计算机网络ppt课件CH7网络层.ppt

1,网络层主要解决的问题,网络层的服务模式,服务应与通信子网的技术无关 通信子网的数量、类型和拓扑结构对于传输层是隐蔽的 传输层能获得的网络地址应采用统一的编号方式，即使跨越了多个LAN和WAN,一、网络层简介,2,网络层提供的服务类型,面向连接的服务：需事先建立连接 无连接服务：不需要事先建立连接,如X.25,ATM IP网络,3,1.网络层的任务,通信子网路由选择拥塞控制,4,1）通信子网,虚电路子网,连接建立时选择一条路径每个分组包含一个连接号通信结束后，链路撤消,5,每个数据报包含全部的目的地址，自行寻找路径,数据报子网,6,两种子网的比较,虚电路子网,通过路径选择后建立连接到终点后毋需重新排序每个分组不需带目的地址，但带虚电路号（较短）通信后撤销连接,数据报子网,每个分组分别选择最佳路径，健壮性较好到终点后需重新排序差错控制和排序工作由协议高层（主机）完成每个分组必须带目的地址,7,两种子网的比较,8,2）路由选择,路由选择是广域网和网络互联中非常重要的功能。路由选择在很大程度上决定了网络的性能，如网络吞吐量、平均延时时间、资源有效利用等。路由选择是指网络节点在收到一个分组后，确定向下一节点传送路径的过程，即根据一定的原则和算法在传输通路中选出一条通向目的节点的最佳线路。,9,通过路由连接时的数据流向变化,10,静态路由与动态路由,静态路由(Static Route)人工在路由器上配置路由表 动态路由(Dynamic Route)由动态路由协议自动生成,11,3）拥塞控制,当通信子网中有太多的分组，导致其性能降低，这种情况叫拥塞 造成拥塞的原因,节点存储容量（缓冲区）不够处理机速度太低 线路容量（带宽）不够,12,拥塞示例,当通信量太大时，发生拥塞，性能显著降低,13,拥塞对延迟的影响,14,拥塞控制原理和一般方法,拥塞控制的基本原理 流量整型 流说明 抑制报文 时延抖动 资源预留协议RSVP,15,拥塞控制的基本原理开环控制,通过良好的设计来避免问题的出现，确保问题在一开始就不会出现,基于源节点的控制：由发送端决定进入网络的速率，确保按照这个速率网络不会拥塞（常用）基于目的节点的控制：控制进入目的主机的流量,16,拥塞控制的基本原理闭环控制,建立在反馈的基础上，这种方法由三部分组成：,监视系统，检测何时何地发生了拥塞 将此信息传送到可能采取行动的地方 调整系统操作以更正系统,17,闭环控制方式,显式反馈：当某一节点发现拥塞时，它发一个回答帧给相关节点，通知它们网络拥塞了 隐式反馈：通过定时器方法，发送端每发一个帧，就启动一个定时器，如在规定的时间内没有收到相应的ACK，则认为该帧丢失，如丢失率相当高，则认为网络发生了拥塞,闭环控制一般不适合于高速网因为等反馈的控制信号到达，早已时过境迁,18,流量整型,拥塞发生的原因往往是通信量的突发性，如果主机能以恒定的速率发送数据，则拥塞将会少得多流量整型是调整数据传输的平均速率，客户与传输载体之间需进行协商,比如：流量控制的漏桶算法（Leakey Bucket Algorithm）,平滑输入流量，控制进入网络的流量,19,流说明,为避免拥塞，通信前主机与网络之间要协商一下，以保证网络的服务质量 流说明用来说明流量的模式，它描述流量输入模式，也描述了应用程序的服务质量要求 在建立连接或传输数据以前，源端向子网和接受端提交流说明以求批准，子网可以接受，也可以拒绝，或者提出一个建议与源端协商,20,抑制报文,当路由器发现出现拥塞时，向源端主机发一个抑制报文，通知它们降低发送速率，如ICMP中的源抑制报文当源主机不减慢其发送速率时，则应采取强迫手段,公平排队 强迫各发送源公平地占用信道加权公平排队,每个发送源有不同的优先级，即不同的流有不同的带宽,21,资源预留协议RSVP,最常用的资源预留协议是RSVP（Resource reSerVation protocol），协议将在沿途的路由器上预留一定的资源，包括带宽、缓冲区、表空间等RSVP是一种基于接收端，并由接收端发起的资源预留协议,22,2.IP协议,IP分组格式IP地址子网掩码,23,1）IP分组格式,版本为4（Ipv4）头部长以32位字长为单位,24,服务类型：8位总长：包括报头和数据报，最长216 1，即65535个字节 标识、标志、段偏移：用于数据报的分段 生存时间：以秒为单位,由用户指定数据报的优先级70,Throughput,Delay,Reliability,由路由器选择哪个最优先，但通常都忽略,也可以经过路由器的个数为单位,25,类型或协议 头部校验和：按16位相加，结果求反 源和目的地址：32位 IP可选项：用于控制和测试 充填域：凑成32位的整倍数,26,分段过程,按MTU的及数据包的实际负载长度计算所需段数，并划分，分段应满足两个条件：原数据包的报头作为每段的数据包报头，并修改其中的某些字段，指明：,各段在不大于MTU的前提下，尽可能的大 段的长度为8的整倍数,属原来的哪个段 属原来段中的第几个分段 哪一个是段尾,27,数据报分段的重组,重组是在各分段都到达目的地后才进行 途中的任意一个路由器都无法重组互联网层是遵循尽力而为来传送IP包的，也存在力不从心的时候，此时只能丢弃,重组主机将遵循：要么重组成功，要么全部丢弃的原则,每个分段可以走不同的路径减少路由器中保存的信息量及路由器的工作量,重组必须在所有的分段全部收到后，才可进行,28,IP地址构成(逻辑地址),网络号,主机号,10011010 10011110 00001111 10101010,表示形式,点分十进制,2）IP地址,29,IP地址分为A、B、C、D、E类,A类B类C类D类E类,大规模网络中规模网络小规模网络,30,IP地址的表示,点分十进制表示 如：特殊IP地址,无盘工作站在启动时尚不知道自己所处的网络ID，所以用32为全1地址广播，请求回答,向本网络内广播,31,IP多址传输,两类组地址 永久地址：由Internet中央管理机构分配，永久存在 临时地址：根据需要创建，当成员数为0时被撤消多目地址（D类地址）格式永久地址实例,即：224.0.0.0 239.255.255.255,224.0.0.1 LAN上所有系统224.0.0.2 LAN上所有路由器224.0.0.5 LAN上所有OSPF路由器224.0.0.6 LAN上所有OSPF指定路由器,32,3）子网掩码,子网掩码的作用：因为子网地址位数不是固定的，所以告知设备地址的哪一部分是包含子网的网络地址段，地址哪一部分是主机地址段；子网掩码使用与IP编址相同格式：子网掩码的网络地址部分和子网地址部分全为1，它的主机部分全为0一个缺省C类IP地址的掩码为：,33,一个主机地址为，子网地址=011的子网掩码是：,网络号,C类IP地址,主机号,11001010,01111000,00000011,011 00011,掩码,11111111,00000,202,120,3,99,255,255,255,224,11111111,11111111,111,子网号,34,包含子网地址的网络号=IP地址掩码,C类IP地址,11001010,01111000,00000011,011 00000,202,120,3,96,掩码也可用更简洁的方式表示：，其中27表示掩码中1的个数,网络号,主机号,子网号,35,ipconfig命令,查看本机的IP地址和MAC地址,36,3.划分子网,IP地址的规划含有子网的地址划分无类域间路由IP地址规划的注意事项IPv6,37,1）IP地址的规划,在没有特殊要求情况下，划分IP地址时可以有很大的自由度，只要满足子网间相互独立的要求，并且子网中IP地址的数量能够覆盖（或超过）实际主机的数量即可，当然还应该把那些保留地址排除在外。,38,某单位现有三个部门，其中，基础部有260台电脑，技术部有35台电脑，行政部有5台电脑，所有的电脑均连接在同一个物理网络，需要根据合理的IP地址设置，使部门间相互独立，即各部门属于独立的IP子网。,39,IP地址划分结果,40,2）含有子网的地址划分,一个路由器端口的连接（一个物理网段）至少组成一个网络；按原来的地址结构（二维结构），一个网络至少需要一个C类地址，因为一个网络需要有一个唯一的网络地址；IP地址的紧缺和地址分配中的浪费形成一对矛盾,41,网络2,网络1,网络3,路由器,网络3,42,子网划分-三维地址结构,原有地址结构是二维的（网络地址，主机地址），增加地址空间的维数可提高地址分配中的灵活性和可用性；三维结构：网络地址+子网地址+主机地址在一个C类地址中仅主机地址可由网管人员自主分配，向主机地址段借位组成子网地址，以形成三维地址结构；,43,子网地址位数的确定,借1位 子网地址=0：表示本子网主机，不可作为有效目的地址使用，子网地址=1：子网地址全1，不可用，因此至少要借2位。,X xxxxxxx,网络号,C类地址,子网号 主机号,44,借7位 主机地址=0：子网地址，不可作为地址分配，主机地址=1：广播地址，不可分配，因此至多能借6位。,XXXXXX X,网络号,C类地址,子网号 主机号,45,子网划分实例,路由器,子网1=001,子网3=011,子网2=010,46,子网和子网掩码举例,例1：某单位有一C类地址 该单位有多个部门，每个部门的机器数为20个左右，问如何确定子网掩码?最多能有几个子网?每个子网的主机数为多少？,掩码：255.255.255.224 最多的子网个数：8个也可写成：每个子网的主机数为：32 2=30（台）,47,例2：某主干网有一C类地址，主干网的结构如下所示，有A、B、C、H、I等9个路由器，每个路由器都有一个局域网与之连接，应如何设计子网掩码，以分配路由器的端口地址?,一个原则：两个路由器的相互连接的两个端口必须在同个子网,所以，掩码应为255.255.255.248 即,48,3）CIDR无类域间路由,为什么要引入CIDR解决办法：引入CIDR的好处,一个B类地址对大多数机构来说还是太大，C类地址又太小，网络地址本身又非常紧缺,以可变长分块的方式分配所剩的C类网络，把若干个C类地址（必须是连续的）合成一个组地址，作为一个分配单元。例如：可把256个C类地址合成一个B类地址,提高IP地址的利用率 缩短路由表,49,其他规定,在规定中，把世界划分成四个大区，每个大区分配217个C类地址，分配如下,50,CIDR举例,剑桥大学的一台计算机，其IP地址为，掩码为，牛津大学的一台计算机，其IP地址为，掩码为，爱丁堡大学的一台计算机，其IP地址为，掩码为255.255.252.0,51,在路由器中，按掩码中含1的位数最多的优先做匹配，以确定该分组送哪一个路由器,目的地址为的分组到达时的处理,52,4）IP地址规划的注意事项,如果每个网段都使用C类IP地址段，建议使用范围的IP地址。可考虑采用C类地址的子网掩码，如果有必要，可以采用变长子网掩码。建议采用作为子网掩码，以获取更多的IP网段 为网络设备管理的VLAN分配一个独立的IP地址段,53,5.IPv6,IPv4的不足 IPv6的主要改进 IPv6数据报 IPv6的分段与重组 IPv6地址,54,1）IPv4的不足,地址基本耗尽，这是当前最棘手的问题 功能不足，缺少对多媒体信息传输的支持 缺少对高速传输的支持 缺少对安全的支持 寻找路径的功能不强,55,2）IPv6的主要改进,更大的地址空间：128位 灵活的首部格式：用一系列固定格式的扩展首部取代了Ipv4中可变长度的选项字段 简化了协议：如取消了首部的校验和字段，分段只能在源端进行 允许对网络资源的预分配，支持实时图象等要求保证一定的带宽和时延的应用 允许协议继续演变，增加新的功能,56,IPv6数据包格式,基本头部和扩展头部基本头部格式,57,格式说明,版本：0 3位 优先级：4 7位,0 7：可进行拥塞控制，拥塞时可放慢传输速率 8 15：实时应用，不可进行拥塞控制，不重发,58,流标记：8 31位负载长度：16位,把在时间上敏感的一串报文，打上同一个标记，路由可优先通过,除基本报头以外的长度,下一个头部（NEXT HEADER）：8位,59,指出扩展头部是什么类型,一个IPv6报文可以带有零个、一个或多个扩展头，由前一个头中的下一个头部域进行说明，如有扩展头部，则说明扩展头部的类型，如没有其它扩展头部，则说明数据报中携带的数据类型。如：,60,驿站限制（Hop Limit跳数限制）：8位源、目的地址：128位,类似IPv4的生存时间（Time To Live），在经过每个节点转发时减一，当Hop数被减至零时则抛弃该报文,如按IPv6的128位地址均匀分配，意味着地球上每M2平均分配的地址数有7 x 1023,61,IPv6格式的扩展头部,IPv6定义的扩展头部应按顺序排列,62,IPv6的分段与重组,每个分段将增加一个分段头部，并紧随基本头部之后 每个分段的基本头部即原基本头部，但其中的负载长度需作修改,一般情况下，要求报文长度小于576字节，若576字节，由源站负责分段工作，沿途路由器不作分段和重组工作，路由器发现一个大于MTU的数据包，则丢弃，并发一ICMP消息给源站，由源站重新划分数据包并重发,63,IPv6地址表示法,冒分十六进制表示法零压缩法IPv4地址在IPv6中的表示,X:X:X:X:X:X:X:X 其中X表示地址中16位二进制数的十六进制值。例：FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210,如其中有多个连续的零，则可用零压缩法 如：1080:0:0:0:8:800:200C:417A 可写成1080:8:800:200C:417A,X:X:X:X:X:X:d.d.d.d 最后32位地址为IPv4的地址点分十进制表示 如：（称为IPv4兼容IPv6地址）（称为IPv4映象IPv6地址）也可以压缩成0:202.120.5.100 0:FFFF:202.120.5.100,64,IPv6地址类型,单目地址 Unicast 多目地址（组地址）Multicast Anycast地址,65,单目地址 Unicast,标识一个接口的标识符，发送的数据报将被送到该地址所标识的接口上 地址格式：,66,保留了两个地址：,67,多目地址（组地址）Multicast,标识一组接口（一般属于不同的站点）的标识符，发送的数据报将被送到该地址所标识的一组接口上 IPv6没有广播地址，其功能由多目地址了实现,68,Anycast地址,标识一组接口（一般属于不同的站点）的标识符，发送到一个Anycast地址的数据报将被送到该地址所标识的一组接口中的任意一个接口上（根据路由协议实测距离最近的一个接口）multicast与anycast地址的区别：multicast必须将数据报送到该组的每一个成员；anycast地址只需送到组中的任意一个地址，一般为最近的一个 所有类型的Ipv6地址均指定给接口，而不是节点，通常一个单目地址只能分配给一个接口，而一个接口却可以拥有多个任意类型（单目、多目、Anycast）的Ipv6地址,69,6.IP控制协议,IP协议只负责传送IP数据包，无法监视和控制网络中出现的一些问题，这些工作由Internet的控制协议来完成,ICMP ARP RARP BOOTP,70,1）ICMP协议,IP协议提供的是尽力而为的通信服务 数据报的丢失、重复、延迟、乱序在所难免 ICMP提供了一种把通信服务中的差错向源站点报告的机制,ICMP报文格式 ICMP报文主要类型ICMP应用举例,71,2)ICMP报文格式,ICMP数据连同它的头标一起封装在一个IP数据报中，但TCP/IP模型的协议分层中，并未把ICMP单列为一层,字节,ICMP头标,72,3）ICMP报文主要类型,73,目的站点不可达（Destination Unreachable）,目的站点已关机目的地址不存在不知道目的站点的路径,目的站点不可达报文的格式,74,目的站点不可达报文类型,75,数据报超时 Time Exceeded,数据报超时报文的格式,代码为0：TTL超时 代码为1：分段重组超时,76,数据报参数错,数据报参数错报文的格式,代码为0：指出数据报中现有的某参数出错，其指针域指向数据报中引起故障的字节 代码为1：指出数据报中缺少某一必须的选项（代码为1时无指针域）,77,源抑制Source Quench,拥塞是无连接传输机制可能遇到的严重问题，由于路由器的缓冲区有限，大量数据报的涌入，缓冲区可能被“淹没”，形成拥塞,拥塞控制是全局性的，其数据来自不同的数据源 流量控制是局部性的，属于点对点的数据传输速率的匹配问题,78,源抑制方式分三个阶段,一旦发生拥塞，发ICMP源抑制报文源站点收到源抑制报文后将降低数据报传输速率 通常降低传输速率后的一段时间内将不再理会源抑制报文 拥塞解除后，源站点主机恢复数据报的传输速率,输出队列满，或原设置的队列上限超界，将丢弃新来的数据报，凡丢弃一个，则向源站点发一个源抑制报文 在较复杂的源抑制策略中，对不同的源站点的数据报的传输速率作统计，在队列超界时，有选择地向源站点发源抑制报文,这与ICMP无关，主机在一段时间内没有再收到源抑制报文，则认为拥塞解除，将逐渐恢复数据报的传输速率,79,源抑制报文的格式,其中的代码恒为0,80,重定向 Redirect,ICMP重定向机制将保证主机拥有一个动态的既小且优的路由表，但对路由器之间的路由表优化无能为力,重定向报文的格式,其中的“网关IP地址”是告诉源站点“去目的站点最优路径中第一个网关的地址”,81,回应请求/应答报文的格式,回应请求/应答用于测试目的站点的可达性,通常：某源站点主机向某目的站点主机发出一个回应请求，包含一段任选数据，如与收到的应答报文中的任选数据相同，则证明目的站点可达,82,时间戳请求/应答,在互联网中，所有的计算机（包括路由器）都是独立运行的，为避免相互的时钟相差太大，TCP/IP提供了几个用于时钟同步的协议，其中最简单的是使用ICMP时间戳请求/应答报文,由于互联网（尤其是大型互联网）中数据报往返的延时的随机性很大，所以用ICMP时间戳的方法来同步时钟，其实用性有限,83,地址掩码请求/应答,任何主机在启动时，都会广播其子网地址掩码请求报文，路由器收到后会发回一个地址掩码应答报文，其中包含本网使用的32位子网掩码,84,4）ICMP协议的运用,测试报文的可达性 路由跟踪命令 得到路径中最小的MTU,ping命令,tracert（Unix下为traceroute）命令,85,（a）ping命令,使用ping命令（即调用ping过程）时，将向目的站点发送一个ICMP回应请求报文（包括一些任选的数据），如目的站点接收到该报文，必须向源站点发回一个ICMP回应应答报文，源站点收到应答报文（且其中的任选数据与所发送的相同），则认为目的站点是可达的，否则为不可达,86,B可到达吗？,可以，我在这里。,Ping B,ICMP 回声请求,ICMP 回声应答,主机A,主机B,目的可达情况,87,目的站点可达的情况,88,目的站点不可达的情况,89,（b）tracert命令,tracert过程是通过ICMP数据报超时报文来得到一张途经路由器列表的 源主机向目的主机发一个IP报文，并置hop为1，到达第一个路由器时，hop减1，为0，则该路由器回发一个ICMP数据报超时报文，源主机取出路由器的IP地址即为途经的第一个路由端口地址 接着源主机再向目的主机发第二个IP报文，并置hop为2，然后再发第三个、第四个IP数据报，直至到达目的主机,但互联网的运行环境状态是动态的，每次路径的选择有可能不一致，所以，只有在相对较稳定（相对变化较缓慢）的互联网中，tracert才是有意义的,90,tracert命令举例,目的站点不可达的情况,91,目的站点可达的情况,92,（c）得到路径中最小的MTU,源主机发送一系列的探测IP数据报，并置DF=1，即不允许分段，如途径某个网络的MTU较小，则路由器将丢弃该数据报并发回一个ICMP数据报参数错，要求分段，源主机则逐步减小数据报长度，并仍置DF=1，直至某个探测报文成功到达目的主机，即得到路径中的最小MTU,93,5）地址解析协议,地址解析的作用 地址解析技术 地址解析协议ARP 反向地址解析RARP,94,（1）地址解析的作用,协议地址 物理地址地址解析,软件提供的抽象地址，如IP地址，它使整个互联网看成一个网络，但真正的物理网络并不能通过IP地址来定位机器,硬件地址，如MAC地址,协议地址和物理地址之间的转换，如IP地址和MAC地址之间的转换,95,地址解析必须在某一物理网络中进行，一台主机在向同一物理网络上的另一台计算机发送数据时，先做地址解析，然后按物理地址直接发送数据帧,96,（2）地址解析技术,查表 相近形式计算 消息交换法,97,I.查表,一个物理网络，即IP的一个子网，对应一张地址解析表一个物理网络，即IP的一个子网，它的IP地址中的网络号均相同，因此在实际使用时，可省略IP地址中的网络号部分,优点：通用、实现简单 缺点：需要人工设置对应表,98,II.相近形式计算,适用于动态硬件地址，它在指定IP地址和硬件地址时，使它们保持一定的关系，在解析时可通过IP地址计算出硬件地址 如：硬件地址与IP地址的最后一个字节相同，则：硬件地址=IP地址&0 xff,99,III.消息交换法,服务器方式：由服务器提供解析结果（ATM网络）分布式方法：每台计算机负责对本机地址的解析 相比较而言，前者对地址的配置和管理较容易，但需要额外的服务器，一旦网络繁忙程度加大，服务器会成为瓶颈,100,（3）地址解析协议ARP,工作原理 ARP的报文格式 暂存ARP应答 处理接收的ARP消息,101,I.工作原理,一个ARP请求消息是一个数据帧，其中包含发送站的硬件地址和协议地址，以及目的地址的IP地址，并把此数据帧在本物理网络内广播 一个ARP应答消息是一个数据帧，其中包含应答站的硬件地址和协议地址，以及原发送地址的IP地址，并把此数据帧发送给原发送站,102,V,W,X,Y,Z,询问报文,ARP的询问报文中包含目的地址的IP地址ARP的应答报文中包含目的地址的MAC地址,103,II.ARP的报文格式,104,以协议地址是IP地址、硬件地址是以太网MAC地址为例,105,ARP消息在以太网中,以太网的帧结构中：,106,III.暂存ARP应答和处理接收的ARP消息,暂存ARP应答于Cache或内存中，以后即可查表，不必再发询问报文，以减少网络的通信量从消息中取出发送方的协议地址和硬件地址，更新cache中已有的信息 检查消息是请求还是应答，若是应答，则接收；若是请求，检查是否为发送给本站的，如是，则发应答消息,107,ARP地址解析和数据包在网间的传递,A,B,Router1,Router 2,Router3,目的主机B的IP地址,Router 1 MAC地址,数据包,Router 2 MAC地址,数据包,目的主机B的IP地址,Router 3 MAC地址,数据包,目的主机B的IP地址,目的主机B MAC地址,数据包,目的主机B的IP地址,108,6）BOOTP、DHCP和IGMP,引导协议BOOTP动态主机配置协议DHCPInternet组管理协议IGMP,109,（a）引导协议BOOTP,引导协议（BOOTP）是一种基于UDP/IP的协议。这种协议允许正在启动的主机动态配置而无需用户监督。BOOTP主要用于客户机从服务器获得自己的IP地址、服务器的IP地址以及启动映像文件名。其他的一些配置信息，如本地子网掩码、本地时间偏移量、默认路由器地址和各种Internet服务器地址，都能通过BOOTP协议与客户机交流。,110,（b）动态主机配置协议DHCP,从一个地址池中把IP地址分配给请求主机。该协议既允许手工分配IP地址，也允许自动分配IP地址，DHCP也能提供其他信息，如网关IP、DNS服务器、缺省域和网络范围内HOSTS文件的位置。,111,（c）Internet组管理协议IGMP,IGMP用来帮助组播路由器识别加入到一个组播群组的成员主机，用于IP主机向任一个直接相邻的路由器报告他们的组成员情况。,IGMP使用IP数据报传递其报文（即IGMP 报文加上IP首部构成IP 数据报）。,