《網(wǎng)絡與通信技術(shù)》第4章.ppt

1、網(wǎng)絡與通信技術(shù),第4章 IP網(wǎng)絡,第4章 知識點：,網(wǎng)絡層上的通信是主機到主機的通信。發(fā)送計算機所要傳輸?shù)姆纸M在到達目的地計算機上，可能經(jīng)過若干個LAN或WAN。 這主要涉及四個方面的問題: 邏輯尋址 IP協(xié)議及其輔助協(xié)議 路由算法和路由協(xié)議 擁塞控制和服務質(zhì)量,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址,IPv4描述 版本 IP地址是互聯(lián)網(wǎng)上一個設備連接的地址，它獨立于IP層下面的網(wǎng)絡，即與被互連的網(wǎng)絡無關(guān)。 地址范圍 IPv4的格式 二進制格式： 對于IPv4，就是用32比特表示，書寫時每8比特之間留有一定空格 。 11000001 10000011 00011011 11111111 十進

2、制格式 ： 19313127255 IPv4地址分為：有類別的地址和無類別的地址,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類別地址,描述 IPv4使用了類的概念，稱為分類尋址。將地址空間分為A，B，C，D，E五個類別。,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類別地址,地址的層次結(jié)構(gòu) 【問題】：一個單位獲得一個B類地址，但要組建多個網(wǎng)絡? 子網(wǎng),4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類別地址,一個劃分子網(wǎng)的例子 某個大學分配了一個B類地址。他有35個系，每個系一個網(wǎng)絡，而且每個網(wǎng)絡內(nèi)的主機數(shù)又大多超過256臺 。 劃分子網(wǎng)帶來的問題 有了子網(wǎng)的概念后，IP

3、地址的網(wǎng)絡標識和主機標識對外部來講，就不好區(qū)分了，即在網(wǎng)絡的外部，子網(wǎng)是不可見的 。？ 子網(wǎng)掩碼 長度也為32比特。它代表了網(wǎng)絡標識+子網(wǎng)標識與主機標識的劃分方案，用于屏蔽IP地址的一部分以區(qū)別網(wǎng)絡標識和主機標識。 例如：類型+網(wǎng)絡標識+子網(wǎng)標識共用了22比特，主機標識占10比特 11111111 11111111 11111100 00000000 或?qū)懗?55. 255. 252. 0 A類，B類，C類的掩碼？,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類別地址,子網(wǎng)掩碼的作用 便于網(wǎng)絡設備盡快地區(qū)分本網(wǎng)段地址和非本網(wǎng)段的地址。 區(qū)分方法：將IP地址與它們各自的子網(wǎng)掩碼進行邏輯與

4、操作。如果結(jié)果相同，則可確定它們在同一網(wǎng)絡；不同，則不在同一網(wǎng)絡。 用于獲得網(wǎng)絡地址、主機首地址和末地址、及主機的個數(shù)。 將子網(wǎng)進一步劃分，縮小子網(wǎng)的地址空間。將一個網(wǎng)段劃分為多個子網(wǎng)段，便于網(wǎng)絡管理。 【例子】 學院新建5個機房，每個房間有30臺機器，如果給定一個C類網(wǎng)絡地址：192.168.10.0，問如何將其劃分為5個子網(wǎng)，子網(wǎng)掩碼如何設置？,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類別地址,IPv4有類別地址的缺點 當初設計IP地址時就沒有預料到因特網(wǎng)的發(fā)展速度有這樣迅速，也沒有預料到有今天這樣多的用戶數(shù)量。 這種地址分類本身不合理。A類地址幾乎不可能有；C類地址有時又覺得

5、太??；B類地址對許多應用來說，也有點大，得到B類地址的用戶總會有一些多余的地址不用。 如何解決呢？ 使用下一代因特網(wǎng)協(xié)議，即IPv6。 過渡方法： -使用無類別地址 -使用地址轉(zhuǎn)換技術(shù) -使用動態(tài)地址分配方案,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4無類別地址,無類別地址的特點 你要一塊多大的地址，就可以分配多大的地址塊給你，不存在大量多余地址的浪費問題。但對一個地址塊有這樣三個要求： 地址塊內(nèi)的地址是連續(xù)的； 地址的總數(shù)是2的冪（即為1，2，4，8，16，）； 塊內(nèi)容的第1個地址能被地址數(shù)整除。 無類別地址的表示 x. y. z. t / n 根據(jù)無類別地址可以可以求出這個連續(xù)地址

6、塊的大小，起始地址和最后一個地址。其計算方法： 地址塊的大小為232-n； 首地址是將x.y.z.t的右邊（32-n）個比特均置為0； 末地址是將x.y.z.t的右邊（32-n）個比特均置為1。 【例】,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4無類別地址,網(wǎng)絡地址 當一個組織機構(gòu)擁有一個地址塊時，該塊的起始地址通常被用作一個特殊地址，它稱為網(wǎng)絡地址，定義該組織機構(gòu)的網(wǎng)絡。 網(wǎng)絡地址是路由器用來將報文發(fā)送到該組織機構(gòu)外部的地址。 無類別地址的層次結(jié)構(gòu) 對于無類別地址，同樣也具有層次結(jié)構(gòu)。他可以分成2層、3層或甚至多層結(jié)構(gòu)。 【例子】 某機構(gòu)分配的IP地址為17.12.14.0/26，需

7、要將這個地址劃分成3個子塊，一個子塊含有32個地址，另2個含有16個地址。并畫出網(wǎng)絡和子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4無類別地址,【例子】,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4無類別地址,無類別地址分配 每一個ISP將分得的大塊地址分成若干小塊，再把這些小塊地址分給他的客戶。反過來，ISP先把用戶需求的地址，逐級從很小的塊聚集成較大的塊，再將若干較大的塊聚集成更大的塊，最后聚集成一大塊，并從ICANN哪里獲得這個大塊地址。這個過程稱為地址會聚。 【例子】一個ISP分得一塊地址190.100.0.0/16。ISP要把這塊地址分給3組客戶，要求如下：

8、1）第1組有64個客戶，每個客戶需要256個地址； 2）第2組有128個客戶，每個客戶需要128個地址； 3）第3組有128個客戶，每個客戶需要64個地址。 設計各個子塊，并計算出還有多少剩余的地址？,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址網(wǎng)絡地址的轉(zhuǎn)換技術(shù),描述 解決IPv4地址緊缺的另一個措施是網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）。在Internet的地址空間有一部分地址（如下表），沒有全局特性，可用這些地址只能組成一個組織的內(nèi)部網(wǎng)絡。這些地址是因特網(wǎng)權(quán)威機構(gòu)預留的三組地址作為專用地址。 雖然可能兩個組織使用了相同的地址，但是它們各自用在自己的專

9、業(yè)網(wǎng)絡內(nèi)部，不會造成地址沖突。,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址網(wǎng)絡地址的轉(zhuǎn)換技術(shù),示例：用一個NAT路由器實現(xiàn) NAT路由具有內(nèi)網(wǎng)地址，同時具有全局唯一的地址與外網(wǎng)internet相連。內(nèi)部網(wǎng)絡對外部internet是透明的。 外部internet僅與具有地址為200.24.5.8的路由鏈接交換數(shù)據(jù)。,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址網(wǎng)絡地址的轉(zhuǎn)換技術(shù),示例：用一個NAT路由器實現(xiàn) 地址變換,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址網(wǎng)絡地址的轉(zhuǎn)換技術(shù),示例：用一個NAT路由器實現(xiàn) 地址變換表,4.1 邏輯尋址4.1.2 IPv6地址,IPv6地址的格式 IPv6地址采用128

10、比特長度的IP地址，16字節(jié)，是IPv4地址空間的296倍。 書寫格式：二進制和十六進制 FDEC：0074：0000：0000：0000：B0FF：0000：FFF0 IPv6地址是有類型的,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,IPv4協(xié)議 IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡層協(xié)議。其功能是管理和控制IP分組的交付，也就是說，一個分組由源主機交付給目的主機的任務是由IP協(xié)議來完成的 。 在TCP/IP協(xié)議中，IP層利用其下面的網(wǎng)絡為傳輸層提供服務。,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,IPv4協(xié)議的特點 IPv4是無連接的、不可靠的協(xié)議。IPv4是數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡盡力而為地傳送分組，但

11、不保證可靠傳送。 IP不提供差錯控制和流量控制，由ICMP等協(xié)議協(xié)助完成 。 如果要求可靠傳送，則IPv4必須與TCP配合。傳輸層協(xié)議是運行在用戶主機上的程序，是獨立于網(wǎng)絡的，保證主機進程到另一主機進程的端到端的可靠通信 。 IPv4數(shù)據(jù)報 IPv4數(shù)據(jù)報又稱IP分組，包括兩部分：協(xié)議頭（首部）和可變長的數(shù)據(jù)?？偟拈L度在2065536字節(jié)之間。 IP分組沒有尾部。 具體格式定義如下圖,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,IPv4協(xié)議頭的選項 Ipv4數(shù)據(jù)報必須有一個20字節(jié)的協(xié)議頭，此外還可以加選項。選項的長度不等。 選項有兩個限制：一是最大長度

12、為40字節(jié)；而且選項若不是4直接的倍數(shù)，必須填充，使得選項占有為4字節(jié)的倍數(shù)。 選項功能主要用于測試網(wǎng)絡和診斷網(wǎng)絡故障。,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,協(xié)同IPv4工作的協(xié)議 為了更好地使得IP層能完好地提供服務，只有Ipv4還不夠，還需要以下相應輔助協(xié)議： 地址解釋協(xié)議（ARP）：是由IP地址求其對應的物理地址的協(xié)議。 逆地址解釋協(xié)議（RARP）：有已知物理地址求其對應的邏輯地址的技術(shù)。如無盤工作站和使用臨時分配的IP地址的用戶 。 因特網(wǎng)控制報文協(xié)議（ICMP）：主要是因為IPv4不支持流量控制和錯誤控制，也缺乏對應網(wǎng)絡的測試和診斷功能。所以就由ICMP協(xié)議來彌補IPv4的不足

13、。 因特網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）：是為了在Internet上實現(xiàn)多播的輔助協(xié)議 。,4.2 IP協(xié)議4.2.2 IPv6協(xié)議,IPv4與IPv6網(wǎng)絡層的比較 為了適應IPv6的需要，原來支持IPv4的一些輔助協(xié)議也應該修改。ICMPv6是對IPv4的ICMP的更新。修改后，ICMPv6包括了原來的ICMP、ARP、IGMP三個協(xié)議的功能，并舍棄了RARP。,4.2 IP協(xié)議4.2.2 IPv6協(xié)議,IPv6數(shù)據(jù)報的格式 它由必備的40字節(jié)長的基本協(xié)議頭和最大為65535字節(jié)的可變長度的凈負荷組成。而凈負荷又由0個或多個擴展協(xié)議頭和來自上層協(xié)議的數(shù)據(jù)組成。 擴展協(xié)議頭，可有可無，但基本協(xié)議頭是不

14、可缺少的。,4.2 IP協(xié)議4.2.2 IPv6協(xié)議,IPv6數(shù)據(jù)報的格式,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法,描述 IP分組在從源主機送到目的主機的過程中，根據(jù)最佳的路徑，由路徑上的路由器逐一轉(zhuǎn)發(fā)完成。那么如何得到最佳路徑哪？ 路由算法：為源主機到目的主機尋找路由的方法。 路由算法的基本要求：正確性，簡單性，健壯性，穩(wěn)定性，公平性，最佳性。 路由算法的分類：靜態(tài)路由和動態(tài)路由 路由器承擔了兩項任務 一是交換路由信息，不斷更新路由表； 二是根據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)分組。 路由器又是如何轉(zhuǎn)發(fā)分組的？,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法,分組的傳遞、轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇 傳遞：是指在網(wǎng)絡層

15、控制下，用底層的物理網(wǎng)絡對一個分組進行處理的方法。 直接傳輸：源和目的在物理上屬于同一網(wǎng)絡的傳輸，或在最后一個路由和目的主機之間的傳輸 。 如果目的主機和源主機不在同一網(wǎng)絡，分組傳輸則是非直接傳輸。 轉(zhuǎn)發(fā)：是指將一個分組傳遞到下一個站點的方法。（路由表） 路由選擇：是指在轉(zhuǎn)發(fā)過程中創(chuàng)建路由表的方法。,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),描述 轉(zhuǎn)發(fā)是指將分組路由到它的目的端。它要求主機或路由器具有路由表。 問題：由于互聯(lián)網(wǎng)越來越大，簡單的查詢路由表的方法效率很低。 下面一些方法可用來簡化路由表： 下一跳方法與路由方法,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),特

16、定網(wǎng)絡方法與特定主機方法 特定主機方法是指對連接在同一物理網(wǎng)絡上的所有主機都有一個地址項。 特定網(wǎng)絡方法是指不對連接在同一物理網(wǎng)絡上的所有主機都有一個地址項，而是僅用一個記錄來定義這個目的網(wǎng)絡本身的地址。,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),默認方法 默認方法是一種簡化路由表的技術(shù)。 例：網(wǎng)絡N1通過兩個路由與外界相連，路由R1連接網(wǎng)絡N2，Internet其他部分通過路由R2與網(wǎng)絡N1相連。,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)過程,描述 在無類尋址中，路由表對涉及到的每一個地址塊都需要有一行信息。 路由表需要根據(jù)網(wǎng)絡地址（地址塊的第一個地址）進行查詢，但很

17、遺憾，在分組中只有目的地址而沒有網(wǎng)絡地址。 ？,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)過程,m3,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)過程,地址聚合 地址聚合目的：減少路由表中的記錄數(shù)。 思路：是把多個小的地址塊聚集起來，形成一個大的地址塊。如果有m個地址塊，因特網(wǎng)上路由器的路由表就應該有m條記錄。如果聚合成一個塊，就只要一條記錄。 下圖說明地址聚合的原理：,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)過程,最長掩碼匹配 有時一個目的IP地址會與路由表的多個網(wǎng)絡地址匹配，但是真正匹配的網(wǎng)絡應該只有一個，它就是最長掩碼匹配的網(wǎng)絡。 為什么呢？ 因為小塊是大塊 的一部分 ，應該 匹配到小塊最精 確，即最長掩碼 的塊。 通常路由表的記錄 就按掩碼的長短從 大到小的排列。 最先匹配的就是正 確的結(jié)果。,4.3 路由算法和路由協(xié)議