第10次课IP数据报和分组机制

课件制作人：谢希仁计算机网络（第5版）第4章网络层课件制作人：常革新第4章网络层4.1网络层提供的两种服务4.2网际协议IP4.2.1虚拟互连网络4.2.2分类的IP地址4.2.3IP地址与硬件地址4.2.4地址解析协议ARP与逆地址解析协议RARP4.2.5IP数据报的格式4.2.6IP层转发分组的流程课件制作人：常革新第4章网络层（续）4.3划分子网和构造超网4.3.1划分子网4.3.2使用子网时分组转发4.3.3无分类编址CIDR（构造超网）4.4网际控制报文协议ICMP4.4.1ICMP报文的种类4.4.2ICMP的应用举例4.5因特网的路由选择协议4.5.1有关路由选择协议的几个基本概念4.5.2内部网关协议RIP4.5.3内部网关协议OSPF4.5.4外部网关协议BGP课件制作人：常革新第4章网络层（续）4.5.6路由器的构成4.6IP多播4.6.1IP多播的基本概念4.6.2在局域网上进行硬件多播4.6.2因特网组管理协议IGMP和多播路由选择协议4.7虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT4.7.1虚拟专用网VPN4.7.2网络地址转换NAT课件制作人：常革新本章最重要的内容(1)虚拟互连网络的概念(2)IP地址与物理地址的关系(3)传统的分类的IP地址（包括子网掩码）和无分类域间路由选择CIDR(4)路由选择协议的工作原理课件制作人：常革新4.2.5IP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。课件制作人：常革新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。课件制作人：常革新课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式版本：指定IP协议版本。常用的版本是IPv4，也有IPv6；首部长度版本服务类型总长度标识片偏移标志首部校验和协议生存时间源地址目标地址可选长度（长度可变）填充≈数据部分≈比特04816192431固定部分20字节可变部分首部数据部分首部IP数据报课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式首部长度：占4bit，可表示最大15个单位，因此IP数据报的首部最大长度是60字节。当首部长度不是4字节的整数倍时，必须在最后填充字段加以填充；首部长度版本服务类型总长度标识片偏移标志首部校验和协议生存时间源地址目标地址可选长度（长度可变）填充≈数据部分≈比特04816192431课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式服务类型：用来获得更好的服务；在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直未被使用过。首部长度版本服务类型总长度标识片偏移标志首部校验和协议生存时间源地址目标地址可选长度（长度可变）填充≈数据部分≈比特04816192431服务类型DTRC未用优先级比特012345671）优先级：占3bit，共有8个优先级；2）D比特：表示要求更低的时延；3）T比特：表示要求更高的吞吐量；4）R比特：表示要求更高的可靠性（被路由器丢弃的概率小）；5）C比特：表示要求选择代价更小的路由；课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式总长度：指首部和数据之和，单位是字节。该字段占16位，因此，数据报的最大长度为216=65535字节（64KB）。首部长度版本服务类型总长度标识片偏移标志首部校验和协议生存时间源地址目标地址可选长度（长度可变）填充≈数据部分≈比特04816192431课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式标识(identification)占16位，它是一个计数器，用来产生数据报的标识。首部长度版本服务类型总长度标识片偏移标志首部校验和协议生存时间源地址目标地址可选长度（长度可变）填充≈数据部分≈比特04816192431课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式在网络层下面的数据链路层都有其自己的帧格式，其中包括帧格式中的数据字段的最大长度，称为最大传送单元MTU。因此，数据报的长度不能超过MTU的值。实际上数据报的长度被限制在1500字节以内。当数据报的长度超过MTU时，就必须将数据报分片传送。这时就用到了标识、标志和片偏移字段。课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式标识：占16bit，用来产生数据报的标识。当长报文分片时，各个数据报分片的标识应该是相同的。标志：最低位记为MF。MF=1，后面还有分片；MF=0，这是最后一个分片。中间位记为DF。只有DF=0，允许分片。片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的位置。片偏移以8个字节为一个偏移单位。课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式举例一数据报的数据部分为3800字节，需要分片为长度不超过1420字节的数据报片。数据部分3800字节首部0字节1400字节3800字节需分片的数据报首部1首部2首部3片偏移=0/8=0片偏移=1400/8=175片偏移=2800/8=350数据报片1数据报片2数据报片3课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式举例一数据报的数据部分为3800字节，需要分片为长度不超过1420字节的数据报片。总长度标识MFDF片偏移原始数据报382016543000数据报片1142016543100数据报片214201654310175数据报片310201654300350课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式生存时间：数据报在网络中的寿命，记为TTL，单位秒。现在已改为“数据报在网络中可以通过的路由器数的最大值”。首部长度版本服务类型总长度标识片偏移标志首部校验和协议生存时间源地址目标地址可选长度（长度可变）填充≈数据部分≈比特04816192431课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式协议：占8bit，该字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议，以便使目的主机知道应将数据上交哪个处理过程。首部长度版本服务类型总长度标识片偏移标志首部校验和协议生存时间源地址目标地址可选长度（长度可变）填充≈数据部分≈比特04816192431课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式协议名ICMPIGMPTCPEGPIGPUDPIPv6OSPF协议字段值12689174189常用的一些协议和相应的协议字段值运输层网络层首部TCPUDPICMPIGMPOSPF数据部分IP数据报协议字段指出应将数据部分交给哪一个进程课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式首部校验和：该字段只检验数据报首部，不包括数据部分。这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法。首部长度版本服务类型总长度标识片偏移标志首部校验和协议生存时间源地址目标地址可选长度（长度可变）填充≈数据部分≈比特04816192431课件制作人：常革新发送端接收端16位字116位字2置为全0检验和16位字n16位反码算术运算求和……取反码数据报首部IP数据报16位检验和16位字116位字216位检验和16位字n16位反码算术运算求和16位结果……取反码数据部分若结果为0,则保留；否则，丢弃该数据报数据部分不参与检验和的计算课件制作人：常革新4.2.5IP协议（因特网的网际协议）1.IP数据报①IP数据报的格式源地址和目的地址：32bit的IP地址。首部长度版本服务类型总长度标识片偏移标志首部校验和协议生存时间源地址目标地址可选长度（长度可变）填充≈数据部分≈比特04816192431课件制作人：常革新4.2.6IP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。网110.0.0.0网440.0.0.0网330.0.0.0网220.0.0.010.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.7目的主机所在的网络下一跳地址20.0.0.030.0.0.010.0.0.040.0.0.020.0.0.730.0.0.1直接交付，接口1直接交付，接口0路由器R2的路由表30.0.0.110.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.730.0.0.1链路4链路3链路2链路1R2R3R101R2R3R1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）课件制作人：常革新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。课件制作人：常革新特定主机路由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。课件制作人：常革新默认路由(defaultroute)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。N1R1因特网目的网络下一跳N1直接N2R2默认R1路由表N2R2只要目的网络不是N1和N2，就一律选择默认路由，把数据报先间接交付路由器R1，让R1再转发给下一个路由器。课件制作人：常革新必须强调指出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。分组转发算法(1)从数据报的首部提取目的主机的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，则把数据报直接交付目的主机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，则把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，则把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，则把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。