计算机网络技术第5章因特网基础.ppt

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1、第5章 因特网基础,5.1 因特网的构成5.2 因特网的接入5.3 IP协议与互联层服务5.4 IP地址5.5 IP数据报5.6 差错与控制报文5.7 路由器与路由选择5.8 IPv6协议5.9 TCP协议与UDP,5.1 因特网的构成,5.1.1 因特网的构成5.1.2 因特网的主要组成部分,5.1.1 因特网的构成,因特网也称为“国际互联网”，是全球性的、最具影响力的计算机互联网，同时也是世界范围的信息资源宝库。从网络设计者的角度考虑，因特网是计算机互联网。它由世界各地数以万计、各种规模的计算机网络，借助路由器，相互连接而成的全球性的互联网。目前，美国高级网络和服务公司（ANS）所建设的A

2、NSNET为因特网的主干网。从因特网使用者角度考虑，因特网是一个信息资源网。接入因特网的主机既可是信息资源及服务的提供者（服务器），也可以是信息资源和服务的消费者（客户机）。因特网使用者不必关心Internet的内部结构，面对的和关心的只是网上的信息资源和服务。,什么是Internet？,简单地讲，Internet 是一个计算机交互网络，又称网间网。它是一个全球性的巨大的计算机网络体系，它把全球不同地理位置的计算机网络进行互联，蕴藏了难以计数的信息资源，向全世界提供信息服务。Internet的出现，是世界由工业化走向信息化的必然和象征。可以将Internet概括地定义为：Internet是一个

3、全球信息系统，具有全球性、开放性与平等性等特点，连在Internet上的每一台计算机具有全球惟一的地址，与网上其他主机通信时使用TCP/IP协议，Internet可以为网上用户提供各类信息服务。,Internet定义的含义,从网络通信的角度来看，Internet是一个以TCP/IP通信协议连接各个国家、各个地区、各个机构的计算机网络的数据通信网。从信息资源的角度来看，Internet是一个集各个部门、各个领域的各种信息资源为一体，供网上用户共享的信息资源网。一般认为，Internet的定义至少包含以下三个方面的内容：Internet是一个基于TCP/IP协议栈的国际互联网络。Internet是

4、一个网络用户的集合，用户使用网络资源，同时也为该网络提供各类资源，以丰富网络的内容。Internet是所有可被访问和利用的信息资源的集合。,Internet的产生和发展,Internet起源于美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的前身ARPA建立的ARPAnet，该网于1969年投入使用。当时该网络是由四个节点组成的包交换网络，其主要目的是为了验证远程分组交换网的可行性。ARPA于20世纪70年代中期开始互联网技术研究，其体系结构和协议在19771979年间得到迅速发展并逐渐完善，成为现代Internet的雏

5、形，使ARPAnet从一个实验性网络发展成为一个可运行的网络。最初，ARPAnet主要用于军事研究目的，它有五大特点：支持资源共享。采用分布式控制技术。采用分组交换技术。使用通信控制处理机。采用分层的网络通信协议。,Internet的产生和发展,1972年，ARPAnet在首届计算机网络通信国际会议上首次与公众见面，并验证了分组交换技术的可行性，由此ARPAnet成了现代计算机网络诞生的标志。1983年，ARPAnet分裂为两部分：一个仍然采用ARPAnet这个名字，继续用于研究目的；另一个则变成专用于军事通信的军用网（MILnet）。与此同时，局域网和其他广域网的产生和蓬勃发展对Intern

6、et的进一步发展起了重要的作用。其中，最为引人注目的就是美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）建立的美国国家科学基金网NSFnet。1986年，NSF建立起了六大超级计算机中心，为了使全国的科学家、工程师能够共享这些超级计算机设施，NSF建立了自己的基于TCP/IP协议栈的计算机网络NSFnet。NSF在全国建立了按地区划分的计算机广域网，并将这些地区网络和超级计算中心互连。于是，NSFnet于1990年6月彻底取代了ARPAnet成为Internet的主干网。,Internet的产生和发展,1990年9月，由Merit公司、IBM公司和MCI公司

7、联合建立了一个非赢利性的组织先进网络和科学公司（Advanced Network&Science,Inc，ANS）。ANS的目的是建立一个全美国范围的T3级主干网，它能以45Mbit/s的速率传送数据，相当于每秒传送1400页文本信息。到1991年底，NSFnet的全部主干网都已同ANS提供的T3级主干网相连。今天的Internet已不再是计算机专业人员和军事部门进行科研的专用领域，而成为一个信息的海洋。随着Internet规模和用户的不断增长，Internet上的各种应用与服务也进一步得到了开发，Internet不再仅仅是一种资源共享、数据通信和信息查询的工具，而且已逐渐成为人们了解世界、讨

8、论问题、购物休闲，乃至从事跨国学术研究、商务活动、远程教育、结交朋友的重要途径。目前Internet上提供的信息已覆盖了社会生活的方方面面，构成了一个信息社会的缩影。,5.1.2 因特网的主要组成部分,1.通信线路：两类：有线和无线；对于通信线路的传输能力用“数据传输率”来描述，也用“带宽”来描述。带宽越宽，传输速率越高。2.路由器：是因特网中最重要的设备，是网络互联的桥梁。数据从源主机出发，通常需要经过多个路由器才能到达目的主机。路由器负责传输路径的选择和数据的完整。3.服务器与客户机：因特网中的主机按其角色的不同分为两类：服务器和客户机。前者是网上信息资源及服务的提供者，后者则是使用者。4

9、.信息资源：如何较好地组织信息资源，使用户方便快捷地获取信息资源一直是因特网的发展方向。WWW服务的推出，为信息资源提供了一种较好的组织形式，同时搜索引擎使信息的查询更快捷。,因特网的主要组成部分,1主机主机是指那些通过某种连接设备（如路由器、调制解调器）与Internet相连的服务器或计算机。互联网中最重要的部分共享资源就存放在主机上。2路由器路由器是一种网络互联设备（这部分内容已在本书第5章中进行了详细介绍），它将主机与通信线路相连。路由器可以为网络中传输的数据选择一条最佳路径。路由器提供了一种网络互联而不是计算机互联的方法。路由选择是基于网络的，即需要为一个数据报选择路由时，路由器使用的

10、是目的网络而不是目的主机，因此路由器所要保存的信息数量正比于互联网中的网络数量。路由器在互联网中起着关键的作用，它担负信息在网络之间传递的任务。,因特网的主要组成部分,3通信线路通信线路是整个Internet的基础，所有网络设备都必须通过通信线路才能相互连接起来，构成一个全球统一的庞大网络。4信息资源信息资源是Internet上最重要的组成部分。现在可以这么说，Internet就是为了信息而存在的，没有了信息，Internet就没有了存在的主要意义。,5.2 因特网的接入,用户要使用Internet，必须通过ISP将自己的计算机接入Internet。接入的方式有通过局域网接入、广域网接入等。用

11、户在选择接入方式时需要考虑接入的性能、效率、费用等因素。几种常见的通过广域线路接入Internet的方式有：5.2.1 通过电话网接入借助电话网接入Internet由于电话网的普及成为早期用户最常见的方法。用户的计算机和ISP处的远程访问服务器（Reomte Access Server，RAS）通过调制解调器（Modem）与电话网相连。用户访问Internet时，通过拨号方式RAS建立连接，借助RAS访问Internet。但是这种方式传输速率低，仅达56Kbps。电话线路是为传输音频信号而建设的，计算机输出的数字信号不能直接在普通的电话线路上传输。Modem在通信的一端负责将计算机输出的数据转

12、换成电话线路能够传输的声音信号，在另一端把接受到的声音信号再转换回计算机能够处理的数字信号。,通过电话网连接到Internet的示意图,电话网,Internet,RAS,路由器,用户计算机,5.2.2 通过ADSL接入,由于电话线路的数据传输速率太低，不适应传输大量多媒体信息的要求，所以，人们经过长期大量实验研究，提出了非对称数字用户线路（ADSL）。ADSL使用复杂的调制解调技术，在普通的电话线路上进行高速的数据传输。在传输数据的方向上分为上行、下行两个通道。下行通道速率远远大于上行通道，即非对称性，而这正符合人们下载信息量大而上传信息量小的特点。在5km的范围内，ADSL上行速率可达166

13、40Kbps，下行速率可达1.59Mbps。ADSL传输速率高，无须拨号，可以全天候连通，不仅适合单机接入互联网，也可以将一个局域网接入互联网。与其它竞争技术相比，ADSL所需的电话网资源分布广泛。线路本身不用改造，只在两端加装特殊设备，节约了大量投资，建设周期短，使用费用低。尤其适合家庭和中小型企业的联网需要。,5.2.3 使用HFC接入,除了电话网外，有线电视网（CATV）是另一种被广泛使用的网络。目前，大部分的有线电视网信号首先通过光纤传输到光纤结点，再通过同轴电缆传输到有线电视网用户，即所谓的混合光纤/同轴电缆网（Hybrid Fiber Coaxial,HFC）。其覆盖面可以整个大中

14、型和绝大部分小城市，信号的传输质量也可以大幅度提高。类似于ADSL，HFC也采用非对称的数据传输速率。一般上行传输速率在10Mbps左右，下行传输速率为040Mbps。HFC接入互联网不但速率高，而且可以全天在线。获得互联网上的各种信息和服务。但是由于HFC 采用共享式的传输方式，所有电缆调制解调器的发送和接受使用同一个上/下行信道，因此，HFC网上的用户越多，每个用户实际获得的带宽就越窄。,5.2.4 通过数据通信线路接入,数据通信网是专门为数据通信建设的网络，用于传输性能高、质量好的接入方式。数据通信网的种类很多，DDN、ATM、帧中继等网络都属于数据通信网。由电信部门建设和管理，供用户租

15、用。利用数据通信线路接入，用户端可以小到一台微型计算机，大到一个企业网或校园网。但是由于所租用的专用线路带宽很宽，费用很高，因此一般家庭很少采用这种方式，绝大多数为一定规模的企业级局域网。通过数据通信线路接入互联网时，大部分路由器可以配各种接口模块（如DDN、ATM等），实现用户的局域网和远程互联网经过专门的接口模块与数据通信网相连并交换数据。,通过数据通信线路接入Internet示意图,数据通信网,Internet,路由器,用户端网络,ISP,5.3 IP协议与互联层服务,Internet是一个互联网，它把提供不同服务的、使用不同技术的、具有不同功能的物理网络互连起来。IP作为一种互联网协议

16、，运行于互联层，屏蔽各个物理网络的细节和差异，使网络向上提供统一的服务。IP协议是互联网中的交通规则，在网上发送和接受数据要遵守这些规则。IP互联网的工作原理 互联层服务 IP互联网的特点,IP互联网的工作原理,由于互联网具有将数据单元从一个网转发至另一个网的功能，因此，互联网上的数据可以进行跨网传输，具体传输过程参见下图。,广域网,主机A,主机B,路由器Y,路由器X,以太网1,以太网2,应用层,传输层,IP,以太网,IP,以太网,广域网,IP,广域网,以太网,应用层,传输层,IP,以太网,5.3.2 互联层服务,互联网应该屏蔽低层网络的差异，为用户提供通用的服务。具体地讲，运行IP协议的互联

17、层为高层用户提供的服务有3种：不可靠的数据投递服务：IP协议本身没有能力证实发送的数据报能否被正确接收，也不检查数据错误，发生错误时也不保证一定可以通知发送方或接收方。面向无连接的传输服务：它不管数据报沿途经过哪些结点，也不管数据报起始于哪台计算机，终止于哪台计算机。数据报从源结点到目的结点可能经过不同的传输路径，而这些数据报在传输过程中有可能丢失，有可能正确到达。尽最大努力投递服务：尽管互联层提供的是面向非连接的不可靠服务，IP也不随意丢失数据报。只有当系统的资源用尽、接收数据报错误或网络故故障等状态下，才不得不丢弃报文。,Internet的结构,Internet采用的是网络级互联的方法，它

18、把通信从网络技术的细节中分离出来，把数据通信活动从应用程序中分离出来使整个系统更加灵活，使之可以建立通用的通信工具。通用服务的概念使应用程序与互联网的硬件连接的细节无关，与网络拓扑结构无关，用户接口与网络无关。对用户来说，Internet是一个单独的虚拟网络，所有的计算机都与之相连。用户不必考虑它是由多个网络构成的网络，也不必考虑网络间的物理连接。从Internet的观点来看也是如此，Internet是由众多互相协作、互相连接的网络组成的集合，不论它们各自的网络结构、规模、特性如何，无论是局域网、广域网还是两台机器之间的点到点的链路，互联网协议TCP/IP都不考虑它们的差异而把所有网络都平等对

19、待。把两个网络连接起来并把数据分组从一个网络传递到另一个网络的计算机，这样的计算机称为互联网网关（Internet gateway）或互联网路由器（Internet router），一般统称为路由器，所有网络通过路由器连接起来构成了全球范围的Internet,Internet的体系结构图,5.3.3 IP互联网的特点,IP互联网是一种面向非连接互联网络，其特点如下：IP互联网隐藏了低层物理网络的细节，向上为用户提供通用的、一致的网络服务。从网络设计者的角度看IP互联网是由不同的网络借助IP路由器互联而成，从用户的角度看，它是一个单一的虚拟网络。IP互联网不指定网络互联的拓扑结构，也不要求网络之

20、间全互联。因此，IP数据报从源主机到目的主机可能经过若干中间网络。一个网络只要通过路由器与IP互联网中的任意一个网络相连，就具有访问整个互联网的能力。IP互联网能在物理网络之间转发数据，信息可以跨网传输。IP互联网中的所有计算机使用统一的、全局地址描述法。IP互联网平等地对待互联网中的每一个网络，不管其规模大小、速度快慢。,IP互联网不要求网络之间全互联,网络2,网络4,网络3,新网络,网络1,与互联网中的一个网络连接即可连入整个互联网,5.4 IP地址,5.4.1 IP地址的作用以太网利用MAC地址（物理地址）标识网络中的一个结点，两个以太网结点需要知道对方的MAC地址才能通信。但是，以太网

21、并不是唯一的网络，目前存在的各种网络使用的技术各不相同，物理地址的长度、格式等的表示方法也不相同。如何统一结点的地址表示方式，保证信息能跨网传输是互联网的一大难题。由于存在各种物理网络，所以统一物理地址是不行的。互联网必须通过上层软件完成这种统一。IP协议提供了一种互联网通用的格式，它由32位二进制数表示，用于屏蔽各种物理网络的地址差异。IP协议规定的地址为IP地址，由IP地址管理机构进行统一管理和分配，保证互联网上运行的设备不会产生地址冲突。,IP地址的作用是标识网络连接,在互联网上，主机可以利用IP地址来标识。但是，一个IP地址标识一台主机的说法不准确。严格地说，IP地址指定的不是一台计算

22、机，而是计算机到网络的一个连接。具有多个网络连接的互联网设备就应具有多个IP地址。如下图中路由器的两个连接分别与2个不同的网络相连，因此它就应该具有2个不同的IP地址。多宿主机主机（即含有多块网卡的计算机）的每块网卡都提供一条物理连接，因此它也具有多个IP地址。,网络1,网络2,5.4.2 IP地址的层次结构,一个互联网包括了多个网络，而一个网络又包括了多台主机，因此，互联网是有层次结构的，与互联网的层次结构相对应，互联网使用IP地址也采用了层次结构。IP地址由网络号（netid）和主机号（hostid）两个层次组成。网络号标识互联网中的一个特定网络，而主机号则用来标识该网络中主机的一个特定连

23、接。因此，IP地址的编址方式携带了位置信息，如果给出一个具体的IP地址，就能知道它位于哪个网络，这给IP互联网的路由选择带来很大方便。,互联网的层次结构,互联网,网络1,网络N,网络2,主机,主机,主机,主机,主机,主机,网络1,网络2,将主机从一个网络移到另一个网络时，主机IP地址必须做出修改以反映这个变化，如原网络中IP地址为的主机移到网络1时，其新分配的IP地址为。,5.4.3 IP地址的分类,1.组成：网络号和主机号。网络号用于识别一个逻辑网，主机号用于识别网中的一台主机或一个连接。2.表示方法：用32位二进制数表示（4个字节），字节之间用圆点分隔；也可换算成四个小于256的十进制数，

24、并用圆点分隔，称为“点分十进制”。3.分类：按IP地址的逻辑层次，IP地址可分为五类：A类E类，D类和E类IP地址很少使用。A类IP地址：用第1个字节的后7位表示网络号，第1位0是网络标识，后三个字节表示主机号，它可用于大型网络；B类IP地址：用前两个字节的后14位表示网络号，前两位10是网络标识，后两个字节表示主机号，它可用于中型网络；C类IP地址：用前三个字节的后21位表示网络号，前三位110是网络标识，最后一个字节表示主机号，它可用于小型网络；D类IP地址用于多目的地址的发送：E类IP地址保留为今后使用。4.IP地址规则：网中主机至少有一个IP地址，且全网唯一；一台主机可以有多个IP地址

25、，该主机可能属于多个逻辑网络（见图）,五类IP地址及类别、规模,网络号,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,5.4.4 IP地址的直观表示法,IP地址由32位二进制数值组成（4个字节），但为了方便用户的理解和记忆，它采用了点分十进制标记法，即将4个字节的二进制数值转换为4个十进制数值，每个数值小于等于255，数值中间用“.”隔开，表示为的形式。如下图所示。,第一字节,第二字节,第三字节,第四字节,例如，二进制IP地址：字节1 字节2 字节3 字节411001010 01011101 01111000 00101100用点分十进制标记法表示成：它为一个C类IP地址，前3个

26、字节为网络号，后一字节为主机号,5.4.5 特殊的IP地址形式,1.网络地址：包含一个有效的网络号和一个全“0”的主机号，用来表示一个具体的网络。如一个具有IP地址的主机所处的网络为，它的主机号为44。2.广播地址：IP具有两种广播地址形式：直接广播地址和有限广播地址。直接广播地址包含一个有效的网络号和一个全“1”的主机号，其作用是向因特网上的其他主机广播信息。如C类地址就是一个直接广播地址，因特网上的主机可以使用该地址向网络上的所有主机广播信息。32位全为“1”的IP地址（）为有限广播地址，用于本网广播。若采用标准的IP编址，有限广播在本网之中；若采用子网编址，有限广播在本子网之中。3.回送

27、地址：A类地址是一个保留地址，用于网络软件测试及本机器进程间通信，称为回送地址。一旦使用回送地址发送数据，协议软件不进行任何网络传输，立即将之返回，含有127网络号的数据报不可能出现在任何网络上。4.本地地址：有些IP地址不分配给因特网用户，如、，可在本地内部互联网中使用。一旦与因特网互联，必须将这些IP地址转换为可在因特网中使用的IP地址。,5.4.6 子网编址,IP互联网中，A类、B类和C类IP地址是经常使用的IP地址。经过网络号和主机号的层次划分，可适应不同的网络规模。如A类IP地址的网络可有1600万台主机，而C类地址的网络仅可有254台主机。但是随着计算机技术的发展普及，小型网络越来

28、越多，它们只有几台或几十台主机，占用C类地址仍是浪费。因此人们开始寻找新的方案克服这种IP地址浪费问题。子网编址就是其中之一。子网编址方法为了避免IP地址的浪费，子网编址将IP地址的主机号进一步划分为子网部分和主机部分，如下图：,网络号,主机号,网络号,子网号,主机号,标准IP地址,子网IP地址,子网编址的借位,为了创建一个子网地址，网络管理员从标准的IP地址的主机号部分“借”位并把它们指定为子网号部分。只要主机号部分能够剩余2位，子网地址可以借用主机号部分的任何位数（不能少于2位）。因为B类网络的主机号部分只有2个字节，故而最多只能借用14位去创建子网。而C类网络中，由于主机号只有1个字节，

29、故最多只能借用6位去创建子网。当然,如果从IP地址的主机号部分借用来创建子网，相应子网中的主机数目就会减少。例如，一个C类网络用一个字节表示主机号，可以容纳254台主机。当用它创建子网时，若借用2位作为子网号，则只剩下6位表示子网中的主机，可容纳的主机数为62台；若借用3位作为子网号，则只剩下5位表示子网中的主机，可容纳的主机数为30台。依次类推。,子网表示法,对IP地址，网络的类别可以通过其前几位进行判定。而对于子网计算机怎样知道其IP地址中哪些位表示网络和子网，哪些位表示主机呢？为此，子网编址使用子网掩码解决此问题。子网掩码与IP地址一样也采用32位二进制数值。IP协议规定，在子网掩码中，

30、与IP地址的网络号和子网号部分对应的位用“1”表示，IP地址的主机号对应的位用“0”表示。IP地址和它的子网掩码相结合，就可以判断出IP地址中的哪些位表示网络和子网，哪些位表示主机。例如，给出一个经过子网编址的B类IP地址。和子网掩码，就可以根据与子网掩码中“1”相对应的位表示网络的规定，得到该子网划分借用了8位来表示子网，并且该IP地址所处的子网号为25。如果借用该B类IP地址的4位主机号来划分子网，那么该子网掩码，IP地址所处的子网号为1，其主机号为6。方法是先将第四个字节换算成二进制数，对应于子网屏蔽码中0的即为主机号。,地址解析协议（ARP）,在互联网中，IP地址能够屏蔽各个物理网络地

31、址的差异，为上层用户提供“统一”的地址形式。但是这种统一是通过在物理网络上覆盖一层IP软件实现的，互联网并不对物理地址做任何修改。高层软件通过IP地址来指定源地址和目的地址，而低层的物理网络则通过物理地址来发送和接受信息。将IP地址映射到物理地址的实现方法有多种。每种网络都可以根据自身的特点选择适合自身的映射方法。地址解析协议（Address Resolution Protocol,ARP）是以太网经常使用的映射方法，利用了以太网的广播能力，IP地址与物理地址进行动态绑定（Dynamic Binding）。假定在以太网中，主机A要获得B的IP地址IB与MAC地址PB的映射关系。ARP协议的基本

32、工作过程如下图：,ARP协议的基本工作过程示意图,主机A,主机B,主机Y,主机X,（1）发送广播报文，询问主机B的IP地址与物理地址的映射关系,（2）发送响应报文，回答主机B的IP地址与物理地址的映射关系,ARP协议的基本工作过程说明,主机A广播发送一个带有IB的请求信息包，请求主机B用它的IP地址IB和MAC地址PB的映射关系进行响应。以太网上的所有主机包括B都接受到这个请求信息。主机B识别该请求信息，并向主机A发送带有自己的IP地址IB和MAC地址PB映射关系的响应信息包。其他各个主机对此则置之不理。主机A得到IB与PB的映射关系，并可以在随后的发送过程中使用该映射关系。ARP请求信息和响

33、应信息的频繁发送和接受必然对网络的效率产生影响。为了提高效率，可采用高速缓存等多种方法改进。在采用高速缓存技术的ARP中，每台主机有一个专用的高速缓存区保存已知的ARP项。一旦收到ARP应答，主机就将获得的IP地址与物理地址的映射关系存入高速缓存中。当发送信息时，先到ARP表中找，找到就直接使用。没有再利用ARP进行地址解析。这样就减少了网络流量，提高了处理速度。,TCP/IP体系结构的网际层及其协议,TCP/IP体系的网际层提供寻址和路由选择协议，路由器主要工作在该层。TCP/IP体系的网际层对应OSI参考模型的网络层，该层主要运行以下几个协议：网际协议（IP）网际控制报文协议（ICMP）I

34、nternet组管理协议（IGMP）地址解析协议（ARP）反向地址解析协议（RARP）,5.5 IP数据报（Data gram）,在TCP/IP体系中，IP主要负责逻辑寻址。通过相应管理机制，可以使不同的设备之间利用IP地址进行通信。1.需要传输的数据在IP层首先加上IP头信息，封装成IP数据报。它是IP协议使用的数据单元。2.IP数据报的格式分为报头区和数据区两部分。报头区是为了控制正确传输高层数据而增加的控制信息。数据区包括高层需要传输的数据。,IP数据报的结构示意图,版本,报头长度,服务类型,总长度,标识,标志,片偏移,头部校验和,协议,生存周期,源IP地址,选项+填充,目的IP地址,数

35、据,IP数据报的特点,IP数据报的头部域所占用的字节数是不确定的，系统缺省（默认）占有20字节，当包含“IP选项”字段时，最大可能达到60字节。2数据报的大小、网络MTU及TCP最大报文段长度（1）数据报的分片众所周知，数据报是被封装在物理帧中传输的，对于网络硬件来说，它们对一个物理帧的可传输数据量都规定了一个上限值，这个上限值就是最大传输单元（maximum transfer unit，MTU）。TCP/IP怎样选择数据报的MTU呢？主要有以下两点：TCP/IP选择接近相连网络的MTU的值为初始数据报大小。IP数据报以8倍数的字节数来表示数据报的段位移，所以数据报大小应该是8的倍数。TCP/

36、IP同时也提供一种机制：在MTU较小的网络上，可以把大数据报划分成更小的数据报片（分片），即如果TCP选择初始数据报大小为1500字节，在中途有一个MTU为620的网络，处于两种网络分界处的路由器需要对数据报进行分片操作。,3.报头区包含的内容,版本与协议类型：版本是IP协议版本，目前为“4”；协议域表示创建数据区数据的高层协议类型（如TCP），指明数据格式。长度：两个长度域，一是报头长度，一是总长度。报头长度以32位双字为单位，指出该报头的长度；总长度以8位字节为单位，指明整个IP数据报的总长度，包括报头和数据区长度。服务类型：规定对本数据报的处理方式，如要求中途转发的路由器低延迟、高吞吐率

37、或高可靠性等。报文分片和重组控制：IP数据报使用标识、标志和片偏移三个域对分片进行控制，分片后的报文将在目的主机进行重组。生存周期：利用IP报头中的生存周期域，可控制死循环的发生。生存周期域随时间而递减，为0时报文将被删除。头部机校验和：用于保证IP头数据的完整性。地址：源IP地址和目的IP地址。数据报选项和填充：主要用于控制和测试。,5.5.2 IP封装、分片与重组,因为IP数据报可在互联网上传输，故它可能跨越多个网络。由于它是一种高层网络数据，IP数据报最终也需要封装成帧进行传输。这个过程多次重复。如右图。从图中看出，主机和路由器只在内存中保留了整个IP数据报而没有附加的帧头信息。只有当I

38、P数据报通过一个物理网络时，才会被封装进一个合适的帧中。帧头的大小依赖于相应的网络技术。在数据报通过互联网的过程中，帧头没有累加。数据报被接受时和最初发送的大小一样。,网络1,网络2,网络3,源主机,路由器1,路由器2,目的主机,数据报,数据报,帧头1,数据报,数据报,帧头2,数据报,数据报,帧头3,数据报,1.MTU与分片,根据网络的不同，每种网络都规定了帧最多能够携带的数据量，这一限制称为最大传输单元（Maximum Transmission Unit,MTU）。因此，IP数据报的长度只有小于等于一个网络MTU时，才能在这个网络中进行传输。互联网包含各种异构网络，一个路由器也可以连接具有不

39、同MTU值的多个网络，能从一个网络上接受IP数据报并不意味着一定能在另一个网络上发送该数据报。如下图所示，路由器R连接2个网络，网络1的MTU=1500B，网络2的MTU=1000B。若主机1要将1400B的数据报发送给主机2，则路由器R能够接受到主机1发送的1400B数据报，却不能在网络2上转发它。,网络1(MTU=1500B),主机1,主机2,路由器R,网络2(MTU=1000B),IP数据报分片,为了解决上面提到的问题，IP互联网通常采用分片与重组技术。当一个数据报的尺寸大于将发往网络MTU值时，路由器会将IP数据报分成若干较小的部分，称为分片，然后再将每片独立地进行发送。分片后的数据报

40、也由报头区和数据区两部分组成，而且除一些分片控制域（如标志域、片偏移域）之外，分片的报头与原IP数据报的报头非常相似，如下图所示。一旦被分片，每片都可以像正常IP数据报一样经过独立的路由选择等处理过程，最终达到目的主机。,原数据区,IP头部,数据1,IP头部1,数据2,IP头部2,数据3,IP头部3,分片1,分片2,分片3,对IP数据报分片的重组,在接受到所有分片后，目的主机对分片进行重新组装的过程称为IP数据报重组。IP协议规定，只有最终的目的主机才可以对分片进行重组。这样做有两个好处：1、在目的主机上进行重组减少了路由器的计算量。2、路由器可以为每个分片独立选择路由，每个分片达到目的地所经

41、过的路径可以不同。在IP数据报报头中，标识、标志和片偏移3个字段与控制分片和重组有关。标识是源主机赋予IP数据报的标识符。目的主机用此域和目的地址判断受到的分片属于哪个数据报，以便进行数据报重组。标志字段告诉目的主机该数据报是否已经分片，是否最后一个分片。片偏移字段指出本片数据在初始IP数据报中的位置。位置偏移量以8个字节为单位。,TCP/IP怎样选择数据报的MTU,IP数据报的头部域所占用的字节数是不确定的，系统缺省（默认）占有20字节，当包含“IP选项”字段时，最大可能达到60字节。2数据报的大小、网络MTU及TCP最大报文段长度众所周知，数据报是被封装在物理帧中传输的，对于网络硬件来说，

42、它们对一个物理帧的可传输数据量都规定了一个上限值，这个上限值就是最大传输单元（maximum transfer unit，MTU）。TCP/IP怎样选择数据报的MTU呢？主要有以下两点：TCP/IP选择接近相连网络的MTU的值为初始数据报大小。IP数据报以8倍数的字节数来表示数据报的段位移，所以数据报大小应该是8的倍数。TCP/IP同时也提供一种机制：在MTU较小的网络上，可以把大数据报划分成更小的数据报片（分片），即如果TCP选择初始数据报大小为1500字节，在中途有一个MTU为620的网络，处于两种网络分界处的路由器需要对数据报进行分片操作。,数据报的分片,IP数据报头部中的标识、标志和段

43、位移字段的作用是将大IP数据报分割成几个称为片的小块，以保证它可以顺利地穿过无力处理大IP数据报的网络。,数据报的分片过程,数据报分片后的重组,数据报分片后的重组发生在分片到达目标主机后，即在目标主机上完成，如图8-12所示。一旦数据报分片后，每个数据报片将被作为独立的数据单元进行传输，即使在中途又遇到具有与分片操作前相同MTU的网络，重组依然发生在分片到达目标主机之后进行。如果在传输过程中某个分片丢失，目标主机将会丢弃整个数据报，所以分片增加了数据报丢失的概率，应尽量避免数据报分片。,数据报的分片和重组过程,TCP最大报文段长度,前面讲到传输层的TCP要对应用层生成的数据流进行分段，通信双方

44、必须协商一个最大的报文段长度（maximum segment size）。一般情况下TCP会自动计算并确定合适的报文段长度，使生成的IP数据报与网络MTU相适应。理论上对TCP报文段的最佳长度要求为：尽可能携带更多的数据，而且IP数据报在传输过程中尽量不被分片。,IP地址与硬件地址之间的关系图,5.5.3 IP数据报选项,IP选项主要有控制和测试两大类。这些选项用户根据自己的需要可选可不选，但是所有实现IP协议的设备必须支持和处理这些选项。IP数据报选项由选项码、长度和选项数据部分组成。其中选项码用于确定该选项的具体内容，选项数据部分的长度由选项上午长度字段决定。源路由，指IP数据报穿越互联网

45、所经过的路径是由源主机指定的，它区别于由主机或路由器的互联层软件自行选择路由后的出的路径。本选项很重要，可测试某特定网络的吞吐率。记录路由，指记录下IP数据报从主机到目的主机所经过的路径上的各个路由器IP地址。时间戳（Time Stamp）就是记录下IP数据报经过每一个路由器时的当地时间，时间戳采用格林尼治时间表示。用于分析网络吞吐率、拥塞情况、负载情况等。,5.5.4 IP数据报的传输,1.在因特网中，IP数据报根据其目的地的不同，经过的路径和投递次数也不同。2.IP数据报的传输过程发送数据的主机A形成原始数据并按照IP协议在IP层封装成IP数据报。根据目的主机B的IP地址判断是否与A属于同

46、一网络，若是，则直接将报文投递给B；否则需要经过一个路由器再次投递。下一个路由器接收到该数据报，判断B是否与自己属于同一网络，若是，直接投递级B；否则投递给另一个路由器，以此类推。3.通常主机在发送数据报时只需指明第一个路由器，而后的传输源主机则不必关心。同一源主机两次发送的数据可能沿不同的路径到达目的主机。,5.6 差错与控制报文,在任何网络体系结构中，控制功能都是必不可少的。互联层使用的控制协议是互联网控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol）。ICMP不仅用于传输控制报文，还用于传输差错报文。实际上，ICMP报文是作为IP数据报的 数据部分

47、而传输的，如下图所示。ICMP报文的最终目的地总是目的主机上的IP软件，ICMP软件作为IP软件的一个模块而存在。,ICMP报文,IP头部,数据区（ICMP报文）,5.6.1 ICMP差错控制,ICMP作为互联层的差错报文传输机制，最基本的功能是提供差错报告。但ICMP协议没有严格规定对出现差错采取何种处理方式。源主机接到ICMP差错报告后，需要把差错报告与应用程序联系起来，才能进行相应的差错处理。ICMP差错报告采用路由器到源主机的模式，即所有的差错信息都需要向源主机报告。ICMP差错报告有以下几个特点：1、差错报告不享受特别优先权和可靠性，只作为一般数据传输。在传输中完全有可能丢失、损坏或

48、被抛弃。2、ICMP差错报告数据中除包含故障IP数据报报头外，还包含故障IP数据报数据区的前64位数据。可了解高层协议信息。3、ICMP差错报告是伴随着抛弃出错IP数据报而产生的。IP软件一旦发现传输错误，就先把出错报文抛弃，再调用ICMP向源主机报告差错信息。ICMP差错报告包括目的地不可达、超时、参数出错等报告。,5.6.2 ICMP控制报文,互联层控制主要包括拥塞控制、路由选择两大内容。与此对应，ICMP提供相应的控制报文。拥塞控制与源抑制报文，拥塞就是路由器被大量涌入IP数据报“淹没”的现象。其原因有两个：路由器的处理速度太慢不能及时完成IP数据报排队等日常工作。路由器传入数据速率大于

49、传出数据速率。无论何种形式的拥塞，其实质是没有足够的缓冲区存放大量涌入的IP数据报。一旦有足够的缓冲区，路由器就可以将传入的数据报存入缓存队列，等待处理，不至于被淹没。为了控制拥塞，IP软件采用了“源站抑制”（Source Quench）技术，利用ICMP源抑制报文抑制源主机发送IP数据报的速率。,IP软件发送源抑制报文的方式,如果路由器的某输出队列已满，则在缓冲区空出之前，该队列将抛弃信赖的IP数据报。每抛弃一个数据报，路由器便向该IP数据报的源主机发送ICMP源抑制报文。为路由器的输出队列设置一个值，当队列中的数据报积累到一定数量超过设定值后，对再新来的数据报，路由器就向IP数据报的源主机

50、发送ICMP源抑制报文。更为复杂的源站抑制技术不是简单地抑制每一台引起IP数据报的源主机发送ICMP源抑制报文拥塞的源主机，而是有选择地抑制IP数据报发送率较高的源主机。源主机收到路由器发给它的ICMP源抑制报文后，采取行动降低发送IP数据报的速率。但是注意，拥塞解除后，路由器不主动通知源主机。源主机何时恢复发送数据报的速率和何时恢复都由路由器根据当前一段时间内是否收到ICMP源抑制报文来自主决定。,5.6.3 ICMP请求/应答报文对,为便于进行故障诊断和网络控制，ICMP还设计了ICMP请求和应答报文对，用于获取某些有用信息。回应请求与应答，此报文对用于测试目的主机或路由器的可达性。请求者