第12講網絡層(2)

1、1/,第12講　網絡層(2),,2/,知識回顧,網絡層功能網絡互聯(lián)思想　IP地址分類,3/,本講教學內容和教學目標,掌握MAC地址與IP地址轉換方法ARP協(xié)議掌握IP數(shù)據報格式理解IP轉發(fā)分組的方法,4/,IP 地址與硬件地址,,,,,TCP 報文,,IP 數(shù)據報,,MAC 幀,,,,,,,,應用層數(shù)據,首部,,,首部,,,,,尾部,首部,,5/,,,,,,HA1,HA5,HA4,HA3,,HA6,主機 H1,主機 H2,,,

2、,路由器 R1,,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域網,局域網,局域網,通信的路徑H1→經過 R1 轉發(fā)→再經過 R2 轉發(fā)→H2,,,,查找路由表,查找路由表,路由表應用,6/,,,,,,HA1,HA5,HA4,HA3,,HA6,主機 H1,主機 H2,,,,路由器 R1,,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域網,局域網,局域網,,,,,,,,,,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,,,HA6,

3、HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,,路由器 R1,IP 層上的互聯(lián)網,MAC 幀,IP2,IP4,IP3,,,,IP5,,,,路由器 R2,MAC 幀,MAC 幀,,IP 數(shù)據報,從協(xié)議棧的層次上看數(shù)據的流動,,,,,,,,,,7/,,,,,,HA1,HA5,HA4,HA3,,HA6,主機 H1,主機 H2,,,,路由器 R1,,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域網,局域網,局域網,,,,,,,,,,IP1,HA

4、1,HA5,HA4,HA3,,,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,,路由器 R1,IP 層上的互聯(lián)網,MAC 幀,IP2,IP4,IP3,,,,IP5,,,,路由器 R2,MAC 幀,MAC 幀,,IP 數(shù)據報,從虛擬的 IP 層上看 IP 數(shù)據報的流動,,,,8/,,,,,,HA1,HA5,HA4,HA3,,HA6,主機 H1,主機 H2,,,,路由器 R1,,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域網,局域

5、網,局域網,,,,,,,,,,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,,,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,,路由器 R1,IP 層上的互聯(lián)網,MAC 幀,IP2,IP4,IP3,,,,IP5,,,,路由器 R2,MAC 幀,MAC 幀,,IP 數(shù)據報,在鏈路上看 MAC 幀的流動,,,,9/,,,,,,,,,,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,,,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,,路由器 R1,IP

6、 層上的互聯(lián)網,MAC 幀,IP2,IP4,IP3,,,,IP5,,,,路由器 R2,MAC 幀,MAC 幀,,IP 數(shù)據報,,在 IP 層抽象的互聯(lián)網上只能看到 IP 數(shù)據報圖中的 IP1→IP2 表示從源地址 IP1 到目的地址 IP2 兩個路由器的 IP 地址并不出現(xiàn)在 IP 數(shù)據報的首部中,10/,,,,,,,,,,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,,,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,,路由器 R1

7、,IP 層上的互聯(lián)網,MAC 幀,IP2,IP4,IP3,,,,IP5,,,,路由器 R2,MAC 幀,MAC 幀,,IP 數(shù)據報,,路由器只根據目的站的 IP 地址的網絡號進行路由選擇,11/,,,,,,,,,,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,,,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,,路由器 R1,IP 層上的互聯(lián)網,IP2,IP4,IP3,,,,IP5,,,,路由器 R2,,IP 數(shù)據報,,在具體的物理網絡的鏈路

8、層只能看見 MAC 幀而看不見 IP 數(shù)據報,12/,,,,,,,,,,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,,,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,,路由器 R1,IP 層上的互聯(lián)網,IP2,IP4,IP3,,,,IP5,,,,路由器 R2,,IP 數(shù)據報,,IP層抽象的互聯(lián)網屏蔽了下層很復雜的細節(jié)在抽象的網絡層上討論問題，就能夠使用統(tǒng)一的、抽象的 IP 地址研究主機和主機或主機和路由器之間的通信,13/,地址解

9、析協(xié)議 ARP 和 RARP,IP 地址,物理地址,ARP,,,物理地址,IP 地址,RARP,,,14/,地址解析協(xié)議 ARP,不管網絡層使用的是什么協(xié)議，在實際網絡的鏈路上傳送數(shù)據幀時，最終還是必須使用硬件地址。 每一個主機都設有一個 ARP 高速緩存(ARP cache)，里面有所在的局域網上的各主機和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。當主機 A 欲向本局域網上的某個主機 B 發(fā)送 IP 數(shù)據報時，就先在其 ARP 高速

10、緩存中查看有無主機 B 的 IP 地址。如有，就可查出其對應的硬件地址，再將此硬件地址寫入 MAC 幀，然后通過局域網將該 MAC 幀發(fā)往此硬件地址。 測試本機ARP表 Arp –ahttp://netresearch.ics.uci.edu/kfujii/Jpcap/doc/install.html，安裝和演示使用jpcap捕獲數(shù)據幀，觀察IP、MAC構造Analyzer: A public domain network sn

11、iffer,15/,,,,,,,,A,Y,X,B,Z,主機 B 向 A 發(fā)送ARP 響應分組,主機 A 廣播發(fā)送ARP 請求分組,ARP 請求,,ARP 請求,,ARP 請求,,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,08-00-2B-00-EE-0A,,我是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18我想知道主機 209.0.0.6 的硬件地址,,我是 209.0.0.

12、6硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0A,,,,,,,A,Y,X,B,Z,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,,,,,,16/,ARP 高速緩存的作用,為了減少網絡上的通信量，主機 A 在發(fā)送其 ARP 請求分組時，就將自己的 IP 地址到硬件地址的映射寫入 ARP 請求分組。當主機 B 收到 A 的 ARP 請求分組時，就將主機 A 的這一地址映射寫入主機 B 自己的 ARP 高速緩

13、存中。這對主機 B 以后向 A 發(fā)送數(shù)據報時就更方便了。,17/,應當注意的問題,ARP 是解決同一個局域網上的主機或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射問題。如果所要找的主機和源主機不在同一個局域網上，那么就要通過 ARP 找到一個位于本局域網上的某個路由器的硬件地址，然后把分組發(fā)送給這個路由器，讓這個路由器把分組轉發(fā)給下一個網絡。剩下的工作就由下一個網絡來做。,18/,應當注意的問題（續(xù)）,從IP地址到硬件地址的解析是自動進行的，

14、主機的用戶對這種地址解析過程是不知道的。只要主機或路由器要和本網絡上的另一個已知 IP 地址的主機或路由器進行通信，ARP 協(xié)議就會自動地將該 IP 地址解析為鏈路層所需要的硬件地址。,19/,使用 ARP 的四種典型情況,發(fā)送方是主機，要把IP數(shù)據報發(fā)送到本網絡上的另一個主機。這時用 ARP 找到目的主機的硬件地址。 發(fā)送方是主機，要把 IP 數(shù)據報發(fā)送到另一個網絡上的一個主機。這時用 ARP 找到本網絡上的一個路由器的硬件地址。

15、剩下的工作由這個路由器來完成。 發(fā)送方是路由器，要把 IP 數(shù)據報轉發(fā)到本網絡上的一個主機。這時用 ARP 找到目的主機的硬件地址。 發(fā)送方是路由器，要把 IP 數(shù)據報轉發(fā)到另一個網絡上的一個主機。這時用 ARP 找到本網絡上的一個路由器的硬件地址。剩下的工作由這個路由器來完成。,20/,為什么我們不直接使用硬件地址進行通信？,由于全世界存在著各式各樣的網絡，它們使用不同的硬件地址。要使這些異構網絡能夠互相通信就必須進行非常復雜的

16、硬件地址轉換工作，因此幾乎是不可能的事。連接到因特網的主機都擁有統(tǒng)一的 IP 地址，它們之間的通信就像連接在同一個網絡上那樣簡單方便，因為調用 ARP 來尋找某個路由器或主機的硬件地址都是由計算機軟件自動進行的，對用戶來說是看不見這種調用過程的。,21/,逆地址解析協(xié)議 RARP,逆地址解析協(xié)議 RARP 使只知道自己硬件地址的主機能夠知道其 IP 地址。這種主機往往是無盤工作站。 因此 RARP協(xié)議目前已很少使用。,22/,IP

17、數(shù)據報的格式,一個 IP 數(shù)據報由首部和數(shù)據兩部分組成。首部的前一部分是固定長度，共 20 字節(jié)，是所有 IP 數(shù)據報必須具有的。在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的。,23/,固定部分,可變部分,,,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,區(qū) 分 服 務,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢

18、 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,,數(shù) 據 部 分,首 部,IP 數(shù)據報,,24/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,總 長 度,片

19、 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,,區(qū) 分 服 務,1. IP 數(shù)據報首部的固定部分中的各字段,25/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時

20、 間,協(xié) 議,標 識,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,,區(qū) 分 服 務,26/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志

21、,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,,區(qū) 分 服 務,27/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,

22、版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,,區(qū) 分 服 務,28/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,

23、24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,,區(qū) 分 服 務,29/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,

24、16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,區(qū) 分 服 務,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,標志(flag) 占 3 位，目前只有前兩

25、位有意義。標志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF ? 1 表示后面“還有分片”。MF ? 0 表示最后一個分片。標志字段中間的一位是 DF (Don't Fragment) 。只有當 DF ? 0 時才允許分片。,,,30/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,總 長 度,片 偏 移,填

26、 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,,區(qū) 分 服 務,31/,,偏移 = 0/8 = 0,,,,,,,,,,,偏移 = 0/8= 0,偏移 = 1400/8 = 175,偏移 = 2800/8 = 350,,,,,,,,1

27、400,2800,3799,2799,1399,3799,需分片的數(shù)據報,,數(shù)據報片 1,首部,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,數(shù)據部分共 3800 字節(jié),首部 1,首部 2,首部 3,,字節(jié) 0,數(shù)據報片 2,數(shù)據報片 3,,1400,,2800,,,字節(jié) 0,【例4-1】 IP 數(shù)據報分片,32/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標

28、 識,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,生存時間(8 位)記為 TTL (Time To Live)數(shù)據報在網絡中可通過的路由器數(shù)的最大值。,,,區(qū) 分 服 務,33/,,

29、首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,,區(qū) 分 服 務

30、,34/,,,,,運輸層,網絡層,,首部,,TCP,,UDP,,ICMP,,IGMP,,OSPF,,,,,,數(shù) 據 部 分,,IP 數(shù)據報,35/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字

31、 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定部分,可變部分,,區(qū) 分 服 務,36/,,發(fā)送端,接收端,16 位,字 1,16 位,字 2,16 位,字 n,…,…,,,數(shù)據報首部,,,IP 數(shù)據報,,,,,,,,,,,,,16 位,字 1,16 位,字 2,16 位,字 n,…,…,,,數(shù)據部分,,,37/,校驗和計算方法,采用的都是將數(shù)據流視為16位整

32、數(shù)流進行重復疊加計算。發(fā)送方為了計算檢驗和，首先把檢驗和字段置為0。然后，對有效數(shù)據范圍內中每個16位進行二進制反碼求和，結果存在檢驗和字段中，如果數(shù)據長度為奇數(shù)則補一字節(jié)0。接收方當收到數(shù)據后，同樣對有效數(shù)據范圍中每個16位數(shù)進行二進制反碼的求和。由于接收方在計算過程中包含了發(fā)送方存在首部中的檢驗和，因此，如果首部在傳輸過程中沒有發(fā)生任何差錯，那么接收方計算的結果應該為全0或全1(具體看實現(xiàn)了,本質一樣) 。如果結果不是全0或

33、全1，那么表示數(shù)據錯誤。,38/,,首部,,,,,,,,,,,,,,,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 檢 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,位,首部長度,數(shù) 據 部 分,固定

34、部分,可變部分,,區(qū) 分 服 務,39/,IP 數(shù)據報首部的可變部分,IP 首部的可變部分就是一個選項字段，用來支持排錯、測量以及安全等措施，內容很豐富。選項字段的長度可變，從 1 個字節(jié)到 40 個字節(jié)不等，取決于所選擇的項目。增加首部的可變部分是為了增加 IP 數(shù)據報的功能，但這同時也使得 IP 數(shù)據報的首部長度成為可變的。這就增加了每一個路由器處理數(shù)據報的開銷。實際上這些選項很少被使用。,40/,IP 層轉發(fā)分組的流程,

35、有四個 A 類網絡通過三個路由器連接在一起。每一個網絡上都可能有成千上萬個主機。可以想像，若按目的主機號來制作路由表，則所得出的路由表就會過于龐大。但若按主機所在的網絡地址來制作路由表，那么每一個路由器中的路由表就只包含 4 個項目。這樣就可使路由表大大簡化。,41/,,,網 110.0.0.0,網 440.0.0.0,網 330.0.0.0,網 220.0.0.0,10.0.0.4,40.0.0.4,30.0.0.2,20

36、.0.0.9,20.0.0.7,,,,,,,,,目的主機所在的網絡,下一跳地址,,,,,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,,,10.0.0.4,40.0.0.4,30.0.0.2,20.0.0.9,20.0.0.7,,,,,,,30.0.0.1,鏈路 4,鏈路 3,鏈路 2,鏈路 1

37、,R2,R3,R1,0,1,R2,R3,R1,在路由表中，對每一條路由，最主要的是（目的網絡地址，下一跳地址）,42/,查找路由表,根據目的網絡地址就能確定下一跳路由器，這樣做的結果是：IP 數(shù)據報最終一定可以找到目的主機所在目的網絡上的路由器（可能要通過多次的間接交付）。只有到達最后一個路由器時，才試圖向目的主機進行直接交付。,43/,,,,,特定主機路由,這種路由是為特定的目的主機指明一個路由。采用特定主機路由可使網絡管理人

38、員能更方便地控制網絡和測試網絡，同時也可在需要考慮某種安全問題時采用這種特定主機路由。,,,44/,默認路由(default route),路由器還可采用默認路由以減少路由表所占用的空間和搜索路由表所用的時間。這種轉發(fā)方式在一個網絡只有很少的對外連接時是很有用的。默認路由在主機發(fā)送 IP 數(shù)據報時往往更能顯示出它的好處。如果一個主機連接在一個小網絡上，而這個網絡只用一個路由器和因特網連接，那么在這種情況下使用默認路由是非常合適的。

39、,45/,,,,,,,,N1,R1,因特網,目的網絡 下一跳 N1 直接 N2 R2 默認 R1,,,,路由表,,N2,R2,,只要目的網絡不是 N1 和 N2，就一律選擇默認路由，把數(shù)據報先間接交付路由器 R1，讓 R1 再轉發(fā)給下一個路由器。,46/,,,,,必須強調指出,IP 數(shù)據報的首部中沒有地方可以用來指明“下一跳路由器的

40、 IP 地址”。當路由器收到待轉發(fā)的數(shù)據報，不是將下一跳路由器的 IP 地址填入 IP 數(shù)據報，而是送交下層的網絡接口軟件。網絡接口軟件使用 ARP 負責將下一跳路由器的 IP 地址轉換成硬件地址，并將此硬件地址放在鏈路層的 MAC 幀的首部，然后根據這個硬件地址找到下一跳路由器。,,,47/,,,,,分組轉發(fā)算法,(1) 從數(shù)據報的首部提取目的主機的 IP 地址 D, 得出目的網絡地址為 N。(2) 若網絡 N 與此路由器直

41、接相連，則把數(shù)據報直接交付目的主機 D；否則是間接交付，執(zhí)行(3)。(3) 若路由表中有目的地址為 D 的特定主機路由，則把數(shù)據報傳送給路由表中所指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(4)。(4) 若路由表中有到達網絡 N 的路由，則把數(shù)據報傳送給路由表指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(5)。(5) 若路由表中有一個默認路由，則把數(shù)據報傳送給路由表中所指明的默認路由器；否則，執(zhí)行(6)。(6) 報告轉發(fā)分組出錯。,,,48/,小結