工程师学习计算机网络章

第7章网络互连路由器在网际互连中的作用因特网的网际协议IP划分子网和构造超网因特网控制报文协议ICMP因特网的路由选择协议IP多播和因特网组管理协议下一代的网际协议IPv6（IPng）重点内容：掌握路由器的作用及工作原理；网际协议IP；划分子网和构造超网；路由表、内部网关协议RIP和OSPF。难点：下一代的网际协议IPv6。§7.1路由器在网际互连中的作用一、路由器的构成直接交付：源主机A和目的主机B连接在同一个网络中，则不需通过路由器。间接交付：若目的主机C或D与源主机A不在同一个网络中，则必须由路由器转发。

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。 路由器工作在网络层。

图7-2给出了典型的路由器的构成框图。路由器结构路由选择处理机的任务是：根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时定期地和相邻路由器交换路由信息而不断地更新路由表。交换构件的作用是：根据转发表对分组进行处理，将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去。路由器的输入和输出端口中有三个处理模块，分别负责物理层、数据链路层和网络层的数据处理。如图7-３，图7-4所示二、互联网与因特网将网络互相连接起来要使用一些中间设备，根据它们工作的层次，分：⑴物理层：转发器（Repeater）或集线器（HUB）。⑵数据链路层：网桥（Bridge）、交换机。⑶网络层：路由器（Router）。⑷网络层以上：网关（Gateway）。用于1,2这二层的并不称之为网络互连，仅仅是把一个网络扩大的，而这仍然是一个网络。一般讨论的互连网是指用路由器进行互连网络。物理层：在电缆段之间复制比特信号（无地址）网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层中继器、集线器网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层网桥、交换机数据链路层在网段之间转发数据帧（根据物理地址）数据链路层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层路由器数据链路层网络层在网络之间转发报文分组（根据逻辑地址）网络层：更高层：

连接不同体系结构的网络网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层网络层数据链路层物理层传输层表示层会话层应用层物理层网关数据链路层网络层因特网在IP层采用了标准化协议。因此可以将互连以后的计算机网络看成一个虚拟互联网络。所谓虚拟互联网络意思是:互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是利用IP协议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。使用虚拟互联网络的好处是：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，它们看不见互连的各具体网络的异构细节。§7.2因特网的网际协议IP与IP协议配套使用的还有四个协议地址解析协议ARP（AddressResolutionProtocol）反向地址解析协议RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）因特网控制报文协议ICMP（InternetControlMessageProtocol）因特网组管理协议IGMP

（InternetGroupManagementProtocol）7.2.1分类IP地址1、IP地址及其表示方法IP地址就是给因特网上的每台主机分配一个全球唯一的地址，长32位。IP地址的编址方法经历了三个阶段：①分类IP地址，最基本的编址方法。②子网的划分，对最基本编址方法的改进。③构成超网，较新的无分类编址方法。“分类”方法是将IP地址分成两个字段，一个是网络号net-id，标识主机所连接到的网络，另一个是主机号host-id，标识该主机。

IP地址∷＝{<网络号>，<主机号>}图7-7给出了各种IP地址的网络号字段和主机号字段，其中，A类、B类和C类地址是最常用的。路由器转发分组过程转发表只使用IP地址中的网络号net-id来查找路由。路由器转发分组步骤：①先按所要找的IP地址中的网络号net-id把目的网络找到②当分组到达目的网络后，在利用主机号host-id将数据直接交付给目的主机。为什么要将IP地址分类？各种网络的差异很大，有的网络拥有很多主机，而有的网络的主机则很少。将IP地址划分为A类、B类、C类可更好地满足不同用户的要求。当某个单位申请到一个IP地址时，实际是只是获得了一个网络号net-id。具体的各个主机号host-id则由该单位自行分配。A类IP地址的网络号数目不多。现在能够申请到的IP地址只要B类和C类。由于IP地址没有得到充分利用，造成浪费。IP地址点分十进制记法IP地址是32位的二进制代码。为了提高可读性，将32位的IP地址每8位转换成等效的十进制数，并且中间加上一个点。这就是点分十进制记法。特殊IP地址一．第一个字节不能为０和1271、网络号为全0为保留地址，表示“本网络”，例0.1.1.35表示在本网络上的主机352、第一个字节127（即01111111）为测试地址，表示本主机。如：127.0.0.1二.主机号不能为全0和全13、主机号全0表示主机所在的网络地址例：主机212.111.44.136所在网络的地址为212.111.44.04、主机号全1表示广播地址，用于向某个网络的所有主机广播例：主机212.111.44.136所在网络的广播地址为212.111.44.255IP地址的使用范围网络类别网络数主机数/网络号的取值范围网络规模A类224－21-126大型B类214216－2128.0–191.255中型C类22128－2192.0.0–223.255.255小型27－2IP地址的特性在同一个局域网上，主机或路由器的IP地址的网络号必须相同。用网桥互连的网段仍然是一个局域网，只能有一个网络号。路由器有两个或两个以上的IP地址。见图7－9IP地址与硬件地址（1）IP地址放在IP数据报的首部（在网络层以上使用）。（2）硬件地址放在MAC帧的首部（在链路层以下使用）。IP数据报首部的MAC帧首部的源地址目的地址源地址目的地址从H1到R1IP1IP2HA1HA3从R1到R2IP1IP2HA4HA5从R2到H2IP1IP2HA6HA2地址解析协议ARP和

反向地址解析协议RARP1.为什么需要地址解析协议ARP在因特网中，IP地址是所有数据分组传输的逻辑地址。数据链路层必须使用物理（MAC）地址进行数据通信。如果发送方仅知道接收方的IP地址，而不知道其MAC地址，该怎么办？地址解析协议工作过程AC我需要10.1.0.5的MAC地址IP=10.1.0.5MAC=???

我就是。这是我的MAC地址IP=10.1.0.5MAC=0800.0020.2C0AB10.1.0.110.1.0.510.1.0.2ARP用于IP地址映射到MAC地址。方法：1）检查ARP高速缓存表；2）若地址不在表中，就向网上广播ARP请求。需要指出的是：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。若两台主机不在同一网络中，则只能逐段解析。2.反向地址解析协议RARP一台计算机的IP地址保存在其辅存中，系统启动时找到这个地址。那么对于无盘工作站如何确定自己的IP地址呢？无盘工作站在启动时，只知道自己的MAC地址，而不知道自己的IP地址。采用RARP协议可以实现MAC地址到IP地址的转换。在一台无盘工作站启动时，以广播方式发出RARP请求。服务器会根据MAC地址为该工作站分配一个IP地址，通过RARP响应包发送回去。IP数据报的格式版本号首部长服务类型总长度标志片偏移048161931标识生存时间TTL协议首部校验和源IP地址目的IP地址长度可变的可选字段数据区填充IP数据报首部的各字段版本号，目前版本号为4。首部长度，IP报头分为固定部分和选项部分，固定部分长20个字节，而选项部分为变长。服务类型，8bit，规定了对数据报的处理方式。前3个比特表示优先级；第4比特D，表示要求低时延；第5比特T，表示要求高吞吐量；第6比特R，表示要求高可靠性；第7比特C，表示要求低廉路由。总长度，指首部和数据之和的长度，16bit，IP数据报的最大长度为64K。标识，标志，片位移IP数据报的分段和重组不同物理网络数据帧的最大长度(即最大传送单元MTU)不同。因此，当IP数据报穿过较小帧长的物理网络时，需进行分段。到达目的主机后再重组。主机AMTU＝1500R1R2主机BMTU＝1500MTU＝620标识，使得目的主机来确定新到的分段属于哪一个IP数据报。标志，包括“禁止分段”标志DF=1和“还有分段”标志MF=1。片位移，指出本分段的第一个字节在IP数据报中的偏移值，以8字节为单位。例：设IP数据报总长度为4000字节，其中数据部分长3800字节，需穿过MTU为1420字节的物理网络，应如何分片？因IP数据报的固定首部长20字节，因此，每个数据报片的数据部分长度不超过1400字节。DF=1禁止分段MF=1后面还有分片生存时间TTL（TimeToLive），为了防止路由表状态出错而导致报文在网络中无休止地传输，每经过一个路由器，TTL值减1，直到为0，丢弃该报文。协议，指示上层协议，接收端根据协议类型确定应该把IP报文交给那一个上层协议处理。（如：TCP6，UDP17等）首部校验和，用于校验头部数据的完整性。IP协议没有提供对数据部分的校验。源地址，源站的IP地址。目的地址，目的的IP地址。IP数据报首部的可变部分，是一个选项字段。7.2.5IP层处理数据报的流程在路由表中，最主要的内容是：

（目的网络地址，下一跳地址）路由器的处理过程：（１）从IP数据报中提取目的IP地址，得到其目的网络地址。（２）根据目的网络地址查找路由表，得到下一跳(即下一个路由器)（3）当到达最后一个路由器时，向目的主机进行直接交付。当路由器得出下一跳路由器的IP地址后，再将下一跳路由器的IP地址转换成MAC地址。§7.3划分子网和构造超网7.3.1子网的划分1、划分子网的概念和思路

两级IP地址不合理之处：IP地址空间的利用率有时很低。 在IP地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级IP地址变成三级IP地址。这种方法叫做划分子网（subnetting）

划分子网基本思路：⑴一个拥有许多物理网络的单位，可将所属的物理网络划分为若干个子网（subnet）。⑵划分子网的方法是从主机号借用若干位作为子网号。

IP地址∷＝{<网络号>,<子网号>,<主机号>}⑶对本单位以外的路由器没有影响。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找到本单位的路由器。此路由器再按子网号找到目的子网，将IP数据报交给目的主机。图7-17表示一个单位拥有一个B类IP地址，网络地址是145.13.0.0(net-id是145.13)。现将图7-17的网络划分为三个子网，如图7-18所示。2.子网掩码如何表示子网号的长度呢？使用子网掩码（mask）。子网掩码的长度和IP地址的长度相同，也是32位，前面是连续若干个1，后面是连续若干个0。连续1的个数就代表了网络号和子网号的长度，连续0的个数则代表主机号的长度。举例。掩码：11111100000000IP地址：00000100000001

网络号和子网号 主机号（128.168.1）（1）网络地址就是：将IP地址中主机号置为全0时的地址。上例中网络地址是128.168.1.0例1，IP地址为：192.168.0.1子网掩码为：255.255.255.0,是否划分了子网，如果划分了，网络号、子网号和主机号各为多少？网络地址为多少？例２，IP地址为：128.168.129.1子网掩码为：255.255.255.0,是否划分了子网，如果划分了，网络号、子网号和主机号各为多少？网络地址为多少？如子网掩码为：255.255.192.0呢？默认的子网掩码A类B类11…10000…011………100………08bit24bit16bit16bitC类255.0.0.0255.255.0.0255.255.255.0默认子网掩码,子网掩码中“1”的长度就是网络号的长度：11………100…024bit8bit注意：子网号不能为全0或全1。例：某单位申请到一个C类网络地址192.5.1.0,该单位现有8个分布在不同地点的网络，若采用子网，则子网号应占多少位？每个子网可容纳多少台主机，每个子网IＰ地址的表示范围是多少？子网掩码如何设置？7.3.2使用子网时分组的转发写出R1和R2的路由表并分析分组如何转发到128.30.36.12目的网络地址子网掩码下一跳地址128.30.33.0255.255.255.128接口0128.30.33.128255.255.255.128接口1128.30.36.0255.255.255.0R2(128.30.33.129)R1的路由表路由器收到分组后将目的IP地址与子网掩码相与，取出IP中的目的网络地址，将其与路由表的目的网络地址进行比较，决定如何转发。例：设某路由器建立了如下表所示的路由表:目的网络子网掩码下一站128.96.39.0255.255.255.128接口0128.96.39.128255.255.255.128接口1128.96.40.0255.255.255.128R2192.4.153.0255.255.255.192R3*(默认)

R4

此路由器可以直接从接口0和接口1转发分组，也可通过相邻的路由器R2、R3和R4进行转发。现共收到5个分组，其目的站IP地址分别为：（１）128.96.39.10（２）128.96.40.12（３）128.96.40.151（４）192.4.153.17

（５）192.4.153.90试分别计算其下一站。7.3.3无分类编址CIDR（构造超网）1、网络前缀因特网面临的问题：1）B类IP地址已快分配完2）路由表数目急剧增长方法是采用CIDR，特点：1）CIDR消除了IP地址分类及划分子网的概念，用网络前缀来取代网络号和子网号。IP地址：＝{<网络前缀>,<主机号>}

采用“/”记法，如128.14.46.34/20，表示前缀长20位，后面12位为主机号。2）CIDR将网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR”地址块。如128.14.32.0/20表示的最小地址和最大地址为：最小地址128.14.32.01000000000001110001000000..0最大地址128.14.47.2551000000000001110001011111..1在不使用CIDR时，ISP向客户分配IP地址时，只能以/8,/16,/24来分配。现在没有这种限制。例某ISP已拥有地址块206.0.64.0/18(相当于64个C类网络)。现在某大学需要800个IP地址。在不使用CIDR时，ISP可分配一个B类地址（浪费很多），或4个C类地址（路由表中有4个项目）。采用CIDR后ISP分配206.0.68.0/22，相当于4个C类地址块。好处？IP地址的范围是多少？各系为保证各自网络的独立性，希望采用不同的网络号，设一系有500台计算机，二系有250台，三系有120台，四系有120台，各系网络前缀应如何分配？IP地址的范围是多少？地址块二进制表示地址数ISP206.0.64.0/1811001110.0~0.01*16384大学206.0.68.0/2211001110.0~0.010001*1024一系206.0.68.0/2311001110.0~0.0100010*512二系206.0.70.0/2411001110.0~0.01000110.*256三系206.0.71.0/2511001110.0~0.01000111.0*128四系206.0.71.128/2511001110.0~0.01000111.1*128例题一个自治系统有5个局域网，其连接图如图所示，LAN1至LAN5上的主机数分别为：30，91，150，3，15，该自治系统分配到的IP地址块为30.138.118/23，试给出每一个局域网的地址块（包括前缀）RRRLAN1LAN2LAN3LAN4LAN5§7.4因特网控制报文协议ICMP一、ICMP报文分类ICMP（InternetControlMessageProtocol）是一种差错和控制报文协议，用于主机或路由器报告差错情况。ICMP报文封装在IP数据报中进行传输。类型代码检验和（这4个字节取决于ICMP报文的类型）ICMP数据部分ICMP报文IP数据部分IP首部如何识别一个IP包传送的是ICMP报文？IP报文首部中的协议为1时表示报文的数据部分是ICMP报文。虽然ICMP报文由IP报文传输，但是并不能认为ICMP是IP的上层协议，而是IP协议的补充。ICMP报文类型见下表：ICMP报文种类类型值ICMP报文的含义差错报告报文3目的站不可达4源站抑制11时间超过12参数问题5改变路由询问报文8或0回送请求或回答13或14时间戳请求或回答17或18地址掩码请求或回答10或9路由器询问或通告1、目的站不可达2、源站抑制：路由器拥塞，请求源站放慢发送。3.超时报告 如果路由表出现错误，可能会出现循环路由，报文会无休止地传输。 为了避免这种情况，IP协议在报文首部中加入了TTL字段，当TTL字段为0时产生一个超时报告，发送给源端。4.参数出错报告当数据报首部中有错误的情况。三、ICMP询问报文ICMP询问报文有4种：1.请求/应答报文该类报文用于测试网络的可达性。命令：ping目的站的IP地址。

ICMP工具程序PING PING工具程序可用来发出ICMP回送请求包，以初步排查网络联网异常。ABEchoRequestEchoReply利用PING来诊断网络问题

1.Ping127.0.0.1——用于测试TCP/IP协议是否运行正常

2.Ping网关——测试网络连接是否正常

3.Ping，如果有响应，代表DNS设置无误。2.时间戳请求与应答报文使两台机器上的时钟同步。3.掩码地址请求和回答报文无盘工作站从服务器获得地址掩码。4.路由器询问和通告报文主机了解本网络上的路由器是否正常工作。7.5因特网的路由选择协议7.5.1有关路由选择协议的几个基本概念1、理想的路由选择算法（1）算法必须是正确的和完整的（2）算法在计算上应简单（3）算法应能适应通信量和网络拓扑的变化（4）算法应具有稳定性（5）算法应是公平的（6）算法是最佳的：费用最低路由选择静态路由选择动态路由选择内部网关协议（RIP、OSPF）外部网关协议（BGP）静态路由选择缺点：需手工配置和修改路由表，不灵活；优点：节省网络带宽和CPU时间，适全小规模网络。动态路由选择则相反。因特网采用动态路由选择协议。2、分层次的路由选择协议因特网的规模很大，如不分层的话，路由表将非常大，影响路由选择的速度。因特网被划分为许多小的自治系统AS。每个自治系统有权决定采用何种路由选择协议。一个自治系统属于一个行政单位来管辖。AS内采用内部网关协议，AS间采用外部网关协议，见图7－247.5.2RIP路由信息协议RIP，是基于距离向量的路由选择协议。距离即“跳数”，指经过的路由器的个数，RIP中最大跳数只能为15,16即为不可达。因此只适合于小型互联网。RIP的特点：1）仅和相邻路由器交换信息2）交换的信息是当前路由器的路由表。3）按固定的时间间隔交换路由信息，例30s.RIP交换路由表的关键是找到到目的网络的最小跳数。距离向量算法收到相邻路由器（其地址为X）的RIP报文（目的网络，距离，下一跳）：1）先修改此RIP报文中的所有记录：将“下一跳”都设为X，并将所有的距离＋1。2）重复以下步骤：若项目中的目的网络不在路由表中，则添加。否则，若下一跳路由器地址相同，则更新。否则，若收到的项目中的距离＜路由表中的距离，则更新否则什么也不做。3）若3分钟内没有收到相邻路由器的更新路由表，则认为不可达。4）返回RIP的缺点：1）最大跳数15跳，限制了网络规模2）路由器之间交换完整路由表，开销大3）好消息传得快，坏消息传得慢。7.5.3

OSPFOSPF（OpenShortestPathFirst）即开放最短路径优先，又称链路状态协议。1、OSPF协议的基本特点：1）向本自治系统内的所有路由器发送信息。即洪泛法。(动画)2）发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，即费用、距离、时延、带宽等。3）只有当链路状态发生改变时，才发送此信息。OSPF路由表的形成：链路状态数据库路由表链路状态

根据分析可见，OSPF能看到一个全网拓扑结构图，并且知道每一条链路的费用，由此构造出路由表。更新和收敛很快。全网拓扑结构图2、OSPF的五种分组类型1）问候分组（Hello）:用于发现和维持邻站的可达性。2）数据库描述分组：向邻站给出自己的链路状态数据库中的信息。用于路由器启动时。3）链路状态请求分组：向对方请求某些链路的状态信息。4）链路状态更新分组：用洪泛法向全网发送更新的链路状态。5）链中状态确认分组：对链路更新分组的确认。7.5.4外部网关协议BGPBGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。使用BGP协议的原因：1）因特网的规模太大，使得域间路由选择非常困难。2）由于各自治系统采用不同的路由选择协议，路径费用的算法也各不相同。因此，寻找最佳路由是不现实的。3）域间路径选择必须考虑有关策略。例，经过自治系统C是最好路径，但C不允许经过。再如，自治系统A为了安全不希望自己的信息经过某一自治系统。因此，BGP只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由，而并非要寻找一条最佳路由。每个BGP发言人除了运行BGP外，还运行该AS内的内部网关协议。ASASASASASAS§7.6IP多播和因特网组管理协议一、IP多播的引入多播是指向一个主机组发送IP数据报。由于有许多的应用需要一对多的通信。例如，交互式会议，远程教学等。多播的数据报仅在传送到路径分岔时才将数据报复制后继续转发。若不是多播，源站一开始就要发送多个数据报。见图7－39因此IP多播的引入节省了网络资源。路由器要运行多播协议。

IP使用D类地址支持多播。地址前缀为1110，每个D类地址标识一组主机，可以标识228个主机组。多播的成员是动态的。四、IGMP协议IGMP（InternetGroupManagementProtocol）是在多播环境下使用的协议。它位于网际层。IGMP就是用来帮助多播路由器识别加入到一个多播组的成员主机。IGMP工作两个阶段：①当某个主机加入新的多播组时，该主机应向多播组发送一个IGMP报文，声明自己要成为该组成员。本地的多播路由器收到IGMP报文后，将组成员关系转发到因特网上的其它多播路由器。②因为组成员关系是动态的，因此，多播路由器要周期性地向探询，以发现某主机是否继续是组的成员。主机收到询问后，作出响应，报告它所属的主机组。

隧道技术（tunneling）当多播数据报在传输的过程中，若遇到有不运行多播软件的路由器或网络，那么就采用隧道技术。隧道技术:路由器首先对多播数据报进行封装，使之成为向单一目的站发送的单播（unicast）数据报，然后通过“隧道”（tunnel）发送到对方路由器，对方路由器恢复数据报为原来的多播数据报，继续向多个目的站转发。§7.7下一代网际协议IPv6IPv6是“互联网协议第六版”的缩写。IPv6是由IETF设计的下一代互联网协议，目的是取代现有的互联网协议第四版（IPv4)。

现在大多数使用的互联网协议IPv4已有20年的历史。IPv4在过去的应用具有辉煌的业绩，但是现在看来已经露出很多弊端。最为重要的是地址短缺的问题。IPv6特性IPv6协议的特性：更大的地址空间

简化了首部格式：将首部长度固定为40个字节，称为基本首部，首部字段数减少为8个。灵活的协议：将IPV4的选项中的功能和分片功能放在可选的扩展首部中，而路由器不处理扩展首部，因而提高了效率。允许对网络资源的预分配：以支持实时视频允许协议继续演变和增加新的功能：以适应未来技术的发展。IPv6数据报在基本首部的后面允许有零个或多个扩展首部(extensionheader)，再后面是数据，如图7-32所示。IPV6数据报的格式如下：1)版本：62）通信量类：优先级3）流标号：对数据报，路由器上预分配的资源标识。4）有效载荷长度：除基本首部外的字节数。5）下一个首部：当没有扩展首部时，指定上层协议，TCP为6