网络原理 第6章:网络层
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第6章 网络层
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网络层与网络互联的基本概念。 IPv4协议的基本内容。 IP地址、路由算法与路由协议的基本概念。 路由器与第三层交换的基本概念。 ICMP与IGMP协议的基本概念。 MPLS协议与虚拟专网VPN的基本概念。 地址解析ARP的基本概念与方法。 移动IP的基本概念。 IPv6协议的基本内容。2
《计算机网络》第6章 网络层
6.1 网络层与IP协议 6.1.1 网络层基本概念
网络层通过路由选择算法,为IP分组从源主 机到目的主机选择一条合适的传输路径,为 传输层端—端数据传输提供服务。
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《计算机网络》第6章 网络层
IPv4
6.1.2 IP协议的发展与演变 标准分类 划分子网:IP地址IP地址 特殊地址 保留地址 3级结构预测4年B类地址用完 2015年全部地址用完 1981年,RFC1812
第1阶段:1980年
第2阶段:1991年
第3阶段:1993年
:1996年 第4阶段
: 构成超网 CIDR路由表危机
地址转换: NATISP接入的需要
IP分组1981年,RFC791
分组头 分组 交付 路由算法 路由器 设计自治系统 ASInternet 路由选择 协议
内部网关协议 RIP/OSPF 外部网关协议 BGP
第3层 交换
IPv6
1981年,RFC792
ICMP1989年,RFC1112
IP控制报文协议IGMP QoS
1993年开始1997年,RFC2236
IP多播协议
IGMPv2
1999年标准
1993年,RFC2205 资源预留协议 RSVP 1999年,RFC2475
服务质量
区分服务 Diffserv多协议标记交换 MPLS
2000年,MPLS 论坛
1998年,RFC2401/2411
IPSec
5 IP安全
6.2 IPv4协议的基本内容6.2.1 IP协议的主要特点 1、IP协议是一种无连接、不可靠的分组传送服务的协议 IP协议提供的是一种 “尽力而为(best-effort)”的 服务。 2、IP协议是点-点的网络层通信协议 IP协议是针对源主机—路由器、路由器—路由器、路 由器—目的主机之间的数据传输的点—点的网络层通 信协议。
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《计算机网络》第6章 网络层
3、IP协议屏蔽了互联的网络在数据链路层、物理 层协议与实现技术上的差异TCP/UDP 传输层
IP分组 网络层
IP
Ethernet帧
Frame Relay帧
PPP帧
数据 链路层
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《计算机网络》第6章 网络层
1、IPv4分组结构 IPv4分组:分组头和数据。分组头长度可变,每行宽度为4B, 6.2.2 IPv4分组格式 前五行为分组头必需有的域,长度为20B;第6行为选项域,最长 为40B。所以,IP分组头长度为20B~60B.0 版本 固 定 长 度 部 分 4 8 16 服务类型 标志 协议 19 24 总长度 片偏移 头部校验和 分 组 头 31
报头 长度标识
生存时间
源IP地址目的IP地址
可选 部分
选项 数据部分
填充域 数据 部分 8
2、IPv4分组头格式 (1)版本字段 版本字段长度为4位。 版本字段值为4,表示IPv4;版本字段值为6
,表示IPv6。 (2)协议字段 协议字段长度为8位。 表示使用IP协议的高层协议类型。协议字段值 高层协议类型 1 ICMP 2 IGMP 6 TCP 8 EGP 17 UDP 41 IPv6 89 OSPF 表6-1 协议字段值所表示的高层协议类型《计算机网络》第6章 网络层
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(3)长度IP分组头有两个长度字段:分组头长度(报头长度)、总长度。 分组头长度字段 分组头长度字段的长度为4位,它定义了以4字节为一个单位的分 组头的长度。 分组头中除了IP选项字段与填充字段之外,其他各项是定长的。 分组头长度字段最小值为5(4×5=20B),最大长度为15 (4×15=60B) 。 总长度字段 总长度字段长度为16位,定义以字节为单位的分组总长度,是分 组头长度与数据长度之和。 总长度字段长度为16位,它能表示的IP分组最大长度为65535( 216-1)字节,其中包括分组头长度。 IP分组中高层协议的数据长度等于分组的总长度减去分组头长度 。 10《计算机网络》第6章 网络层
(4)服务类型字段
服务类型(service type)字段的长度为8位,用于指 示路由器如何处理该分组。 服务类型由1位的保留位, 4位的服务类型(TOS)字段 与3位的优先级(precedence)字段构成。服务类型: Precedence D T R C 0 D:1,low delay 0, normal T:1,high throughput 开销 0, normal 可靠性 吞吐量 R:1,high 可靠性 C:1,low cost 优先级 延迟 0, normal 0, normal 4位中,最多只能有一位值为1,其他3位则为0,默认值0000 优先级 分8级,数值越大等级越高,数据报越重要。 12
b7 b6 b5
b4 b3 b2 b1 b0
(5)生存时间(TTL)字段
生存时间TTL用来设定分组在Internet中的“寿命”, 它通常是用转发分组最多的路由器跳数(hop)来度 量。 生存时间TTL的初始值由源主机设臵,经过一个路由 器转发之后,TTL值减1。 当TTL的值为0时,丢弃分组并发送ICMP报文通知源 主机。13
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(6)头校验和字段 头校验和字段长度为8位。 设臵头校验和是为了保证分组头部数据完整性。 IP分组只对分组头进行校验,不包括分组数据。 IP分组头之外的部分属于高层数据,高层数据都 会有相应的校验字段,IP分组不对高层数据进行 校验。 每经过一个路由器,IP分组头都要改变一次,数 据部分并不改变。设臵头校验和只对变化部分进 行校验是合理的,可以减少路由器对每个接收分 组的处理时间,提高路由器的运行效率。14
《计算机网络》第6章 网络层
(7)地址字段 分组头中最简单的部分是地址字段。 地址字段包括源地址与目的地址。 0 4 8 16 19 24 31 源地址与目的地址字段长度都是32位,分别表示发
送 报头 版本 服务类型 总长度 分组的源主机与接收分组的目的主机的IP地址。 长度 标识 标志 片偏移 固在分组的整个传输过程中,无论采用什么样的传输路 定 长径或如何分片,源地址与目的地址始终保持不变。 生存时间 协议 头部校验和 分度 部 分 源IP地址目的IP地址 可选 部分 选项 数据部分《计算机网络》第6章 网络层
组 头
填充域 数据 部分 15
3、IP分组的分片与组装 (1) 最大传输单元(MTU)与IP数据报分片 IP数据报作为网络层数据必然要通过帧来传输; 一个数据报可能要通过多个不同的物理网络; 每一个路由器都要将接收到的帧进行拆包和处理, 然后封装成另外一个帧;帧的格式与长度取决于物 理网络所采用的协议。 每一种物理网络都规定了各自帧的数据域最大字节 长度即最大传输单元MTU;
使IP协议与网络无关,RFC791文件规定IP分组的最大长度为65535个字节。
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实际使用的网络最大传输单元长度比IP数 据报最大长度短,使用它们传输IP数据报 时,要对其进行分片传输。 如:Ethernet的MTU的长度为1500B,因此 ,在使用这些网络传输IP分组是,要将IP 分组分成若干较小的片(fragment)来传 输。
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(2)IP数据报分片的基本方法 如果数据报来自一个能够通过较大数据报的局域网 ,又要通过另一个只能通过较小的数据报的局域网 ,那么就必须对IP数据报进行分片。 方法:先确定片长度,然后将原始IP分组包括分组 头分成第1片,若剩下的数据仍大于片长度,再进行 第2次分片,第2个分片数据加上分组头构成第2个片 ,如此直到剩下的数据小于片长度。原始数据报 分组头 分组头 分组头
分组头
分组头
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(3)域标识、标志和片偏移在IP分组的报头中,与一个分组的分片、组装相关的域有:标 识域、标志域与片偏移域。 标识(identification)域 属于同一个分组的所有片分配一个标识ID值,长度16位。 标志(flags)域 0 DF MF 表示接收结点是不是能对分组分片。 共3位,最高位为0; 不分片(Do not Fragment,DF)值=1,表示接收主机不能对分 组分片。=0,表示可以分片。 分片(More Fragment,MF)值=1,表示接收的分片不是最后一 个分片,=0,表示接收的是最后一个分片。 片偏移(fragment offset)域 表示该分片在整个分组中的相对位臵 。长度为13位。值以8B为单 19 位计数。即分片长度应为8B的整数倍。
分片方法的例子20B原始数据报: 报头
数据长度2200B片1(800byte)
编号0~2199片3(600byte)
片2(800byte)
片1:
报头
片1(800byte)
片偏移值:0
0~799片2: 报头 片2(800byte) 片偏移值:100
800~
1599片3: 报头 片3(600byte) 片偏移值:200
1600~219920
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原始数据报 分片与字段标识、标志与片偏移 总长度 2220 265 0 0 0 0 265
分片1 820 0 0 1 0
分组标识ID 标志字段,3位数据编码号:0-2199
分片不是最后 一片数据编码号:0-799
片偏移值
分片2 820 265 0 0 1 100 265
分片3 620 0 0 0 200
分片是最后一片数据编码号:800-1599 数据编码号:1600-2199
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4、IP分组头选项 (1)设置IP分组头选项的主要目的 设臵IP分组头选项主要用于控制与测试。 0 4 8 16 19 24 31 所有实现IP协议的硬件或软件都应该能够处理分组头 报头 版本 服务类型 总长度 选项。 长度 固 选项的最大长度为40字节,如果用户使用的选项长度 标识 标志 片偏移 定 不是4字节的整数倍,需要添加填充位,补成4字节的 长 生存时间 协议 头部校验和 分 度 组 整数倍。 部 头 源IP地址 分 分组头选项由选项码、长度与选项数据等3部分组成。 目的IP地址 选项码用于确定该选项的具体功能,例如源路由、记 可选 选项 填充域 录路由、时间戳等。长度表示出选项数据的大小。 部分数据部分22
数据 部分
《计算机网络》第6章 网络层
(2)源路由
源路由是指由发送分组的源主机制定的传输路径,用来 区别由路由器通过路由选择算法确定的路径。 源路由分为严格源路由(SRR)与松散源路由(LRR)。 严格源路由规定分组要经过的路径上每个路由器,相邻 路由器之间不能插入其他路由器,并且经过的路由器顺 序不能改变。 松散源路由规定分组一定要经过的路由器,但不是一条 完整的传输路径,中途可以经过其他路由器。
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