《IP层协定和原理》课件

IP层协定和原理本节课将深入探讨IP协议的架构、功能和工作原理。重点讲解IP地址、子网掩码、路由选择、IP数据报格式等核心概念。DH投稿人：DingJunHongIP层简介网络层协议IP协议是网络层最重要的协议，它负责数据包的路由和传输，并提供网络层服务。数据报传输IP协议以数据报为单位进行数据传输，每个数据报包含源IP地址、目标IP地址和数据等信息。互联网核心IP协议是互联网的核心协议，它连接了全球范围内的各种网络和设备，实现数据交换。IP层主要功能IP地址分配和管理IP层负责为网络中的每个设备分配唯一的IP地址。路由选择IP层根据IP地址信息，决定数据包的最佳转发路径。数据报封装和分片IP层将来自上层协议的数据封装成IP数据报，并根据网络状况进行分片。网络连接IP层提供基础的网络连接功能，使不同网络之间的设备能够相互通信。IP地址体系互联网地址IP地址是互联网中每台计算机或设备的唯一标识符，类似于现实世界中的门牌号码，用于识别网络中的每个节点。网络地址体系IP地址体系是用来管理和分配互联网地址的规则和标准，确保每个网络节点的地址都是唯一且可识别的。层级结构IP地址体系是一个分层结构，包括网络地址、子网掩码、网关等，实现网络地址的分配、路由选择和数据包传输。IPv4地址结构IPv4地址由32位二进制数表示，可以写成点分十进制形式，例如192.168.1.100。32位IPv4地址由32位二进制数表示，每个位可以是0或1。4字节每个字节包含8位，由点号分隔。255最大值每个字节的最大值为255，表示为11111111。4.3B地址数理论上IPv4地址可以表示43亿个地址，但实际可用地址少很多。IPv4地址分类1A类地址A类地址用于大型网络，通常用于大型组织或服务提供商。2B类地址B类地址适用于中型网络，例如大学或企业。3C类地址C类地址适用于小型网络，例如小型办公室或家庭网络。4D类地址D类地址用于组播，允许将数据包发送到一组接收者。IP数据报格式IP数据报是IP层传输数据的基本单位。它包含源地址、目的地址、数据长度、协议类型等关键信息，以及数据部分。IP数据报通过网络进行传输，并在到达目的主机后进行处理。IPv4地址分配互联网地址分配互联网地址分配由InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers(ICANN)负责，ICANN将地址空间分配给区域互联网注册管理机构(RIR)。RIR负责其管辖区域内IP地址的管理，如分配给企业、运营商等。内部地址分配企业或组织内部的IP地址分配通常由内部网络管理员负责，他们会根据网络规模和需求分配IP地址。为了避免地址冲突，内部地址分配通常使用私有IP地址范围，这些地址在互联网上无法访问。子网划分1网络地址空间IP地址有限资源2子网划分将网络地址空间划分成更小的子网络3子网掩码区分主机地址和网络地址4网络管理提升网络效率和安全性子网划分是一种将单个大型网络划分为多个较小子网络的技术。每个子网络都有自己的网络地址范围，并使用子网掩码来标识。这种方法可以提高网络效率，增强安全性，并简化网络管理。它允许更好地管理网络资源，并根据需要创建子网。子网划分示例例如，一个网络的IP地址范围是192.168.1.0到192.168.1.255，可以使用子网划分将该网络分成两个子网，例如192.168.1.0到192.168.1.127和192.168.1.128到192.168.1.255。每个子网都有自己的子网掩码，用于识别属于该子网的IP地址。子网划分可以提高网络效率，减少广播域，增强网络安全性。子网掩码概念11.识别网络和主机子网掩码用来区分IP地址中的网络部分和主机部分。22.网络标识子网掩码可以标识不同的子网，在同一网络中区分不同的子网。33.提高效率子网掩码可以将一个大的网络划分为多个子网，从而提高网络效率。44.安全性子网掩码可以增强网络安全性，通过限制访问权限来保护网络资源。子网掩码使用网络标识子网掩码用于识别网络和主机地址之间的界限，将网络地址和主机地址区分开来。网络地址子网掩码与IP地址进行位运算，得到网络地址部分，用于区分不同的网络。主机地址子网掩码与IP地址进行位运算，得到主机地址部分，用于区分同一网络中的不同主机。网络路由子网掩码帮助路由器识别目标网络，确定数据包的转发路径，实现网络数据传输。路由选择概述网络路径网络中的数据包需要找到到达目的地的最佳路径。路径选择路由器根据网络拓扑、流量情况等因素选择最佳路径。数据传输路由选择确保数据包在网络中高效地传输。数据转发路由器根据路由表中的信息将数据包转发到下一个节点。路由选择算法最短路径算法算法计算网络中两点间的最短路径，例如Dijkstra算法。洪泛算法算法将路由信息广播到所有连接的网络，适用于小型网络。距离向量算法每个路由器维护一个距离向量表，记录到达其他路由器的距离和下一跳路由器。链路状态算法算法构建一个网络拓扑图，每个路由器维护一个链路状态数据库，记录所有网络节点和链路状态信息。静态路由和动态路由静态路由管理员手动配置路由表。适用于网络结构简单且稳定的网络。维护成本低，但灵活性较差。动态路由路由器之间自动交换路由信息，更新路由表。适用于网络结构复杂且动态变化的网络。维护成本高，但灵活性高。动态路由协议分类距离矢量路由协议基于节点间的距离进行路由选择，距离可以是跳数或成本。链路状态路由协议维护全局网络拓扑信息，计算最优路径并进行路由选择。混合路由协议结合距离矢量和链路状态协议的特点，提供更灵活的路由选择方案。RIP路由协议RIP简介RIP是一种距离矢量路由协议，使用跳数作为度量。它通过广播的方式将路由信息传递给网络中的其他路由器。RIP协议简单易用，但其最大跳数限制为15跳，不利于大规模网络使用。RIP工作原理RIP协议通过定期发送路由更新报文来更新路由信息，每个路由器都将自己的路由信息广播给网络中的其他路由器。其他路由器会根据收到的路由更新报文来更新自己的路由表。OSPF路由协议链路状态路由协议OSPF使用链路状态路由协议，基于迪杰斯特拉算法。区域划分OSPF支持区域划分，提高网络效率。安全认证OSPF支持认证机制，确保路由信息安全。层次化结构OSPF支持层次化结构，方便管理大型网络。BGP路由协议路径矢量路由协议BGP使用路径矢量算法，基于AS号和路径长度选择最佳路由。自治系统间路由BGP用于在不同自治系统之间交换路由信息，确保跨越不同网络的连接。路由表维护BGP维护路由表，包含网络地址、路径、AS号等信息，用于选择最佳路由路径。IP数据转发过程1接收IP数据报路由器接收来自网络上的IP数据报，并检查其目的IP地址。2查找路由表路由器根据目的IP地址，在路由表中查找与该地址匹配的路由条目。3选择最佳路径路由表中可能存在多个匹配的路由条目，路由器根据策略选择最佳路径。4封装数据报路由器将IP数据报封装到新的网络层数据报中，并发送到下一跳路由器。5重复转发IP数据报在网络中不断转发，直到到达最终目的地。TTL机制1生存时间TTL(TimetoLive)指的是数据包在网络中可以存活的时间，以秒为单位。2防止循环每个数据包在传输过程中TTL值会递减，当TTL值为0时，数据包会被丢弃，避免数据包无限循环。3网络管理TTL可用于网络管理，例如跟踪数据包的路径和识别网络中的循环问题。分片与重组1数据报过大数据报超出MTU2分片将数据报分成多个片段3发送逐个发送片段4接收接收所有片段5重组将片段重新组装成完整数据报当数据报过大时，需要将数据报分成多个片段，以便通过网络传输。接收方收到所有片段后，需要将它们重新组装成完整的数据报。ICMP协议互联网控制报文协议ICMP是互联网控制报文协议，用于在网络设备之间传递控制信息。错误报告ICMP用于报告错误，例如目标主机不可达或数据包丢失。网络诊断ICMP可用于诊断网络问题，例如路由器故障或网络拥塞。ICMP报文类型差错报告ICMP协议用于在网络中传递差错信息，报告数据包传输中的异常情况，例如目标主机不可达或数据包丢失等。询问报文ICMP协议用于进行网络探测，查询网络状态，例如ping命令就是使用ICMP协议发送回声请求报文，测试网络连通性。ICMPv4差错报告目的不可达目标主机或网络不可达，IP数据报无法传送到目的地。时间超过数据报在网络中传输的时间超过TTL限制，导致数据报被丢弃。协议错误数据报包含错误的协议信息，例如协议号无效。端口不可达数据报尝试访问的目标端口被关闭，无法接收数据。ICMPv4询问报文ICMPv4询问报文用于测试网络连接，检查目标主机是否在线，并确定往返时间。网络拓扑探索通过发送ICMP报文，可以获取网络设备之间的连接信息。IPv6地址体系IPv6是互联网协议版本6，是互联网工程任务组（IETF）设计的下一代互联网协议，旨在取代现有的IPv4协议。IPv6采用128位地址，相比于IPv4的32位地址空间，它可以提供更大的地址空间，满足未来互联网发展的需要。IPv6采用新的地址结构和地址分配机制，更安全，更灵活，更易于管理。IPv6地址格式IPv6地址使用128位二进制数表示，通常用8个十六进制数字，每组数字之间用冒号分隔。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IPv6地址可以分为全局唯一地址和本地地址，全局唯一地址用于在互联网上识别不同的设备，本地地址用于在本地网络中识别不同的设备。IPv6地址分类单播地址用于唯一标识网络中的单个设备。每个单播地址对应一个特定的网络接口。组播地址用于向一组设备发送数据。组播地址允许将数据发送到多个设备，而无需单独发送到每个设备。任播地址用于向某个网络中的多个设备发送数据，但数据只发送到其中一个设备。任何播地址用于向网络中的所有设备发送数据。任何播地址通常用于广播数据包。IPv6报文格式IPv6报文格式与IPv4报文格式有较大区别。IPv6报文格式包括报文头和报文数据两部分。报文头包含版本号、优先级、流量标签、有效载荷长度、下一层协议、跳数限制、源地址、目的地址等字段。报文数据部分则包含应用层数据。IPv6报文格式更简洁，去除了部分IPv4中