第5章網絡互聯與因特網基礎

第5章網絡互聯與因特網基礎本章內容網絡互聯的基本概念因特網的體系結構因特網接入技術因特網的鏈路層與網絡層因特網的傳輸層協議15.1網絡互聯的基本概念21網絡互聯的含義所謂的網絡互連（聯）就是指不同網段、網絡或子網之間通過網絡的連接或互連設備（中繼器、網橋、路由器或網關等）實現各個網絡段或子網間的互相連接，其目的在于實現各個網段或子網之間的數據傳輸、通信、交互與資源共享。（1）網絡的延伸每種局域網的最大距離都有限制，如10BASET中的100m。如果實際網絡的需要超過這個距離，就需要通過各種網絡連接設備來延伸網絡。（2）網絡的分段所謂的網絡分段就是將一個大的網絡系統分解成幾個小的局域網（即子網），然后再通過互連設備（交換機、網橋或路由器）將各個子網連接成一個整體網絡。32.網絡互聯的目的（1）采用各種網絡互聯設備與互聯軟件將同一類型或不同類型的網絡相互連接在一起，組成地理覆蓋范圍更大、功能更強的網絡，最大限度地實現網絡資源共享、信息交換和協同工作；（2）將一個大網絡分解為互聯的若干個較小的子網，以利于更有效地管理和使用網絡資源、優(yōu)化網絡性能、隔離故障以及提高安全保密性。3.幾個基本概念（1）同構網具有相同特性的網絡，具有相同的通信協議，使用相同的操作系統；（2）異構網具有不同傳輸性質和通信協議以及操作系統的網絡。目前，網絡互聯大多是異構網間的連接。實現異構網互聯不是簡單的物理線路聯通，而是更為復雜的邏輯上的連接。4（3）互連互連即互相連接。指在兩個物理網絡之間至少要有一條物理鏈路和數據鏈路，這為兩個網絡的數據交換提供物質基礎。物理互連并不能保證兩個網絡可以進行數據交換，因為這還取決于兩個網絡的通信協議是否兼容。（4）互通（Intercommunication）互通即互相通信，指兩個網絡之間可以進行數據交換，僅涉及通信的兩個網絡之間端到端的連接和數據交換?；ネ榛ゲ僮魈峁┣疤?。（5）互操作（Interoperability）互操作是兩個網絡中不同計算機系統之間具有透明地交換信息和訪問對方資源的能力，而不必考慮這兩個網絡上的硬件、軟件的差異?；ゲ僮鞑灰蕾囉诰唧w連接形式，是為支持應用間的相互作用而創(chuàng)建的協議環(huán)境，一般由高層軟件實現。

5

因此，互連、互通和互操作表示了由低到高三個層次的含義，互連是網絡連接的物質基礎，互通是通信手段，互操作才是網絡互聯的最終目的。只有解決好這三個層次的上的問題，才能實現真正意義上的網絡互聯。4.網絡互聯要解決的問題

互連是針對不同的類型網絡互連，因而有許多需要解決，主要有：（1）不同的尋址方案（2）不同的最大分組長度（3）不同的網絡接入機制（4）不同的超時控制（5）不同差錯恢復方法（6）不同路由選擇技術（7）不同服務（面向連服務和無連接服務）等5網絡互聯的類型61、LAN-LAN互聯在LAN-LAN互聯中，根據LAN的傳輸性質和通信協議不同，又分為同構網互聯和異構網互聯兩種形式。

⑴同構網互聯：指具有相同傳輸性質和相同通信協議的局域網互聯。LAN-LAN互聯結構圖PCPCPCPCLAN1LAN2互連設備⑵異構網互聯：指兩種完全不同傳輸性質和不同通信協議的局域網互聯。目前，不同類型的網絡之間的互聯大多是異構網互聯。異構網的互聯較復雜些，常用連接設備有網橋或路由器,如右圖所示。

5網絡互聯的類型7WANWAN路由器WAN-WAN互聯結構圖

2、LAN-WAN互聯

LAN-WAN互聯可以使不同單位或機構的LAN連入范圍更大的網絡體系中。其連接如下圖所示。3、WAN-WAN互聯

WAN與WAN互聯一般在政府的電信部門或國際組織間進行將不同地區(qū)的網絡互聯，以構成更大規(guī)模的網絡。WAN-WAN的互聯主要使用路由器或網關來實現。其連接如下圖所示。WAN路由器PCLAN-WAN互聯結構圖LANPCPC5網絡互聯的類型8

4、LAN-WAN-LAN互聯

如果兩個局域網的地理位置相隔很遠，可以通過廣域網實現兩個局域網的互聯。其連接如下圖所示。PCLAN-WAN-LAN互聯結構圖WANPCPCPCPCPC路由器路由器路由器LANLANLAN6網絡互聯的層次9

網絡互聯不僅要把多個網絡用物理線路連接起來，并且使用戶無法察覺不同網絡之間的差異。各種網絡協議的功能不同，分屬于不同的層次。網絡互聯主要是將不同網段、網絡或子網之間通過網絡互聯設備連接起來。網絡各互聯層與相應設備的對應關系如圖所示。

圖互聯設備的層次關系網絡1

網橋、交換機（鏈路層）網關（高層）

路由器（網絡層）

中繼器、集線器（物理層）子絡1LAN1網段1網段2LAN2子絡2網絡26網絡互聯的層次10

1、物理層的互聯用于兩個相同網段的互聯，所要解決的問題是在不同的電纜段之間復制位信號,互聯的主要設備是中繼器或集線器。

2、數據鏈路層互聯用于同操作系統的局域網互聯，所要解決的問題是在網絡之間存儲轉發(fā)數據幀，互聯的主要設備是網橋或交換機。

3、網絡層互聯用于LAN與LAN、LAN與WAN、WAN與WAN之間的互聯，所要解決的問題是在不同的網絡之間存儲轉發(fā)分組，互聯的主要設備是路由器。

4、高層互聯用于WAN與WAN互聯。所要解決的問題是對兩個網絡的應用層以下各層網絡協議進行轉換，互聯的主要設備是網關。11

物理層：中繼器/集線器

在電纜段之間復制比特流。沒有地址概念，因此從本質上不能算是網絡互連。網絡層數據鏈路層物理層傳輸層應用層網絡層數據鏈路層物理層傳輸層應用層物理層物理層中繼器集線器電纜段2電纜段1

數據鏈路層：網橋/交換機

在網段之間轉發(fā)數據幀。

根據數據幀中的信息（MAC地址）進行轉發(fā)。12物理層網絡層數據鏈路層物理層傳輸層應用層網絡層數據鏈路層物理層傳輸層應用層物理層網橋交換機數據鏈路層網段1網段2

網絡層：路由器

在網絡之間轉發(fā)報文分組。

根據分組中的邏輯地址（IP地址）進行轉發(fā)。13鏈路層物理層網絡層數據鏈路層物理層傳輸層應用層網絡層數據鏈路層物理層傳輸層應用層物理層路由器鏈路層網絡層網絡2網絡114

更高層：網關

連接不同體系結構的網絡網絡層數據鏈路層物理層應用層/傳輸層網絡層數據鏈路層物理層應用層/傳輸層物理層網關鏈路層網絡層網絡1應用層/傳輸層物理層鏈路層網絡層網絡2網絡互聯的歸納

物理層：使用中繼器或集線器在不同的電纜段之間復制位信號，無尋址功能；數據鏈路層：使用網橋或交換機在局域網之間存儲轉發(fā)數據幀，用MAC地址尋址；網絡層：使用路由器在不同的網絡之間存儲轉發(fā)分組，用IP地址尋址；傳輸層及應用層：使用網關提供更高層次的互連，用端口號或其他特定標識尋址。155.2因特網的接入因特網的接入是指如何把用戶的計算機連接到因特網的接入點——因特網的邊緣路由器

.接入因特網的方式多種多樣，一般都是通過提供因特網接入服務的ISP(InternetServiceProvider)接入因特網。因特網接入采用了廣域網連接技術。從用戶類型劃分，因特網接入分為：住宅（居民區(qū)）接入機構接入移動用戶接入165.2.1居民區(qū)因特網接入171、電話撥號接入

電話撥號入網可分為兩種：

一是個人計算機經過調制解調器和普通模擬電話線，與公用電話網連接。通過普通模擬電話撥號入網方式，數據傳輸能力有限，傳輸速率較低(最高56kb/s)，傳輸質量不穩(wěn)，上網時不能使用電話。二是個人計算機經過專用終端設備和數字電話線，與綜合業(yè)務數字網(ISDN,IntegratedServiceDigitalNetwork)連接。通過ISDN撥號入網方式，信息傳輸能力強，傳輸速率較高(128kb/s)，傳輸質量可靠，上網時還可使用電話。

185.2.1居民區(qū)因特網接入ADSL即非對稱數字用戶線,在現有的普通電話線上提供：6~8Mbit/s的高速下行速率，640Kbit/s~1Mbit/s的上行速率；傳輸距離可達2.7km-3.6km。PSTN網絡ISP網絡DSL接入復用器AAA服務器ADSLModemADSLModem基于ADSL撥號接入的網絡連接形式Internet2、ADSL接入

19實現原理：ADSL調制解調器使用頻分多路復用技術，將用戶電話線帶寬劃分為3個頻段:0~4kHz用于傳送電話信號，20~50kHz用于傳送上行數字信息，150~500kHz用于速率為1.5Mbps的下行數字信息的傳輸.140~1100kHz用于速率為8Mbps的下行數字信息的傳輸。1.5Mbps傳統電話上行1Mbps0420501401505001100(kHz)ADSL技術的頻譜分布圖下行8Mbps20——將數字用戶線路改造成為具有3條獨立信道的通信管道，彼此可以互不干擾的傳輸各自的數據。ADSL管道下行數據信道上行數據信道語音信道接入方式：ISP對家庭用戶接入一般提供虛擬撥號(PPPoE)接入方式，對于局域網用戶接入可提供專線(靜態(tài)IP)接入方式。213、CableModem接入

基于有線電視的線纜調制解調器(CableModem)接入方式可以達到下行8Mb/s、上行2Mb/s的高速率接入。要實現基于有線電視網絡的高速互聯網接入業(yè)務還要對現有的CATV網絡進行相應的改造?；谟芯€電視網絡的高速互聯網接入系統有兩種信號上行信號傳送方式，一種是通過CATV網絡本身采用上下行信號分頻技術來實現，另一種通過CATV網傳送下行信號，通過普通電話線路傳送上行信號。

5.2.1居民區(qū)因特網接入224、光纖同軸混合HFC接入技術主干網為光纜，將光信號從局端傳輸到居民小區(qū)光信號轉換為電信號后，再通過同軸電纜傳輸到用戶家中用戶則使用電纜調制解調器CableModem(機頂盒）接入到網絡。分路器頭端控制中心分路器放大器分路器同軸電纜HFC網絡結構頭端ODN光纖居民住宅放大器CMTS頭端ODN：光分配結點5.2.1居民區(qū)因特網接入23目前，HFC網絡的頻帶劃分情況：5~42MHz為上行通道，用于傳輸IP電話和狀態(tài)信息等。54~550MHz為下行通道，用于傳輸模擬電視節(jié)目，按照每路帶寬為6~8MHz，可以傳送各種不同制式的電視信號達60~80路。550~750MHz：用于傳送數字視頻信號以及各種雙向交互通信業(yè)務。750~1000MHz：用于未來可能出現的各種雙向通信業(yè)務。542545507501000MHzHFC網絡頻譜劃分上行信道模擬電視數字信號保留下行信道24性能指標：1)CableModem的下行速率：3~10Mbps，2)最高可達36Mbps；而上行速率一般為0.2~2Mbps，最高可達10Mbps。HFC網絡存在的主要問題：1)HFC屬于模擬技術，不符合數字化的發(fā)展方向。盡管可以實現模擬信號與數字信號共存，但在較長時間內仍要以模擬信號為主。2)需要對現有的CATV網絡進行雙向傳輸改造，這需要大量的資金和時間；3)由于上行信道采用共享方式，因此存在傳輸沖突問題；而且下行信道的帶寬也略顯不足。5.2.2機構接入網絡：局域網25

一般單位的局域網都已接入Internet,局域網用戶即可通過局域網接入Internet。局域網接入傳輸容量較大，可提供高速、高效、安全、穩(wěn)定的網絡連接?，F在許多住宅小區(qū)也可以利用局域網提供寬帶接入。

26公司/大學局域網

(LAN)將端系統連接到端接路由器以太網(Ethernet):

共享或專線電纜將端系統連接端系統和路由器10Mb/s,100Mb/s,1Gb/s以太網應用:

企事業(yè)單位,家庭用戶普遍使用的LAN275.2.3寬帶無線接入（BWA）技術寬帶無線接入服務：帶寬超過2Mbps的無線接入技術。802.11無線局域網（WLAN）重點解決小范圍內的移動結點通信問題。但由于用戶數和覆蓋范圍的限制，無法用于大范圍的無線接入。802.16無線城域網（WMAN）的重點是解決更大范圍的固定結點數據通信問題。標準的頒布和WiMAX技術的成熟，城域寬帶無線接入技術快速進入實際應用。802.16d網絡拓撲結構802.16f網絡拓撲結構28無線廣域網（MWAN）

覆蓋全國或全球范圍內的無線網絡，可以使筆記本電腦、智能手機、PDA或其它設備在網絡覆蓋的任何位置接入到互聯網。與無線局域網和無線城域網相比，除了可以提供更大范圍的無線接入外，還主要體現在快速移動性上。

從目前的應用來看，其信息傳輸速率并不高，一般無法滿足多媒體應用的需要，只能適用于手機、PDA等處理能力較低的弱終端，而對于具有高強處理能力的筆記本電腦來說，是不太適宜的。典型的無線廣域網包括衛(wèi)星通信系統、GSM和CDMA移動通信系統，以及未來的3G、超3G和4G技術。無線廣域網的標準為IEEE802.20。5.3因特網的鏈路層和網絡層因特網的鏈路層的內容相對其它層來說比較簡單，主要涉及的協議有撥號訪問的點對點協議(point-to-point,簡稱ppp協議)及局域網的鏈路控制協議HDLC。相關的議題還包括：通過局域網接入因特網時ARP與IP的交互問題。因特網的網絡層協議主要包括：互聯網絡協議IP網絡控制信息協議ICMP路由協議組播協議IGMP295.3.1因特網的點對點協議PPP目前使用最多的數據鏈路層協議是點對點協議PPP(Point-to-PointProtocol)。用戶使用撥號電話線接入因特網時，一般都是使用PPP協議。局域網主機通過點對點鏈路接入因特網時，使用PPPoE協議（全稱PointtoPointProtocoloverEthernet基于以太網的點對點協議）。301PPP設計要求[RFC1557]幀封裝:

將網絡層的分組封裝到數據鏈路層的幀中同時可以承載任意網絡協議的網絡層數據(不僅僅是IP)提供向上分用的能力位流透明:

在數據字段中，必須能攜帶任意組合的位流錯誤檢測(但無需校正)網絡層地址協商:

客戶端可以學習/配置對方提供的網絡地址312PPP無需做的工作錯誤校正/恢復流量控制有序遞交支持多點鏈路32錯誤恢復、流量控制、分組的有序遞交都被移到更高層（在端點，或者說端到端）去解決了!3PPP協議的基本功能幀定界：規(guī)定特殊字符作為幀定界符保證透明傳輸差錯檢測：丟棄有差錯的幀支持多種網絡層協議支持多種鏈路：面向比特的同步鏈路或面向字符的異步鏈路，全雙工鏈路334PPP協議的幀格式標志字段F

：表示一個幀的開始或結束，是幀的定界符 規(guī)定值為0x7E（01111110）。當連續(xù)傳輸兩個幀時，前一個幀的結束標志字段F可以兼作后一幀的起始標志字段。34IP數據報1211字節(jié)12不超過1500字節(jié)PPP幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協議信息部分首部尾部地址字段A：規(guī)定值為0xFF。實際上并不起作用。控制字段C

：規(guī)定值為0x03。實際上并不起作用。Protocol：數據類型，即幀中攜帶的數據屬于哪一個上層協議(LCP,IP,IPCP,…)

幀較驗序列FCS：16位，采用CRC-CCITT生成多項式355透明傳輸的實現方法當信息字段中出現和標志字段一樣的比特組合（0x7E）時，要采取某種措施使之不被解釋為幀的定界符。PPP用于異步傳輸鏈路時，采用字節(jié)填充方法PPP用于同步傳輸鏈路時，采用零比特填充方法36（1）字節(jié)填充法標志字符的值是0x7e，因此當該字符出現在信息字段中時，PPP需要對它進行轉義。在同步鏈路中，該過程是通過一種稱作比特填充(bitstuffing)的硬件技術來完成的。在異步鏈路中，特殊字符0x7d用作轉義字符。當它出現在PPP數據幀中時，那么緊接著的字符的第6個比特要取其反碼，具體實現過程如下：

371）將信息字段中出現的每一個0x7E字節(jié)轉變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5E)2）若信息字段中出現一個0x7D的字節(jié),則將其轉變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5D)。3)默認情況下，如果字符的值小于0x20（比如，一個ASCII控制字符），一般都要進行轉義。例如，遇到字符0x01時需連續(xù)傳送0x7d和0x21兩個字符（這時，第6個比特取補碼后變?yōu)?，而前面兩種情況均把它變?yōu)?）。

字節(jié)填充38Flag位模式出現在發(fā)送數據中數據中的Flag位模式被轉換成“雙字節(jié)模式”101010（2）零比特填充法使一幀的信息字段中不會出現6個連續(xù)1。在發(fā)送端，當信息字段的一串比特流中有5個連續(xù)1時，就立即填入一個0。在接收端，對信息字段的比特流進行掃描。每當發(fā)現5個連續(xù)1時，就將其后的一個0刪除，從而還原信息。39零比特的填充與刪除40數據中某一段比特組合恰好出現和F字段一樣的情況01001111110001010會被誤認為是F字段發(fā)送端在5個連1之后填入0比特再發(fā)送出去填入0比特010011111010001010在接收端將5個連1之后的0比特刪除，恢復原樣在此位置刪除填入的0比特0100111110100010106PPP協議的工作過程當用戶撥號接入ISP時，建立一條物理連接。PC機發(fā)送一系列的LCP（連接控制協議LinkControlprotocol）分組（封裝成多個PPP幀）。這些分組及其響應選擇一些PPP參數。進行網絡層配置，NCP（NetworkControlProtocol網絡控制協議）給新接入的PC機分配一個臨時的IP地址，使PC機成為因特網上的一個主機。通信完畢時，NCP釋放網絡層連接，收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數據鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。41425.3.2因特網的網絡層與IP協議

網絡層在數據鏈路層提供的兩個相鄰端點之間的數據幀的傳送功能上，進一步管理網絡中的數據通信，將數據設法從源端經過若干個中間節(jié)點傳送到目的端，從而向傳輸層提供最基本的端到端的數據傳送服務。網絡層的目的是實現兩個端系統之間的數據透明傳送。網絡層功能：（1)路由選擇

路由選擇也叫做路徑選擇，是根據一定的原則和路由選擇算法在多結點的通信子網中選擇一條最佳路徑。確定路由選擇的策略稱為路由算法。43(2)流量控制

流量控制的作用是控制阻塞，避免死鎖。

網絡的吞吐量（數據包數量/秒)與通信子網負荷（即通信子網中正在傳輸的數據包數量）有著密切的關系。

對防止出現阻賽和死鎖，需進行流量控制，通?？刹捎没瑒哟翱?、預約緩沖區(qū)、許可證和分組丟棄四種方法。（3）網際互連445.3.2因特網的網絡層與IP協議因特網的網絡層功能：路由表路由協議路由選擇RIP,OSPF,BGPIP協議地址轉換數據報格式分組處理ICMP協議錯誤報告路由器“信令”傳輸層:TCP,UDP數據鏈路層物理層網絡層IGMP協議組播信息交互組播路由選擇網絡層協議組成因特網的網絡層協議分成四部分：網際協議（IP）、路由選擇協議、網絡控制信息協議（ICMP）和組播協議（IGMP）。網際協議：決定了網絡層的編址機制，數據報的格式（網絡層的PDU），各節(jié)點根據數據報的字段所應采取的動作。IP協議有兩個版本，IPv4[RFC791]和IPv6[RFC2373，RFC2460]。路由選擇協議：決定數據報在發(fā)送過程中由信源到信宿所經過的路由器。網絡控制信息協議：可以為用戶提供網絡中的各種運行信息。組播協議：由于數據報的發(fā)送無須建立過程和響應信息，因此可以支持因特網上的多點同時傳送，但由于網絡層協議設計上的限制，多點傳送解決起來比較復雜。455.3.2因特網的網絡層與IP協議網際協議IP－InternetProtocolIP是因特網的網絡層中最重要的協議提供數據報（Datagram）的投遞服務（主機到主機）在不同的數據鏈路層上進行數據轉發(fā)操作IP的數據報投遞服務是非連接的，不可靠的非連接數據報之間沒有相互的依賴關系；不能保證報文的有序投遞。不可靠數據報的投遞沒有任何品質保證（QoS），數據報可能被正確投遞，可能被丟棄。46IP地址及子網IP地址:32bit的邏輯地址,用來標識主機或路由器的網絡接口；網絡接口:

用于連接主機與路由器之間的物理鏈路：路由器有多個接口主機可能有一個，也可能有多個接口IP地址只與設備的網絡接口有關IP地址書寫方法：32bit劃分為4個字節(jié)寫成點分的4個十進制數471.IP地址的兩種表示方法32位二進制數（適于計算機存儲、運算）4個用園點隔開的十進制數（適于人讀寫）例：十進制202.112.0.36

計算機自動轉換 二進制11001010 01110000 00000000 00100100

11001010

01110000

00000000

00100100

2.IP地址的組成131.107.3.2401101011100000110000001100011000

IP地址通常由類別號、網絡標識(Net)和主機標識(Host)三部分組成。4個字節(jié)32位網絡標識主機標識類別號網絡號：用于識別主機所在的網絡；主機號：用于識別該網絡中的主機

IP地址分為五類，A類保留給政府機構，B類分配給中等規(guī)模的公司，C類分配給任何需要的人，D類用于組播，E類用于實驗，各類可容納的地址數目不同。

A、B、C三類IP地址的特征：當將IP地址寫成二進制形式時，A類地址的第一位總是O，B類地址的前兩位總是10，C類地址的前三位總是110。

1）

A類地址（1）A類地址第1字節(jié)為網絡地址，其它3個字節(jié)為主機地址。（2）A類地址范圍：—54

3.各類地址解析（3）A類地址中的私有地址和保留地址：①10.X.X.X是私有地址（所謂的私有地址就是在互聯網上不使用，而被用在局域網絡中的地址）。范圍（-55）②127.X.X.X是保留地址，用做循環(huán)測試用的。

2）B類地址（1）B類地址第1字節(jié)和第2字節(jié)為網絡地址，其它2個字節(jié)為主機地址。（2）B類地址范圍：—54。（3）B類地址的私有地址和保留地址①—55是私有地址②169.254.X.X是保留地址。

3）

C類地址（1）C類地址第1字節(jié)、第2字節(jié)和第3個字節(jié)為網絡地址，第4個個字節(jié)為主機地址。另外第1個字節(jié)的前三位固定為110。（2）C類地址范圍：

—54。（3）C類地址中的私有地址：

192.168.X.X是私有地址。

(-55)

4）

D類地址（1）D類地址不分網絡地址和主機地址，它的第1個字節(jié)的前四位固定為1110。（2）D類地址范圍：—54

5）

E類地址（1）E類地址不分網絡地址和主機地址，它的第1個字節(jié)的前五位固定為11110。（2）E類地址范圍：—54IP地址歸納“分類”編址：54to55to55to55to55Range0NetID10110NetID1110MulticastAddressHostIDNetIDHostIDHostIDClassABCD8bits8bits8bits8bits最大網絡數=27-2=126最大主機數=224-2=16777214最大網絡數=214=16384最大主機數=216-2=65534最大網絡數=221=2097152最大主機數=28-2=254IP地址地址類別網絡位主機位004206AB00C4CB6不存在的IP地址分類練習保留的IP地址以下這些IP地址具有特殊的含義:

5600...000000...000011...111111...1111本機本網中的主機局域網中的廣播回路(Loopback)00...00主機號1111...1111網絡號127任意值0000...0000網絡號對指定網絡的廣播網絡地址一般來說，主機號部分為全“1”的IP地址保留用作廣播地址；主機號部分為全“0”的IP地址保留用作網絡地址。4.IP地址獲取方法

IP地址由國際組織國際網絡信息中心NIC（NetworkInformationCenter）統一分配。目前全球有三個這樣的網絡信息中心：ENIC——負責歐洲地區(qū)APNIC——負責亞太地區(qū)InterNIC——負責美國及其他地區(qū)國內由中國互聯網絡信息中心(CNNIC)負責，也可向國內一些代理機構申請IP地址。

5.網絡（子網）掩碼劃分子網的原因

IP地址的緊缺和地址分配中的浪費形成一對矛盾。

設置子網可提高網絡安全性。特點：多個物理網絡（子網）共享一個IP網絡地址空間（常常為B類）

IP地址主機部分的一些比特作為子網號，網絡號＋子網ID＋主機ID

只有本地路由器知道子網的存在，對外有一個相同的網絡標識，但對內又有不同的子網號碼。

標識哪些地址屬于網絡部分，哪些地址屬于主機部分。本地路由器通過子網掩碼來截取子網號。

它的主要作用有兩個，一是用于確定廠地址中的網絡號和主機號;二是用于將一個大的IP網絡劃分為若干小的子網絡。子網掩碼以4個字節(jié)32bit表示。

子網掩碼中為1的部分定位網絡號，為零的部分定位主機號。因此，當廠地址與子網掩碼二者相“與”（and）時，非零部分即為網絡號，為零部分即為主機號。

A類地址：，B類地址，C類地址子網掩碼

子網掩碼可以決定IP地址的哪一部分是網絡號，而子網掩碼又可以人工進行設定，因此，可以通過修改子網掩碼的方式來改變原有地址分類中規(guī)定的網絡號和主機號。

也就是說，根據實際需要，可以使用B類或C類地址的子網掩碼（即或），將原有的A類地址的網絡號由一個字節(jié)改變?yōu)槎€或三個字節(jié)，或者使用C類地址的子網掩碼（即），將原有B類地址的網絡號由二個字節(jié)改變?yōu)槿齻€字節(jié)，從而增加網絡數量，減少每個網絡中的主機容量；也可以使用B類地址的子網掩碼（即）將C類地址的子網掩碼由三個字節(jié)改變?yōu)槎€字節(jié)，從而增加每個網絡中的主機容量，減少網絡數。子網規(guī)劃與劃分實例講解

在國際互聯網(Internet)上有成千百萬臺主機（host），為了區(qū)分這些主機，人們給每臺主機都分配了一個專門的“地址”作為標識，稱為IP地址。子網掩碼的作用是用來區(qū)分網絡上的主機是否在同一網絡段內。子網掩碼不能單獨存在，它必須結合IP地址一起使用。子網掩碼只有一個作用，就是將某個IP地址劃分成網絡地址和主機地址兩部分。需要進行子網規(guī)劃一般兩種情況：一、

給定一個網絡，整個網絡地址可知，需要將其劃分為若干個小的子網二、

全新網絡，自由設計，需要自己指定整網絡地址,后者多了一個根據主機數目確定主網絡地址的過程，其他一樣。例：學院新建4個機房，每個房間有25臺機器，給定一個網絡地址：，現在需要將其劃分為4個子網。分析：是一個C類的IP地址，標準掩碼為：1.給定一個網絡地址，根據要求劃分子網要劃分為4個子網必然要向最后的8位主機號借位，那借幾位呢？我們來看要求：4個機房，每個房間有25臺機器，那就是需要4個子網，每個子網下面最少25臺主機。考慮擴展性，一般機房能容納機器數量是固定的，建設好之后向機房增加機器的情況較少，增加新機房（新子網）情況較多。我們依據子網內最大主機數來確定借幾位。使用公式2n-2>=最大主機數2n-2>=2525-2=30>=25所以主機位數n為：5相對應的子網需要借3位

確定了子網部分，后面就簡單了，前面的網絡部分不變，看最后的這8位得到6個可用的子網地址：全部轉換為點分十進制表示11000000101010000000101000100000=211000000101010000000101001000000=411000000101010000000101001100000=611000000101010000000101010000000=2811000000101010000000101010100000=6011000000101010000000101011000000=92子網掩碼：11111111111111111111111111100000=24這就得出了所有子網的網絡地址，那個子網的主機地址呢？注意在一個網絡中主機地址全為0的IP是網絡地址，全為1的IP是網絡廣播地址，不可用所以我們的子網地址和子網主機地址如下：子網1：2掩碼：24主機IP：3—62子網2：4掩碼：24主機IP：5—94子網3：6掩碼：24主機IP：7—126子網4：28掩碼：24主機IP：29—158子網5：60掩碼：24主機IP：61—190子網6：92掩碼：24主機IP：93—222

例2：現需要對一個局域網進行子網劃分，其中，第一個子網包含100臺計算機，第二個子網包含50臺計算機，第三個子網包含25臺計算機。如果分配給該局域網一個C類ip地址，請寫出IP地址分配方案，并填寫下表

網絡地址子網掩碼最小IP地址最大IP地址廣播地址分析：要把ip地址分為3個子網，第1子網有計算機數100臺，2子網有計算機50臺，3子網有計算機25臺，說明用默認子網掩碼實現不了方案。因此要從主機號中借位作為子網地址。解：1）求出要表示100臺計算機，要用多少位二進制。

2n-2>=100N=7

說明要標識100臺計算機要用7位二進制。從主機號中只允許借一位二進制作為子網號。

00000000

0

1（0原則是為預留地址)本例中0應該設為子網位本網段廣播地址所以第1子網的網絡地址為：

子網掩碼為：28

主機網絡地址為：

---26

2）第2、3子網劃分只能把28這個大網段再劃分成二個小網段:

子網2的主機數50臺,因此6位主機位就可以滿足要求(2×2×2×2×2×2=64個IP),這樣子網位就可以確定下來,除6位主機位還剩1位借用作網絡位,子網除128和191這二個IP不能用,還有62個IP就可以滿足50臺主機。

10000000

0

1已借給前1子網（0原則是為預留地址)本例中0應該設為子網位本網段廣播地址所以第2子網的網絡地址為:28

子網掩碼為:92

主機網絡地址為：

29---90

3）第3子網為92網段，子網3的主機數25臺,因此5位主機位就可以滿要求(2×2×2×2×2=32個IP),這樣子網位就可以確定下來,除5位主機位還剩1位借用作網絡位,子網除192和255這二個IP不能用,還有30個IP就可以滿足25臺主機。

11

000000

0

1已借給1子網已借給2子網（0原則是為預留地址)本例中0應該設為子網位本網段廣播地址所以第3子網的網絡地址為：92子網掩碼為：24主機網絡地址為:

93---23

2.未給定網絡地址，根據子網的劃分及每個子網的主機數量，自由確定網絡地址。

分析：不給定網絡地址，根據主機數量，自由確定網絡地址，就需要我們選擇A類、B類、C類IP的問題。如何選擇？其實就是通過公式

主機數量=子網數*每子網的計算機數來確定何類IP地址。

分析：（1）子網號為4個，實際要6個（每個子網有首子網塊一般不用、尾子網塊不能用，各位全為“0”的網絡號被解釋成“本”網絡，為"1"的網絡地址用于廣播之用，叫做廣播地址。所謂廣播，指同時向同一子網所有主機發(fā)送報文。）（1）計算機為30臺，等于每個子網要準備32主機號（每個子網塊可分配的主機IP地址中又有首、尾兩個不能使用，一個是子網網絡地址，一個是子網廣播地址）有了子網數及每個子網的計算機數，就可以計算得到總的主機數：

（4+2）*（30+2）=192

C類IP地址比較適合該單位，假設給了IP地址，如何劃分子網？例：為了提高網絡的性能，加強網絡的安全性。某單位的計算機按財務、人事、配件、售后這4個部門統籌劃分，每個部門用一個獨立的子網（總共4個子網），每個子網臺計算機數為30以內。問那類IP地址的比較適合該單位用。

單位為了擴大規(guī)模，增加了兩個部門，每個部門的機器也增加了。例如，劃分了6個獨立的子網，每個子網有50臺機器。何類IP地址較適合該單位？

分析：根據公式計算機總數=子網絡數*每子網的計算機數（6+2）*（50+2）=416B類Ip地址較適合。

例1：某一主機IP地址為0,子網掩碼為48,問該子網的網絡地址為什么？主機地址范圍為什么？最大主機地址為多少？

分析：該IP地址為C類IP地址；C類IP地址的默認子網掩碼為，目前子網的IP地址的子網掩碼為48，從子網的掩碼可以知道，ip地址0中，子網絡號不是為，主機號也不是為0.（48）10=（11111111.11111111.11111111.11111000）23.已知某一主機IP地址及子網掩碼，要判斷其網絡地址、廣播地址、主機范圍。(60)10=(00111100)2網絡號標識部分主機號標識部分（00111000）2=（56）10該ip地址的子網號為6

標識主機號的數據有：001，010，011，100，101，110。最大的110

（00111110）2=（62）10所以最大主機地址為：2例2：某一主機IP地址為，子網掩碼為，問該子網的網絡地址為什么？最大主機地址為多少？

分析：為A類地址，默認子網掩碼為：

，現在的子網掩碼為

說明不是為子網號，也不是主機號。解步驟：1）把子網掩碼轉換為二進制：=11111111.11111111.11111000.000000002）判斷掩碼借位11111111.11111111.11111000.000000003)把IP地址中含有借位為子網號的數據轉換為二進制（193）10=（11000001）2為網絡號的組成部分為主機號的組成部分4）把借位為子網號的二進制轉換為十進制（11000000）2=（192）10因此網絡地址為：最大主機地址為:55

IP數據報的格式一個IP數據報由首部和數據兩部分組成。首部的前一部分是固定長度，共20字節(jié)，是所有IP數據報必須具有的。在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的。固定部分可變部分04816192431版本標志生存時間協議標識區(qū)分服務總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分數據部分首部IP數據報首部發(fā)送在前可變部分首部04816192431版本標志生存時間協議標識區(qū)分服務總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分數據部分首部IP數據報固定部分發(fā)送在前首部04816192431版本標志生存時間協議標識總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分數據部分首部IP數據報固定部分可變部分區(qū)分服務發(fā)送在前首部04816192431版本標志生存時間協議標識總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分固定部分可變部分版本——占4位，指IP協議的版本目前的IP協議版本號為4(即IPv4)區(qū)分服務1.IP數據報首部的固定部分中的各字段首部04816192431版本標志生存時間協議標識總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分固定部分可變部分首部長度——占4位，可表示的最大數值(0001----1111)是15個單位(一個單位為4字節(jié))因此IP的首部長度的最大值是60字節(jié)。區(qū)分服務首部04816192431版本標志生存時間協議標識總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分固定部分可變部分區(qū)分服務——占8位，用來獲得更好的服務在舊標準中叫做服務類型，但實際上一直未被使用過。1998年這個字段改名為區(qū)分服務。只有在使用區(qū)分服務（DiffServ）時，這個字段才起作用。在一般的情況下都不使用這個字段.區(qū)分服務首部04816192431版本標志生存時間協議標識總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分固定部分可變部分總長度——占16位，指首部和數據之和的長度，單位為字節(jié)，因此數據報的最大長度為65535字節(jié)?？傞L度必須不超過最大傳送單元MTU。

區(qū)分服務首部04816192431版本標志生存時間協議標識總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分固定部分可變部分標識(identification)占16位，它是一個計數器，用來產生數據報的標識。區(qū)分服務首部04816192431版本標志生存時間協議標識區(qū)分服務總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分固定部分可變部分標志(flag)占3位，目前只有前兩位有意義。標志字段的最低位是MF(MoreFragment)。MF1表示后面“還有分片”。MF0表示最后一個分片。標志字段中間的一位是DF(Don'tFragment)。只有當DF0時才允許分片。

首部04816192431版本標志生存時間協議標識總長度片偏移填充首部檢驗和源地址目的地址可選字段（長度可變）位首部長度數據部分固定部分可變部分片偏移(12位)指出：較長的分組在分片后某片在原分組中的相對位置。片偏移以8個字節(jié)為偏移單位。區(qū)分服務91

因特網主機中IP路由處理路由概念

所謂的路由（Routing），是指將數據包從一個網絡（源端網絡）運送到另一個網絡（目的端網絡），并將數據包轉發(fā)給目的主機的過程路由的3要素（1）目的地址（2）所有可能的路由（3）最佳的路由

因特網主機中IP路由處理92

為分組選擇一條從源主機到目的主機的最佳路徑?？蛇x路徑不止一條路徑可能要跨越多個網絡網絡中實現路由選擇功能的設備是路由器。對每一個接收到的分組，路由器必須確定從哪條路徑將其轉發(fā)出去。路由器根據其內部保存的一張路由表轉發(fā)分組。路由表中存放了到達其他網絡的路由信息。目的網絡地址(可以為一主機地址或網絡地址）下一跳（路由器）地址（可以為路由器地址也可以為網絡接口地址）標志（有兩個標志一個是指示為目的IP是為主機地址還是網絡地址；另一指示為是下一個路由ip地址還是網絡接口地址）網絡接口（指定數據報發(fā)往的接口）路由表的有關概念路由器如何確定最佳路由？——路由表（RoutingTable）1.路由表的信息路由表是保存到達其他網絡的路由信息的數據庫包含目的網絡地址（號）、傳輸路徑、傳輸開銷等2.路由選擇概念根據目的網絡地址查找路由表并確定分組轉發(fā)路徑的過程稱為路由選擇（Routing）。3.路由算法概念路由表的信息隨網絡拓撲的變化而變化——建立、更新路由表的算法稱為路由算法（RoutingAlgorithm）：網絡中的每個路由器都會根據路由算法定時地或在網絡拓撲發(fā)生變化時更新其路由表；靜態(tài)路由：由網絡管理員預先手工設置路由信息；動態(tài)路由：由路由器在運行時動態(tài)地建立與更新。4.路由選擇協議自動學習、記憶網絡的變化并根據路由算法重新計算路由的協議稱為路由選擇協議（RoutingProtocol）。9394路由表的基本內容AB路由器A的路由表.3.1.2.3目的網絡地址路徑（下一結點）路徑成本/開銷直接交付0直接交付01路徑：用下一路由器對應端口的IP地址來表示。路徑成本/開銷：用線路速度、距離或跨越的路由器的個數（步跳數）、成本、線路可靠性等表示。（大多數情況下用步跳數來表示）路由表的基本內容注意：路由器是根據網絡號來轉發(fā)IP數據包的，所以路由表中存放的是目的網絡號，而不是目的主機號。類比：郵政局在城市間轉發(fā)信件依據的是城市名而不是收信人姓名。這樣做的優(yōu)點是路由表?。ňW絡的數目要比主機少的多），節(jié)省路由器的存儲空間，路由表的路由更新速度快。95路由器的路由選擇過程采用存儲轉發(fā)的方法：(具體過程）1）接收并緩存IP數據分組；2）提取分組中的目的主機的IP地址；3）計算目的主機所在的網絡地址；4）用目的網絡地址查找路由表決定轉發(fā)路徑：如果目的網絡地址就是與輸入接口連接的網絡，則丟棄；如果目的網絡地址就是與輸出接口連接的網絡，則直接遞交；如果找到匹配項，則通過對應接口轉發(fā)出去；如果有默認路徑，則通過與默認路徑對應的接口轉發(fā)出去；未查到，丟棄該分組。96路由表的維護路由表如何建立？如何根據網絡的變化進行更新？靜態(tài)路由：由網絡管理員設置并隨時更新靜態(tài)路由特點：網絡管理員的工作負擔重，容易出錯，適應性差；簡單、開銷小，只適用于小型網絡。動態(tài)路由：路由器運行過程中根據網絡情況動態(tài)地維護動態(tài)路由特點：減輕了網絡管理員的工作負擔重；實時性好，適應性好；能夠滿足大型網絡的需要；因要搜集網絡運行狀態(tài)，網絡開銷有所增加，實現也比較復雜。因特網中的路由器采用的都是動態(tài)路由。9798

通信子網為網絡源節(jié)點和目的節(jié)點提供了多條傳輸路徑的可能性。網絡節(jié)點在收到一個分組后，要確定向一下節(jié)點傳送的路徑，這就是路由選擇。在數據報方式中，網絡節(jié)點要為每個分組路由做出選擇；而在虛電路方式中，只需在連接建立時確定路由。確定路由選擇的策略稱路由算法。路由（徑）選擇——根據一定的原則和算法在所有傳輸通路中選擇一條通往目的結點的最佳路徑。路由選擇算法——路由選擇過程中采用的策略。路由協議和路由算法991、根據能否適應通信量和拓撲結構變化非自適應（靜態(tài)路由）：可靠性差、簡單自適應（動態(tài)路由）：實現復雜、可靠性高——實用

路由算法分類：100

距離向量路由選擇算法是一種最基本的動態(tài)路由選擇算法。原理：讓每個路由器維護一張路由表，表中給出了到每個目的地已知的最佳距離和路徑。通過與相鄰路由器之間周期性地相互交換信息，來更新表中的信息。當網絡拓撲結構發(fā)生變化時，路由器之間也將及時地相互通知有關變更信息?；舅枷耄好總€結點保持兩個向量和；每隔一段時間（如128ms）相鄰節(jié)點交換時延向量；根據收到的全部時延向量修改本結點時延向量和后繼結點時延向量。距離向量路由選擇算法101

延遲向量其中：

A為結點的所有相鄰節(jié)點指結點到結點自身的延遲kijdkidij102

后繼結點向量使每個結點最小103

例：如下圖1所示網絡，圖2是更新前結點1的路由表1041、路由表中給出了結點1的兩個向量和。

2、經128ms后，結點1收到3個相鄰節(jié)點(2、3、4)的時延向量、、，進行更新運算，得到更新后的路由表。105

現計算106計算最小值107得到了結點1的新的部分路由表108

在路由選擇算法中都要用到求最短路徑算法。其中最出名的求最短路徑的算法有兩個，即Bellman-Ford(該算法由美國數學家理查德?貝爾曼（RichardBellman）和小萊斯特?福特（LesterFord）提出）算法和Dijkstra(迪杰斯特拉)算法。這兩種算法的思路不同，但得出的結果是相同的。我們下面只介紹Dijkstra算法。它的已知條件是整個網絡拓撲和各鏈路的長度。應注意到，若將已知的各鏈路長度改造為鏈路時延或費用，這就相當于求任意兩節(jié)點之間具有最小時延或最小費用的路徑。因此，求最短路徑的算法具有普遍的應用價值。最短路由算法109

下面就以圖1的網絡為例來討論這種算法，即尋找從源結點到網絡中其他各結點的最短路徑。為方便起見，設源結點為結點1.然后一步一步尋找，每次找一個結點到源結點的最短路徑直到把所有的點都找到為止。110

實現方法：令D(v)為源結點（記為結點1）到某個結點v的距離，它就是從結點1沿某一路徑到結點v的所有鏈路的長度之和。再令為結點i至結點j之間的距離。整個算法只有以下兩個部分：（1）初始化：令N表示網絡結點的集合。先令N={1}.對所有不在N中的結點v，寫出:111

若結點v與結點1直接相連若結點v與結點1不直接相連在用計算機進行求解時，可以用一個比任何路徑長度大得多的數值代替∞。對于上述例子，可以使用的D(v)=99。（2）尋找一個不在N中的結點W，若D(w)的值為最小。把w加入到N中。然后對所有不在N中的結點v，用[D(v),D(w)+l(w,v)]中較小的值去更新原有的D(v)的值，即：

（3）重復步驟(2)，直到所有的網絡結點都在N中為止。下表1是對圖1的網絡進行求解的詳細步驟。112步驟ND(2)D(3)D(4)D(5)D(6)初始化{1}251∞∞1{1,4}24①2∞2{1,4,5}231②43{1,2,4,5}②31244{1,2,3,4,5}2③1245{1,2,3,4,5,6}2312④113

現在我們對以上的最短路徑樹的找出過程進行一些解釋。114自治系統(autonomoussystem)

因特網將整個互聯網劃分為許多自治系統AS。一個自治系統是一些網絡和路由器的集合，處于相同的管理和技術手段的控制之下，并運行相同的路由協議。自治系統的管理者有權自主地決定在本系統內應采用何種路由協議。一個自治系統內的網絡通常都屬于一個行政單位(例如，一個公司，一所大學，政府的一個部門等等)來管轄。一個自治系統的所有路由器在本自治系統內都必須連通。115

因特網路由協議因特網有兩大類路由選擇協議

內部網關協議IGP即在一個自治系統內部使用的路由選擇協議。如：RIP(距離矢量協議）

和OSPF協議。外部網關協議EGP若源站和目的站處在不同的自治系統中，當數據報傳到一個自治系統的邊界時，就需要使用此種協議將路由選擇信息傳遞到另一個自治系統中。如：BGP-4。116

實際上因特網上各路由器的擔負的角色是不同，有的路由表非常簡單，有的核心路由器的路由表非常復雜，因此因特網的路由協議也分為兩大類，一類是運行在AS內部的，另一類是運行在AS之間的。自治系統和內部網關協議、外部網關協議

117

用內部網關協議（例如，RIP）自治系統B自治系統A用外部網關協議（例如，BGP-4）R1R2

用內部網關協議（例如，OSPF）自治系統之間的路由選擇也叫做域間路由選擇(interdomainrouting)，在自治系統內部的路由選擇叫做域內路由選擇(intradomainrouting)

內部網關協議RIP

(RoutingInformationProtocol)1.工作原理RIP是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協議。RIP（RouterInformationProtocol),是最早、最廣泛應用的分布式路由選擇協議，典型的距離向量協議——最短路徑路由協議。RIP要求網絡中的每一個路由器都維護從它自己到其他每一個目的網絡的距離記錄。

118RIP協議的幾個特點1.僅和相鄰路由器交換信息。2.交換的信息是當前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。3.按固定的時間間隔交換路由信息，例如，每隔30秒。4.RIP采用廣播方式。正常情況下，每30秒路由器就可以收到一次路由信息確認，如果經過180秒，即6個更新周期，一個路由項還沒有得到確認，路由器就認為它已失效了。如果經過240秒，即8個更新周期，路由項仍沒有得到確認，它就被從路由表中刪除。119120102030FEDCBA50602050304040601050一開始，各路由表只有到相鄰路由器的信息網

3網

2網

4網

6網

5網

1“4”表示“從本路由器到網

4”“0”表示“距離是

0”“”表示“直接交付”121112131FEDCBA50602050304041611050路由器B收到相鄰路由器A和C的路由表網

3網

2網

4網

6網

5網

1102030406011A21A304061C更新后A：“到網1的距離是0。”因此B現在也可以到網1，距離是1，經過A。”122最終所有的路由器的路由表都更新了FEDCBA10203041B51E62B1021A31A42A5061F11E21D32C4