第四章网络层

 

 

网际协议IP

网际协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的协议之一，也是最重要的因特网标准协议之一。与IP协议配套是用的四个协议：

1.地址解析协议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。

2.逆地址解析协议RARP：是解决同一个局域网上的主机或路由器的硬件地址和IP地址的映射问题。

3.网际控制报文协议ICMP：提供差错报告和询问报文，以提高IP数据交付成功的机会

4.网际组管理协议IGMP：：用于探寻、转发本局域网内的组成员关系。

 

4.1.1 虚拟互连网络

因为没有一种单一的网络能够适应所有的用户需求，所以网络互连也变得困难，所以需要一些中间设备：

物理层中间设备：转发器(repeater)

数据链路层中间设备：网桥或桥接器(bridge)

网络层中间设备：路由器(router)

网络层以上的中间设备：网关(gateway)

具体各层的设备说明可以看这篇博客“网络设备”部分：

http://blog.csdn.net/hushhw/article/details/78489470

 

4.1.2 分类的IP地址 P113

IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。由因特网名字与号码指派公司ICANN进行分配。

 

IP地址编制方法的三个阶段：

 

分类的IP地址

子网的划分

构成超网

每一类地址都由 网络号 net-id和 主机号 host-id组成

主机号中全0表示网络地址，全1表示广播地址

A类

由1字节的网络地址和3字节主机地址组成

网络地址的最高位必须是“0“，可指派的网络数为128-2，减2的原因是0.0.0.0对应“本网络”，另外一个是127.0.0.1是本地软件的回环地址，用于测试自己电脑IP地址是否可用。

地址范围1.0.0.0到126.255.255.255

最大主机数为2563-2=16777214台，减2的原因是全0的主机号字段代表该IP地址是"本主机“，全1表示”所有的“，表示该网络上的所有主机

B类

由2字节的网络地址和2字节主机地址组成

网络地址的最高位必须是“10”，可指派的网络数为 214 -1，因为最高位为10，所以不存在全0全1的情况，但是B类网络地址128.0.0.0是不指派的，可指派最小网络地址是128.1.0.0

地址范围128.0.0.0-191.255.255.255

最大主机数为2562-2=65534台，减2同样是全0全1情况。

C类

由3字节的网络地址和1字节主机地址组成

网络地址的最高位必须是“110”，可指派的网络数为221-1，192.0.0.0不指派，最小可指派网络地址是192.0.1.0

地址范围192.0.0.0-223.255.255.255

最大主机数为256-2=254台，减2同样是全0全1情况。

D类是多播地址，“lll0”开始

 

E类地址保留为今后使用，“llll0”开头

 

4.1.3 IP地址与硬件地址

硬件地址是数据链路层和物理层使用的地址

IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址

 

IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址放在MAC帧的首部。当数据报放入数据链路层的MAC帧中后，整个IP数据报就成为MAC帧的数据，因而在数据链路层看不见数据报的IP地址。

 

4.1.4 地址解析协议ARP

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。

每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARP cache)，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。

如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 ARP 找到一个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，让这个路由器把分组转发给下一个网络。

 

4.1.5 IP数据报

IP数据报格式

一个IP数据报由首部（20 字节+可选字段）和数据两部分组成

分组转发

(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。

 

4.2 划分子网 P128

两级IP地址缺陷：

 

IP 地址空间的利用率有时很低。

 

给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。

 

两级的 IP 地址不够灵活

 

子网划分的基本思路：

 

划分子网纯属一个单位内部的事情，单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。

 

划分子网的方法是从主机号借用若干个位作为子网号。

 

路由器在收到IP数据报后，按目标网络号和子网号定位目标子网

 

子网掩码

子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性

 

这里要会已知IP地址，子网掩码，求网络地址

 

4.3 构造超网（无分类编址CIDR）

**CIDR（无分类域间路由选择）**的主要特点：

CIDR消除了传统的A、B、C类地址以及划分子网的概念，用网络前缀代替网络号和子网号，后面的部分指明主机。因此，CIDR使IP地址从三级编址(使用子网掩码)，又回到了两级编址，但这已是无分类的两级编址。

CIDR把网络前缀相同的连续的IP地址组成一个”CIDR地址块”只要知道CIDR地址块中的任何一个地址，就可以知道这地址块的起始地址(即最小地址)和最大地址，以及地址块中的地址数。

地址掩码：是一连串的1和0组成，而1的个数救赎网络前缀长度。在斜线记法中。斜线后面的数字就是地址掩码中1的个数。

 

构成超网：由于一个CIDR地址块中含有很多地址，所以在路由表中就利用CIDR地址块来查找目标网络，这种地址的聚合常称为路由聚合，也称构成超网。

 

4.4 网际控制报文协议ICMP

为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了ICMP，ICMP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报文的种类

ICMP差错报告报文

ICMP询问报文

ICMP 差错报告报文共有 5 种：

终点不可达

源点抑制(Source quench)

时间超过

参数问题

改变路由（重定向）(Redirect)

ICMP 询问报文有两种：

回送请求和回答报文

时间戳请求和回答报文

4.5 路由选择协议

两大类路由选择协议：

内部网关协议 IGP：一个自治系统内部使用的路由选择协议。有多种协议，如 RIP 和OSPF 协议。

外部网关协议EGP：一个自治系统的边界，将路由选择信息传递到另一个自治系统中。目前使用的就是BGP

RIP协议的优缺点：

 

RIP 存在的一个问题是当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。

RIP 协议最大的优点就是实现简单，开销较小。

RIP 限制了网络的规模，它能使用的最大距离为 15（16 表示不可达）。

路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也就增加。

书上例题P149 例4-5

更新路由表

 

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，其主要特点：

（1）仅和相邻路由器交换信息。

（3）按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔30秒。

 

OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议，其主要特点：

（1）使用洪泛法向本自治系统中所有路由器发送信息。

（2）发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态。

（3）只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。

 

BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议，它采用路径向量路由选择协议，其主要特点：

（2）自治系统AS之间的路由选择必须考虑有关策略。

（3）BGP只能力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由，而并非要寻找一条最佳路由。