第5章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層-1

1、 第5章 網(wǎng)絡(luò)層n5.1 概述n5.2 網(wǎng)際協(xié)議n5.3 地址解析協(xié)議n5.4 因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議n5.5 無類別域間路由n5.6 路由協(xié)議n5.7 IP多播n5.8 下一代網(wǎng)際協(xié)議IPv6n5.9 IP主干網(wǎng) 5.1 概述5.1.1 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) n若干個(gè)底層網(wǎng)絡(luò)（LAN、MAN、WAN乃至點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路等），通過路由器（router）互連在一起便組成了互聯(lián)網(wǎng)（internet）?；ヂ?lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的集合。 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)組成互聯(lián)網(wǎng)5.1.1 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) n跨越使用不同標(biāo)準(zhǔn)的異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，即實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，是構(gòu)造互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)在底層網(wǎng)絡(luò)與用戶之間加入了中間層次，互聯(lián)底層網(wǎng)絡(luò)，使它們互

2、通，并屏蔽底層細(xì)節(jié)，向用戶提供通用一致的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 n實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是網(wǎng)絡(luò)層的核心功能，網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議實(shí)現(xiàn)了分組跨越互聯(lián)網(wǎng)的傳輸。 網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)分組跨越互聯(lián)網(wǎng)的傳輸5.1.2 分組交換n網(wǎng)絡(luò)層為接在網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)所提供的服務(wù)可以有兩大類：n無連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（數(shù)據(jù)報(bào)方式）n面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（虛電路方式）。 提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)H1 向 H5 發(fā)送分組H2 向 H6 發(fā)送分組路徑可能變化網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)接受主機(jī)發(fā)送的分組（即數(shù)據(jù)報(bào)）網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)分組獨(dú)立地選擇路由。 提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)盡最大努力地將分組交付給目的主機(jī)，

3、但網(wǎng)絡(luò)對(duì)源主機(jī)沒有任何承諾。提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不保證所傳送的分組不丟失也不保證按源主機(jī)發(fā)送分組的先后順序以及在時(shí)限內(nèi)必須將分組交付給目的主機(jī) 提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)可根據(jù)情況將一些分組丟棄 提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)提供的服務(wù)是不可靠的，它不能保證服務(wù)質(zhì)量。實(shí)際上“盡最大努力交付”的服務(wù)就是沒有質(zhì)量保證的服務(wù)。 提供虛電路服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)H1 要和 H5 通信主機(jī) H1 先向主機(jī) H5

4、發(fā)出一個(gè)特定格式的控制信息分組，要求進(jìn)行通信，同時(shí)尋找一條合適路由。若主機(jī) H5 同意通信就發(fā)回響應(yīng)，然后雙方就建立了虛電路。 虛電路H1 向 H5 發(fā)送的所有分組都沿此虛電路傳送。提供虛電路服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)同理，主機(jī) H2 和主機(jī) H6 通信之前，也要建立虛電路。 提供虛電路服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)在虛電路建立后，網(wǎng)絡(luò)向用戶提供的服務(wù)就好像在兩個(gè)主機(jī)之間建立了一對(duì)穿過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字管道。所有發(fā)送的分組都按順序進(jìn)入管道，然后按照先進(jìn)先出的原則沿著此管道傳送到目的站主機(jī)。 提供虛電路服務(wù)的特點(diǎn) H1H5H2H4H3ACDBH6E

5、分組交換網(wǎng)到達(dá)目的站的分組順序就與發(fā)送時(shí)的順序一致，因此網(wǎng)絡(luò)提供虛電路服務(wù)對(duì)通信的服務(wù)質(zhì)量 QoS (Quality of Service)有較好的保證。 兩種服務(wù)的思路來源不同 n虛電路服務(wù)的思路來源于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)。n電信網(wǎng)負(fù)責(zé)保證可靠通信的一切措施，因此電信網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)復(fù)雜而昂貴。n數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)力求使網(wǎng)絡(luò)生存性好和使對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制功能分散，因而只能要求網(wǎng)絡(luò)提供盡最大努力的服務(wù)。n可靠通信由用戶終端中的軟件（即TCP）來保證。 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)與虛電路服務(wù)之爭(zhēng) n讓網(wǎng)絡(luò)只提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)就可大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)。 n但技術(shù)的進(jìn)步使得網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)的概率已越來越小，因而讓主機(jī)負(fù)責(zé)端到端的可靠性不但不會(huì)給主機(jī)增

6、加更多的負(fù)擔(dān)，反而能夠使更多的應(yīng)用在這種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。n因特網(wǎng)發(fā)展到今天的規(guī)模，充分說明了在網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)是非常成功的。 n網(wǎng)絡(luò)上傳送的報(bào)文長(zhǎng)度，在很多情況下都很短。n用數(shù)據(jù)報(bào)既迅速又經(jīng)濟(jì)。n若用虛電路，為了傳送一個(gè)分組而建立虛電路和釋放虛電路就顯得太浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源了。 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù)都各有一些優(yōu)缺點(diǎn) n在使用數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，每個(gè)分組必須攜帶完整的地址信息。n在使用虛電路的情況下，每個(gè)分組不需要攜帶完整的目的地址，而僅需要有個(gè)很簡(jiǎn)單的虛電路號(hào)碼的標(biāo)志。n這就使分組的控制信息部分的比特?cái)?shù)減少，因而減少了額外開銷。 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù)都各有一些優(yōu)缺點(diǎn) n在使用數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，主機(jī)承擔(dān)端到端

7、的差錯(cuò)控制和流量控制。n在使用虛電路時(shí)，分組按順序交付，網(wǎng)絡(luò)可以負(fù)責(zé)差錯(cuò)控制和流量控制。n數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)對(duì)軍事通信有其特殊的意義。當(dāng)某個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，后續(xù)的分組就可另選路由，因而提高了可靠性。n但在使用虛電路時(shí)，結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障就必須重新建立另一條虛電路。 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù)都各有一些優(yōu)缺點(diǎn) 5.1.3 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備路由器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備路由器 n路由器是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備，路由器系統(tǒng)構(gòu)成了互聯(lián)網(wǎng)基本的交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 n網(wǎng)絡(luò)接口：路由器端口n轉(zhuǎn)發(fā)引擎：查找路由表，決策IP數(shù)據(jù)報(bào)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑n交換結(jié)構(gòu)：連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，提供高速數(shù)據(jù)通道n路由選擇模塊：動(dòng)態(tài)更新優(yōu)化路由表n 路由器 的結(jié)構(gòu) 5

8、.2 廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制n“轉(zhuǎn)發(fā)” (forwarding)和“路由選擇” (routing)這兩個(gè)名詞的使用在過去有些混亂。現(xiàn)在的文獻(xiàn)傾向于將它們區(qū)分開來。 n轉(zhuǎn)發(fā)是當(dāng)交換結(jié)點(diǎn)收到分組后，根據(jù)其目的地址查找轉(zhuǎn)發(fā)表(forwarding table)，并找出應(yīng)從結(jié)點(diǎn)的哪一個(gè)接口將該分組發(fā)送出去。n路由選擇是構(gòu)造路由表(routing table)的過程。n路由表是根據(jù)一定的路由選擇算法得到的，而轉(zhuǎn)發(fā)表又是根據(jù)路由表構(gòu)造出的。 5.1.4 Internet網(wǎng)際層n網(wǎng)際層負(fù)責(zé)將分組從源主機(jī)傳送到目的主機(jī)，提供無連接的(Connectionless)、不可靠的(Unreliable)但盡力而為的

9、(Best-Effort)分組傳送服務(wù)。 n網(wǎng)際層實(shí)現(xiàn)這種服務(wù)的分組傳送機(jī)制為網(wǎng)際協(xié)議(internet protocol)，通常稱為IP協(xié)議，它主要提供三個(gè)方面的內(nèi)容：nIP定義了網(wǎng)際層的PDU，規(guī)定了它的格式； nIP軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)功能，選擇發(fā)送的路由并轉(zhuǎn)發(fā)； nIP還包括了一組體現(xiàn)了不可靠、盡力分組傳送的規(guī)則。 5.2 網(wǎng)際協(xié)議 5.2.1 分類IPv4地址及子網(wǎng)劃分n分類IPv4地址n32比特長(zhǎng)度的二級(jí)地址，包括三個(gè)字段：n類別字段； n網(wǎng)絡(luò)號(hào)字段net-id； n主機(jī)號(hào)字段host-id。 nIP地址分為A，B，C，D，E 5類，二級(jí)的IP地址有如下特點(diǎn)： nnet-id 可用于

10、將數(shù)據(jù)報(bào)路由到目的網(wǎng)絡(luò)；nhost-id可用于將數(shù)據(jù)報(bào)路交付到本網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)；n簡(jiǎn)化了路由表。n點(diǎn)分十進(jìn)制記法(dotted decimal notation)。 5.2.1 分類IPv4地址及子網(wǎng)劃分 IP地址格式 5.2.1 分類IPv4地址及子網(wǎng)劃分nIP地址的范圍類別類別最大最大網(wǎng)絡(luò)數(shù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)網(wǎng)絡(luò)號(hào)范圍網(wǎng)絡(luò)號(hào)范圍每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最大主機(jī)數(shù)最大主機(jī)數(shù)主機(jī)號(hào)范圍主機(jī)號(hào)范圍IP地址范圍地址范圍A1261126167772140.0.1255.255.2541.0.0.1126.255.255.254B16382128.1191.254655340.1255.254128.1.0.1191.

11、254.255.254C2097150192.0.1223.225.2542541254192.0.1.1223.255.254.2545.2.1 分類IPv4地址及子網(wǎng)劃分n特殊形式的IP地址 IP地地 址址用用 途途網(wǎng)絡(luò)號(hào)網(wǎng)絡(luò)號(hào)主機(jī)號(hào)主機(jī)號(hào)全為全為0全為全為0表示本主機(jī)，只作源地址，啟動(dòng)時(shí)用，之后獲得了表示本主機(jī)，只作源地址，啟動(dòng)時(shí)用，之后獲得了IP地址不再使用地址不再使用全為全為0host-id 本地網(wǎng)絡(luò)上主機(jī)號(hào)為本地網(wǎng)絡(luò)上主機(jī)號(hào)為host-id的主機(jī)，只作源地址的主機(jī)，只作源地址全為全為1全為全為1本地網(wǎng)絡(luò)上有限廣播（本地網(wǎng)絡(luò)上有限廣播（limited broadcast），各路由器都

12、不轉(zhuǎn)發(fā)，只），各路由器都不轉(zhuǎn)發(fā)，只作目的地址作目的地址net-id全為全為1向向net-id標(biāo)識(shí)的網(wǎng)絡(luò)定向廣播（標(biāo)識(shí)的網(wǎng)絡(luò)定向廣播（directed broadcast），只作目的地址），只作目的地址net-id全為全為0標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)127任意任意本地軟件回送測(cè)試本地軟件回送測(cè)試(loopback test)，Internet上不能出現(xiàn)這種地址上不能出現(xiàn)這種地址 5.2.1 分類IPv4地址及子網(wǎng)劃分n劃分子網(wǎng)(subnetting)n將單位自己控制的host-id字段中的前若干比特劃分出來作為子網(wǎng)號(hào)（subnet-id），在本單位內(nèi)使用路由器將各子網(wǎng)互連。子網(wǎng)號(hào)使用多少比特，單位根據(jù)需要自己決定。劃分的子網(wǎng)和子網(wǎng)中的主機(jī)，不使用全0和全1的子網(wǎng)號(hào)和主機(jī)號(hào)，稱為變長(zhǎng)子網(wǎng)劃分（variable-length subnetting），相當(dāng)于使用了三級(jí)地址。n子網(wǎng)掩碼(Subnet Mask) 5.2.1 分類IPv4地址及子網(wǎng)劃分n私有地址n私有地址看空間可以被許多專用網(wǎng)絡(luò)自由使用，僅在一個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)保證唯一即可。私有地址也能和公有地址在企業(yè)內(nèi)混合使用。n私有地址網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)需