?6?网络互连 第6章 6.1路由器在网际互连中的作用 6.1.1路由器的构成 网络互连 .3互联网与因特网 62因特网的网际协议|P 621分类的|P地址 622IP地址与硬件地址 6.2.3地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP 624|P数据报的格式 625|P层处理数据报的流程 ?6?网络互连(续) ?6?网络互连(续) 6.3划分子网和构造超网 66IP多播和因特网组管理协议GMP 661|P多播的基本概念 632使用子网掩码的分组转发过程 662因特网组管理协议lGMP 633无分类编址cDR 6.6.3多播路由选择 4因特网控制报文协议cMP 67虚拟专用网vPN和网络地址转换NAT 6.5因特网的路由选择协议 68下一代的网际协议Pv6Png) 6.51有关路由选择协议的几个基本概念 6.8.1解决P地址耗尽的措施 652内部网关协议R|P 682|Pv6的基本首部 653内部网关协议OSPF 683|Pv6的扩展首部 654外部网关协议BGP 685从|Pv4到IPv6的过渡 6.8.6|cMPv6 61路由器在网际互连中的作用 直接交付和间接交付 6.1.1路由器的 当主机A要 个主机B发送数据 间接交付 间接交付 岑檎鑫早的主 架罴髮通落数誓直接交付给目的主机B而 直接交付 直接交付不需要使用路由器 数据 但间接交付就必须使用路由器
1 ? 6 ? 网络互连 6.1 路由器在网际互连中的作用 6.1.1 路由器的构成 6.1.2 交换构件 6.1.3 互联网与因特网 6.2 因特网的网际协议 IP 6.2.1 分类的 IP地址 6.2.2 IP 地址与硬件地址 6.2.3 地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP 6.2.4 IP 数据报的格式 6.2.5 IP 层处理数据报的流程 ? 6 ? 网络互连（续） 6.3 划分子网和构造超网 6.3.1 划分子网 6.3.2 使用子网掩码的分组转发过程 6.3.3 无分类编址 CIDR 6.4 因特网控制报文协议 ICMP 6.5 因特网的路由选择协议 6.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念 6.5.2 内部网关协议 RIP 6.5.3 内部网关协议 OSPF 6.5.4 外部网关协议 BGP ? 6 ? 网络互连（续） 6.6 IP 多播和因特网组管理协议 IGMP 6.6.1 IP 多播的基本概念 6.6.2 因特网组管理协议 IGMP 6.6.3 多播路由选择 6.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT 6.8 下一代的网际协议 IPv6 (IPng) 6.8.1 解决 IP 地址耗尽的措施 6.8.2 IPv6 的基本首部 6.8.3 IPv6 的扩展首部 6.8.4 IPv6 的地址空间 6.8.5 从 IPv4 到 IPv6 的过渡 6.8.6 ICMPv6 6.1 路由器在网际互连中的作用 6.1.1 路由器的构成 l 当主机 A 要向另一个主机 B 发送数据报时，先 要检查目的主机 B 是否与源主机 A 连接在同一 个网络上。 l 如果是，就将数据报直接交付给目的主机 B 而 不需要通过路由器。 l 但如果目的主机与源主机 A 不是连接在同一个 网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个 路由器，由该路由器按照转发表指出的路由将 数据报转发给下一个路由器。这就叫作间接交 付。 直接交付和间接交付 间接交付 间接交付 间接交付 A B C 直接交付 直接交付 直接交付不需要使用路由器 但间接交付就必须使用路由器
典型的路由器的结构 “转发”和“路由选择”的区别 “转发"( awarding)就是路由器根据转发表将用 2—数据链路层 路由选择协议 户的|P数据报从合适的端口转发出去 ·“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 分组处理 ●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。 转发表 输出端口 ●在讨论路由选择的原理时,往往不去区分转发 囗吖效枸同四 表和路由表的区别, 输入端口对线路上 输出端口将交换结构传送来的分 收到的分组的处理 组发送到线路 数据链路层剥去帧首部和尾部后,将分组送到网 ●当交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据链 络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时 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 输入端口的处理 输出端口的处理 物理层 数据链路层 查表和转发 存管理 612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 口口9 口H 队列的速率,则队列的存储空间最终必定 (a)通过存储器 减少到零,这就使后面再进入队列的分组 互连网络 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 口口 成分组丢失的重要原因 (c)通过互连网络
2 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 l “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。 l “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。 l 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。 l 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 l 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 l 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 缓存管理 组 交 换 结 构 分组丢弃 l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。 l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。 6.1.2 交换结构 I1 I3 I2 O1 O2 存 储 器 I1 I3 I2 O1 O2 I1 I3 I2 O1 O2 O3 (a) 通过存储器 (c) 通过互连网络 (b) 通过总线 总线 互连网络 O3 O3
613互联网与因特网 网络互相连接起来 要使用一些中间设备 连在一起的网络要进行通信,会遇到许多问题需要 中间设备又称为中间系统或中继( (relay)系统 o不同的寻址方案 o不同的最大分组长度 O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) 不同的差错恢复方法 O网络层中继系统:路由器( router)。 不同的状态报告方法 o不同的路由选择技术 ○网桥和路由器的混合物:桥路器( brouter) O网络层以上的中继系统:网关( gateway) o不问的服务(面向连接服务和无连接服务 o不同的管理与控制方式 网络互连使用路由器 互连网络与虚拟互连网络 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。 虚拟互连网络 |P网 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/P的文 献将网络层使用的路由器称为网关。 (a)互连网络 (b)虚拟互连网络 虚拟互连网络的意义 名词 Internet和 Internet ●所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络 思就是互连起来的各种物理网络的异构性 ●以小写字母i开始的 Internet(互联网或互连 客观存在的,但是我们利用IP协议就可以 网)是一个通用名词,它泛指由多个计算机网 性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的 络互连而成的虚拟网络 以大写字母I开始的的 Internet(因特网)则是 使用|P协议的虚拟互连网络可简称为|P网 专用名词,它指当前全球最大的、开放 使用虚拟互连网络的好处是:当互联网上的主机 的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网 进行通信时,就好像在一个网络上通信一样,而 络,它采用TCP/P协议族,且其前身是美国的 看不见互连的各具体的网络异构细节。 ARPANET
3 l 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 6.1.3 互联网与因特网 l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 l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。 l网关由于比较复杂，目前使用得较少。 l互联网都是指用路由器进行互连的网络。 l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 （IP 网） 虚拟互连网络的意义 l 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 IP 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。 l 使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。 l 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。 名词 internet 和 Internet l 以小写字母 i 开始的 internet（互联网或互连 网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网 络互连而成的虚拟网络。 l 以大写字母 I 开始的的 Internet（因特网）则是 一个专用名词，它指当前全球最大的、开放 的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网 络，它采用 TCP/IP协议族，且其前身是美国的 ARPANET
62因特网的网际协议P 网际协议|P及其配套协议 网际协议P是TCPP体系中两个最主要的协议之 与|P协议配套使用的还有四个协议 TELNET FTP,SMTP等 ●地址解析协议ARP 运输层 TCP UDP (Address Resolution Protocol) ICMP IGMP] ●逆地址解析协议RARP 网际层 (Reverse Address Resolution Protocol) RARP‖AR ●因特网控制报文协议CMP 网络接口层 (Internet Control Message Protocol) ●因特网组管理协议GMP 窃理硬件 (Internet Group Management Protocol) 621分类的P地址 P地址的编址方法 1.|P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 ●分类的卩P地址。这是最基本的编址方法 象的网络。|P地址就是给每个连接在因特 在1981年就通过了相应的标准协议 网上的主机(或路由器)分配一个在全世 子网的划分。这是对最基本的编址方法的 界范围是惟一的32bt的标识符 改进,其标准[RFc950]在1985年通过。 ●|P地址现在由因特网名字与号码指派公司 构成超网。这是比较新的无分类编址方 CANN(Internet Corporation for Assigned 法。1993年提出后很快就得到推广应用。 Names and Numbers进行分配 P地址中的网络号字段和主机号字段 分类|P地址 A类地址 net-id 4 bit 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 B类地址0 netid 志主机(或路由器)所连接到的网络,而 16 bit 另一个字段则是主机号 host-id,它标志该 C类地址110 主机(或路由器) 24 bit ●两级的|P地址可以记为: D类地址1110 多播地 地址∷={,<主机号习}(6-1) =代表“定义为” E类地址11110 保留为今后使用
4 6.2 因特网的网际协议 IP 网际协议 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： l 地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol) l 逆地址解析协议RARP (Reverse Address Resolution Protocol) l 因特网控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) l 因特网组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol) 网际协议 IP 及其配套协议 各种应用层协议 网络接口层 (TELNET, FTP, SMTP 等) 物理硬件 运输层 TCP, UDP 应用层 ICMP IP RARP ARP 与各种网络接口 网际层 IGMP 6.2.1 分类的 IP 地址 1. IP 地址及其表示方法 l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 网上的主机（或路由器）分配一个在全世 界范围是惟一的 32 bit 的标识符。 lIP 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 l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。 l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。 l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 l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）。 l两级的 IP 地址可以记为： IP 地址 ::= { , } (6-1) ::= 代表“定义为” net-id 24 bit host-id 24 bit net-id 16 bit net-id 8 bit IP 地址中的网络号字段和主机号字段 A 类地址 0 host-id 16 bit B 类地址 C 类地址 1 1 0 host-id 8 bit D 类地址 11 1 0 多 播 地 址 E 类地址 11 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用 1 0
路由器转发分组的步骤 点分十进制记法 先按所要找的|P地址中的网络号net-d 机器中存放的地 把目的网络找到。 是32b二进制代码 1000000000001011000000110001111 每隔8bt插入一个空格 当分组到达目的网络后,再利用主机号 能够提高可读性 host-id将数据报直接交付给目的主机 将每8b的二进制数 按照整数字节划分 net-id字段和 host-id 字段,就可以使路由器在收到一个分组时 能够更快地将地址中的网络号提取出来 采用点分十进制记法 则进一步 28.1133 2.常用的三种类别的卩P地址 P地址的一些重要特点 P地址的使用范围 (1)IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级 络最大 的好处是: 类别网络数 中最大的 ●第一,|P地址管理机构在分配|P地址时只分配网 网络号 主机数 络号,而剩下的主机号则由得到该网络号的单位 A|126(27-2)112 自行分配。这样就方便了P地址的管理。 16.777214 16384(21)1280191255 ●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 c|2097152(2)1920022525 使路由表中的项目数大幅度减少,从而减小了路 由表所占的存储空间 P地址的一些重要特点 P地址的一些重要特点 (2)实际上|P地址是标志一个主机(或路由器)和 (3)用转发器或网桥连接起来的若干个局域网 条链路的接口 仍为一个网络,因此这些局域网都具有同 当一个主机同时连接到两个网络上时,该主 必须同时具有两个相应的|P地址,其网 样的网络号netd ned必须是不同的。这种主机称为多接口主机 (4)所有分配到网络号netd的网络,范围很 (multihomed host). 小的局域网,还是可能覆盖很大地理范围 个路由器至少应当连接到两个网络(这样 它才能将|P数据报从一个网络转发到另一个网 的广域网,都是平等的 络),因此一个路由器至少应当有两个不同的|P 地址
5 路由器转发分组的步骤 l 先按所要找的 IP 地址中的网络号 net-id 把目的网络找到。 l 当分组到达目的网络后，再利用主机号 host-id 将数据报直接交付给目的主机。 l 按照整数字节划分 net-id 字段和 host-id 字段，就可以使路由器在收到一个分组时 能够更快地将地址中的网络号提取出来。 点分十进制记法 10000000000010110000001100011111 机器中存放的 IP 地址 是 32 bit 二进制代码 10000000 00001011 00000011 00011111 每隔 8 bit 插入一个空格 能够提高可读性 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 bit 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 中最大的 网络号 网络号 主机数 A 126 (27 –2) 1 126 16,777,214 B 16,384 (214) 128.0 191.255 65,534 C 2,097,152 (221) 192.0.0 223.255.255 254 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： l 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。 l 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。 l 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。这种主机称为多接口主机 (multihomed host)。 l 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，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
找路由表查找路由表 622|P地址与硬件地址 应用层数据 通信的路径 TCP报文 网络层及以上 使用P地址 H→经过R转发→再经过R转发→H」 硬件地 P数据报 MAC帧 链路层及以下 使用硬件地址 623地址解析协议ARP和 逆地址解析协议RARP ARP高速缓存的作用 管网络层使用的是什么协议,在实际网络的链路 ●为了减少网络上的通信量,主机A在发送 上传送数据帧时,最终还是必须使用硬件地址 其ARP请求分组时,就将自己的|P地址 ·每一个主机都设有一个ARP高速缓存ARP e),里面有所在的局域网上的各主机和路由器 到硬件地址的映射写入ARP请求分组。 的P地址到硬件地址的映射表 当主机B收到A的ARP请求分组时,就 当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送|P数 将主机A的这一地址映射写入主机B自己 先在其ARP高速缓存中查看有无主机 的ARP高速缓存中。这对主机B以后向 址,再将此硬件地址写入MAC帧,然后通过局域 A发送数据报时就更方便了。 网将该MAC帧发往此硬件地址。 应当注意的问题 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 ●从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的 的伊P地址和硬件地址的映射问题。 主机的用户对这种地址解析过程是不知道 ●如果所要找的主机和源主机不在同一个局域 的 网上,那么就要通过ARP找到一个位于本局 只要主机或路由器要和本网络上的另一个已 域网上的某个路由器的硬件地址,然后把分 知|P地址的主机或路由器进行通信,ARP 组发送给这个路由器,让这个路由器把分组 协议就会自动地将该|P地址解析为链路层所 转发给下一个网络。剩下的工作就由 需要的硬件地址。 网络来做
6 6.2.2 IP 地址与硬件地址 TCP 报文 IP 数据报 MAC 帧 首部 应用层数据 首部 首部 尾部 链路层及以下 使用硬件地址 硬件地址 网络层及以上 使用 IP 地址 IP 地址 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 主机 H1 主机 H2 路由器R1 硬件地址 路由器R2 HA2 IP1 IP2 局域网 局域网 局域网 通信的路径 H1→经过 R1 转发→再经过 R2 转发→H2 查找路由表 查找路由表 6.2.3 地址解析协议 ARP 和 逆地址解析协议 RARP l 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。 l 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。 l 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。 ARP 高速缓存的作用 l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。 l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 lARP 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。 l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 l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。 l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
什么我们不直接 使用硬件地址进行通信? 逆地址解析协议RARP 由于全世界存在着各式各样的网络,它们使用不 ●逆地址解析协议RARP使只知道自己硬件 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 地址的主机能够知道其|P地址。 几乎是不可能的事。 ●这种主机往往是无盘工作站。因此RARP 连接到因特网的主机都拥有统一的|P地址,它 协议目前已很少使用 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。 比特0 624P数据报的格式 优先级Rc未用 版本部长度服务类型 ·一个|P数据报由首部和数据两部分组 标志片 成 生存时闯 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 靦可字段《长度可史 在首部的固定部分的后面是一些可选字 数据部分 段,其长度是可变的 首部 P数据报 2.|P数据报首部的可变部分 62.5卩P层转发分组的流程 |P首部的可变部分就是一个选项字段,用来支 路由器和结点交换机有些区别 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 器走椅本年空榉名,而结点交换机只 节不等,取决于所选择的项目。 铎套里转发分组的,而结点交换机还 ●增加首部的可变部分是为了增加数据报的 功能,但这同时也使得|P数据报的首部长度 開严用 的|P协议,而结点交换机使用 成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数 据报的开销。 人的耕鹭找 ●实际上这些选项很少被使用
7 什么我们不直接 使用硬件地址进行通信？ l 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。 l 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。 逆地址解析协议 RARP l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。 l这种主机往往是无盘工作站。 因此 RARP 协议目前已很少使用。 6.2.4 IP 数据报的格式 l一个 IP 数据报由首部和数据两部分组 成。 l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。 l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 议 标 识 服 务 类 型 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） 比特 首部长度 0 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 数 据 部 分 比特 传送 首 部 数 据 部 分 IP 数据报 首 部 2. IP 数据报首部的可变部分 l 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。 l 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。 l 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。 l 实际上这些选项很少被使用。 6.2.5 IP 层转发分组的流程 路由器和结点交换机有些区别： l 路由器是用来连接不同的网络，而结点交换机只 是在一个特定的网络中工作。 l 路由器是专门用来转发分组的，而结点交换机还 可接上许多个主机。 l 路由器使用统一的 IP 协议，而结点交换机使用 所在广域网的特定协议。 l 路由器根据目的网络地址找出下一个路由器，而 结点交换机则根据目的站所接入的交换机号找出 下一跳（即下一个结点交换机）
在路由表中,对每一条路由,最主要的是 (目的网络地址,下一跳地址) 特定主机路由 ●这种路由是为特定的目的主机指明一个路 路由器R2的路由表 ●采用特定主机路由可使网络管理人员能更 目的主机所在的网络下一跳路由器的地址 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。 链 分组转发算法 (1)从数据报的首部提取目的站的P地址D,得出目的 必须强调指出 网络地址为N 付给目的站D:否则是间接交付,执行(3)。 |P数据报的首部中没有地方可以用来指明“下 一跳路由器的|P地址” (3)若路由表中有目的地址为D的特定主机路由,则将 当路由器收到待转发的数 数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器:否 路由器的P地址填入|P数捷 送交下层 则,执行(4)。 的网络接口软件。 (4)若路由表中有到达网络N的路由,则将数据报传送 网络接口软件使用ARP负责将下一跳路由器的 给路由表指明的下一跳路由器:否则,执行5)。 P地址转换成硬件地址,并将此硬件地址放在 (5)若路由表中有一个默认路由,则将数据报传送给路 链路层的MAC帧的首部,然后根据这个硬件 由表中所指明的默认路由器:否则,执行(6) 也址找到下一跳路由器 (6)报告转发分组出错。 63划分子网和构造超网 63.1划分子网 三级的P地址 1.从两级|P地址到三级|P地址 ●从1985年起在IP地址中又增加了一个“子 ●在 ARPANET的早期,IP地址的设计确 网号字段”,使两级的|P地址变成为三级 实不够合理 的|P地址。 O|P地址空间的利用率有时很低。 这种做法叫作划分子网subnetting)。划分 O给每一个物理网络分配一个网络号会使路由 子网已成为因特网的正式标准协议 表变得太大因而使网络性能变坏。 O两级的|P地址不够灵活
8 网 1 10.0.0.0 网 4 40.0.0.0 网 3 30.0.0.0 网 2 20.0.0.0 10.0.0.4 20.0.0.7 20.0.0.9 30.0.0.2 40.0.0.4 目的主机所在的网络 下一跳路由器的地址 20.0.0.0 30.0.0.0 10.0.0.0 40.0.0.0 20.0.0.7 30.0.0.1 直接交付，接口 1 直接交付，接口 0 路由器 R2 的路由表 30.0.0.1 10.0.0.4 20.0.0.7 20.0.0.9 30.0.0.2 30.0.0.1 40.0.0.4 链路1 链路2 链路3 链路4 R1 R2 R3 0 1 R1 R2 R3 在路由表中，对每一条路由，最主要的是 （目的网络地址，下一跳地址） 特定主机路由 l这种路由是为特定的目的主机指明一个路 由。 l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。 分组转发算法 (1) 从数据报的首部提取目的站的IP 地址D, 得出目的 网络地址为 N。 (2) 若网络N 与此路由器直接相连，则直接将数据报交 付给目的站D；否则是间接交付，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 数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否 则，执行(4)。 (4) 若路由表中有到达网络 N 的路由，则将数据报传送 给路由表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，则将数据报传送给路 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。 必须强调指出 l 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”。 l 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。 l 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。 6.3 划分子网和构造超网 6.3.1 划分子网 1. 从两级 IP 地址到三级 IP 地址 l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。 l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。 l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
划分子网的基本思路 划分子网的基本思路(续) 表没题分子你肉部的 单位对外仍然 凡是从其他网络发送给本单位某个主机的|P数 报,仍然是根据|P数据报的目的网络号 net-id,先 从主机号借用若干个比特作为子网号 subnet-id,而 找到连接在本单位网络上的路由器 主机号 host-id也就相应减少了若干个比特 ●然后此路由器在收到IP数据报后,再按目的网络号 netd和子网号 subnet-id找到目的子网 P地址:={,,}(6-2) ●最后就将|P数据报直接交付给目的主机 划分子网后变成了三级结构 2.子网掩码 当没有划分子网时,地址是两级结 ●从一个1P数据报的首部并无法判断源 构,地址的网络号字段也就是IP地址的 主机或目的主机所连接的网络是否进行 因特网部分”,而主机号字段是P地址 了子网的划分 的“本地部分”。 使用子网掩码( subnet mask)可以找出 划分子网后IP地址就变成了三级结构。 P地址中的子网部分。 划分子网只是将IP地址的本地部分进行 再划分,而不改变P地址的因特网部 分 A类、B类和C类P地址的默认子网掩码 632使用子网掩码的分组转发过程 网络地址 hstd为全0 ●在不划分子网的两级卩P地址下,从P地址 得出网络地址是个很简单的事 ●但在划分子网的情况下,从地址却不能惟 网络地址 host-id为全0 一地得出网络地址来,这是因为网络地址取 默认子网11111000000000 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 stid为全 ●因此分组转发的算法也必须做相应的改动 255.255 lI1II111I1111111100000000
9 l 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。 l 从主机号借用若干个比特作为子网号 subnet-id，而 主机号 host-id 也就相应减少了若干个比特。 IP地址 ::= {, , } (6-2) 划分子网的基本思路 l 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。 l 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。 l 最后就将 IP 数据报直接交付给目的主机。 划分子网的基本思路（续） l当没有划分子网时，IP 地址是两级结 构，地址的网络号字段也就是 IP 地址的 “因特网部分”，而主机号字段是 IP 地址 的“本地部分”。 l划分子网后 IP 地址就变成了三级结构。 划分子网只是将 IP 地址的本地部分进行 再划分，而不改变 IP 地址的因特网部 分。 划分子网后变成了三级结构 l从一个 I P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 了子网的划分。 l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 net-id net-id host-id 为全 0 net-id 网络地址 A 类 地 址 默认子网掩码 255.0.0.0 网络地址 B 类 地 址 默认子网掩码 255.255.0.0 网络地址 C 类 地 址 默认子网掩码 255.255.255.0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 host-id 为全 0 host-id 为全 0 A 类、B 类和 C 类 IP 地址的默认子网掩码 l在不划分子网的两级 IP 地址下，从 IP 地址 得出网络地址是个很简单的事。 l但在划分子网的情况下，从IP地址却不能惟 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。 l因此分组转发的算法也必须做相应的改动。 6.3.2 使用子网掩码的分组转发过程
633无分类编址CIDR P编址问题的演进 1.网络前缀 划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇 1987年,RFC1009就指明了在一个划 到的困难。然而在1992年因特网仍然面临三个必 分子网的网络中可同时使用几个不同的 须尽早解决的问题,这就是 网掩码。使用变长子网掩码VLSM B类地址在1992年已分配了近一半,眼看就 ariable Length Subnet Mask)可进一步 要在1994年3月全部分配完毕! 提高|P地址资源的利用率 ●因特网主干网上的路由表中的项目数急剧增长 在VLSM的基础上又进一步研究出无分 (从几千个增长到几万个) 类编址方法,它的正式名字是无分类域间 整个4的地址空间最终将全部耗 路由选择cIDR( Classless Inter- Domain Routing C|DR最主要的特点 无分类的两级编址 ●CDR消除了传统的A类、B类和C类地 无分类的两级编址的记法是 址以及划分子网的概念,因而可以更加有效 P地址:={,<主机号习}(6-3) 地分配|Pv4的地址空 C|DR使用各种长度的“网络前缀”( network. C|DR还使用“斜线记法( slash notation,它又称 prefix)来代替分类地址中的网络号和子网 为C|DR记法,即在P地址后面加上一个斜线"r, 后写上网络前缀所占的比特数(这个数值对应 于三级编址中子网掩码中比特1的个数)。 ●P地址从三级编址(使用子网掩码)又回 c|DR将网络前缀都相同的连续的IP地址组成 到了两级编址 C|DR地址块”。 1281432020表示的地址(212个地址) C|DR地址块 最小地址=71000101010 100000000010010000000001 1281432.0/20表示的地址块共有212个地址(因 10000000000000000 为斜线后面的20是网络前缀的比特数,所以主机 1000000000000001 号的比特数是12) 所有地址|00100 这个地址块的起始地址是12814320。 的20bt0000 在不需要指出地址块的起始地址时,也可将这样的 前缀都是 样的」100000000011 ·12814.32.0/20地址块的最小地址:12814320 100000000011001111111111100 12814320/20地址块的最大地址:1281432255 1000000000000111 全0和全1的主机号地址一般不使用 1000000001011 最大地址=10000000011011111
10 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： l 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！ l 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）。 l 整个 IPv4 的地址空间最终将全部耗尽。 6.3.3 无分类编址 CIDR 1. 网络前缀 l1987 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。 l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 lCIDR 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。 lCIDR使用各种长度的“网络前缀”(networkprefix)来代替分类地址中的网络号和子网 号。 lIP 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 l 无分类的两级编址的记法是： IP地址 ::= {, } (6-3) l CIDR 还使用“斜线记法”(slash notation)，它又称 为CIDR记法，即在IP地址后面加上一个斜线“/”， 然后写上网络前缀所占的比特数（这个数值对应 于三级编址中子网掩码中比特1 的个数）。 l CIDR 将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 l 128.14.32.0/20 表示的地址块共有 212 个地址（因 为斜线后面的 20 是网络前缀的比特数，所以主机 号的比特数是 12）。 l 这个地址块的起始地址是 128.14.32.0。 l 在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”。 l 128.14.32.0/20 地址块的最小地址：128.14.32.0 l 128.14.32.0/20 地址块的最大地址：128.14.32.255 l 全 0 和全 1 的主机号地址一般不使用。 128.14.32.0/20 表示的地址（212 个地址） 10000000 00001110 00100000 00000000 10000000 00001110 00100000 00000001 10000000 00001110 00100000 00000010 10000000 00001110 00100000 00000011 10000000 00001110 00100000 00000100 10000000 00001110 00100000 00000101 10000000 00001110 00111111 11111011 10000000 00001110 00111111 11111100 10000000 00001110 00111111 11111101 10000000 00001110 00111111 11111110 10000000 00001110 00111111 11111111 ¼ ¼ 所有地址 的 20 bit 前缀都是 一样的 最小地址 最大地址
