2020年秋季學(xué)期計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課件l09ip address

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

第九講劉威

liuwei@第3章的問(wèn)題:并非所有的網(wǎng)絡(luò)都是直連第3章.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題:并非所有的網(wǎng)絡(luò)都是直連的3.1交換和橋接3.2互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)從TCP到TCP/IP：發(fā)展歷史IP服務(wù)模型IP服務(wù)模型的實(shí)現(xiàn)：IP分組設(shè)計(jì)IP服務(wù)模型的實(shí)現(xiàn)：IP分組交換轉(zhuǎn)發(fā)IP分組在數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送：ARP/RARP協(xié)議IP地址劃分與路由聚合：CIDR協(xié)議IP地址的分配與管理：特殊IP、DHCP協(xié)議、NATIP網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試與跟蹤：ICMP協(xié)議、ping、tracertIP地址劃分的低效率問(wèn)題問(wèn)題IP地址耗盡問(wèn)題Internet的快速發(fā)展低效的地址分配示例1:一個(gè)包含10臺(tái)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)號(hào)效率:10/256約為4%示例2:一個(gè)擁有300臺(tái)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)B類網(wǎng)絡(luò)號(hào)效率:300/65536約為0.5%子網(wǎng)劃分IP地址劃分的改進(jìn)：引入子網(wǎng)在傳統(tǒng)A/B/C類網(wǎng)絡(luò)地址劃分基礎(chǔ)上引入的新層次同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)的網(wǎng)段地址可以分為若干個(gè)子網(wǎng)引入子網(wǎng)掩碼(subnetmask)，以便計(jì)算網(wǎng)絡(luò)號(hào)(networknumber)和子網(wǎng)號(hào)(subnetID)路由的改進(jìn)IP路由器支持按照子網(wǎng)進(jìn)行路由<networkaddress,subnetmask,nexthop>如何劃分子網(wǎng)–(1)示例:給定一個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)號(hào)，打算劃分為3個(gè)子網(wǎng)，其中2個(gè)分配64個(gè)地址、1個(gè)128個(gè)地址分出的子網(wǎng)應(yīng)滿足網(wǎng)段地址塊的要求子網(wǎng)地址可以通過(guò)網(wǎng)段內(nèi)IP與子網(wǎng)掩碼相與獲得該網(wǎng)段的子網(wǎng)地址為該網(wǎng)段的首地址（主機(jī)號(hào)部分全為0）該網(wǎng)段的廣播地址為該網(wǎng)段的最后地址（主機(jī)號(hào)部分全為1）如何劃分子網(wǎng)–(2)子網(wǎng)地址數(shù)量子網(wǎng)掩碼IP地址12828–2728649228–9192649292–55128=10000000192=11000000子網(wǎng)1子網(wǎng)2子網(wǎng)3網(wǎng)絡(luò)號(hào)子網(wǎng)號(hào)主機(jī)號(hào)如何劃分子網(wǎng)–(3)優(yōu)先劃分較大的子網(wǎng)!!否則計(jì)算出的子網(wǎng)地址有問(wèn)題子網(wǎng)地址規(guī)劃–(1)示例：已知主機(jī)數(shù)量，測(cè)算子網(wǎng)掩碼子網(wǎng)中不是所有的地址都可以作為主機(jī)地址子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址(主機(jī)部分全0)子網(wǎng)廣播地址(主機(jī)部分全1)子網(wǎng)默認(rèn)網(wǎng)關(guān)地址（缺省路由器地址）規(guī)劃一個(gè)包括10臺(tái)主機(jī)的子網(wǎng)，計(jì)算其子網(wǎng)掩碼所有地址10+3=13,23<13<24主機(jī)號(hào)部分需要有4bits掩碼為40，(240)10=(11110000)2子網(wǎng)地址規(guī)劃–(2)示例：已知某主機(jī)IP，測(cè)算路由至該網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)地址如果一臺(tái)主機(jī)的IP地址為37,子網(wǎng)掩碼為24,計(jì)算其子網(wǎng)的地址(137)10=(10001001)2(224)10=(11100000)2網(wǎng)絡(luò)地址的最后8bit為(10000000)2=(128)10網(wǎng)絡(luò)地址為28廣播地址的最后8bit為(10011111)2=(159)10廣播地址為59子網(wǎng)劃分的效率示例:3個(gè)網(wǎng)絡(luò),其中2個(gè)包含50臺(tái)主機(jī),另1個(gè)包含100臺(tái)主機(jī)傳統(tǒng)分配需要3個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)號(hào)效率:200/(3x256)約為26%子網(wǎng)劃分僅需要1個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)號(hào)劃分3個(gè)子網(wǎng):其中2個(gè)分配64的地址,另1個(gè)分配128個(gè)地址效率:200/256約為78%轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程的變化引入子網(wǎng)概念后,分組的傳送目標(biāo)是子網(wǎng)而非(A,B,C)類網(wǎng)絡(luò),路由表記錄形式變?yōu)?lt;子網(wǎng)號(hào),子網(wǎng)掩碼,下一跳>轉(zhuǎn)發(fā)算法 D=dst.IPaddr. foreachentryinroutingtable D1=SubNetMask&D ifD1=SubNetNum ifNextHopisaninterface deliverdatagramdirectlytodst. else deliverdatagramtoNextHop(router)子網(wǎng)劃分轉(zhuǎn)發(fā)表示例小結(jié):子網(wǎng)劃分子網(wǎng)劃分的優(yōu)點(diǎn)提高了地址分配效率：加入一個(gè)新的物理網(wǎng)絡(luò)時(shí)不需要用光B類或C類網(wǎng)絡(luò)的所有地址.有利于信息聚合：可以減少路由器為了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)到這些網(wǎng)絡(luò)所需存儲(chǔ)的信息量.子網(wǎng)劃分的局限性子網(wǎng)劃分僅僅是對(duì)已有A/B/C類地址結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充，不能解決劃分IP地址的效率問(wèn)題例如，某ISP組建一個(gè)包含1000臺(tái)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)，如果采用分類地址結(jié)構(gòu)，還是需要申請(qǐng)一個(gè)B類網(wǎng)絡(luò)地址，效率:1000/65536約為0.15%無(wú)分類路由選擇(CIDR)CIDR:ClasslessInterDomainRouting無(wú)分類域間路由選擇IETF組織于1993年提出的用于替換分類IP地址(ClassifiedIPaddressing)的方案；RFC1518和RFC1519,定義了新的IP地址塊分配方式以及IP分組路由選擇的新方法地址劃分方面，變長(zhǎng)的子網(wǎng)掩碼(VLSM,variablelengthsubnetmask)允許分配任意長(zhǎng)度前綴的”子網(wǎng)”，將地址塊分為256,512,1024,2048,…路由方面，采用最長(zhǎng)前綴匹配的路由方式，區(qū)分不同路由記錄的轉(zhuǎn)發(fā)路徑變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼可變長(zhǎng)度子網(wǎng)掩碼(VLSM,variablelengthsubnetmask)在IP地址后用“/x”表示從首位連續(xù)x位是1CIDR對(duì)應(yīng)的掩碼/8/9/10/11/12/13/14/15/16/17/18/19CIDR對(duì)應(yīng)的掩碼/20/21/22/23/24/2528/2692/2724/2840/2948/3052CIDR的路由轉(zhuǎn)發(fā)路由表的格式改為<網(wǎng)絡(luò)號(hào)/掩碼長(zhǎng)度,下一跳,接口>當(dāng)路由器收到一個(gè)IP分組查詢其目的IP地址匹配:掩碼長(zhǎng)度為n,目的IP地址的高n位==網(wǎng)絡(luò)號(hào)的高n位?最長(zhǎng)前綴匹配，優(yōu)先匹配掩碼長(zhǎng)度較大的記錄網(wǎng)絡(luò)/掩碼下一跳接口/22DirectlyConnectedInterface1/17DirectlyConnectedInterface2/20Interface3/24Interface4CIDR案例1：相同大小子網(wǎng)某校園網(wǎng)采用CIDR地址分配所有子網(wǎng)的高20bit相同，外網(wǎng)路由器可以采用校園網(wǎng)地址聚合路由每個(gè)子網(wǎng)的主機(jī)位有32-23=9bit，可以容納29=512個(gè)地址CIDR案例1：相同大小子網(wǎng)某校園網(wǎng)采用CIDR路由接口1接口2接口3接口4接口5接口6接口7接口8Dest.NextHopInterfaceDest.NextHopInterface/23/Interface1/23/Interface5/23/Interface2/23/Interface6/23/Interface3/23/Interface7/23/Interface4/23/Interface8CIDR案例2：不同大小子網(wǎng)接口1接口2接口3主機(jī)IP地址范圍(除開網(wǎng)絡(luò)和廣播地址)主機(jī)126臺(tái)主機(jī)62臺(tái)主機(jī)62臺(tái)網(wǎng)關(guān)路由器R2邊緣路由器R1某企業(yè)網(wǎng)采用CIDR區(qū)分三個(gè)部門CIDR案例2：不同大小子網(wǎng)某企業(yè)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)路由器R2的路由表Dest.NextHopInterface/25/Interface128/26/Interface292/26/Interface300000000000001~111111100000000000001~011111110000001000001~1111111地址空間/24路由記錄/25路由記錄28/26路由記錄92/26網(wǎng)關(guān)路由器R2邊緣路由器R1CIDR案例2：超網(wǎng)骨干網(wǎng)的邊緣路由器R1的路由表超網(wǎng)（Supernetting）將兩個(gè)或者多個(gè)子網(wǎng)組合起來(lái)，在路由表中形成單一路由記錄的方法，又稱為前綴聚合(Prefixaggregation)，路由聚合(Routeaggregation)，路由匯總(Routesummarization)超網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)是可以節(jié)省路由器的存儲(chǔ)空間，降低匹配路由記錄的開銷超網(wǎng)的缺點(diǎn)是可能引入互操作性的風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)關(guān)路由器R2邊緣路由器R1Dest.NextHopInterface/24R2Interface1CIDR案例3：嵌套子網(wǎng)某路由器的路由表到來(lái)IP分組的目的地址為，問(wèn)命中哪條記錄？Dest.NextHopInterface/20/Interface1/24/Interface2200.200.00010000.1200.200.00010000.2~200.200.00010100.255200.200.00010101.0200.200.00010101.1~200.200.00010101.255200.200.00010110.0~200.200.00011111.255路由記錄/20路由記錄/24同時(shí)命中兩條路由記錄CIDR案例3：最長(zhǎng)前綴匹配最長(zhǎng)前綴匹配準(zhǔn)則(LongestPrefixMatch)：當(dāng)路由表中有多條條目可以匹配目的IP時(shí)，一般就采用掩碼最長(zhǎng)的一條作為匹配項(xiàng)并確定下一跳Dest.NextHopInterface/20/Interface1/24/Interface2200.200.00010000.1200.200.00010000.2~200.200.00010100.255200.200.00010101.0200.200.00010101.1~200.200.00010101.255200.200.00010110.0~200.200.00011111.255路由記錄/20路由記錄/24命中路由記錄/20第3章.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題:并非所有的網(wǎng)絡(luò)都是直連的3.1交換和橋接3.2互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)從TCP到TCP/IP：發(fā)展歷史IP服務(wù)模型IP服務(wù)模型的實(shí)現(xiàn)：IP分組設(shè)計(jì)IP服務(wù)模型的實(shí)現(xiàn)：IP分組交換轉(zhuǎn)發(fā)IP分組在數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送：ARP/RARP協(xié)議IP地址劃分與路由聚合：CIDR協(xié)議IP地址的分配與管理：特殊IP、DHCP協(xié)議、NATIP網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試與跟蹤：ICMP協(xié)議、ping、tracert特殊IP地址：分類保留地址分類地址空間中，被保留的特殊IP地址被保留，不能用于公共Internet的IP地址1個(gè)A類保留地址：10.*.*.*16個(gè)B類保留地址：172.16.*.*～172.31.*.*256個(gè)C類保留地址：192.168.0.*～192.168.255.*所有D類地址僅用于組播～55所有E類地址被保留～54RFC1918為私有網(wǎng)絡(luò)預(yù)留出了三個(gè)IP地址塊:即A類、B類、C類的保留地址這些地址不得做為公共互聯(lián)網(wǎng)(Internet)地址，可作為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(Intranet)地址特殊IP地址：廣播地址有些IP地址被約定做為廣播地址，不參與IP路由。路由器收到這些IP分組后向全部接口轉(zhuǎn)發(fā)。名稱說(shuō)明直接廣播地址分類地址中（A類、B類與C類），IP地址中主機(jī)號(hào)是全1的IP地址，例如55無(wú)分類地址（CIDR）中主機(jī)號(hào)全1的IP地址，例如在/26網(wǎng)段中3，(63)10=(00111111)2限制廣播地址網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址全為1，即55指本網(wǎng)段內(nèi)（同一廣播域）的所有主機(jī)特殊IP地址：應(yīng)用約定在各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，約定有些IP地址具有特殊含義IP地址說(shuō)明在缺省網(wǎng)關(guān)路由表中代表所有未知的主機(jī)和目的網(wǎng)絡(luò)0.0.0.*網(wǎng)絡(luò)號(hào)是全0的地址指“這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上特定的主機(jī)”127.*.*.*127中的所有地址都代表發(fā)送方自己。該A類地址被網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序保留作閉環(huán)（lookback），一般用作測(cè)試之用，典型的是，別名localhost169.254.*.*Windows操作系統(tǒng)中，如果自動(dòng)分配IP地址(DHCP)失敗則Windows系統(tǒng)會(huì)分配這樣一個(gè)地址動(dòng)態(tài)為主機(jī)分配IP的需求對(duì)于網(wǎng)絡(luò)而言,主機(jī)節(jié)點(diǎn)必須擁有IP地址,網(wǎng)絡(luò)掩碼以獲得網(wǎng)絡(luò)地址默認(rèn)路由器和DNS服務(wù)器的IP地址問(wèn)題1:IP地址需要重新配置.IP地址不僅要求在給定的互聯(lián)網(wǎng)中唯一,而且必須能夠反映互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu).問(wèn)題2:IP配置需要自動(dòng)化.網(wǎng)絡(luò)管理員很難手工完成所有節(jié)點(diǎn)的地址ZeroNetworkingConfiguration的需求解決方案:動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DynamicHostConfigurationProtocol,DHCP)動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)DHCP動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DynamicHostConfigurationProtocol)1993年RFC1531規(guī)定，1997年RFC2131協(xié)議改版在局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中是集中管理、分配IP地址，使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的主機(jī)動(dòng)態(tài)的獲得IP地址、Gateway地址、DNS服務(wù)器地址等信息DHCP協(xié)議采用客戶端/服務(wù)器模型。當(dāng)DHCP服務(wù)器(通常是運(yùn)行在局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)上)接收到來(lái)自網(wǎng)絡(luò)主機(jī)申請(qǐng)地址的信息時(shí)，會(huì)向網(wǎng)絡(luò)主機(jī)發(fā)送相關(guān)的地址配置等信息主機(jī)側(cè)配置“自動(dòng)獲得IP”，即啟用DHCP客戶端向局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求IP地址DHCP工作原理主機(jī)與DHCP服務(wù)器通信的四種標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文DHCPDISCOVER(從主機(jī)到DHCP服務(wù)器)主機(jī)廣播該報(bào)文DHCPOFFER(從DHCP服務(wù)器到主機(jī))DHCP服務(wù)器給出包含配置參數(shù)的提議DHCPREQUEST(從主機(jī)到DHCP服務(wù)器)主機(jī)選擇并接受某一提議DHCPPACK(從DHCP服務(wù)器到主機(jī))DHCP服務(wù)器確認(rèn)配置DHCP客戶端與服務(wù)器協(xié)商過(guò)程DHCP服務(wù)器:客戶端timeDHCP發(fā)現(xiàn)src:,68dest.:55,67yiaddr:transactionID:654src:,67dest:55,68yiaddrr:transactionID:654Lifetime:3600secsDHCP請(qǐng)求src:,68dest::55,67yiaddrr:transactionID:655Lifetime:3600secsDHCPACKsrc:,67dest:55,68yiaddrr:transactionID:655Lifetime:3600secs廣播DHCP深入討論DHCP時(shí)間DHCP服務(wù)器:租用時(shí)間4字節(jié),1秒–136年DHCP客戶端:超時(shí)觸發(fā)器0.5T和0.875TWindows命令:ipconfig/releaseipconfig/renew網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換的需求IP地址分配的需求公網(wǎng)IP地址數(shù)量有限實(shí)際運(yùn)營(yíng)中很多內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)都需要IP地址私有網(wǎng)絡(luò)地址的提出RFC1918為私有網(wǎng)絡(luò)預(yù)留出了三個(gè)IP地址塊A類：～55B類：～55C類：～55上述三個(gè)范圍內(nèi)的地址不會(huì)在因特網(wǎng)上被分配，因此可以不必向ISP或注冊(cè)中心申請(qǐng)而在公司或企業(yè)內(nèi)部自由使用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換的需求內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主機(jī)使用私有地址，通過(guò)網(wǎng)關(guān)路由器發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，私有地址被轉(zhuǎn)換成合法公網(wǎng)的IP地址一個(gè)局域網(wǎng)只需使用少量IP地址（甚至是1個(gè)）即可實(shí)現(xiàn)私有地址網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計(jì)算機(jī)與Internet的通信需求網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NATNAT網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NetworkAddressTranslation)1994年RFC1632，路由器可將多個(gè)內(nèi)部地址映射為一個(gè)合法公網(wǎng)地址，以不同的協(xié)議端口號(hào)與不同的內(nèi)部地址相對(duì)應(yīng)<內(nèi)部地址+內(nèi)部端口><外部地址+外部端口>小結(jié)：IP地址的故事第3章.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題:并非所有的網(wǎng)絡(luò)都是直連的3.1交換和橋接3.2互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)從TCP到TCP/IP：發(fā)展歷史IP服務(wù)模型IP服務(wù)模型的實(shí)現(xiàn)：IP分組設(shè)計(jì)IP服務(wù)模型的實(shí)現(xiàn)：IP分組交換轉(zhuǎn)發(fā)IP分組在數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送：ARP/RARP協(xié)議IP地址劃分與路由聚合：CIDR協(xié)議IP地址的分配與管理：特殊IP、DHCP協(xié)議、NATIP網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試與跟蹤：ICMP協(xié)議、ping、tracert網(wǎng)絡(luò)調(diào)試與跟蹤的需求Internet如何處理錯(cuò)誤?當(dāng)IP在數(shù)據(jù)報(bào)傳送受阻而要將其丟棄時(shí)通過(guò)指定的協(xié)議報(bào)錯(cuò)，以便源端進(jìn)行調(diào)試雖然IP提供的盡力服務(wù)、無(wú)法保證傳輸可靠性，但如果具備可調(diào)試和跟蹤的能力，仍然是一個(gè)可以實(shí)用化的網(wǎng)絡(luò)類比：現(xiàn)實(shí)世界物流跟蹤服務(wù)，雖然不能保證不丟件，但是提供了事后可以跟蹤追溯的服務(wù)，仍然可用互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議ICMP互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議(InternetControlMessageProtocol)ICMP協(xié)議是一種面向無(wú)連接的協(xié)議，用于傳輸出錯(cuò)報(bào)告控制信息，包括報(bào)告錯(cuò)誤、交換受限控制和狀態(tài)信息等。ICMP設(shè)計(jì)的初衷是用于IP協(xié)議在執(zhí)行過(guò)程中由路由器來(lái)向源主機(jī)報(bào)告?zhèn)鬏敵鲥e(cuò)的原因ICMP規(guī)定了出錯(cuò)報(bào)告信息的格式。發(fā)送的出錯(cuò)報(bào)文返回到發(fā)送原數(shù)據(jù)的設(shè)備，發(fā)送設(shè)備隨后可根據(jù)ICMP報(bào)文確定發(fā)生錯(cuò)誤的類型，并確定如何才能更好地重發(fā)失敗的數(shù)據(jù)包。ICMP的功能僅僅是報(bào)告問(wèn)題而不是糾正錯(cuò)誤，糾正錯(cuò)誤的任務(wù)由發(fā)送方完成。ICMP報(bào)文結(jié)構(gòu)ICMP查詢模式ICMPquery:Request由主機(jī)向路由器或者其它主機(jī)請(qǐng)求Reply返回給請(qǐng)求的主機(jī)Type/CodeDescription8/0EchoRequest0/0EchoReply13/0TimestampRequest14/0TimestampReply10/0RouterSolicitation9/0RouterAdvertisementICMP的應(yīng)用:ping測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)主機(jī)是否可達(dá)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具Ping:PacketInternetGropePing發(fā)送一個(gè)ICMP回聲請(qǐng)求(type8,code0)消息給