配置网关，但是连接Internet的网卡需要配置默认网关。注意IP数据报的首部中没有地方可以用来指明“下一跳路由器的IP地址”。当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳路由器的IP地址填入IP数据报，而是送交下层的网络接口软件。网络接口软件使用ARP负责将下一跳路由器的IP地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的MAC帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。指引网络层提供的两种服务网际协议IP划分子网和构造超网划分子网无分类编址构造超网网际控制报文协议ICMP因特网的路由选择协议IP多播虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT应用层运输层数据链路层网络层物理层ICMP简介为了提高IP数据报交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)。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报告。ICMP不是高层协议，而是IP层的协议。ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。ICMP报文格式首部ICMP报文0数据部分检验和类型代码（这4个字节取决于ICMP报文的类型）81631IP数据报前4个字节都是一样的ICMP的数据部分（长度取决于类型）ICMP报文的类型ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。ICMP报文的前4个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的4个字节的内容与ICMP的类型有关。差错报告报文有五种：终点不可达，源点抑制(Sourcequench)，时间超过，参数问题，改变路由（重定向）(Redirect)询问报文有两种：回送请求和回答报文，时间戳请求和回答报文差错报告报告报文的数据字段的内容首部IP数据报ICMP的前8字节装入ICMP报文的IP数据报IP数据报首部ICMP差错报告报文8字节收到的IP数据报IP数据报首部8字节ICMP差错报告报文IP数据报的数据字段ICMP应用举例PING用来测试两个主机之间的连通性。PING使用了ICMP回送请求与回送回答报文。PING是应用层直接使用网络层ICMP的例子，它没有通过运输层的TCP或UDP。Pathpingtracert指引网络层提供的两种服务网际协议IP划分子网和构造超网划分子网无分类编址构造超网网际控制报文协议ICMP因特网的路由选择协议IP多播虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT应用层运输层数据链路层网络层物理层ping命令诊断网络故障PING（PacketInternetGrope），因特网包探索器，用于测试网络连接量的程序。Ping发送一个ICMP回声请求消息给目的地并报告是否收到所希望的ICMP回声应答。ping指的是端对端连通，通常用来作为可用性的检查，但是某些病毒木马会强行大量远程执行ping命令抢占你的网络资源，导致系统变慢，网速变慢。严禁ping入侵作为大多数防火墙的一个基本功能提供给用户进行选择。如果你打开IE浏览器访问网站失败，你可以通过ping命令测试到Internet的网络连通，可以为你排除网络故障提供线索，下面展示ping命令返回的信息以及分析其原因。目标主机不可到达目标网络不可到达请求超时通过延迟评估网络带宽Pathping跟踪数据包的路径

使用ping能够判断网络通还是不通，比如请求超时，你就不能判断什么位置出现的网络故障造成的请求超时。使用pathping命令能跟踪数据包的路径，能够查出故障点，并且能够计算路由器转发丢包率和链路丢包率以及延迟，据此能够判断出网络拥塞情况。使用pathping判断网络故障点

藁城水科院和正定水科院都与石家庄水科院连接，如图2-197所示，在藁城水科院部署了一台流媒体服务器，一天，正定水科院的人反映访问藁城的流媒体服务器点播视频非常不连贯。如果你是藁城水科院的网络管理员，如何断定是网络出现了网络拥塞还是流媒体服务器过载?因特网的路由选择协议根据路由算法的自适应性划分：

静态路由选择策略

动态路由选择策略自治系统AS、内部网关协议IGP、外部网关协议EGP

用内部网关协议（例如，RIP）自治系统B自治系统A用外部网关协议（例如，BGP-4）R1R2

用内部网关协议（例如，OSPF）分层次的路由选择协议工作原理RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。R2R1N1N3N2N11直接N21直接N32R2N12R1N21直接N31直接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。按固定的时间间隔交换路由信息RIP算法举例目的网络距离下一跳路由器Net23R4Net34R5………表4-9(a)R6路由表目的网络距离下一跳路由器Net13R1Net24R2Net31直接交付表4-9(b)R4发来的路由信息表表4-9(c)修改后的表4-9(b)目的网络距离下一跳路由器目的网络距离下一跳路由器表4-9(d)R6更新后的路由表4字节RIP报文路由信息（20字节/路由）可重复出现最多25个IP数据报路由标记网络地址地址族标识符距离(1-16)IP首部UDP首部首部路由部分必为0版本命令4字节子网掩码下一跳路由器地址UDP用户数据报RIP2协议的报文格式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。R2R1网1网3网2正常情况11

12R1R1

说：“我到网1的距离是1，是直接交付。”“1”表示“从本路由器到网

1”“1”表示“距离是

1”“

”表示“直接交付”R2R1网1网3网2正常情况11

12R1R2

说：“我到网1的距离是2，是经过R1。”“1”表示“从本路由器到网

1”“2”表示“距离是

2”“R1”表示经过R1R2R1网1网3网2R2R1网1网3网2网

1出了故障正常情况11

116

12R112