《計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》 第5章 IP

1、第5章 IP5.1 IP地址5.2 子網(wǎng)與子網(wǎng)掩碼5.3 IP首部5.4 ARP地址解析協(xié)議5.5 ICMP網(wǎng)際控制報文協(xié)議5.6 IPv6計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-1計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-25.1 IP地址5.1.1 IP地址的分類5.1.2 IP路由選擇IP地址IP地址長度為32位，為互聯(lián)網(wǎng)全局地址表示點分十進制地址采用x.x.x.x的格式來表示，每個x為8位，每個x的值為0255（例如 23）；組成網(wǎng)絡(luò)部分和主機部分計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-35.1.1 IP地址的分類計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-4根據(jù)不同的取值范圍，IP地址可以分為五類；IP地址中的前5位用于標(biāo)識IP地址的類別： A類地址的第一位為0； B類地址的前兩位為

2、10； C類地址的前三位為110； D類地址的前四位為1110； E類地址的前五位為11110；5IPv4 地址格式6IP 地址的分配由國際組織ICANN負(fù)責(zé)統(tǒng)一分配互聯(lián)網(wǎng)名稱與數(shù)字地址分配機構(gòu)The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers2011年1月IPv4地址分配告罄2016年10月1日美國政府交權(quán)ICANN5個RIR地區(qū)級Internet注冊機構(gòu)Regional Internet RegistryARIN 北美地區(qū)RIPE 歐洲、中東、中亞地區(qū)APNIC 亞太地區(qū)LACNIC 拉丁美洲AfriNIC 非洲計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-7

3、8IP 地址 A類A類IP地址結(jié)構(gòu)適用于有大量主機的大型網(wǎng)絡(luò)。以二進制0開始A類地址是從：55；第一個字節(jié)為 00000000 被保留 01111111 (127) 被保留，用于loopback 范圍在1.x.x.x 到126.x.x.x之間9IP 地址 B類B類IP地址適用于一些國際性大公司與政府機構(gòu)等中等大小的組織使用。以二進制10開始B類IP地址是從：55；共有214 = 16,384 個B類地址第二個字節(jié)也是網(wǎng)絡(luò)地址的一部分10IP 地址 C類C類IP地址適于一些小公司與普通的研究機構(gòu)。以二進制 110開始范圍從 192.x.x.x 到 223.x.x.x共有221 = 2,097,1

4、52 個地址第二和第三個字節(jié)也是網(wǎng)絡(luò)地址的一部分11IP 地址 D類D類IP地址不標(biāo)識網(wǎng)絡(luò);地址范圍：55用于其他特殊的用途，如組播地址；12IP 地址 E類E類IP地址暫時保留；地址范圍：55；用于某些實驗和將來使用。13IP 地址-保留地址10.x.x.x172.16.x.x至172.31.x.x192.168.x.x。5.1.2 IP路由選擇計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-14網(wǎng)絡(luò)層主要任務(wù)網(wǎng)絡(luò)層使用數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)，實現(xiàn)路由選擇、擁塞控制與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等基本功能，向傳輸層的端端傳輸連接提供服務(wù)。通過路由選擇算法，為分組通過通信子網(wǎng)選擇一條適當(dāng)?shù)穆窂剑宦酚杀淼谋眄?) /每16位求和 cksum+=*buf

5、fer+; size-=sizeof(unsigned short); if(size) /奇數(shù)字節(jié)cksum+=*(unsigned char *)buffer;cksum=(cksum16)+(cksum & 0 xffff); /循環(huán)進位。 cksum+=(cksum16);return (unsigned short)(cksum); /再求補，是按位求補，即取反 48首部字段 (6)源地址目的地址49選項提供擴展能力，便于為后續(xù)版本引進新信息。選項格式：選項類型，一個字節(jié)長度，一個字節(jié)?？捎锌蔁o數(shù)據(jù)，若干字節(jié)已經(jīng)定義了五種選項，但是并不是所有的路由器都支持全部五種選項50IP首部選項

6、安全性說明信息的安全程度。實際上，所有路由器都忽略此選項。源路由 Strict source routing (嚴(yán)格源路由)將從源到目的地的完整路徑上所有的IP地址都記錄下來。數(shù)據(jù)報必須嚴(yán)格地按照這條路徑傳送。當(dāng)路由器崩潰時，該字段可用于發(fā)送緊急分組或測量時間。Loose source routing (松散源路由)同樣是一系列的IP地址，但只要求該數(shù)據(jù)報按照指定次序遍歷所列的路由器，不是一條嚴(yán)格路徑，可以穿越其它路由器。51IP首部選項流標(biāo)識為不穩(wěn)定的間歇性通行量提供特殊處理如話音路由記錄將該數(shù)據(jù)報穿越的路由器的IP地址加到選項字段但現(xiàn)在已經(jīng)不夠用了。時間戳在記錄路由的同時還記錄一個32位的

7、時間標(biāo)記用于路由算法的糾錯精確到毫秒52選項字段填充確保數(shù)據(jù)報的首部是32 比特的倍數(shù)每種選項的總長度為4字節(jié)的倍數(shù)，不夠則填充，最長40字節(jié)5.3.3 TTL字段的應(yīng)用每經(jīng)過一個路由器就將該字段減1ping命令tracert命令計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-53ping命令Ping 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-54tracert命令tracert 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-55tracert命令-h參數(shù)指定探測路由的最大跳數(shù)tracert h 3計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-565.3.4 IP數(shù)據(jù)報的分片分片涉及首部不可分片標(biāo)志位后續(xù)標(biāo)志位偏移量字段重裝涉及源IP地址目的IP地址標(biāo)識符字段。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-57標(biāo)志位影響ping l 14

8、72 f 數(shù)據(jù)字段1472字節(jié)，不可分片計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-58標(biāo)志位影響ping l 1473 f 1473MTU20（IP首部）+ 8（ICMP報文首部）+ 1473 = 1501 1500(以太網(wǎng)幀）計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-59IP數(shù)據(jù)分片時各字段的設(shè)置ping l 4000 IP地址IP數(shù)據(jù)報共4008字節(jié)ICMP首部8字節(jié)以太網(wǎng)MTU1500字節(jié)分為3個分片計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-60IP數(shù)據(jù)報分片實例圖計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-61IP數(shù)據(jù)分片時各字段的設(shè)置ping l 4000第一個分片信息計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-62IP數(shù)據(jù)分片時各字段的設(shè)置第二個分片信息計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-63IP數(shù)據(jù)分片時各字段的設(shè)置第三個分片信息

9、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-64計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-655.4 ARP地址解析協(xié)議5.4.1 ARP地址解析過程5.4.2 ARP報文格式5.4.3 IP數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)傳輸全過程5.4.4 ARP病毒的機制5.4.5 RARP逆向地址解析協(xié)議66地址解析地址之間的映射叫地址解析(address resolution)，地址映射包括兩方面內(nèi)容：(1)從IP網(wǎng)絡(luò)地址到物理地址的映射；(2)從物理地址到IP網(wǎng)絡(luò)地址的映射。TCP/IP提供2類協(xié)議：ARP從IP地址得到MAC地址RARP從MAC地址得到IP地址。5.4.1 ARP地址解析過程ARP請求報文和響應(yīng)報文實例計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-6768ARP的原理請求用廣播幀，響

10、應(yīng)用單播幀ARP高速緩存表arp a命令老化機制：20分鐘計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-695.4.2 ARP報文格式ARP報文格式計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-7071ARP字段含義硬件類型指出發(fā)送者本機網(wǎng)絡(luò)接口類型值“1”代表以太網(wǎng)協(xié)議類型指出發(fā)送者所提供/請求的高級協(xié)議地址類型“0X0800”代表IP協(xié)議長度字段分別指出以后各相應(yīng)字段的長度。操作指出本報文的類型“1”為ARP請求，“2”為ARP響應(yīng)，“3”為RARP請求，“4”為RARP響應(yīng)。以太網(wǎng)ARP報文格式由IP地址解析MAC地址計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-7273ARP報文封裝ARP報文是作為一般數(shù)據(jù)放入物理網(wǎng)絡(luò)幀的數(shù)據(jù)區(qū)中傳輸?shù)囊粋€實際的ARP報文計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-7

11、475ARP工作過程（1）(1)首先，信源機獲得目標(biāo)主機或路由器的IP地址，比如主機從DNS得到，路由器通過查路由表得到。(2)ARP產(chǎn)生ARP請求報文，在報文中填入信源機的物理地址和IP地址，以及目標(biāo)IP地址。目標(biāo)物理地址字段填入0。(3)ARP請求報文被交給網(wǎng)絡(luò)接口層(數(shù)據(jù)鏈路層)，然后被封裝成幀。幀的源地址字段中填入信源機的物理地址，目的地址字段中填入物理廣播地址。然后，將該幀廣播。76ARP工作過程（2）(4)廣播范圍內(nèi)的每個主機或路由器都收到這個廣播幀。幀封裝的ARP請求報文被網(wǎng)絡(luò)接口層(數(shù)據(jù)鏈路層)交給ARP。與ARP請求報文中目標(biāo)IP地址不匹配的接收者將丟棄該報文。(5)目標(biāo)主機

12、或路由器發(fā)送ARP響應(yīng)報文，將自己的物理地址填入ARP響應(yīng)報文，使用單播幀(其目的地址是信源機的物理地址)將ARP響應(yīng)報文發(fā)回信源機。(6)信源機從ARP響應(yīng)報文中得知目標(biāo)機器的物理地址。5.4.3 IP數(shù)據(jù)報傳輸全過程A的IP數(shù)據(jù)報傳送給C計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-77第一步IP數(shù)據(jù)報的封裝上層數(shù)據(jù)流消息參數(shù)用于傳遞數(shù)據(jù)和控制信息計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-78IP與上層接口IP與上層接口有兩種服務(wù)原語發(fā)送上層協(xié)議請求IP傳輸數(shù)據(jù)單元交付IP通知上層用戶有數(shù)據(jù)單元到達原語執(zhí)行的功能原語的實際格式取決于實現(xiàn)例如，子程序調(diào)用參數(shù)用于傳遞數(shù)據(jù)和控制信息計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-7980參數(shù) (1)源地址目的地址協(xié)議IP的用戶如，

13、TCP服務(wù)類型指示用來定義數(shù)據(jù)單元在經(jīng)過成員網(wǎng)絡(luò)傳輸時所需的處理標(biāo)識符唯一標(biāo)識一個 PDU與源地址、目的地址和用戶協(xié)議一起使用重裝和差錯報告時需要只在發(fā)送原語中有81參數(shù) (2)不分片標(biāo)識符是否允許IP將數(shù)據(jù)分片如果不允許，可能不能交付只在發(fā)送原語中有生存期只在發(fā)送原語中有數(shù)據(jù)長度可選數(shù)據(jù)用戶數(shù)據(jù)82可選參數(shù)(3) 安全性源選路路由記錄流標(biāo)識時間戳第二步查看路由表子網(wǎng)掩碼獲得下一跳路由器IP地址路由表由用戶設(shè)置的參數(shù)建立包括DHCP和默認(rèn)項路由表一般有默認(rèn)路由查看ARP表項無，則ARP解析若路由表下一跳為本地網(wǎng)絡(luò)（本機IP地址），則目的主機在同一網(wǎng)絡(luò)，查看ARP表項，由目的主機IP地址獲得目的

14、主機MAC地址計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-83第三步發(fā)送封裝成MAC幀同一網(wǎng)絡(luò)目的MAC地址為目的主機的MAC地址不同網(wǎng)絡(luò)目的MAC地址為路由器的MAC地址計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-845.4.4 ARP病毒的機制病毒病毒電腦發(fā)送假ARP響應(yīng)使其它電腦無法獲得路由器MAC病毒主機冒充網(wǎng)關(guān)發(fā)ARP響應(yīng)木馬攻擊者把其它電腦的MAC地址改成攻擊者自己的MAC地址發(fā)往外網(wǎng)的數(shù)據(jù)都會被送往攻擊者如盜號木馬計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-855.4.5 RARP協(xié)議逆向地址解析協(xié)議給定一個物理地址，解析對應(yīng)的IP地址典型的應(yīng)用例子無盤工作站啟動時無IP地址計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-8687RARP服務(wù)器請求用廣播，響應(yīng)用單播88RARP報文格式與 AR

15、P報文格式相同請求用廣播，響應(yīng)用單播計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-895.5 ICMP5.5.1 ICMP的報文格式5.5.2 ICMP報文的應(yīng)用ping命令5.5.3 ICMP報文的應(yīng)用tracert命令90ICMP網(wǎng)際控制報文協(xié)議Internet Control Message ProtocolRFC 792ICMP是TCP/IP的強制協(xié)議由路由器或目的主機發(fā)出 ICMP提供通信環(huán)境的反饋信息例如，生存期期限到了用IP數(shù)據(jù)報封裝不可靠5.5.1 ICMP的報文格式封裝計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-9192ICMP消息格式type 用于指明消息的類型共定義了15種消息（見后）code 有些消息還要用code來進一步說明

16、；checksum 對ICMP消息進行校驗。范圍：整個CMP報文。typecodechecksum(contents depends on type and code)93ICMP報文類型兩大類94ICMP報文舉例“目的不可達”ICMP報文的格式95ICMP報文舉例“目的不可達”ICMP報文內(nèi)容和封裝5.5.2 ICMP應(yīng)用PING命令功能測試網(wǎng)絡(luò)的連通性和可達性工作機理使用ICMP的Echo 請求和響應(yīng)報文計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-9697Ping命令格式ping -t -a -n count -l size -f -i TTL -v TOS -r count -s count -j host-lis

17、t | -k host-list -w timeout 目的IP地址98Ping命令的結(jié)果給出到達目的主機的時間目的網(wǎng)絡(luò)不可達（Destination net unreachable）沒有到目的地的路由原因：通常是“Reply from”中列出的路由器路由錯誤造成的請求超時（Request timed out）在指定的超時時間內(nèi)沒有對探測報文作出響應(yīng)原因：路由器關(guān)閉、目標(biāo)主機關(guān)閉、沒有路由返回到主機或響應(yīng)的等待時間大于指定的超時時間等 ping命令實例ping 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-99ping命令抓包結(jié)果ping 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-100ping命令抓包分析ICMP回顯請求報文計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-101

18、ping命令抓包分析ICMP回顯應(yīng)答報文計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-1025.5.3 ICMP應(yīng)用TRACERT功能顯示到達目的主機經(jīng)過的所有路由器格式tracert 目的IP地址計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-103104tracert命令原理1. 使用ICMP Echo Request、Echo Reply和TTL-expired2. 使用ICMP TTL-expired、 ICMP port unreachable和UDP port 32768. 105tracert命令的工作過程發(fā)送ICMP請求第一個請求的TTL為1，依此遞增，直至第30個中間路由器送回ICMPTTL-expired目的主機送回ICMPEcho

19、Reply發(fā)送UDP選擇一個很大的值作為UDP的端口，主機的任何一個應(yīng)用程序都不使用這個端口。如：從33434開始每送一個依此遞增，直至33434+29，TTL也遞增中間路由器送回ICMP TTL-expired目的主機UDP模塊回送一個“端口不可到達”的錯誤106tracert命令的實現(xiàn)問題中間任何一個路由器如果封了ICMP Echo Request， tracert就不能工作如果封了TTL-expired，則看不到中間的路由器，但能看到目的主機如果封了ICMP EchoReply，中間的全能看到，目的主機看不到。 tracert實例tracert 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-107tracert抓包結(jié)

20、果tracert 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-108tracert抓包分析第一輪ICMP回顯請求TTL值計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-109tracert抓包分析第二輪ICMP回顯請求TTL值計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-110111pathping結(jié)合ping和tracert命令的功能，提供附加信息統(tǒng)計結(jié)果格式pathping -n -h maximum_hops -g host-list -p period -q num_queries -w timeout -T -R target_name-R 查看路由器是否支持RSVP協(xié)議計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-1125.6 IPv65.6.1 IPv6的分組格式5.6.2 IPv6分組的擴展首部

21、5.6.3 IPv6的地址格式和類型113為什么要使用 IPv6?地址空間耗盡兩級地址結(jié)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)號，主機號)浪費地址空間 即使沒有與 Internet相連，也分配一個唯一的網(wǎng)絡(luò)號網(wǎng)絡(luò)和Internet的快速激增TCP/IP在新領(lǐng)域中應(yīng)用的增多每個主機分配一個IP地址新服務(wù)類型的要求114IP v6 RFCs1752 IPng的建議書2460 整體規(guī)范2373 尋址結(jié)構(gòu)5.6.1 IPV6的分組格式IPv6分組計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-115IP v6 首部40個字節(jié)，8個字段117IP v6 首部 (1)版本6通信量類別以識別通信量類別或不同優(yōu)先級的分組仍處于發(fā)展中見 RFC 2460流標(biāo)簽一個流就是共

22、享相同屬性的分組序列有效載荷長度包括所有擴展首部再加上運輸層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的長度118IP v6 首部(2)下一首部標(biāo)識了首部類型擴展首部或者高層的首部跳數(shù)限制源地址目的地址119IPv6與IPv4頭部特征比較IPv6頭部不包含選項固定為40字節(jié)刪去了頭部校驗和。去掉了分片標(biāo)志和偏移，使用path MTU discovery算法。去掉了業(yè)務(wù)類型字段，增加了流標(biāo)志和通信量類別字段，以支持實時業(yè)務(wù)和QoS。120IPv6對IPv4頭部的改動比較0 bits31Ver IHLTotal LengthIdentifierFlagsFragment Offset32 bit Source Address3

23、2 bit Destination Address482416Service TypeOptions and PaddingTime to LiveHeader ChecksumProtocol刪除字段改動字段IPv6與IPv4 報文比較5.6.2 IPV6分組的擴展首部減輕路由器負(fù)擔(dān)定義了6種擴展首部長度可變 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-122123擴展首部逐跳選項首部每個路由器都要處理選項信息路由選擇首部類似于v4源選路的擴展路由選擇分片首部鑒別首部分組完整性及其認(rèn)證封裝安全有效載荷首部提供加密手段目的地選項首部由目的節(jié)點檢查的可選信息124IP分組舉例IPv6協(xié)議頭部下一協(xié)議頭部=TCPTCP協(xié)議頭

24、部+數(shù)據(jù)IPv6協(xié)議頭部下一協(xié)議頭部=路由選擇路由選項頭部下一協(xié)議頭部=TCPTCP協(xié)議頭部+數(shù)據(jù)IPv6協(xié)議頭部下一協(xié)議頭部=路由選擇路由選項頭部下一頭部協(xié)議=分段分段選項頭部下一協(xié)議頭部=TCP分段TCP協(xié)議頭部+數(shù)據(jù)125IPv6 擴展頭部格式126逐跳擴展首部格式下一首部首部擴展長度該首部的長度，64比特為單位，不包括第一個64比特選項每個選項由三個子字段組成選項類型最高2位指明無效類型時的動作00 忽略該選項01 丟棄分組10 丟棄分組，發(fā)ICMP11 丟棄分組，非組播地址時才會發(fā)ICMP長度該選項的數(shù)據(jù)字段長度選項數(shù)據(jù)127逐跳選項類型填充1用于向首部選項區(qū)域中插入1字節(jié)的填充填充

25、N用于向首部選項區(qū)域中插入N (2)字節(jié)的填充確保首部的長度是8字節(jié)的整數(shù)倍特大有效載荷大于 216 = 65,535 字節(jié)，可達232 = 4G字節(jié)另設(shè)一個數(shù)據(jù)長度字段，32位這時，IPv6頭部的載荷長度必須設(shè)為0路由器警戒通知路由器處理控制數(shù)據(jù)如支持RSVP128分片首部只有源點能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)的分片處理路由器沒有分片的權(quán)利節(jié)點執(zhí)行路徑發(fā)現(xiàn)算法了解沿途所有子網(wǎng)絡(luò)的最小MTU根據(jù)了解的最小MTU，源節(jié)點執(zhí)行分片處理 否則，源點必須將所有分組限制在1280字節(jié)之內(nèi)子網(wǎng)絡(luò)必須支持的最小MTU是1280字節(jié)129分片首部字段格式下一首部保留數(shù)據(jù)報分片偏移量保留M標(biāo)志標(biāo)識符0291631比特 下 一 首

26、 部片 偏 移8標(biāo) 識 符保 留保 留M130路由選擇首部格式分組在發(fā)往終點的途中需要經(jīng)過的一個或者多個中間節(jié)點的列表下一首部首部擴展長度路由選擇類型剩余路段例如，還需要訪問的中間節(jié)點的個數(shù)131目的地選項首部格式首部的格式與逐跳選項首部相同只由目的節(jié)點檢查該選項132頭部、擴展頭部及其順序0.IPv6頭部1.逐跳選項2.路由選項3.分片選項4.目的地址選項5.認(rèn)證6.封裝安全載荷7.上層協(xié)議（如TCP，UDP）RFC 1883RFC 1827 RFC 1829133具有所有擴展頭部的IPv6分組Octets:40VariableVariableVariableVariableVariable

27、Variable820 (optional variable part)= Next header fieldIPv6 headerHop-by-hop options headerRouting headerFragment headerAuthentication headerEncap security payload headerTCP headerApplication data Destination options header5.6.3 IPV6地址格式和類型長度為128位 為節(jié)點的每個接口設(shè)置，不為節(jié)點而設(shè)置節(jié)點包括主機和路由器一個接口可能具有多個唯一的單播地址同一接口使用多個服務(wù)提供商計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-134135IPv6 地址的表示形式（1）優(yōu)先選用 X:X:X:X:X:X:X:X X 是2字節(jié)的十六進制值 如，F(xiàn)EDC:BA98:7654:4210:FEDC:B