网络层提供的两种服务.ppt

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1、计算机网络,计算机学院,本章主要讲述内容,网络层提供的两种服务 网际协议 IP 划分子网和构造超网 网际控制报文协议 ICMP 因特网的路由选择协议 IP 多播 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT,4.1 网络层提供的两种服务,在计算机网络领域，网络层应该向运输层提供怎样的服务（“面向连接”还是“无连接”）曾引起了长期的争论。争论焦点的实质就是：在计算机通信中，可靠交付应当由谁来负责？是网络还是端系统？,电信网的成功经验让网络负责可靠交付,面向连接的通信方式 建立虚电路(Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。如果再使用可靠传输的网络协议，就可使所发送的分组

2、无差错按序到达终点。,虚电路是逻辑连接,虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而并不是真正建立了一条物理连接。请注意，电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接。因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似，但并不完全一样。,因特网采用的设计思路,网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传送的时限。,尽最大努力交付的好处

3、,由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉（与电信网的交换机相比较）。如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责（包括差错处理、流量控制等）。采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用。因特网能够发展到今日的规模，充分证明了当初采用这种设计思路的正确性。,应用层运输层网络层数据链路层物理层,应用层运输层网络层数据链路层物理层,数据报服务,H1,H2,IP 数据报,丢失,H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送,虚电路服务与数据报服务的对比,4.2 网际协议IP,网

4、际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol)逆地址解析协议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)网际控制报文协议 ICMP(Internet Control Message Protocol)网际组管理协议 IGMP(Internet Group Management Protocol),网际层的 IP 协议及配套协议,各种应用层协议,网络接口层,(HTTP,FTP,SMTP 等),物理硬件,运输层,TCP,UDP,应

5、用层,ICMP,IP,RARP,ARP,与各种网络接口,网络层（网际层）,IGMP,互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题需要解决，如：不同的寻址方案不同的最大分组长度不同的网络接入机制不同的超时控制不同的差错恢复方法不同的状态报告方法不同的路由选择技术不同的用户接入控制不同的服务（面向连接服务和无连接服务）不同的管理与控制方式,4.2.1 虚拟互连网络,中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。物理层中继系统：转发器(repeater)。数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。网络层中继系统：路由器(router)。网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。网络层以

6、上的中继系统：网关(gateway)。,网络互相连接起来要使用一些中间设备,当中继系统是转发器或网桥时，一般并不称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。网关由于比较复杂，目前使用得较少。互联网都是指用路由器进行互连的网络。由于历史的原因，许多有关 TCP/IP 的文献将网络层使用的路由器称为网关。,网络互连使用路由器,互连网络与虚拟互连网络,网络,网络,网络,网络,网络,(a)互连网络,(b)虚拟互连网络,路由器,虚拟互连网络（互联网）,虚拟互连网络的意义,所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用 I

7、P 协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节。,从网络层看 IP 数据报的传送,如果我们只从网络层考虑问题，那么 IP 数据报就可以想象是在网络层中传送。,网络层,网络层,网络层,网络层,网络层,网络层,网络层,IP 数据报,H1,R1,R2,R3,R4,R5,H2,4.2.2 分类的 IP 地址1.IP 地址及其表示方法,我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络。IP 地址就是给每个连接在因特网上的主

8、机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。IP 地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配,IP 地址的编址方法,分类的 IP 地址。这是最基本的编址方法，在 1981 年就通过了相应的标准协议。子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准RFC 950在 1985 年通过。构成超网。这是比较新的无分类编址方法。1993 年提出后很快就得到推广应用。,分类 IP 地址,每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号 net-id，它标志主机（或

9、路由器）所连接到的网络，而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）。两级的 IP 地址可以记为：IP 地址:=,(4-1),:=代表“定义为”,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段

10、,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节,

11、net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节,net-id24 bit,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多

12、播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络

13、号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 bit,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,D 类地址是多播地址,net

14、-id24 位,host-id24 位,net-id16 bit,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,E 类地址保留为今后使用,点分十进制记法,采用点分十进制记法则进一步提高可读性,128.11.3.31,128 11 3 31,将每 8 位的二进制数转换为十进制数,2.常用的三种类别的 IP 地址,IP 地址的使用范围,网络 最大 第一个 最后一个 每个网络类别 网络数 可用的 可用的 中

15、最大的 网络号 网络号 主机数 A 126(27 2)1 126 16,777,214 B 16,383(214 1)128.1 191.255 65,534 C 2,097,151(221 1)192.0.1 223.255.255 254,IP 地址的一些重要特点,(1)IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：第一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占

16、的存储空间。,IP 地址的一些重要特点,(2)实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。,IP 地址的一些重要特点,(3)用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。(4)所有分配到网络号 net-id 的网络

17、，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。,4.2.3 IP 地址与硬件地址,TCP 报文,IP 数据报,MAC 帧,应用层数据,首部,首部,尾部,首部,4.2.4 地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP,IP 地址,物理地址,ARP,物理地址,IP 地址,RARP,地址解析协议 ARP,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 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

18、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。,ARP 高速缓存的作用,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。,应当注意的问题,ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射问题。如果所要

19、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（续）,从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信，ARP 协议就会自动地将该 IP 地址解析为链路层所需要的硬件地址。,使用 ARP 的四种典型情况,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

20、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，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。,什么我们不直接使用硬件地址进行通信？,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

21、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。,逆地址解析协议 RARP,逆地址解析协议 RARP 使只知道自己硬件地址的主机能够知道其 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。,4.2.5 IP 数据报的格式,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

22、 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,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,

23、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,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

24、 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 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

25、,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,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

26、 度 可 变）,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

27、,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,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

28、,可变部分,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,

29、首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,2.IP 数据报首部的可变部分,IP 首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。选项字段的长度可变，从 1 个字节到 40 个字节不等，取决于所选择的项目。增加首部的可变部分是为了增加 IP 数据报的功能，但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。,4.2.6 IP 层转发分组的流程,有四个 A 类网络通过三个路由器连接在一起。每一个网络上都可能有成千上万个主机。可以想像，若按目的主机号来制作路由表，则所得出的路由表就会过于

30、庞大。但若按主机所在的网络地址来制作路由表，那么每一个路由器中的路由表就只包含 4 个项目。这样就可使路由表大大简化。,查找路由表,根据目的网络地址就能确定下一跳路由器，这样做的结果是：IP 数据报最终一定可以找到目的主机所在目的网络上的路由器（可能要通过多次的间接交付）。只有到达最后一个路由器时，才试图向目的主机进行直接交付。,特定主机路由,这种路由是为特定的目的主机指明一个路由。采用特定主机路由可使网络管理人员能更方便地控制网络和测试网络，同时也可在需要考虑某种安全问题时采用这种特定主机路由。,默认路由(default route),路由器还可采用默认路由以减少路由表所占用的空间和搜索路由

31、表所用的时间。这种转发方式在一个网络只有很少的对外连接时是很有用的。默认路由在主机发送 IP 数据报时往往更能显示出它的好处。如果一个主机连接在一个小网络上，而这个网络只用一个路由器和因特网连接，那么在这种情况下使用默认路由是非常合适的。,必须强调指出,IP 数据报的首部中没有地方可以用来指明“下一跳路由器的 IP 地址”。当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳路由器的 IP 地址填入 IP 数据报，而是送交下层的网络接口软件。网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。,4.3

32、 划分子网和构造超网4.3.1 划分子网,1.从两级 IP 地址到三级 IP 地址 在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不够合理。IP 地址空间的利用率有时很低。给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。两级的 IP 地址不够灵活。,从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。这种做法叫作划分子网(subnetting)。划分子网已成为因特网的正式标准协议。,三级的 IP 地址,划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-

33、id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。IP地址:=,(4-2),划分子网的基本思路,凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。,划分子网的基本思路（续）,所有到网络 的分组均到达此路由器,我的网络地址是,R1,R3,R2,一个未划分子网的 B 类网络,当没有划分子网时，IP 地址是两级结构。划分子网后 IP 地址就变成了三级结构。划分

34、子网只是把 IP 地址的主机号 host-id 这部分进行再划分，而不改变 IP 地址原来的网络号 net-id。,划分子网后变成了三级结构,从一个 IP 数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分。使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。,2.子网掩码,IP 地址的各字段和子网掩码,145.13.,3.10,两级 IP 地址,子网号为 3 的网络的网络号,三级 IP 地址,主机号,子网掩码,net-id,host-id,子网的网络地址,0,net-id,subnet-id,host-id,145.13.,145.13.3,3.10,(

35、IP 地址)AND(子网掩码)=网络地址,网络号 net-id,主机号 host-id,两级 IP 地址,网络号,三级 IP 地址,主机号,子网号,子网掩码,子网的网络地址,net-id,subnet-id,0,逐位进行 AND 运算,子网掩码是一个重要属性,子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器。路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码。若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码。,在不划分子网的两级 IP 地址下，从 IP 地址得出网络地

36、址是个很简单的事。但在划分子网的情况下，从 IP 地址却不能唯一地得出网络地址来，这是因为网络地址取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息。因此分组转发的算法也必须做相应的改动。,4.3.2 使用子网掩码的分组转发过程,在划分子网的情况下路由器转发分组的算法,(1)从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。(2)先用各网络的子网掩码和 D 逐位相“与”，看是否和 相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。否则就是间接交付，执行(3)。(3)若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将 分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。(4)对路由表中的每一

37、行的子网掩码和 D 逐位相“与”，若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送 给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。(5)若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表 中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。(6)报告转发分组出错。,划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难。然而在 1992 年因特网仍然面临三个必须尽早解决的问题，这就是：B 类地址在 1992 年已分配了近一半，眼看就要在 1994 年 3 月全部分配完毕！因特网主干网上的路由表中的项目数急剧增长（从几千个增长到几万个）。整个 IPv4 的地址空间最终将全部耗尽。,4.3.3 无分类编址 CIDR1.网

38、络前缀,1987 年，RFC 1009 就指明了在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码。使用变长子网掩码 VLSM(Variable Length Subnet Mask)可进一步提高 IP 地址资源的利用率。在 VLSM 的基础上又进一步研究出无分类编址方法，它的正式名字是无分类域间路由选择 CIDR(Classless Inter-Domain Routing)。,IP 编址问题的演进,CIDR 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间。CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)来代替分类

39、地址中的网络号和子网号。IP 地址从三级编址（使用子网掩码）又回到了两级编址。,CIDR 最主要的特点,无分类的两级编址的记法是：IP地址:=,(4-3)CIDR 还使用“斜线记法”(slash notation)，它又称为CIDR记法，即在 IP 地址面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的位数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数）。CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”。,无分类的两级编址,CIDR 地址块,表示的地址块共有 212 个地址（因为斜线后面的 20 是网络前缀的位数，所以这个地址的主机号是 12 位）。这个地址块的起始地址是。在

40、不需要指出地址块的起始地址时，也可将这样的地址块简称为“/20 地址块”。地址块的最小地址：地址块的最大地址：全 0 和全 1 的主机号地址一般不使用。,表示的地址（212 个地址）,10000000 00001110 00100000 0000000010000000 00001110 00100000 0000000110000000 00001110 00100000 0000001010000000 00001110 00100000 0000001110000000 00001110 00100000 0000010010000000 00001110 00100000 000001

41、0110000000 00001110 00101111 1111101110000000 00001110 00101111 1111110010000000 00001110 00101111 1111110110000000 00001110 00101111 1111111010000000 00001110 00101111 11111111,所有地址的 20 位前缀都是一样的,一个 CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合，它使得路由表中的一个项目可以表示很多个（例如上千个）原来传统分类地址的路由。路由聚合也称为构成超网(supernetting)。CIDR

42、虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词（但不叫子网掩码）。对于/20 地址块，它的掩码是 20 个连续的 1。斜线记法中的数字就是掩码中1的个数。,路由聚合(route aggregation),CIDR 记法的其他形式,可简写为 10/10，也就是把点分十进制中低位连续的 0 省略。隐含地指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是。此掩码可表示为 11111111 11000000 00000000 00000000,CIDR 记法的其他形式,可简写为 10/10，也就是将点分十进制中低位连续的 0 省略。相当于指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是，即 11111111 11

43、000000 00000000 00000000网络前缀的后面加一个星号*的表示方法 如 00001010 00*，在星号*之前是网络前缀，而星号*表示 IP 地址中的主机号，可以是任意值。,构成超网,前缀长度不超过 23 位的 CIDR 地址块都包含了多个 C 类地址。这些 C 类地址合起来就构成了超网。CIDR 地址块中的地址数一定是 2 的整数次幂。网络前缀越短，其地址块所包含的地址数就越多。而在三级结构的IP地址中，划分子网是使网络前缀变长。,CIDR 地址块划分举例,因特网,ISP,大学 X,一系,二系,三系,四系,单位 地址块 二进制表示 地址数 ISP 206.0.64.0/18

44、 11001110.00000000.01*16384 大学 206.0.68.0/22 11001110.00000000.010001*1024 一系 206.0.68.0/23 11001110.00000000.0100010*512 二系 206.0.70.0/24 11001110.00000000.01000110.*256 三系 206.0.71.0/25 11001110.00000000.01000111.0*128 四系 206.0.71.128/25 11001110.00000000.01000111.1*128,CIDR 地址块划分举例,因特网,ISP,大学 X,一

45、系,二系,三系,四系,这个 ISP 共有 64 个 C 类网络。如果不采用 CIDR 技术，则在与该 ISP 的路由器交换路由信息的每一个路由器的路由表中，就需要有 64 个项目。但采用地址聚合后，只需用路由聚合后的 1 个项目 就能找到该 ISP。,2.最长前缀匹配,使用 CIDR 时，路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果。应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由：最长前缀匹配(longest-prefix matching)。网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体(more specific)。最长前缀匹配又称为最长匹配或

46、最佳匹配。,最长前缀匹配举例,收到的分组的目的地址 D路由表中的项目：（ISP）（四系）,查找路由表中的第 1 个项目,AND D=206.0.01000100.0,第 1 个项目 的掩码 M 有 22 个连续的 1。,M=11111111 11111111 11111100 00000000,因此只需把 D 的第 3 个字节转换成二进制。,M=11111111 11111111 11111100 00000000,206.0.01000100.0,与 匹配,最长前缀匹配举例,收到的分组的目的地址 D路由表中的项目：（ISP）（四系）,再查找路由表中的第 2 个项目,AND D=206.0.7

47、1.10000000,第 2 个项目 的掩码 M 有 25 个连续的 1。,M=11111111 11111111 11111111 10000000,因此只需把 D 的第 4 个字节转换成二进制。,M=11111111 11111111 11111111 10000000,206.0.71.10000000,与 匹配,最长前缀匹配,D AND(11111111 11111111 11111100 00000000)匹配D AND(11111111 11111111 11111111 10000000)匹配选择两个匹配的地址中更具体的一个，即选择最长前缀的地址。,3.使用二叉线索查找路由表,当

48、路由表的项目数很大时，怎样设法减小路由表的查找时间就成为一个非常重要的问题。为了进行更加有效的查找，通常是将无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中，然后自上而下地按层次进行查找。这里最常用的就是二叉线索(binary trie)。IP 地址中从左到右的比特值决定了从根结点逐层向下层延伸的路径，而二叉线索中的各个路径就代表路由表中存放的各个地址。为了提高二叉线索的查找速度，广泛使用了各种压缩技术。,4.4 网际控制报文协议 ICMP,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

49、 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。,4.4.1 ICMP 报文的种类,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 差错报告报文共有 5 种,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),不应发送 ICMP

50、 差错报告报文的几种情况,对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文。对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送 ICMP 差错报告报文。对具有多播地址的数据报都不发送 ICMP 差错报告报文。对具有特殊地址（如127.0.0.0 或）的数据报不发送 ICMP 差错报告报文。,ICMP 询问报文有两种,回送请求和回答报文时间戳请求和回答报文下面的几种 ICMP 报文不再使用信息请求与回答报文掩码地址请求和回答报文路由器询问和通告报文,4.4.2 ICMP的应用举例PING(Packet InterNet Groper),PING 用来测试两个主机之间的连通性。PING 使