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第7章网络层与IP协议一.网络层的基本功能•路由选择算法•拥塞控制算法二.IP地址与Internet运行机制1.地址--标识符--用来标识系统中的某个对象;2.网络中的主机标识类型:名字/地址/路径;名字(name)--标识的对象是什么?地址(address)--标识的对象在哪里?路径(route)--怎么去访问标识的对象?用户主机网络地址标识方法•物理网络地址:02-60-8C二进制数,数据链路层地址,软件使用;•IP地址:192.30.56.8点分十进制,网络层地址,寻址使用;•域名:cs.nankai.edu.cn字符型,应用层,用户使用;3.物理网络地址•MAC层地址;•Ethernet地址--48bit物理网络地址--不含位置信息,只能用于区别网络中不同的站点;•无位置信息的地址--能力有限;•物理地址的长度,格式因不同的物理网络的协议而不同;•物理地址是不能修改的;•互连网络对物理地址的“统一”是通过上层软件来实现的;物理网络地址结构•Ethernet地址:24bit24bit08010F(固定)000000000000100000000000000000010000000011111111•TokenRing地址:16bit(可设置)例如:设置NICID=0E0000000011111110ManufactuterIDNICIDNICID4.IP地址•网络层地址;•IP地址类型:层次型地址;带有对象的位置信息;•IP地址实质:对应物理网络连接的标识;•IP地址管理:IP地址结构层次性--IP地址管理结构管理方法层次性--NIC(NetworkInformationCentre)网间网....网络…...……主机互连网地址:网间网网络1网络n主机主机主机主机网络号主机号5.IP地址结构•IP地址长度:32bit•IP地址结构:网络号(netid)主机号(hostid)•IP地址长度=32bit确定;网络号长度决定整个互连网中能包括多少个网络?主机号长度决定每个网络中能包括多少个网络?•IP地址根据其结构的不同可以分为5类;6.IP地址分类0网络地址(7位)主机地址(24位)A类地址1816243210网络地址(14位)主机地址(16位)B类地址110网络地址(21位)主机地址(8位)C类地址1110多目的广播地址(28位)D类地址11110保留用于实验和将来使用E类地址主机地址范围1.0.0.0到127.255.255.255128.0.0.0到191.255.255.255192.0.0.0到223.255.255.255224.0.0.0到239.255.255.255240.0.0.0到247.255.255.255A类IP地址7bit24bit•网络地址空间长度为7位,主机地址空间长度为24位;•A类地址是从:1.0.0.0~127.255.255.255;•网络地址空间长度为7位,允许有126个不同的A类网络(网络地址的0和127保留用于特殊目的);•主机地址空间长度为24位,每个A类网络的主机地址数多达16,000,000个;•A类IP地址结构适用于有大量主机的大型网络。0networkhostB类IP地址14bit16bit•网络地址空间长度为14位,主机地址空间长度为16位;•B类IP地址是从:128.0.0.0~191.255.255.255;•网络地址空间长度为14位,允许有16384个不同的B类网络;•主机地址空间长度为16位,每个B类网络的主机地址数多达65536个;•B类IP地址适用于一些国际性大公司与政府机构等。10networkhostC类IP地址21bit8bit•网络地址空间长度为21位,主机地址空间长度为8位;•C类IP地址是从:192.0.0.0~223.255.255.255;•网络地址空间长度为21位,允许有2,000,000个不同的C类网络;•主机地址空间长度为8位,每个C类网络的主机地址数最多为256个;•C类IP地址特别适用于一些小公司与普通的研究机构。110networkhostIP地址:•A类IP地址是从:1.0.0.0~127.255.255.25535.8.1.212----A类IP地址•B类IP地址是从:128.0.0.0~191.255.255.255190.18.0.166----B类IP地址•C类IP地址是从:192.0.0.0~223.255.255.255202.6.18.1----C类IP地址网络地址主机地址110000000101101001………0110001010IPv4地址的讨论•IPv4地址表示形式:32bit二进制数----软件使用;点分十进制----表示直观;•当C类地址网络中的地址数超过256个时,向B类地址升级时不能平滑进行;升级过程是一个“休克”过程,必须突然停止使用某个网络地址,然后修改所以网络地址,再恢复通信;•IP地址表示的是网络连接;•网络中多归属主机的寻址光知道一个地址是不够的;7.IP地址、网络连接与节点的关系Net110.0.0.0Net220.0.0.0Net330.0.0.0HostAHostBHostCGatewayAGatewayB10.0.2.520.0.0.1610.2.5.1220.4.12.130.1.1.220.1.1.5总结•IP地址是实现网络互连的关键技术,它有效地屏蔽了物理地址的差异,在不同的网络之间实现了一种统一、有效的地址模式;•IP地址长度为32bit,主要有3种类型,分别适用于大、中、小型网络;•IP地址的地址结构对应于网络的层次结构,可以提高寻址效率,但也造成了多归属主机的不可访问等问题;•网络层及以上各层均使用IP地址;三.Internet网络层协议集•IP(InternetProtocol)•ICMP(InternetControlMessageProtocol)•ARP(AddressResolutionProtocol)•RARP(ReverseAddressResolutionProtocol)•OSPF(OpenShortestPathFirst)•BGP(BorderGatewayProtocol)•IGMP(InternetGroupManagementProtocol)数据传输网络层协议BGPIGMP网络控制IPICMPARPRARPOSPF四.地址解析协议1.地址解析的基本概念•地址解析(resolution)----地址之间的映射;•地址解析:IP地址物理网络地址•反向地址解析:物理网络地址IP地址IP地址物理网络地址ARPRARP2.地址解析协议(ARP,AddressResolutionProtocol)•根据IP地址查询对应的节点物理网络地址;•映射方法:*表格方法----事先在各主机内建立一张“IP地址—物理网络地址映射表”;*直接映射----对于物理网络地址短、可由用户由配置(如通过拨动地址开关来设置的令牌环网),可以将它直接编入网络地址中;地址解析中直接从网络地址中取出;*动态联编(dynamicbinding)•针对典型的Ethernet(具有广播功能,物理网络地址长且固定),TCP/IP协议设计了动态联编方式进行地址解析;•ARP----根据动态联编的思想设计的地址解析的协议;•ARP基本工作原理互连网HostAHostB广播:ARP请求报文广播:ARP响应报文º•ARP实际运行过程:*在ARP请求报文中放入信源机的IP地址-物理地址联编,以防止信宿机再次要求解析信源机的物理地址;*信宿机在广播自己的IP地址-物理地址联编时,网上所有主机将它存入自己的高速缓存之中;*新机入网时,主动广播地址联编信息;•互连网运行必须使用ARP,但有些硬件能直接识别IP地址,软件就可以不需要ARP;•ARP可以看成是在物理地址上加入的一层新的地址机制,可以看成是物理网中的一部分;3.反向地址解析协议(RARP,ReverseAddressResolutionProtocol)•问题:如何根据给出的物理网络地址找出对应的节点IP地址?•基本解决方法:*网中设置一个RARPServer;*RARPServer:维护一个本网的“物理网络地址-IP地址”映射表;互连网HostARARPServerRARP请求RARP应答物理地址?-IP地址映射表多RARPServer结构:*为防止服务器超载,好多网络中采用了多RARPServer结构;*如何解决哪个服务器回答同一个RARP请求的问题?—事先为每台主机分配一个主服务器(primaryserver),其他的为从服务器(secondaryserver);一般由主服务器回答RARP请求,从服务器只记录请求达到时间;如主服务器超载或停机,不能应答时,用户再次发出RARP请求时,第一个接到一个RARP请求的从服务器响应;—如何防止多个从服务器同时应答的问题?4.ARP与RARP区别与联系•ARP只用来解析对方的物理网络地址;•RARP除了用来解析本机的IP地址之外,还可以用来解析第三方的IP地址;•二者报文格式是相同的;•ARP/RARP报文格式:硬件类型协议类型硬件地址长度发送方硬件地址(?b0-b3)发送硬件地址(b4-b5)发送IP地址(b2-b3)目的硬件地址(b2-b5)目的IP地址(b0-b3)081631协议地址长度操作发送IP地址(b0-b1)目的硬件地址(b0-b1)ARP/RARP报文格式说明:•TCP/IP协议设计ARP/RARP报文能适应各种物理网络地址与网络层地址;•其中:硬件类型=1----Ethernet协议类型=0x0800----IP协议操作=1----ARP请求=2----ARP响应=3----RARP请求=4----RARP响应硬件地址长度=6byteIP地址长度=4byte五.IP协议1.IP协议的特点及功能•特点:无连接的数据报传输服务;对等实体间点--点通信;•主要功能:*无连接的数据报传输服务;*数据报寻址;*差错控制;•地位:通过IP数据报与IP地址屏蔽低层物理网络的差异;IPEthernet帧TokenRing帧FDDI帧IP数据报2.IP数据报格式版本头标长服务类型总长标识标志片偏移生存时间协议头标校验和源IP地址目的IP地址数据填充域......?04816192431IP数据报格式说明:•版本与协议类型版本(VERS)--当前IP协议版本号是IPv4;协议(Protocol)--创建该数据报数据区数据的高层协议类型,如TCP协议;实际表示数据区的数据格式;版本----IP数据报报头的数据格式,属网络层的范畴;协议----IP数据报数据区的数据格式,属传输层的范畴;长度域:•长度:头标长(HLEN)、总长(TotolLength)•头标长:•4bit长;•指出32bit长度单元的报头长度;•IP数据报中除IP选项与填充域外,其它域为定长;•不含IP选项与填充域的普通IP数据报报头长为“5”;•含IP选项与填充域的IP数据报报头长应该是32bit的整数倍,假如不是则用填充位(padding)添0凑齐;•总长度:IP数据报的长度,以字节为单位,包括报头;总长度域为16bit;IP数据报的最大长度为216-1,即65535byte;服务类型与优先权:•服务类型(ServiceType)--规定对本数据报的处理方式;服务类型子域结构:优先权DTR未用03457DelayThroughputReliability•优先权(Precendence):指示本数据报的重要程度;优先权取值:0----7;0--一般优先权,7--网络控制权;优先权由用户指定,大多数软件不采用;如果设计网络软件能处理优先权,可以根据数据报的重要性确定优先权,则可设计拥塞控制算法;•D、T、R:表示本报文所希望的传输类型;D--低延时;T--高吞吐量;R--高可靠性;用户请求,网络寻址时参考;用户使用时应该选择最希望满足的性能;一条路径的性能主要取决于它所依赖的物理网络技术;3.数据报传输(1)I
本文标题:第7章网络层与IP协议
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