本章教學(xué)提要

網(wǎng)絡(luò)層Chapter7本章教學(xué)提要教學(xué)目標：理解理解網(wǎng)絡(luò)層的主要功能，理解數(shù)據(jù)報和虛電路的區(qū)別，理解路徑選擇的作用與實現(xiàn)；理解IP、ARP和ICMP協(xié)議的作用；了解IP報文的格式；掌握IP地址的規(guī)劃及子網(wǎng)劃分技術(shù)，掌握網(wǎng)絡(luò)層中源到目標分組傳輸?shù)膶崿F(xiàn)機理；本章教學(xué)提要教學(xué)目標(續(xù))：了解理解路由器的功能、靜態(tài)路由與動態(tài)路由的特點及實現(xiàn)方法；了解擁塞控制的概念。教學(xué)難點：IP子網(wǎng)劃分技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)層中源到目標分組傳送的實現(xiàn)機理。教學(xué)時數(shù)：8學(xué)時本章教學(xué)結(jié)構(gòu)首先，介紹OSI第三層的功能和提供的服務(wù)；然后，著重圍繞TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層展開討論，包括IP協(xié)議、IP地址及其規(guī)劃、ARP協(xié)議和ICMP協(xié)議、路由與路由協(xié)議等內(nèi)容。

網(wǎng)絡(luò)層功能概述Chapter7-1首先，當網(wǎng)絡(luò)互連規(guī)模增大時，從源端到目的端會存在許多的中間節(jié)點，這些中間節(jié)點構(gòu)成了從源端到目的端的多條路徑，數(shù)據(jù)包傳輸面臨路徑選擇的問題。而數(shù)據(jù)鏈路層不具備路徑選擇功能。DTEDCEDCEDTEDCEDCEDCEDCESourceDestination第2層的問題條條道路通羅馬，哪一條最佳?其次，網(wǎng)絡(luò)互連規(guī)模增大時，會出現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的問題。第2層的問題(續(xù))第2層使用平面結(jié)構(gòu)的尋址模式(如MAC地址)來唯一標識網(wǎng)絡(luò)中的計算機。當網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃增大時，利用上述尋址方法功能定位網(wǎng)絡(luò)中的計算機變得極其困難，網(wǎng)橋或交換機所產(chǎn)生的大量廣播轉(zhuǎn)發(fā)可以導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓?；诘?層尋址方式實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)只能適用于非常小的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層的功能涉及將源主機發(fā)出的分組經(jīng)由各種網(wǎng)絡(luò)路徑到達目的主機。具體地：規(guī)定該層協(xié)議數(shù)據(jù)單元分組（packet）的類型和格式。分組是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議功能的集中體現(xiàn)，其中要包括實現(xiàn)該層功能所必需的控制信息如收發(fā)雙方的網(wǎng)絡(luò)地址等。了解通信子網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，從而能進行最佳路徑的選擇，最佳路徑選擇又被稱為路由在選擇路徑時要注意既不要使某些路徑或通信線路處于超負載狀態(tài)，也不能讓另一些路徑或通信線路處于空閑狀態(tài)，即所謂的擁塞控制和負載平衡；當源主機和目標主機的網(wǎng)絡(luò)不屬于同一種類型時，協(xié)調(diào)好不同網(wǎng)絡(luò)間的差異即所謂解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的問題。擁塞及其產(chǎn)生原因當通信子網(wǎng)中的某一部分有太多的數(shù)據(jù)分組時，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降。這種現(xiàn)象稱為網(wǎng)絡(luò)中的擁塞。擁塞會引起網(wǎng)絡(luò)分組的丟失，在嚴重的情況下，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運行的癱瘓。產(chǎn)生擁塞的原因是多樣的：線路的帶寬太小網(wǎng)絡(luò)上的流量不平衡通信子網(wǎng)中的設(shè)備如路由器的CPU性能不夠

擁塞控制與流量控制的區(qū)別擁塞控制用于確保通信子網(wǎng)能運送所有待傳送的數(shù)據(jù)，是一個全局性(global)的問題。--涉及所有主機、路由器，并與路由器的存儲轉(zhuǎn)發(fā)能力和其他影響通信子網(wǎng)負荷的因素有關(guān)。流量控制只涉及發(fā)送者和接收者之間的點到點通信流量(Local)。其任務(wù)是確保一個快速的發(fā)送者不要以高于接收者所能承受的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層的地位處理端到端(源到目標)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹蛯?/p>

物理層不具備尋址功能，數(shù)據(jù)鏈路層只能解決相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。通信子網(wǎng)的最高層

通信子網(wǎng)中的主機因為只涉及通信問題而只擁有OSI模型的下三層。

通信子網(wǎng)與資源子網(wǎng)的接口

資源子網(wǎng)中的主機具備了OSI模型中所有七層的功能，但通信子網(wǎng)中的主機至多涉及并擁有OSI模型的下三層。

ApplicationprotocolRepresentationprotocol

Sessionprotocol

Transportprotocol通信子網(wǎng)APDUPPDUFrameBitsPacketSPDUSegment網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)類型從分層的角度，網(wǎng)絡(luò)層利用了數(shù)據(jù)鏈路層所提供的相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，向傳輸層提供了從源到目標的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。服務(wù)類型：

可靠的面向連接的服務(wù)（虛電路）不可靠的面向無連接的服務(wù)（數(shù)據(jù)報）。面向連接服務(wù)與面向無連接

服務(wù)的比較面向連接就是指在數(shù)據(jù)傳輸之前雙方需要為此建立一種連接，然后在該連接上實現(xiàn)有次序的分組傳輸，直到數(shù)據(jù)傳送完畢連接才被釋放；面向無連接則不需要為數(shù)據(jù)傳輸事先建立連接，其只提供簡單的源和目標之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能。面向連接服務(wù)的實現(xiàn)：虛電路

（VirtualCircuit）通信子網(wǎng)借以實現(xiàn)面向連接服務(wù)的工作方式，需要源與目標之間建立一條邏輯上的通信鏈路。涉及虛電路邏輯連接的三個階段：

①虛電路對立②數(shù)據(jù)傳輸③虛電路拆除

在建立連接時，將從源端機器到目標機器的路由作為連接建立的一部分加以保存。在虛電路上傳送的分組總是取相同的路徑（路由）通過通信子網(wǎng)。虛電路分為永久虛電路(PVC)和呼叫虛電路(SVC)。ThereisconnectionestablishmentbeforetransmissionPacketscanarrivethedestinationthroughthesamepath.ThereisconnectionreleaseafterfinishingtransmissionDTEDCEDCEDTEDCEDCEDCEDCESourceDestination虛電路示例事先不需要在源與目標之間建立任何的連接。為每個分組選擇獨立的路由，不同的分組可以走不同的路由。DTEDCEDCEDTEDCEDCEDCEDCESourceDestination面向無連接服務(wù)的實現(xiàn)：數(shù)據(jù)報(Datagram)虛電路與數(shù)據(jù)報的比較

包交換方式數(shù)據(jù)報虛電路電路設(shè)置NOYES（建立、傳輸、拆除）地址每個Packet需完整的源/目的地址每個Packet僅含虛電路號狀態(tài)信息有路由表，無連接表連接表路由選擇每個包自由選擇建立后勿需路由路由器失敗的影響丟失失敗時的分組所有經(jīng)過失敗路由器的VC失效傳輸質(zhì)量同一報文的不同分組會出現(xiàn)亂序、重復(fù)、丟失同一報文的不同分組不會出現(xiàn)亂序/重復(fù)/丟失網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計目標所提供的服務(wù)與通信子網(wǎng)技術(shù)無關(guān)通信子網(wǎng)的數(shù)量、類型和拓樸結(jié)構(gòu)對于傳輸層是透明的。網(wǎng)絡(luò)層所定義的地址應(yīng)采用統(tǒng)一的方式，以能跨越不同的LAN和WAN實現(xiàn)邏輯尋址。TCP/IP的網(wǎng)際層Chapter7-2ReviewofTCP/IPInternetLayer的主要功能負責接收數(shù)據(jù)報并將其獨立地發(fā)送到目標網(wǎng)絡(luò)上—提供面向無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)。提供與多種網(wǎng)絡(luò)的接口，支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連—

不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要區(qū)別在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，TCP/IP的網(wǎng)際層實現(xiàn)了將不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)統(tǒng)一在IP協(xié)議之下的目標。ProtocolsfortheInternetLayerIP協(xié)議（因特網(wǎng)協(xié)議）：InternetProtocolICMP協(xié)議（因特網(wǎng)消息控制協(xié)議）InternetControlMessageProtocolRAP協(xié)議（地址解析協(xié)議）AddressResolutionProtocolRARP協(xié)議（反向地址解析協(xié)議）Reverse

AddressResolutionProtocolOthers

PartTwoInternetProtocol(IP)IP為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)層的核心協(xié)議核心協(xié)議定義了用以實現(xiàn)面向無連接服務(wù)的IP分組格式，其中包括IP尋址方式。能夠?qū)⒉煌木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)在TCP/IP的網(wǎng)際層統(tǒng)一在IP協(xié)議之下，以統(tǒng)一的IP分組傳輸提供了對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的支持。IP數(shù)據(jù)報的結(jié)構(gòu)來自上一層由IP協(xié)議定義IP數(shù)據(jù)報的報頭格式IP數(shù)據(jù)報中的域（fields）版本(version)：數(shù)據(jù)報協(xié)議的版本，如4.0或6.0；

頭標長(headerlength)：數(shù)據(jù)報報頭的長度，以32位(相當于4byte)長度為單位。當報頭中無可選項時，其基本長度為5。

服務(wù)類型(typeofservice)：主機要求通信子網(wǎng)提供的服務(wù)類型。包括一個3位長度的優(yōu)先級、3個標志位D、T和R，D、T、R分別表示延遲(Delay)、呑吐量(Troughput)和可靠性(Relibility)。

總長(totallength)：數(shù)據(jù)報的總長度，包括頭部和數(shù)據(jù)，以字節(jié)為單位。數(shù)據(jù)報的最大長度為216-1字節(jié)即65535字節(jié)。

標識(identification):用以標識屬于同一數(shù)據(jù)報的分段。當數(shù)據(jù)報長度超出網(wǎng)絡(luò)最大傳輸單元（Maximumtransitionunit,MTU）時，必須要進行分割，并且需要為分割段(fragment)提供標識。所有屬于同一數(shù)據(jù)報的分割段被賦予相同的標識值。標志(flags)–低2位表示該數(shù)據(jù)報是否可分段。DF表示不可分段，MF代表還有進一步的分段。分段的基本單位為8個字節(jié)。IP數(shù)據(jù)報中的域（續(xù)）分段偏移：若有分段時，用以指出該分段在數(shù)據(jù)報中的位置。13位的偏移長度意味著一個長數(shù)據(jù)報至多可被分為213個小段。

生存時間(TTL)

：限定數(shù)據(jù)報生存期的計時器。推薦以秒來計數(shù)，最長為28-1=255S。生存時間每經(jīng)過一個路由節(jié)點都要遞減，當生存時間減到零時，分組就要被丟棄。設(shè)定生存時間是為了防止數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)中無限制地漫游協(xié)議（protocol

）：指示上層所采用的協(xié)議，如TCP、UDP或ICMP等頭校驗和（headerchecksum

）：用于校驗頭標。采用累加求補再取其結(jié)果補碼的校驗方法。若正確到達時，校驗和應(yīng)為零。任選字段（options

）：支持各種選項，提供擴展余地。根據(jù)選項的不同，該字段可變長。。IP地址（source/destinationaddress)：32位的源地址與目標地址分別指出源主機和目的主機的網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)據(jù)(data)–來處上層的數(shù)據(jù)，可變長，但最長為64Kb.

IP頭中的IP地址TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層用以標識網(wǎng)絡(luò)中目的主機的邏輯地址TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層用以標識網(wǎng)絡(luò)源主機的邏輯地址邏輯地址與物理地址物理地址是第二層地址；固化在網(wǎng)卡的硬件結(jié)構(gòu)中，如MAC地址；只要主機或設(shè)備的網(wǎng)卡不變，則其MAC地址就是不變的，即使其從一個網(wǎng)絡(luò)被移到另一個網(wǎng)絡(luò)，從地球的一端移到另一端一種平面化的地址，不能提供關(guān)于主機所處的網(wǎng)絡(luò)位置信息。比喻：人的姓名。邏輯地址是第三層地址，有時又稱為網(wǎng)絡(luò)地址；該地址是隨著設(shè)備所處網(wǎng)絡(luò)位置不同而變化的，如IP地址；設(shè)備從一個網(wǎng)絡(luò)被移到另一個網(wǎng)絡(luò)時，其IP地址也會相應(yīng)地發(fā)生改變。IP地址是一種結(jié)構(gòu)化的地址，可以提供關(guān)于主機所處的網(wǎng)絡(luò)位置信息。比喻：人的住址IP地址的結(jié)構(gòu)32位的IP地址在結(jié)構(gòu)上分為網(wǎng)絡(luò)標識與主機標識兩大部分；在形式上表示為4個8位組（Octet)。

IP地址中的數(shù)制轉(zhuǎn)換對每一個8位組，從左到右的每一位，分別對應(yīng)于：

128,64,32,16,8,4,2,18位組的最大取值為二進制數(shù)“11111111”，相當于十進制數(shù)255。IP地址的分類V4.0版本的IP地址被分為A、B、C、D和E五類。A、B、C類被作為普通的主機地址；D類用于提供網(wǎng)絡(luò)組播服務(wù)或作為網(wǎng)絡(luò)測試之用；E類保留給未來擴充使用。

A類網(wǎng)絡(luò)地址中，第一個8位組表示網(wǎng)絡(luò)標識，后三個8位組表示主機號；一共有27-2個A類網(wǎng)絡(luò)；每一個A類網(wǎng)絡(luò)中至多有224-2即16,777,214個主機地址范圍（二進制）：00000000,00000000,00000000,00000000-01111111,11111111,11111111,11111111地址范圍（點十進制）0.0.0.0-127.255.255.255代表A類網(wǎng)絡(luò)代表網(wǎng)絡(luò)號主機地址B類網(wǎng)絡(luò)地址中，前二個8位組表示網(wǎng)絡(luò)標識，后二個8位組表示主機號；一共有214-2個B類網(wǎng)絡(luò)；每一個B類網(wǎng)絡(luò)中至多有216-2即65534個主機地址范圍（二進制）：10000000,00000001,00000000,00000000-10111111,11111111,11111111,11111111地址范圍（點十進制）

128.0.0.0-191.255.255.255

代表B類網(wǎng)絡(luò)代表網(wǎng)絡(luò)號主機地址C類網(wǎng)絡(luò)地址中，前三個8位組表示網(wǎng)絡(luò)標識，后一個8位組表示主機號；一共有221-2個C類網(wǎng)絡(luò)；每一個C類網(wǎng)絡(luò)中至多有28-2即254個主機地址范圍（二進制）：11000000,00000000,00000000,00000000-11011111,11111111,11111111,11111111地址范圍（點十進制）

192.0.0.0至223.255.255.255代表C類網(wǎng)絡(luò)代表網(wǎng)絡(luò)號主機地址IP地址中的保留地址被保留作為特殊之用的部分地址哪些？-網(wǎng)絡(luò)標識或主機號部分為全“0”和全“1”的地址

.Why?網(wǎng)絡(luò)號或網(wǎng)絡(luò)標識具有正常的網(wǎng)絡(luò)號部分，而主機號部分為全“0”的IP地址代表一個特定的網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)標識之用；例如：102.0.0.0代表了一個A類、B類和C類網(wǎng)絡(luò)。138.1.0.0代表了一個A類、B類和C類網(wǎng)絡(luò)。198.10.1.0分別代表了一個A類、B類和C類網(wǎng)絡(luò)。具有相同網(wǎng)絡(luò)標識的主機被認為位于同一個網(wǎng)絡(luò)中，可以直接相互通信；具有不同網(wǎng)絡(luò)標識的主機不能直接相互通信。廣播地址思考題：

若要給某一個網(wǎng)絡(luò)中的所有主機發(fā)送相當?shù)臄?shù)據(jù)，是否需要進行與目標主機數(shù)目相同的數(shù)據(jù)包封裝與發(fā)送？廣播地址被用于給網(wǎng)絡(luò)中的所有主機發(fā)送相同的數(shù)據(jù)。主機號部分為全“1”的IP地址代表一個在指定網(wǎng)絡(luò)中的廣播，被稱為廣播地址。

113.255.255.255、170.22.255.255、210.33.36.255分別代表在一個A類、B類和C類網(wǎng)絡(luò)中的廣播。

其他全“1”或全“0”的

保留地址私有地址保留以供內(nèi)部實現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)時使用的地址資源稱為私有地址(privateaddress)

。根據(jù)規(guī)定，所有以私有地址為目標地址的IP數(shù)據(jù)包都不能被路由至外面的因特網(wǎng)上，這些以私有地址作為邏輯標識的主機若要訪問外面的因特網(wǎng)，必須采用網(wǎng)絡(luò)地址翻譯(Networkaddresstranslation，簡稱NAT)或應(yīng)用代理(proxy)方式。IP地址的規(guī)劃

當我們構(gòu)建一個IP網(wǎng)絡(luò)時，需要為其中的每一個主機分配IP地址。對于上圖中的特定網(wǎng)絡(luò)，如何為分配IP地址是合適的？第一步，分析網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：

包括相對獨立的網(wǎng)段數(shù)量和每個網(wǎng)段中可能擁有的最大主機數(shù)；

注意：路由器的每一個接口所連的網(wǎng)段都是一個獨立網(wǎng)段；第二步，確定使用公用地址還是私有地址，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模確定所需要的網(wǎng)絡(luò)號類別。

若采用公有地址需要向網(wǎng)絡(luò)信息中心(NetworkInformationCenter,NIC)提出申請并獲得地址使用權(quán)；第三步，根據(jù)可用的地址資源進行主機IP地址的分配。IP地址規(guī)劃的基本步驟IP地址的靜態(tài)分配與動態(tài)分配靜態(tài)分配是指由網(wǎng)絡(luò)管理員為用戶指定一個固定不變的IP地址并手工配置到主機上；動態(tài)分配通常以客戶機-服務(wù)器模式通過動態(tài)主機控制協(xié)議(dynamichostcontrolprotocol，簡稱DHCP)來實現(xiàn)。IP地址規(guī)劃的例子200臺主機2000臺主機20萬臺主機250臺主機IP地址分配中出現(xiàn)的問題假定上圖網(wǎng)絡(luò)中的每一個網(wǎng)段只有30臺主機，則我們應(yīng)該如何為其進行IP地址的規(guī)劃?申請3個C類網(wǎng)絡(luò)

地址利用率的分析：

每個C類網(wǎng)絡(luò)擁有254個主機地址；.

用掉的地址:3*30=90個閑置的地址:3*（254-30）=672利用率：Idleratio:90/（254*3）=11.81%是否有更加高效靈活的方法？Solution1&Analysis子網(wǎng)與子網(wǎng)劃分由網(wǎng)絡(luò)管理員將一個給定的網(wǎng)絡(luò)分為若干個更小的部分，稱為子網(wǎng)劃分；這些被劃分出來的更小部分被稱為子網(wǎng)(subnet)。當網(wǎng)絡(luò)中的主機總數(shù)未超出所給定的某類網(wǎng)絡(luò)可容納的最大主機數(shù)，但內(nèi)部又要劃分成若干個分段（segment）進行管理時，就可以采用子網(wǎng)劃分的方法。為了創(chuàng)建子網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)管理員需要從原有IP地址的主機位中借出連續(xù)的高若干位作為子網(wǎng)絡(luò)標識。關(guān)于子網(wǎng)劃分的一個類比假定同學(xué)們的學(xué)號為：CCCSSS

其中，C代表班級號，S代表序列號。若我們認為班級太大不方便管理，則通常會采用分小組的方法。假定每小組的人數(shù)不超過1位數(shù)，如何利用現(xiàn)有的學(xué)號結(jié)構(gòu)標識同學(xué)所在的小組，使得通過學(xué)號就能判斷該學(xué)生所在的班級及小組？保留最后1位作為序列號，借出其中的高2位作為小組標識。此時，同學(xué)們的學(xué)號將變?yōu)椋篊CCGGS若要求每小組的人數(shù)不超過2位數(shù)，則如何分組？

子網(wǎng)劃分的方法

首先，要明確劃分后需要獲得的子網(wǎng)數(shù)量和每個子網(wǎng)中所要擁有的主機數(shù)；確定需要從原主機位借出的子網(wǎng)絡(luò)標識位數(shù)。根據(jù)全“0”和全“1”IP地址保留的規(guī)定：原則上，子網(wǎng)劃分時至少要從主機位的高位中選擇兩位作為子網(wǎng)絡(luò)位；而只要能保證保留兩位作為主機位，A、B、C類網(wǎng)絡(luò)最多可借出的子網(wǎng)絡(luò)位是不同的，A類至多可達22位、B類至多為14位，C類則為6位。子網(wǎng)劃分前子網(wǎng)劃分后在IP地址中增加了一個新的字段：子網(wǎng)標識子網(wǎng)絡(luò)位數(shù)與子網(wǎng)數(shù)量、有效子網(wǎng)數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系子網(wǎng)絡(luò)位數(shù)(Subnetbits)子網(wǎng)數(shù)量(Subnetnumber)有效子網(wǎng)數(shù)量(validsubnetnumber)121=22-2=0222=44-2=2323=88-2=6424=1616-2=14525=3232-2=30626=6464-2=62727=128128-2=126828=256256-2=254929=512512-2=510…….…最大可出借的子網(wǎng)絡(luò)位數(shù)網(wǎng)絡(luò)類別

缺省的主機位數(shù)最大可出借的子網(wǎng)絡(luò)數(shù)A2422B1614C86C類網(wǎng)絡(luò)劃分的例子之一有一個

C類網(wǎng)絡(luò)199.5.12.0,請將其劃分后供兩個網(wǎng)段所用。

需要借從主機位中借出幾位作為子網(wǎng)絡(luò)位？:1位有多少個子網(wǎng)？.2個

每個子網(wǎng)的地址范圍：subnet1:X.X.X.00000000-X.X.X.01111111

(199.5.12.0-199.5.12.127)

subnet2:X.X.X.10000000-X.X.X.11111111

(199.5.12.128-199.5.12.255)C類網(wǎng)絡(luò)劃分的例子之一(續(xù)1)每個子網(wǎng)中擁有的最大主機數(shù)：

128－2＝126個每個子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)標識？

subnet1:X.X.X.00000000(199.5.12.0)

subnet2:X.X.X.10000000(199.5.12.128)每個子網(wǎng)的廣播地址:

subnet1:X.X.X.01111111(199.5.12.127)subnet2:X.X.X.11111111(199.5.12.255)問題在于：至少要從主機位的高位中選擇兩位作為子網(wǎng)絡(luò)位。

未劃分前的網(wǎng)絡(luò)標識未劃分前的廣播地址C類網(wǎng)絡(luò)劃分的例子之一(續(xù)2)規(guī)范的做法應(yīng)該從主機位借出高2位作為子網(wǎng)絡(luò)位。相應(yīng)地，共有4個子網(wǎng)絡(luò)，每個子網(wǎng)絡(luò)中的最大主機數(shù)為64－2即62個。4個子網(wǎng)中，2個為可用的子網(wǎng)絡(luò)：subnet1:X.X.X.00000000-X.X.X.00111111

(199.5.12.0-199.5.12.63)

subnet2:X.X.X.01000000-X.X.X.01111111

(199.5.12.64-199.5.12.127)

subnet3:X.X.X.10000000-X.X.X.10111111

(199.5.12.128-199.5.12.191)

subnet4:X.X.X.11000000-X.X.X.11111111

(199.5.12.192-199.5.12.255)不可用課堂練習(xí)假定上圖網(wǎng)絡(luò)中的每一個網(wǎng)段只有30臺主機，現(xiàn)只申請了一個C類網(wǎng)絡(luò)202.11.2.0，請利用子網(wǎng)絡(luò)劃分的方法為其進行IP地址的分配?課堂練習(xí)參考答案第n個子網(wǎng)地址范圍網(wǎng)絡(luò)號廣播地址1202.11.2.0-202.11.2.31202.11.2.0202.11.2.312202.11.2.32-202.11.2.63202.11.2.32202.11.2.633202.11.2.64-202.11.2.95202.11.2.64202.11.2.954202.11.2.96-202.11.2.127202.11.2.96202.11.2.1275202.11.2.128-202.11.2.159202.11.2.128202.11.2.1596202.11.2.160-202.11.2.191202.11.2.160202.11.2.1917202.11.2.192-202.11.2.223202.11.2.192202.11.2.2238202.11.2.224-202.11.2.255202.11.2.224202.11.2.255注：6個可用子網(wǎng)，3個被使用，3個可作為未來擴充之用。Invalid課堂練習(xí)參考答案（續(xù)1）采用子網(wǎng)劃分技術(shù)后，只需要申請一個C類地址就足夠了；而且IP地址的利用率從11.81%為提高到了71%。

202.11.2.32202.11.2.64202.11.2.96

地址利用率分析：

Thereis254IPaddresstotallyinoneclassCnetwork.validaddress:6*30=180個

Idleaddress:254-180=74

Idleratio:74/254=29%課堂練習(xí)參考答案（續(xù)2）

可被用于將一個較大的網(wǎng)絡(luò)分割成若干個較小的子網(wǎng)絡(luò)，降低了廣播域的大小，改善了網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)—

網(wǎng)絡(luò)標識位和子網(wǎng)絡(luò)標識位被共同作為網(wǎng)絡(luò)號；只有具有相同網(wǎng)絡(luò)標識位和子網(wǎng)絡(luò)標識的主機才被認為位于同一網(wǎng)絡(luò)中，并能直接相互通信。在IPV4地址結(jié)構(gòu)中引入了每三個層次，提高了IP地址分配的靈活性，降低了IP地址的浪費率。FormalizedwithRFC950in1985子網(wǎng)劃分的優(yōu)越性子網(wǎng)劃分引發(fā)的新問題沒有子網(wǎng)劃分技術(shù)之前，具有相同網(wǎng)絡(luò)標識的主機之間能夠直接進行相互通信。引入子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，必須要具有相同網(wǎng)絡(luò)標識位和子網(wǎng)絡(luò)標識的主機才能直接相互通信。但是，主機或路由設(shè)備如何區(qū)分一個給定的IP地址是否已被進行了子網(wǎng)劃分，并從中分離出有效的網(wǎng)絡(luò)標識和子網(wǎng)絡(luò)標識的信息。

子網(wǎng)劃分引發(fā)的新問題

舉例給定IP地址102.2.3.3，已經(jīng)不能簡單地將視為是一個A類地址而認為其網(wǎng)絡(luò)標識為102.0.0.0：若是進行了8位的子網(wǎng)劃分，則其就相當于是一個B類地址且網(wǎng)絡(luò)標識成為102.2.0.0；如果是進行了16位的子網(wǎng)劃分，則又相當于是一個C類地址并且網(wǎng)絡(luò)標識成為102.2.3.0；若是其他位數(shù)的子網(wǎng)劃分，則甚至不能將其歸入任何一個傳統(tǒng)的IP地址類中，即可能既不是A類地址，也不是B類或C類地址。

有類別地址與無類別地址有類別(classful)的IP地址：未引進子網(wǎng)劃分前的A、B、C類地址；可以通過IP地址中的標識位直接判定其所屬的網(wǎng)絡(luò)類別以及網(wǎng)絡(luò)標識。將引入子網(wǎng)技術(shù)后的IP地址稱為無類別的(calssless)IP地址對于任一個給定的IP地址，其中用來表示網(wǎng)絡(luò)標識和主機號的位數(shù)可以是變化的，取決于子網(wǎng)劃分的情況引入子網(wǎng)劃分技術(shù)后，IP地址類的概念已不復(fù)存在子網(wǎng)掩碼

子網(wǎng)掩碼(subnetmask)通常與IP地址配對出現(xiàn)，其功能是告知主機或路由設(shè)備，IP地址的哪一部分代表網(wǎng)絡(luò)號（含網(wǎng)絡(luò)標識與子網(wǎng)絡(luò)標識），哪一部分代表主機號。子網(wǎng)掩碼使用與IP地址相同的編址格式，即32位長度的二進制比特位，也可分為4個8位組并采用點十進制來表示。但在子網(wǎng)掩碼中，與IP地址中的網(wǎng)絡(luò)位部分對應(yīng)的位取值為“1”，而與IP地址主機部分對應(yīng)的位取值為“0”。通過將子網(wǎng)掩碼與相應(yīng)的IP地址進行求“與”操作，就可決定給定的IP地址所屬的網(wǎng)絡(luò)號信息。關(guān)于子網(wǎng)掩碼工作原理的說明如何從二進制數(shù)“1011110101”中提取出前面的若干位，如前四位“？可以采用“與”“1”的操作：

1011110101

And)1111000000

1011000000子網(wǎng)掩碼舉例例1：

102.2.3.3/255.0.0.0表示該地址中的前8位為網(wǎng)絡(luò)標識部分，后24位表示主機號，從而網(wǎng)絡(luò)號為102.0.0.0；例2：

102.2.3.3/255.255.248.0則表示該地址中的前21位為網(wǎng)絡(luò)標識部分，后11位表示主機部分。例3（本機）對于傳統(tǒng)的A、B和C類網(wǎng)絡(luò)，其對應(yīng)的子網(wǎng)掩碼應(yīng)分別為255.0.0.0、255.255.0.0和255.255.255.0。C類網(wǎng)絡(luò)進行不同位的子網(wǎng)劃分后的子網(wǎng)掩碼見右表：子網(wǎng)劃分位數(shù)Subnetmask1255.255.255.1282255.255.255.1923255.255.255.2244255.255.255.2405255.255.255.2486255.255.255.2527255.255.255.254B類網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)劃分的歸結(jié)BorrowedbitNumberofSubnetValidsubnetnumberHostspersubnetTotalhostsSubnetmask121=20215-20255.255.128.0(X)222=42214-22(214-2)255.255.192.0323=86213-26(213-2)255.255.224.0424=1614212-214(212-2)255.255.240.0525=3230211-230(211-2)255.255.248.0626=6462210-262(210-2)255.255.252.0727=12812629-2126(29-2)255.255.254.0828=25625428-2254(28-2)255.255.255.0929=51251027-2510(27-2)255.255.255.12810210=1024102226-21022(26-2)255.255.255.1921121121125-2211(25-2)255.255.255.2241221221224-2212(24-2)255.255.255.2401321321323-2213(23-2)255.255.255.2481421421422-2214(22-2)255.255.255.2521521521521-2=00255.255.255.254(x)

主機172.24.100.45和主機172.24.101.46是否在同一網(wǎng)絡(luò)中，即能否直接相互通信?

正確回答：

不一定，取決于與這些主機地址相對應(yīng)的子網(wǎng)掩碼。課堂提問關(guān)于課堂提問的分析地址為172.24.100.45/16和172.24.101.46/16的主機有相同的網(wǎng)絡(luò)號172.24.0.0,它們之間可以直接相互通信。注：為了表達的方便，在書寫上我們還可以采用諸如“X.X.X.X/Y”的方式來表示IP地址與子網(wǎng)掩碼。其中，每個“X”分別表示與IP地址中的一個8位組對應(yīng)的十進制值，而“Y”表示子網(wǎng)掩碼中與網(wǎng)絡(luò)標識對應(yīng)的位數(shù)。也就是說，16位的子網(wǎng)掩碼(即255.255,0.0)表示沒有進行過子網(wǎng)劃分。地址172.24.100.45/24和172.24.101.46/24在第三個8位組上有不同的取值，說明它們不屬于同一個邏輯網(wǎng)絡(luò).24位的子網(wǎng)掩碼表示在172.24.0.0的網(wǎng)絡(luò)中進行過子網(wǎng)劃分。只有子網(wǎng)絡(luò)號也同時匹配的主機才能直接相互通信。否則，必須通過路由設(shè)備。ARP和RARP7.2.5問題的引入問題：若主機1要將數(shù)據(jù)送到主機3

，兩臺主機都有各自的物理地址和IP地址，發(fā)送數(shù)據(jù)時用的到底是哪一個地址？ARPIP地址只是一種在網(wǎng)際范圍內(nèi)標識主機的邏輯地址，不能直接利用它們在物理上發(fā)送分組因為數(shù)據(jù)鏈路層的硬件是不能識別因特網(wǎng)地址的，它們只能以物理方式進行尋址，例如，以太網(wǎng)中的主機是通過網(wǎng)卡連接到以太網(wǎng)中的，這些網(wǎng)卡只能識別48位的MAC地址并且以以太網(wǎng)幀的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，它們不能識別32位的IP地址。也就是說，為了在物理上實現(xiàn)IP分組的傳輸，需要在網(wǎng)絡(luò)互連層提供從主機IP地址到主機物理地址或MAC地址的映射功能。ARP正是實現(xiàn)這種功能的協(xié)議，其全稱為地址解釋協(xié)議(addressresolutionprotocol，簡稱ARP),該協(xié)議在RFC865中定義。ARP相關(guān)的術(shù)語ARP表：

--主機上用于存儲IP地址及其經(jīng)過解析的以太網(wǎng)或令牌環(huán)物理地址的數(shù)據(jù)表--存儲在RAM中，掉電后會丟失.--自動維護

ARPrequest(ARP請求）用于在網(wǎng)絡(luò)中請求關(guān)于某個IP地址對應(yīng)的MAC地址的廣播包。ARPreply(ARP回應(yīng)）用于在網(wǎng)絡(luò)中回應(yīng)關(guān)于某個IP地址對應(yīng)的MAC地址的包。

ARPupdates(ARP更新）：

當主機收到一個當前ARP緩存不存在的AR這P回應(yīng)時，要在ARP中增加一個新的表項；若當前ARP緩存已經(jīng)存在相應(yīng)的ARP表項時，則在時間標記上更新。本地ARP工作原理示例主機1以主機3的IP地址為目標IP地址，以自己的IP地址為源IP地址封裝了一個IP數(shù)據(jù)包；在數(shù)據(jù)包發(fā)送以前，主機1通過將子網(wǎng)掩碼和源IP地址及目標IP地址進行求“與”操作，判斷源和目標在同一網(wǎng)絡(luò)中；主機1轉(zhuǎn)向查找本地的ARP緩存，以確定在緩存中是否有關(guān)于主機3的IP地址與MAC地址的映射信息；LookupARPtable:DoyouknowtheMACof192.168.2.4?物理地址IP地址02-60-8c-01-d1-10192.168.1.3若在緩存中存在主機3的MAC地址信息，則主機1的網(wǎng)卡立即以主機3的MAC地址為目標MAC地址、以其自己的MAC地址為源MAC地址進行幀的封裝并啟動幀的發(fā)送；本地ARP工作原理示例（續(xù)1）若在緩存中不存在關(guān)于主機3的MAC地址映射信息，則主機1以廣播幀形式向同一網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點發(fā)送一個ARP請求(ARPrequest)：在該廣播幀中48位的目標MAC地址以全“1”即“ffffffffffff”表示，并在數(shù)據(jù)部分發(fā)出關(guān)于“誰的IP地址是192.168.1.4”的詢問。網(wǎng)絡(luò)1中的所有主機都會收到該廣播幀，并且所有收到該廣播幀的主機都會檢查一下自己的IP地址，但只有主機3會以自己的MAC地址信息為內(nèi)容給主機1發(fā)出一個ARP回應(yīng)(ARPreply)。MAC頭目標：ff-ff-ff-ff-ff-ff?：02-60-8c-01-02-03IP頭目標：192.168.1.4?：192.168.1.2數(shù)據(jù)信息你的MAC地址是多少？-3Everyonelisten:Whois192.15.22.126?本地ARP工作原理示例（續(xù)2）主機1收到該回應(yīng)后，首先將該其中的MAC地址信息加入到本地ARP緩存中，即ARP更新。Hi!I’m02-60-8c-01-a1-08物理地址IP地址02-60-8c-01-d1-10192.168.1.302-60-8c-01-a1-08192.168.1.4然后，主機1以主機3的MAC地址為目標MAC，以自己的MAC地址為源MAC，將主機1要發(fā)送給主機3的IP數(shù)據(jù)包封裝成幀，并啟動發(fā)送主機3收到該幀后，確認是給自己的幀，進行幀的拆封并取出其中的IP分組交給網(wǎng)絡(luò)層去處理。問題若主機1要給位于另一個網(wǎng)段中的主機4發(fā)送數(shù)據(jù)，是否也是采用上面所介紹的方式？回答是否定的

因為第二層廣播(在此為以太網(wǎng)幀的廣播)是不可能被第三層設(shè)備路由器轉(zhuǎn)發(fā)的。所有的第二層廣播都會被路由器丟棄，即路由器不轉(zhuǎn)發(fā)第二層的廣播幀。解決方案:

Defaultgateway＋代理ARP

代理ARPProxyARP為ARP協(xié)議的變種；當目標地址與源地址不在同一網(wǎng)絡(luò)中時，路由器以自己與源主機相連接口的MAC地址來回應(yīng)該主機的ARP請求。新的問題源主機如何得知與自己相連的路由器接口的IP地址？缺省網(wǎng)關(guān)或默認網(wǎng)關(guān).缺省網(wǎng)關(guān)缺省網(wǎng)關(guān)defaultgateway是指與源主機位于同一網(wǎng)段中的某個路由器接口的IP地址。缺省網(wǎng)關(guān)為主機的IP配置選項，一旦被配置了缺省網(wǎng)關(guān)，則參數(shù)設(shè)置被作為主機配置的一部分保存起來。右例中，主機1的缺省網(wǎng)關(guān)可配置為路由器的以太網(wǎng)接口E0的IP地址，即192.168.1.1。

請問本例中，主機210.33.44.12/24的缺省網(wǎng)關(guān)應(yīng)為多少？210.33.44.10/24210.33.44.11/24210.33.44.12/24210.33.44.13/24210.33.44.1/24202.1.24.1/24代理ARP工作原理示例主機1以主機4的IP地址為目標IP地址，以自己的IP地址為源IP地址封裝了一個IP數(shù)據(jù)包；由于主機1與主機4不在同一網(wǎng)絡(luò)中，需要將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)給路由器，然后交由路由器來進一步完成后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。物理地址IP地址02-60-8c-01-d1-10192.168.1.301-6a-8c-01-11-10缺省網(wǎng)關(guān)192.168.1.1代理ARP工作原理示例(續(xù))若有，則以缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址為目標MAC地址，以主機1的MAC地址為源MAC地址，將發(fā)往主機4的IP分組封裝成以太網(wǎng)幀后發(fā)送給缺省網(wǎng)關(guān)；

注意：上述IP分組中，源IP為主機1，目標IP為主機4而不是缺省網(wǎng)關(guān)。若沒有，采用前面所介紹的ARP廣播方式獲得，因為缺省網(wǎng)關(guān)與主機1是位于同一網(wǎng)段中的。結(jié)論：若主機上未進行網(wǎng)關(guān)設(shè)置或路由器未啟動ARP代理功能，則任何數(shù)據(jù)包不可能被送到缺省網(wǎng)關(guān)。物理地址IP地址02-60-8c-01-d1-10192.168.1.301-6a-8c-01-11-10缺省網(wǎng)關(guān)192.168.1.1開始SA-DA同一網(wǎng)段中查找ARP緩存廣播并得到硬件地址應(yīng)答,更新ARP緩存以相應(yīng)的硬件地址成幀送至網(wǎng)關(guān)或路由器ProxyARP回應(yīng)網(wǎng)關(guān)或路由接口的MAC地址有否？發(fā)送數(shù)據(jù)幀YNNYARP工作流程小結(jié)路由與路由協(xié)議

Chapter7-3路由問題的引入若目標主機和源主機不在同一網(wǎng)絡(luò)中，如主機1發(fā)送數(shù)據(jù)給主機4，則數(shù)據(jù)包將被發(fā)送至源主機的缺省網(wǎng)關(guān)，即給了路由器的E0端口。哪么路由器收到該數(shù)據(jù)包后又將做什么樣的處理呢？路由與路由器路由是指對到達目標網(wǎng)絡(luò)所進行的最佳路徑選擇

解決“何去何從”的問題，路由是網(wǎng)絡(luò)層最重要的功能。在網(wǎng)絡(luò)層，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層路由功能的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備被稱為路由器。路由功能還可以由下列方式實現(xiàn)：路由模塊

如某些交換機里面所帶的路由功能模塊，這些交換機被稱為三層交換機。軟件路由

在操作系統(tǒng)軟件中所實現(xiàn)的路由功能路由表在路由器中，所有有關(guān)如何到達目標網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑信息以數(shù)據(jù)庫表的形式存儲起來。這種專門用于存放路由信息的表被稱為路由表。路由表的不同表項可給出到達不同目標網(wǎng)絡(luò)所需要歷經(jīng)的路由器接口信息。路由表使得基于第三層地址的路徑選擇最終得以實現(xiàn)。路由表(續(xù))路由器的某一個接口在收到幀后，首先進行幀的拆封以便從中分離出相應(yīng)的IP分組，然后利用子網(wǎng)掩碼求“與”方法從IP分組中提取出目標網(wǎng)絡(luò)號，并將目標網(wǎng)絡(luò)號與路由表進行比對看能否找到一種匹配，即確定是否存在一條到達目標網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑信息。若存在匹配，則將IP分組重新進行封裝成出去端口所期望的幀格式并將其從路由器相應(yīng)端口轉(zhuǎn)發(fā)出去；若不存在匹配，則將相應(yīng)的IP分組丟棄。路由器查找路由表以獲得最佳路徑信息的過程被稱為路由器的“路由”功能；路由器將從接收端口進來的數(shù)據(jù)在輸出端口重新轉(zhuǎn)發(fā)出去的功能稱為路由器的“交換”功能?！奥酚伞迸c“交換”被稱為路由器的兩大基本功能。關(guān)于路由表的問題路由表中的路由信息是從可而來的呢？或者說，路由器如何生成并維持一個能正確反映網(wǎng)絡(luò)拓撲與狀態(tài)信息的路由表？有兩種方式可用于路由表信息的生成和維護，即分別是靜態(tài)路由和動態(tài)路由。靜態(tài)路由網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)其所掌握的網(wǎng)絡(luò)連通信息以手工配置方式創(chuàng)建的路由表表項。要求網(wǎng)絡(luò)管理員對網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有著非常清晰的了解；當網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)發(fā)生變化時，靜態(tài)路由的更新也要通過手工方式完成。通常被用于與外界網(wǎng)絡(luò)只有唯一通道的所謂孤島(STUB)網(wǎng)絡(luò)，也可用作網(wǎng)絡(luò)測試、網(wǎng)絡(luò)安全或帶寬管理的有效措施。當網(wǎng)絡(luò)互連規(guī)模增大或網(wǎng)絡(luò)中的變化因素增加時，靜態(tài)路由也很難及時適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。

動態(tài)路由指路由器通過自主學(xué)習(xí)而獲得的路由信息。通過在路由器上運行路由協(xié)議并進行相應(yīng)的路由協(xié)議配置即可保證路由器自動生成并維護正確的路由信息。動態(tài)路由不僅能更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，如網(wǎng)絡(luò)拓樸和網(wǎng)絡(luò)流量的變化，同時也減少了人工生成與維護路由表的工作量。付出的代價：

路由器之間為了交換和處理路由更新信息而帶來的資源耗費，包括網(wǎng)絡(luò)帶寬和路由器本身資源的占用。

路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層用于動態(tài)生成路由表信息的協(xié)議，又被稱為主動路由(routing)協(xié)議。

IP協(xié)議提供了邏輯尋址信息即告訴路由設(shè)備數(shù)據(jù)包要往何處去，但不能解決如何去的問題；路由協(xié)議提供了關(guān)于如何到達既定目標的路徑信息。也就是說，為IP數(shù)據(jù)包到達目標網(wǎng)絡(luò)提供了路徑選擇服務(wù)，而IP協(xié)議則是路由協(xié)議進行路徑選擇服務(wù)的對象，因此，IP協(xié)議又稱為被動路由(routed)協(xié)議。

路由協(xié)議的核心是路由選擇算法。

不同的路由選擇算法通常會采用不同的評價因子、權(quán)重及算法思想來進行最佳路徑的計算。常見的評價因子包括帶寬、可靠性、延時、負載、跳數(shù)和費用等。在此，跳數(shù)(hop)是指所需經(jīng)過的路由器數(shù)目。路由協(xié)議的分類按路由選擇算法的不同，路由協(xié)議被分為距離矢量路由協(xié)議、鏈路狀態(tài)路由協(xié)議和混合型路由協(xié)議三大類。距離矢量路由協(xié)議的典型例子：RIP(RoutingInformationProtocol)，路由消息協(xié)議IGRP(InteriorGatewayRoutingProtocol)，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議鏈路狀態(tài)路由協(xié)議的典型例子：

開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OpenShortestPathFirst)，簡稱OSPF?；旌闲吐酚蓞f(xié)議綜合了距離矢量路由協(xié)議和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議的優(yōu)點，典型例子：IS-IS(intermediatesystem-inte