[IT认证]第四节 网络层2.ppt

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1、第4 章 网络层,李彬 山东轻工业学院 理学院,TCP 报文,IP 数据报,MAC 帧,应用层数据,首部,首部,尾部,首部,4.5 IP 地址与硬件地址,IP协议的特点 IP协议是一种不可靠、无连接的数据报传送服务协议；IP协议是点-点的网络层通信协议；IP协议向传输层屏蔽了物理网络的差异；,IP协议,IP数据报结构,1.IP数据报结构,一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。,固定部分,可变部分,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协

2、 议,标 识,区 分 服 务,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,数 据 部 分,首 部,IP 数据报,可变部分,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,区 分 服 务,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,数 据 部 分,首 部,IP 数据报,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总

3、长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,数 据 部 分,首 部,IP 数据报,固定部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,1.IP 数据报首部的固定部分中的各字段,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识

4、,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址

5、,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,区 分 服 务,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变

6、）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,标志(flag)占 3 位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是 MF(More Fragment)。MF 1 表示后面“还有分片”。MF 0 表示最后一个分片。标志字段中间的一位是 DF(Dont Fragment)。只有当 DF 0 时才允许分片。,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,1

7、6,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,生存时间(8 位)记为 TTL(Time To Live)数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,

8、区 分 服 务,运输层,网络层,首部,TCP,UDP,ICMP,IGMP,OSPF,数 据 部 分,IP 数据报,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数

9、 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,IP 数据报,在具体的物理网络的链路层只能看见 MAC 帧而看不见 IP 数据报,IP 地址,物理地址,ARP,物理地址,IP 地址,RARP,地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP,不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的

10、IP 地址到硬件地址的映射表。当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。,地址解析协议 ARP,A,Y,X,B,Z,主机 B 向 A 发送ARP 响应分组,主机 A 广播发送ARP 请求分组,ARP 请求,ARP 请求,ARP 请求,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,08-00-2B-00-EE-0A,我是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15

11、-AD-18我想知道主机 209.0.0.6 的硬件地址,我是 209.0.0.6硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0A,A,Y,X,B,Z,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,为了减少网络上的通信量，主机 A 在发送其 ARP 请求分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时，就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B 自己的 ARP 高速缓存中。这对主机 B 以后向 A 发送数据报时就更方便了。,ARP 高速缓存的作用,ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址

12、和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 ARP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。,应当注意的问题,发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。发送方是主机，要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。发送方是路由器

13、，要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。,使用 ARP 的四种典型情况,由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事。连接到因特网的主机都拥有统一的 IP 地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，因为调用 ARP 来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的。,直接使用硬件地址进行通信？,逆地址解析协议 RARP 使只知道自己硬件地址的主机能够

14、知道其 IP 地址。这种主机往往是无盘工作站。因此 RARP协议目前已很少使用。,逆地址解析协议 RARP,为了提高 IP 数据报交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP(Internet Control Message Protocol)。ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP 不是高层协议，而是 IP 层的协议。ICMP 报文作为 IP 层数据报的数据，加上数据报的首部，组成 IP 数据报发送出去。,4.6 网际控制报文协议 ICMP,首 部,ICMP 报文,0,数 据 部 分,检验和,类型,代码,（这 4 个字节取决于 ICMP 报文的类

15、型）,8,16,31,IP 数据报,前 4 个字节都是一样的,ICMP 的数据部分（长度取决于类型）,ICMP 报文的格式,ICMP 报文的种类有两种，即 ICMP 差错报告报文和 ICMP 询问报文。ICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的 4 个字节的内容与 ICMP 的类型有关。,ICMP 报文的种类,终点不可达 源点抑制(Source quench)时间超过 参数问题 改变路由（重定向）(Redirect),ICMP 差错报告报文共有 5 种,首部,IP 数据报,ICMP 的前 8 字节,装入 ICMP 报文的 IP 数据报,IP 数据报首

16、部,ICMP 差错报告报文,8字节,收到的 IP 数据报,IP 数据报首部,8字节,ICMP 差错报告报文,IP 数据报的数据字段,ICMP 差错报告报文的数据字段的内容,回送请求和回答报文时间戳请求和回答报文,ICMP 询问报文有两种,PING 用来测试两个主机之间的连通性。PING 使用了 ICMP 回送请求与回送回答报文。PING 是应用层直接使用网络层 ICMP 的例子，它没有通过运输层的 TCP 或UDP。,ICMP的应用举例PING(Packet InterNet Groper),PING 的应用举例,Traceroute 的应用举例,1.对路由选择算法的要求 算法必须是正确、稳定

17、和公平的 算法应该尽量简单 算法能够适应网络拓扑和通信量的变化算法应该是最佳的,4.7 路由选择的基本概念,跳数（hop count）分组从源结点到达目的结点经 过的路由器的个数带宽（bandwidth）链路的传输速率延时（delay）分组从源结点到达目的结点花费的时间负载（load）通过路由器或线路的单位时间通信量可靠性（reliability）传输过程中的误码率开销（overhead）传输过程中的耗费，与所使用的链 路带宽相关,讨论路由选择算法涉及的主要参数：,从路由选择算法对网络拓扑和通信量变化的自适应角度划分，可以分为静态路由选择算法与动态路由选择算法两大类；静态路由选择算法也叫做非自

18、适应路由选择算法，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化；动态路由选择算法也称为自适应路由选择算法，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大。,2.静态路由选择算法和动态路由选择算法,在每个路由器接收到一个IP分组时，路由选择模块必须进行路由查询；路由器查询的顺序是：第一步是判断该IP分组是不是直接转发。如果不是直接转发，第二步确定是不是特定主机转发。如果不是特定主机转发，第三步确定是不是特定网络转发。如果不是特定网络转发，最后就要确定是不是默认转发。路由选择模块的结构,3.路由选择模块与路由表,1.下一跳路由选择,提高路由表查询效率的基本方法,2.特

19、定网络路由选择,3.特定主机路由选择,4.默认路由选择,4.8 Internet的路由选择协议,4.8.1 自治系统与路由选择协议 1.自治系统的概念,自治系统 AS(Autonomous System),自治系统 AS 的定义：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种 AS 内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该 AS 内的路由，同时还使用一种 AS 之间的路由选择协议用以确定分组在 AS之间的路由。现在对自治系统 AS 的定义是强调下面的事实：尽管一个 AS 使用了多种内部路由选择协议和度量，但重要的是一个 AS 对其他 AS 表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略。,

20、自治系统（autonomous system，AS）,自治系统的核心是路由寻址的“自治”；自治系统内部的路由器了解内部全部网络的路由信息，并能够通过一条路径将发送到其他自治系统的分组传送到连接本自治系统的主干路由器；自治系统内部的路由器要向主干路由器报告内部路由信息。Internet路由选择协议的分类 内部网关协议IGP外部网关协议EGP,1.内部网关协议的基本概念路由信息协议是内部网关协议中一种分布式、基于距离向量的路由选择协议；路由器周期性地向外发送路由刷新报文；路由刷新报文主要内容是由若干（V，D）组成的表；矢量V标识该路由器可以到达的目的网络或目的主机，D表示该路由器到达目的网络或目的

21、主机的跳步数；其他路由器在接收到某个路由器的（V，D）报文后，按照最短路径原则对各自的路由表进行刷新；路由信息协议RIF适用于相对较小的自治系统，直径一般小于15跳步数。,4.8.2 内部网关协议：RIP,路由表的建立路由表信息的更新,2.路由信息协议的工作过程,RIP 存在的一个问题是当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。RIP 协议最大的优点就是实现简单，开销较小。RIP 限制了网络的规模，它能使用的最大距离为 15（16 表示不可达）。路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也就增加。,RIP 协议的优缺点,4.8.3最短

22、路径优先协议OSPF,1.OSPF协议的主要特点 使用分布式的链路状态协议；路由器发送的信息是本路由器与哪些路由器相邻，以及链路状态（距离、时延、带宽等）信息；当链路状态发生变化时用洪泛法向所有路由器发送；所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库；将一个自治系统再划分为若干个更小的区域，一个区域内的路由器数不超过200个。,将一个自治系统划分为多个区域的结构,划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络上的通信量。在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其他区域的网络拓扑的情况。OSPF 使用层次结构的区域划分

23、。在上层的区域叫作主干区域(backbone area)。主干区域的标识符规定为0.0.0.0。主干区域的作用是用来连通其他在下层的区域。,划分区域,区域 0.0.0.1,区域 0.0.0.3,主干区域 0.0.0.0,至其他自治系统,R9,R7,R6,R5,R4,R3,R2,R1,网 8,网 6,网 3,网 2,网 1,网 7,区域 0.0.0.2,网 4,网 5,R8,主干路由器,区域 0.0.0.1,区域 0.0.0.3,主干区域 0.0.0.0,至其他自治系统,R9,R7,R6,R5,R4,R3,R2,R1,网 8,网 6,网 3,网 2,网 1,网 7,区域 0.0.0.2,网 4,

24、网 5,R8,区域边界路由器,2.自治系统内部的区域划分,一个自治系统内部划分成若干区域与主干区域；主干区域连接多个区域，主干区域内部的路由器叫做主干路由器；连接各个区域的路由器叫做区域边界路由器，区域边界路由器接收从其他区域来的信息；在主干区域内还要有一个路由器专门和该自治系统之外的其他自治系统交换路由信息。这样的路由器叫做自治系统边界路由器。,3.OSPF协议执行过程,路由器的初始化过程 每一个路由器用数据库描述分组和相邻路由器交换本数据库中已有的链路状态摘要信息;路由器就使用链路状态请求分组，向对方请求发送自己所缺少的某些链路状态项目的详细信息;通过一系列的分组交换，建立全网同步的链路数

25、据库;网络运行过程 路由器的链路状态发生变化，该路由器就要使用链路状态更新分组，用洪泛法向全网更新链路状态;每个路由器计算出以本路由器为根的最短路径树，根据最短路径树更新路由表。,4.8.3 外部网关协议,1.外部网关协议设计的基本思想,BGP 是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。BGP 较新版本是 2006 年 1 月发表的 BGP-4（BGP 第 4 个版本），即 RFC 4271 4278。可以将 BGP-4 简写为 BGP。,外部网关协议 BGP,因特网的规模太大，使得自治系统之间路由选择非常困难。对于自治系统之间的路由选择，要寻找最佳路由是很不现实的。当一条路径通过几个不同

26、 AS 时，要想对这样的路径计算出有意义的代价是不太可能的。比较合理的做法是在 AS 之间交换“可达性”信息。自治系统之间的路由选择必须考虑有关策略。因此，边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由。,BGP 使用的环境却不同,BGP-4采用了路由向量（path vector）路由选择协议；在配置BGP时，每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“BGP发言人”；每个BGP发言人除了必须运行BGP协议外，还必须运行该自治系统所使用的内部网关协议OSPF或RIP；BGP所交换的网络可达性信息就是要到达某个网络所

27、要经过的一系列的自治系统；当BGP发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略，从接收到的路由信息中找出到达各自治系统的比较好的路由。,BGP 所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列 AS。当 BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后，各 BGP 发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各 AS 的较好路由。,AS 的连通图举例,BGP 发言人交换路径向量,主干网（AS1）,地区 ISP（AS2）,地区 ISP（AS3）,本地 ISP（AS6）N5,本地 ISP（AS7）N6，N7,自治系统 AS2 的 BGP 发言人通知主干网的 BGP

28、 发言人：“要到达网络 N1,N2,N3 和 N4 可经过 AS2。”,BGP 发言人交换路径向量,主干网（AS1）,地区 ISP（AS2）,地区 ISP（AS3）,本地 ISP（AS4）N1，N2,本地 ISP（AS5）N3，N4,主干网还可发出通知：“要到达网络 N5,N6 和 N7 可沿路径（AS1,AS3）。”,BGP 协议交换路由信息的结点数量级是自治系统数的量级，这要比这些自治系统中的网络数少很多。每一个自治系统中 BGP 发言人（或边界路由器）的数目是很少的。这样就使得自治系统之间的路由选择不致过分复杂。,BGP 协议的特点,4.9 路由器在网际互连中的作用,路由器是一种具有多个

29、输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。也就是说，将路由器某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地（即目的网络），把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。下一跳路由器也按照这种方法处理分组，直到该分组到达终点为止。,典型的路由器的结构,路由选择,路由选择处理机,路由选择协议,路由表,3,输入端口,3,交换结构,输入端口,输出端口,分组转发,转发表,分组处理,输出端口,1,1,1,3,3,1,2,2,2,2,3网络层2数据链路层1物理层,“转发”和“路由选择”的区别,“转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。

30、“路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由。路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路由表的区别，,输入端口对线路上收到的分组的处理,数据链路层剥去帧首部和尾部后，将分组送到网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时延。,物理层处理,数据链路层处理,网络层处理 分组排队,交换结构,输入端口的处理,从线路接收分组,查表和转发,输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路,当交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。,物理层处理,数据链路层处理,网络层处理 分组排队,输出端口的处理,向线路发送分组,缓存管理,交换结构,分组丢弃,若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。,The end,