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网络互联与互联网打印
网络互联与互联网
适用班级:
网络工程师
一网络互联基础1
1.1互联设备1
1.2路由器作用1
1.2.1路由器的结构1
二.因特网的网际协议IP2
2.1网际层协议2
2.2分类的IP地址2
2.3IP地址与硬件地址3
2.3地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP4
2.4IP数据报的格式4
2.5IP层转发分组的流程6
三.划分子网和构造超网7
3.1定长子网划分7
3.2可变子网掩码8
3.3无分类编址CIDR8
四.因特网控制报文协议ICMP9
4.1ICMP报文的种类10
4.2ICMP的应用10
五.因特网的路由选择协议11
5.1有关路由选择协议的几个基本概念11
5.2内部网关协议12
5.2.1RIP12
5.2.2IGRP17
5.3内部网关协议OSPF17
5.4外部网关协议19
六.下一代的网际协议IPv6(IPng)20
6.1IPv6的基本首部20
6.2IPv6的扩展首部22
6.3IPv6的地址空间23
6.4从IPv4向IPv6过渡24
一网络互联基础
1.1互联设备
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:
●不同的最大分组长度
●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
●不同的管理与控制方式
将网络互联起来需要使用中间设备,中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统,根据中间设备所在的层次分为以下几种:
(1)物理层中继系统:
转发器(repeater)。
(2)数据链路层中继系统:
网桥或桥接器(bridge)。
(3)网络层中继系统:
路由器(router)。
(4)网络层以上的中继系统:
网关(gateway)。
1.2路由器作用
1、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。
2、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。
3、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。
图直接交付和间接交付图
1.2.1路由器的结构
图典型路由器的结构
注意“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。
●“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。
图输入端口对线路上收到的分组的处理
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。
图输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路
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,则队列的可用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。
二.因特网的网际协议IP
2.1网际层协议
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:
图网际协议IP及其配套协议
2.2分类的IP地址
由于全世界存在着各式各样的网络,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,太困难,所以为因特网的主机都配置统一的IP地址,使通信就像连接在同一个网络上那样简单方便,
分类地址即将IP地址划分为若干个固定类,每一类地址由网络号和主机号组成。
记为:
IP地址:
:
={<网络号>,<主机号>}
点分十进制表示,即每8位二进制用一个十进制表示。
例如:
计算机中存放的IP地址:
00000001000000100000001100000100
采用点分十进制的IP地址:
1.2.3.4
分类IP地址中网络号字段和主机号字段
2.3IP地址与硬件地址
Ip地址是网络层和以上各层使用的地址,是一种逻辑地址,是用软件实现的。
物理地址(MAC地址)是数据链路层和物理层使用的地址,MAC地址是6字节长数据,如00-E0-50-D9-0D-36。
IP地址放在IP数据报的首部,硬件地址则放在MAC帧的首部,在数据链路层看不见数据报的IP地址。
图IP地址和硬件地址的区别
下图为主机H1和主机H2通信。
(a)网络配置图
(b)不同层次不同区间的源地址和目的地址
图从不同层次上看IP地址和硬件地址
表上图中不同层次、不同区间的源地址和目的地址
在网络层写入IP数据报首部的地址
在数据链路层写入MAC帧首部的地址
源地址
目的地址
源地址
目的地址
从H1到R1
IP1
IP2
HA1
HA3
从R1到R2
IP1
IP2
HA4
HA5
从R2到H2
IP1
IP2
HA6
HA2
2.3地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP
ARP(AddressResolutionProtocol,地址转换协议):
用于实现逻辑地址(IP地址)向物理地址(MAC)转换。
只能解析其他主机的物理地址。
RARP(ReverseAddressResolutionProtocol,反向地址转换协议):
用于实现物理地址向逻辑地址转换。
1、原因
网络层使用IP地址,但在底层通信仍需要使用硬件地址,故需要调用ARP来寻找某个路由器或主机的硬件地址。
2、使用情况:
每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARPcache),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。
(1)发送方是主机,要把IP数据报发送到本网络另一个主机B,就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B对应的硬件地址,有即将此硬件地址写入MAC帧,然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址,若无,则主机自动运行ARP,获得B的硬件地址后,再发送。
(2)发送方是主机,要把IP数据报发给另一个网络上的一个主机,这时用ARP找到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,剩下的工作就由路由器来做。
(3)发送方是路由器,要把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。
(4)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找到本网路上一个路由器的硬件地址,剩下的工作就由该路由器来做。
注意:
●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。
●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,主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。
2.4IP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。
图IP数据报的格式
1、固定部分:
(1)版本——占4bit,指IP协议的版本,目前的IP协议版本号为4(即IPv4)
(2)首部长度——占4bit,可表示的最大数值是15个单位(一个单位为4字节)因此IP的首部长度的最大值是60字节,当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍时,需要利用最后的填充字段加以填充。
(3)区分服务——占8bit,用来获得更好的服务这个字段,以前一直没有被人们使用
(4)总长度——占16bit,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度为216-1=65535字节。
在IP层下面的每一种数据链路层都有其自己的帧格式,其中包括帧格式中数据字段的最大长度,称为最大传输单元MTU(MaximumTransferUnit),当一个IP数据报封装成链路层的帧时,此数据报的总长度(首部加上数据部分)一定不能超过下面的数据链路层的MTU值。
当超过时,就不惜把过长的数据报进行分片后才能在网络上传输。
这时,数据报首部中的“总长度”字段不是指未分片前的数据报长度,而是指分片后的每一个分片的首部长度和数据长度的总和。
(5)标识(identification)——占16bit,它是一个计数器,用来产生数据报的标识。
(6)标志(flag)——占3bit,目前只有两个比特有意义。
●标志字段的最低位是MF(MoreFragment)。
MF1表示后面“还有分片”。
MF0表示是若干数据报片中的最后一个分片。
●标志字段中间的一位是DF(Don'tFragment),意思是“不能分片”。
只有当DF0时才允许分片。
(7)片偏移(12bit)——占13位,指出:
较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。
即相对用户数据字段的起点,该片从何处开始,片偏移以8个字节为偏移单位。
例:
一个数据报的总长度为3820字节,其数据部分为3800字节长,需要分片为长度不超过1420字节的数据报片。
因固定首部长度为20字节,因此每个数据报片的数据部分长度不能超过1400字节。
分为1400、1400和1000字节数据报,原始数据报首部被复制为各数据报片的首部,但必须修改有关字段的值。
图数据报的分片举例
表IP数据报首部中与分片有关的字段中的数值
总长度
标识
MF
DF
片偏移
原始数据报
3820
12345
0
0
0
数据报片1
1420
12345
1
0
0
数据报片2
1420
12345
1
0
175
数据报片3
1020
12345
0
0
350
(8)生存时间——8bit,记为TTL(TimeToLive),用“跳数”作为TTL的单位,由发出数据报的原点设置这个字段,指明数据报在因特网中之多可经过多少路由器,数据报每经过一个路由器,其TTL值就减1,这是为了防止无法交付的数据报无限制地在网络中兜圈子。
若初值为1,就表示这个数据报只能在本局域网中传送。
(9)协议——8bit,字段指出此数据报携带的数据使用何种协议,以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程。
图协议字段用途
(10)首部检验和——16bit,字段只检验数据报的首部,不包括数据部分。
(11)源地址——4字节。
(12)目的地址——4字节。
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。
2.5IP层转发分组的流程
在路由表中,每一行对应一个网络,每一条路由最主要的是以下两个信息:
(目的网络地址,下一跳地址)
(a)路由器R的路由表
(b)把网络简化为一条链路
图路由表举例
根据目的网络地址来确定下一跳路由器,结果:
(1)IP数据报最终一定可以找到目的主机所在网络上的路由器(可能要通过多次的间接交付)。
(2)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:
即对特定的目的主机指明一个路由;
默认路由(defaultroute):
没有其他路由选择时的选择路由,在TCP/IP协议族中,默认路由的网络地址为0.0.0.0,子网掩码为0.0.0.0。
图路由器R1充当网络N1的默认路由器
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,经过查找路由表得出下一跳路由器的IP地址后,并不是将此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。
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。
三.划分子网和构造超网
3.1定长子网划分
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
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:
:
={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
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的划分。
需要使用子网掩码(subnetmask)来计算网络地址。
图IP地址和子网掩码对应图
例子:
某公司获得了C类网络号202.116.94.0,该公司有A.B.C.D共4个部门,各部门的计算机数量均60台.公司要求对获得的网络地址进行划分,每个部门划分到不同的子网中。
定常划分子网,划分子网4个,需要占取2位主机位,主机位有6位,每个子网可分配的IP地址最多为26-2=62个,刚好够用,子网掩码为255.255.255.192.
表各部门IP网段汇总表
部门
网络地址
地址范围
子网掩码
可分配地址数量
广播地址
A
202.116.94
.0(00000000)
202.116.94.01(00000001)--
202.116.94.62(00111110)
255.255.255.192
26-2
202.116.94
.63(00111111)
B
202.116.94
.64(01000000)
202.116.94.65(01000001)--
202.116.94.126(01111110)
255.255.255.192
26-2
202.116.94
.127(01111111)
C
202.116.94
.128(10000000)
202.116.94.129(10000001)--
202.116.94.190(10111110)
255.255.255.192
26-2
202.116.94
.191(10111111)
D
202.116.94.
192(11000000)
202.116.94.193(11000001)--
202.116.94.254(11111110)
255.255.255.192
26-2
202.116.94
.255(11111111)
3.2可变子网掩码
VLSM(VariableLengthSubnetMask)可变子网掩码。
例如,某公司获得了C类网络号202.116.94.0,该公司有A.B.C.D共4个部门,各部门的计算机数量分别为120、60、30和28.公司要求对获得的网络地址进行划分,每个部门划分到不同的子网中。
如果定常划分子网,要划分子网4个,需要占取2位主机位,主机位有6位,每个子网可分配的IP地址最多为26-2=62个,由于A部门有120台主机,不够,需采用VLSM。
A.120台需主机位7位子网掩码:
255.255.255.10000000
B.60台需主机位6位子网掩码:
255.255.255.11000000
C.30台需主机位5位子网掩码:
255.255.255.11100000
D.28台需主机位5位子网掩码:
255.255.255.11100000
表各部门IP网段汇总表
部门
地址范围
子网掩码
可分配地址数量
网络地址
广播地址
A
202.116.94.0-
202.116.94.127
255.255.
255.128
27-2
202.116.94
.0(00000000)
202.116.94
.127(01111111)
B
202.116.94.128-
202.116.94.191
255.255.
255.192
26-2
202.116.94
.128(10000000)
202.116.94
.191(10111111)
C
202.116.94.192-
202.116.94.223
255.255.
255.224
25-2
202.116.94
.192(11000000)
202.116.94
.223(11011111)
D
202.116.94.224-
202.116.94.255
255.255.
255.224
25-2
202.116.94.
224(11100000)
202.116.94
.255(11111111)
进行网段划分时,通常采用先大后小的策略,先确定大的网段,再逐步确定小网段。
3.3无分类编址CIDR
1、网络前缀
CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)来代替分类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:
IP地址:
:
={<网络前缀>,<主机号>}
用斜线记法,如地址128.14.32.0/20,表示20是网络前缀的比特数,所以主机号的比特数是12,该地址块共有212个地址。
网络前缀越短,其地址块所包含的地址数就越多。
206.0.64.0/18包含c类网络号:
206.0.64.0:
206.0.01000000.0
206.0.65.0:
206.0.01000001.0
…
206.0.127.0:
206.0.01111111.0
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-prefixmatching),又称为最长匹配或最佳匹配。
假设某个数据报目的IP地址D=206.0.71.130,计算其所属地址块。
先计算与该大学CIDR块206.0.68.0/22是否匹配
源地址:
206.0.71.130
二进制:
206001000111130
AND运算:
11111111111111111111110000000000
二进制结果:
11111111111111110100010000000000
十进制结果206.0.68.0/22
再计算与四系是否匹配:
源地址:
206.0.71.130
二进制:
20600100011110000010
AND运算:
11111111111111111111111110000000
结果:
11111111111111110100011110000000
十进制结果:
206.0.68.0/22
也与该大学四系匹配
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。
四.因特网控制报文协议ICMP
ICMP(InternetControlMessageProtocol)。
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。
图ICMP报文的格式
4.1ICMP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。
1、ICMP差错报告报文:
(1)终点不可达当路由器或主机不能交付数据报时就向原点发送终点不可达报文。
(2)源站抑制当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时,就向源点发送源点抑制报文,使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。
(3)时间超过当路由器收到生存时间为零的数据报时,除丢弃该数据报外,还要向源点发送时间超过报文,当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时,就把已收到的数据报片丢弃,并向源点发送时间超过报文。
(4)参数问题当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时,就丢弃该数据报,并向源点发送参数问题报文。
(5)改变路由(重定向)路由器把改变路由报文发送给主机,让主机知道下一次应将数据报发送给另外的路由器。
ICMP差错报告报文的数据字段的内容
图ICMP差错报告报文的数据字段内容
2、不应发送ICMP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0.0.0.0)的数据报不发送ICMP差错报告报文。
3、ICMP询问报文
(1)回送请求和回答报文该报文是由路由器向一个特定的目的主机发出的询问,收到此报文的主机必须给源主机或路由发送ICMP回送回答报文。
(2)时间戳请求和回答报文该报文是请求某个主机或路由器回答当前日期和时间。
4.2ICMP的应用
(1)PING(PacketInterNetGroper)
●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。
(2)Traceroute(是UNIX的命令)tracert(Windows中命令)
用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。
从源主机向目的主机发送一连串的IP数据报,数据报中封装的是无法交付的UDP数据报,每一个数据报中的生存时间TTL设置数依次递增。
第一个数据报的TTL为1,当收到该数据报的路由器收到后会将TTL减1,由于T
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