計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理

網(wǎng)絡(luò)層

之

Internet網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議尹霞yxia@清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所2000年11月21日主要內(nèi)容Internet網(wǎng)絡(luò)層概述IP協(xié)議IP協(xié)議概述IP數(shù)據(jù)報(bào)IP地址子網(wǎng)和掩碼IP協(xié)議的主要功能無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸數(shù)據(jù)報(bào)路由過失處理—ICMP協(xié)議ARP/RARP協(xié)議ARP協(xié)議RARP協(xié)議地址轉(zhuǎn)換舉例路由協(xié)議概述內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議 RIPOSPF外部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議BGPInternetINTERNET網(wǎng)絡(luò)層概述在網(wǎng)絡(luò)層，Internet可以看成是自治系統(tǒng)的集合，是由網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)的紐帶是IP(InternetProtocol)協(xié)議。INTERNET網(wǎng)絡(luò)層概述提供無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)思想為“盡力傳送〞不能保證傳輸?shù)目煽啃?有數(shù)據(jù)喪失，無過失恢復(fù))糾錯(cuò)重傳問題交由傳輸層來解決特點(diǎn)是快速、簡單、效率高實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸：網(wǎng)絡(luò)層的對(duì)等實(shí)體間不存在任何中間設(shè)備。通信子網(wǎng)的最高層，對(duì)傳輸層提供統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)報(bào)，是異種網(wǎng)絡(luò)互連的根底。...IP/ICMPEthernetFDDITokenRingPPP數(shù)據(jù)報(bào)Internet網(wǎng)絡(luò)層的通信方式單播通信(unicasting)一臺(tái)主機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到另外一臺(tái)主機(jī)上。源地址和目的地址都是IP地址。播送通信(broadcasting)一臺(tái)主機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)/子網(wǎng)中的所有主機(jī)。源地址為IP地址，目的地址為本網(wǎng)絡(luò)/子網(wǎng)的播送地址。組播通信(multicasting)一臺(tái)主機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給同組的主機(jī)?？梢苑乐共ニ屯ㄐ诺牟ニ惋L(fēng)暴，減少網(wǎng)絡(luò)通信流量。Internt網(wǎng)絡(luò)層主要協(xié)議Internet網(wǎng)絡(luò)層存在兩種類型的協(xié)議：RoutedProtocols和RoutingProtocols。RoutedProtocols的主要協(xié)議包括：IP(InternetProtocol)：完成無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸和路由功能。ICMP(InternetControlMessageProtocol)：用于網(wǎng)絡(luò)層的過失與控制報(bào)文的傳輸。IGMP(InternetGroupManagementProtocol)：用于將UDP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給同組主機(jī)。ARP/RARP(The(Reverse)AddressResolutionProtocol)：用于網(wǎng)絡(luò)層地址(IP地址)與數(shù)據(jù)鏈路層地址(MAC地址)之間的映射。RoutingProtocols包括：RIP(RoutingInformationProtocol)：是“距離向量〞協(xié)議族中最簡單的一種。距離的衡量標(biāo)準(zhǔn)是到達(dá)目的地需要經(jīng)過的中間結(jié)點(diǎn)的數(shù)目(Hop)。OSPF(OpenShortestPathFirst)：是“鏈路狀態(tài)協(xié)議〞的一種，通過計(jì)算自己到自治系統(tǒng)中其他路由器的最短路徑來路由。BGP(ExteriorGatewayProtocol)：是自治系統(tǒng)間的路由協(xié)議，又稱域間路由協(xié)議。IP協(xié)議IP協(xié)議概述IP協(xié)議采用無連接的數(shù)據(jù)報(bào)機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“盡力傳輸〞，即只負(fù)責(zé)將分組發(fā)送到目的主機(jī)，不管傳輸正確與否，不作驗(yàn)證，不發(fā)確認(rèn)，也不保證分組的到達(dá)順序。IP協(xié)議是點(diǎn)到點(diǎn)的，不可靠的。Internet的可靠性表達(dá)在傳輸層—TCP協(xié)議，所以Internet只提供可靠的端到端通信。IP協(xié)議的主要功能：無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸數(shù)據(jù)報(bào)路由〔IP路由〕過失檢驗(yàn)—由ICMP協(xié)議完成實(shí)際上，任何IP協(xié)議模塊，都必須提供ICMP實(shí)現(xiàn)。IP協(xié)議主要內(nèi)容IP協(xié)議概述IP數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭(20Bytes的固定局部和變長的可選局部)＋TCP數(shù)據(jù)IP地址32bits的二進(jìn)制地址，由網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)位和主機(jī)標(biāo)識(shí)位組成。子網(wǎng)和掩碼為了便于管理，任何網(wǎng)絡(luò)可以再劃分成子網(wǎng)。子網(wǎng)對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立存在，對(duì)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)是透明的。IP協(xié)議的主要功能無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分段，分段的傳輸和控制，分段重組數(shù)據(jù)報(bào)路由路由表和工作流程過失處理—ICMP協(xié)議IP數(shù)據(jù)報(bào)IP數(shù)據(jù)報(bào)由報(bào)頭和正文局部構(gòu)成，正文局部就是來自傳輸層的數(shù)據(jù)。IP報(bào)頭包括

20個(gè)字節(jié)的

固定局部和

變長(最長40

字節(jié))的可選

局部，從左

到右傳輸。IP報(bào)頭TCPSegmentIP數(shù)據(jù)報(bào)IP報(bào)頭Version：4bits(版本域)目前使用最廣的v4，最新的版本是v6。IHL：4bits(IPHeaderLength)最小為5，最大為15，單位為32-bit。TypeofService：8bits(效勞類型域)Bits0-2：Precedence，8種不同的優(yōu)先級(jí)。Bit3：0=NormalDelay，1=LowDelayBit4：0=NormalThroughput，1=HighThroughputBit5：0=NormalRelibility，1=HighRelibilityBit6-7：ReservedforFutureUse目前，幾乎所有路由器都忽略效勞類型域。IP報(bào)頭Totallength：16bits(總長度域)包括報(bào)頭和正文，最長為65535字節(jié)。Identification：16bits(標(biāo)識(shí)域)用于讓目的主機(jī)判斷新來的分段屬于那個(gè)分組，屬于同一分組的分段具有同樣的標(biāo)識(shí)值。Flags：3bitsBit0：reserved,mustbezeroBit1：(DF)0=MayFragment,1=Don'tFragment.DF位置1，表示不允許路由器對(duì)該數(shù)據(jù)報(bào)分段，因?yàn)槟康闹鳈C(jī)不能重組分段。這意味著該數(shù)據(jù)報(bào)可能需要繞過最優(yōu)路徑上的小分組網(wǎng)絡(luò)，而選擇次優(yōu)路由。所有機(jī)器都能夠接收小于等于576字節(jié)的分組/分段。Bit2：(MF)0=LastFragment,1=MoreFragments.除最后一個(gè)段外的所有段都要置MF位。IP報(bào)頭Fragmentoffset：3bits(段偏移量)此域的根本單位是8bytes。除最后段外的其他段的取值應(yīng)是8字節(jié)的倍數(shù)。TimeToLive：8bits(生存期TTL)用于限制分組的生存周期，防止其在網(wǎng)絡(luò)中無限制的轉(zhuǎn)發(fā)。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，分組/分段每經(jīng)過一個(gè)路由器TTL減1，為0那么丟棄，并給源主機(jī)發(fā)送一個(gè)告警分組。Protocol：8bits(協(xié)議域)上層使用哪種傳輸協(xié)議。如果傳輸層協(xié)議是TCP，取值為6；如果傳輸層協(xié)議是UDP，取值為17。IP報(bào)頭Headerchecksum：16bits(頭部校驗(yàn)和)只對(duì)IP報(bào)頭做校驗(yàn)。算法：報(bào)頭的每16位求反，循環(huán)相加(進(jìn)位加在末尾)，后再求反。如果報(bào)頭正確，結(jié)果應(yīng)為零。按照經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)簡單的算法是夠用了，但也可以用CRC校驗(yàn)來代替。頭部校驗(yàn)和在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要重新計(jì)算。SourceAddress：32bits(源地址)發(fā)送主機(jī)的IP地址。DestinationAddress：32bits(目的地址)接收主機(jī)的IP地址。IP報(bào)頭Options：variable(選項(xiàng))選項(xiàng)域便于為后續(xù)版本引進(jìn)新信息，提供了可擴(kuò)展能力。每種選項(xiàng)用一個(gè)字節(jié)標(biāo)明選項(xiàng)類型，一個(gè)字節(jié)標(biāo)明長度(可有可無)，其余時(shí)假設(shè)干數(shù)據(jù)字節(jié)。每種選項(xiàng)的總長度為4字節(jié)的倍數(shù)，不夠那么填充，最長為40字節(jié)。已經(jīng)定義了五種選項(xiàng)，但是并不是所有的路由器都支持全部五種選項(xiàng)。IP報(bào)頭選項(xiàng)Security(平安性)說明信息的平安程度。實(shí)際上，所有路由器都忽略此選項(xiàng)。Strictsourcerouting(嚴(yán)格源路由)將從源到目的地的完整路徑上所有的IP地址都記錄下來。數(shù)據(jù)報(bào)必須嚴(yán)格地按照這條路徑傳送。當(dāng)路由器崩潰時(shí)，該字段可用于發(fā)送緊急分組或測量時(shí)間。Loosesourcer