第4章網(wǎng)絡(luò)層Network

Layer四川師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院College

of

Computer

ScienceSichuanNormalUniversity李貴洋24.1

網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù)4.2

因特網(wǎng)的網(wǎng)際協(xié)議IP4.3

劃分子網(wǎng)和構(gòu)造超網(wǎng)4.4

因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議ICMP4.5

因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議4.6 IP多播4.7

虛擬專用網(wǎng)VPN和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT本章主要內(nèi)容本章最重要的概念是：虛擬互連網(wǎng)絡(luò)的概念I(lǐng)P地址與物理地址的關(guān)系。分類的IP地址(包括子網(wǎng)掩碼)和無(wú)分類域間路由選擇CIDR。路由選擇協(xié)議的工作原理。4.1

網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該向運(yùn)輸層提供怎樣的服務(wù)（“面向連接”還是“無(wú)連接”）曾引起了長(zhǎng)期的爭(zhēng)論。爭(zhēng)論焦點(diǎn)的實(shí)質(zhì)就是：在計(jì)算機(jī)通信中，可靠交付應(yīng)當(dāng)由誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)？是網(wǎng)絡(luò)還是端系統(tǒng)？電信網(wǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)讓網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)可靠交付面向連接的通信方式——虛電路建立虛電路(VirtualCircuit)，以保證雙方通信所需的一切網(wǎng)絡(luò)資源。如果再使用可靠傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就可使所發(fā)送的分組無(wú)差錯(cuò)按序到達(dá)終點(diǎn)。應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層虛電路服務(wù)H1H2虛電路H1

發(fā)送給H2

的所有分組都沿著同一條虛電路傳送虛電路是邏輯連接虛電路表示這只是一條邏輯上的連接，分組都沿著這條邏輯連接按照存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送，而并不是真正建立了一條物理連接。請(qǐng)注意，電路交換的電話通信是先建立了一條真正的連接。因此分組交換的虛連接和電路交換的連接只是類似，但并不完全一樣。因特網(wǎng)采用的設(shè)計(jì)思路網(wǎng)絡(luò)層向上只提供簡(jiǎn)單靈活的、無(wú)連接的、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送分組時(shí)不需要先建立連接。每一個(gè)分組（即IP數(shù)據(jù)報(bào)）獨(dú)立發(fā)送，與其前后的分組無(wú)關(guān)（不進(jìn)行編號(hào)）。網(wǎng)絡(luò)層不提供服務(wù)質(zhì)量的承諾。即所傳送的分組可能出錯(cuò)、丟失、重復(fù)和失序（不按序到達(dá)終

點(diǎn)），當(dāng)然也不保證分組傳送的時(shí)限。盡最大努力交付的好處由于傳輸網(wǎng)絡(luò)不提供端到端的可靠傳輸服務(wù)，這就使網(wǎng)絡(luò)中的路由器可以做得比較簡(jiǎn)單，而且價(jià)格低廉（與電信網(wǎng)的交換機(jī)相比較）。如果主機(jī)（即端系統(tǒng)）中的進(jìn)程之間的通信需要是可靠的，那么就由網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)中的運(yùn)輸層負(fù)責(zé)（包括差錯(cuò)處理、流量控制等）。采用這種設(shè)計(jì)思路的好處是：網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)大大降低，運(yùn)行方式靈活，能夠適應(yīng)多種應(yīng)用。因特網(wǎng)能夠發(fā)展到今日的規(guī)模，充分證明了當(dāng)初采用這種設(shè)計(jì)思路的正確性。應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)H1H2IP

數(shù)據(jù)報(bào)丟失H1

發(fā)送給H2

的分組可能沿著不同路徑傳送虛電路服務(wù)與數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的對(duì)比，對(duì)比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)思路可靠通信應(yīng)當(dāng)由網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證可靠通信應(yīng)當(dāng)由用戶主機(jī)來(lái)保證連接的建立必須有不需要終點(diǎn)地址僅在連接建立階段使用，每個(gè)分組使用短的虛電路號(hào)每個(gè)分組都有終點(diǎn)的完整地址分組的轉(zhuǎn)發(fā)屬于同一條虛電路的分組均按照同一路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)每個(gè)分組獨(dú)立選擇路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)結(jié)點(diǎn)出故障時(shí)所有通過出故障的結(jié)點(diǎn)的虛電路均不能工作出故障的結(jié)點(diǎn)可能會(huì)丟失分組一些路由可能會(huì)發(fā)生變化分組的順序總是按發(fā)送順序到達(dá)終點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)不一定按發(fā)送順序端到端的差錯(cuò)處理和流量控制可以由網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)，也可以由用戶主機(jī)負(fù)責(zé)由用戶主機(jī)負(fù)責(zé)4.2

網(wǎng)際協(xié)議IP網(wǎng)際協(xié)議IP

是TCP/IP

體系中兩個(gè)最主要的協(xié)議之一。與IP

協(xié)議配套使用的還有四個(gè)協(xié)議：地址解析協(xié)議ARP(Address

Resolution

Protocol)逆地址解析協(xié)議RARP(Reverse

Address

Resolution

Protocol)網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP(Internet

Control

Message

Protocol)網(wǎng)際組管理協(xié)議IGMP(Internet

Group

Management

Protocol)網(wǎng)際層的IP

協(xié)議及配套協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口層物理硬件應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層（網(wǎng)際層）各種應(yīng)用層協(xié)議(HTTP,FTP,SMTP

等)TCP,

UDPICMP

IGMPIPRARP

ARP與各種網(wǎng)絡(luò)接口互連在一起的網(wǎng)絡(luò)要進(jìn)行通信，會(huì)遇到許多問題需要解決，如：不同的尋址方案不同的最大分組長(zhǎng)度不同的網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制不同的超時(shí)控制不同的差錯(cuò)恢復(fù)方法不同的狀態(tài)報(bào)告方法不同的路由選擇技術(shù)不同的用戶接入控制不同的服務(wù)（面向連接服務(wù)和無(wú)連接服務(wù)）不同的管理與控制方式4.2.1

虛擬互連網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)與虛擬互連網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)(a)互連網(wǎng)絡(luò)(b)虛擬互連網(wǎng)絡(luò)路由器虛擬互連網(wǎng)絡(luò)（IP

網(wǎng)）虛擬互連網(wǎng)絡(luò)的意義所謂虛擬互連網(wǎng)絡(luò)也就是邏輯互連網(wǎng)絡(luò)，它的意思就是互連起來(lái)的各種物理網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性本來(lái)是客觀存在的，但是我們利用IP

協(xié)議就可以使這些性能各異的網(wǎng)絡(luò)從用戶看起來(lái)好像是一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。使用IP

協(xié)議的虛擬互連網(wǎng)絡(luò)可簡(jiǎn)稱為IP

網(wǎng)。利用IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了統(tǒng)一。使用虛擬互連網(wǎng)絡(luò)的好處是：當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)上的主機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，就好像在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上通信一樣，而看不見互連的各具體的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)細(xì)節(jié)。54321

5

43

2

1主機(jī)H1主機(jī)H2R1R5R2R1R2R3H1H2R4間接交付間接交付間接交付間接交付32

21

132

21

132

21

1R3R532

21

1R432

21

1分組在互聯(lián)網(wǎng)中的傳送從網(wǎng)絡(luò)層看IP

數(shù)據(jù)報(bào)的傳送如果我們只從網(wǎng)絡(luò)層考慮問題，那么IP數(shù)據(jù)報(bào)就可以想象是在網(wǎng)絡(luò)層中傳送。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層IP

數(shù)據(jù)報(bào)H1R1R2R3R4R5H2中間設(shè)備又稱為中間系統(tǒng)或中繼(relay)系統(tǒng)。物理層中繼系統(tǒng)：轉(zhuǎn)發(fā)器(repeater)、集線器(HUB)。數(shù)據(jù)鏈路層中繼系統(tǒng)：網(wǎng)橋或橋接器(bridge)。網(wǎng)絡(luò)層中繼系統(tǒng)：路由器(router)。網(wǎng)絡(luò)層以上的中繼系統(tǒng)：網(wǎng)關(guān)(gateway)。網(wǎng)絡(luò)互連接需要中間設(shè)備當(dāng)中繼系統(tǒng)是轉(zhuǎn)發(fā)器或網(wǎng)橋時(shí)，一般并不稱之為網(wǎng)絡(luò)互連，因?yàn)檫@僅僅是把一個(gè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了，而這仍然是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)由于比較復(fù)雜，目前使用得較少。互聯(lián)網(wǎng)都是指用路由器進(jìn)行互連的網(wǎng)絡(luò)。由于歷史的原因，許多有關(guān)TCP/IP

的文獻(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)層使用的路由器稱為網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)絡(luò)互連使用路由器路由器在網(wǎng)際互連中的作用1、路由器的構(gòu)成當(dāng)主機(jī)A要向另一個(gè)主機(jī)B發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，先要檢查目的主機(jī)B

是否與源主機(jī)A

連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。如果是，就將數(shù)據(jù)報(bào)直接交付給目的主機(jī)B

而不需要通過路由器。但如果目的主機(jī)與源主機(jī)A

不是連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，則應(yīng)將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給本網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)路由器，由該路由器按照轉(zhuǎn)發(fā)表指出的路由將數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)路由器。這就叫作間接交付。直接交付和間接交付間接交付間接交付間接交付ABC直接交付直接交付直接交付不需要使用路由器但間接交付就必須使用路由器典型的路由器的結(jié)構(gòu)路由選擇路由選擇處理機(jī)路由選擇協(xié)議路由表3輸入端口3交換結(jié)構(gòu)輸入端口輸出端口分組轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)表分組處理輸出端口……11133122223——網(wǎng)絡(luò)層2——數(shù)據(jù)鏈路層1——物理層整個(gè)的路由器結(jié)構(gòu)可劃分為兩大部分：路由選擇部分和分組轉(zhuǎn)發(fā)部分。路由選擇部分也叫做控制部分，其核心構(gòu)件是路由選擇處理機(jī)。分組轉(zhuǎn)發(fā)部分由三部分組成：交換構(gòu)件、一組輸入端口和一組輸出端口。下面分別討論每一部分的組成。在討論路由選擇的原理時(shí)，往往不去區(qū)分轉(zhuǎn)發(fā)表和路由表的區(qū)別，而是籠統(tǒng)地使用路由表這一名詞?！稗D(zhuǎn)發(fā)”和“路由選擇”的區(qū)別“轉(zhuǎn)發(fā)”(forwarding)就是路由器根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表將用戶的IP數(shù)據(jù)報(bào)從合適的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去?！奥酚蛇x擇”(routing)則是按照分布式算法，根據(jù)從各相鄰路由器得到的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓闆r，動(dòng)態(tài)地改變所選擇的路由。路由表是根據(jù)路由選擇算法得出的。路由表僅包含從目的網(wǎng)絡(luò)到下一跳的映射。而轉(zhuǎn)發(fā)表是從路由表得出的。轉(zhuǎn)發(fā)表必須包含完成轉(zhuǎn)發(fā)功能所必須的信息。在討論路由選擇的原理時(shí)，往往不去區(qū)分轉(zhuǎn)發(fā)表和路由表的區(qū)別。輸入端口對(duì)線路上收到的分組的處理物理層處理數(shù)據(jù)鏈路層處理網(wǎng)絡(luò)層處理分組排隊(duì)交換結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢臀膊亢螅瑢⒎纸M送到網(wǎng)絡(luò)層的隊(duì)列中排隊(duì)等待處理。這會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)延。輸入端口的處理從線路接收分組查表和轉(zhuǎn)發(fā)輸出端口將交換結(jié)構(gòu)傳送來(lái)的分組發(fā)送到線路物理層處理數(shù)據(jù)鏈路層處理網(wǎng)絡(luò)層處理分組排隊(duì)當(dāng)交換結(jié)構(gòu)傳送過來(lái)的分組先進(jìn)行緩存。數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊將分組加上鏈路層的首部和尾部，交給物理層后發(fā)送到外部線路。輸出端口的處理向線路發(fā)送分組緩存管理交換結(jié)構(gòu)分組丟棄若路由器處理分組的速率趕不上分組進(jìn)入隊(duì)列的速率，則隊(duì)列的可用存儲(chǔ)空間最終必定減少到零，這就使后面再進(jìn)入隊(duì)列的分組由于沒有存儲(chǔ)空間而只能被丟棄。路由器中的輸入或輸出隊(duì)列產(chǎn)生溢出是造成分組丟失的重要原因。4.2.2

分類的IP

地址1. IP

地址及其表示方法我們把整個(gè)因特網(wǎng)看成為一個(gè)單一的、抽象的網(wǎng)絡(luò)。IP地址就是給每個(gè)連接在因特網(wǎng)上的主機(jī)（或路由器）分配一個(gè)在全世界范圍是惟一的32

bit

的標(biāo)識(shí)符。IP

地址現(xiàn)在由因特網(wǎng)名字與號(hào)碼指派公司

ICANN(Internet

Corporation

for

AssignedNames

andNumbers)進(jìn)行分配點(diǎn)分十進(jìn)制記法0000110001111110000000

00001011

0000001100011111機(jī)器中存放的IP

地址是32

bit

二進(jìn)制代碼每隔8

bit

插入一個(gè)空格能夠提高可讀性采用點(diǎn)分十進(jìn)制記法則進(jìn)一步提高可讀性112811331將每8

bit

的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)IP

地址的編址方法分類的IP地址。這是最基本的編址方法，在1981

年就通過了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。子網(wǎng)的劃分。這是對(duì)最基本的編址方法的改進(jìn)，其標(biāo)準(zhǔn)[RFC

950]在1985

年通過。構(gòu)成超網(wǎng)。這是比較新的無(wú)分類編址方法。1993

年提出后很快就得到推廣應(yīng)用。分類IP

地址每一類地址都由兩個(gè)固定長(zhǎng)度的字段組成，其中一個(gè)字段是網(wǎng)絡(luò)號(hào)net-id，它標(biāo)志主機(jī)（或路由器）所連接到的網(wǎng)絡(luò)，而另一個(gè)字段則是主機(jī)號(hào)host-id，它標(biāo)志該主機(jī)（或路由器）。兩級(jí)的IP

地址可以記為：IP

地址

::=

{

<網(wǎng)絡(luò)號(hào)>,

<主機(jī)號(hào)>}

(4-1)::=代表“定義為”net-id24

bithost-id24

bitnet-id16

bitnet-id8

bitIP

地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)字段和主機(jī)號(hào)字段0A

類地址host-id16

bitB

類地址C

類地址1

1

0host-id8

bitD

類地址1110多播地址E

類地址保留為今后使用111101

0路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組的步驟是：（1）先按所要找的IP地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)net-id把目的網(wǎng)絡(luò)找到。（2）當(dāng)分組到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)后，再利用主機(jī)號(hào)host-id將數(shù)據(jù)報(bào)直接交付給目的主機(jī)。從IP地址的結(jié)構(gòu)來(lái)看，IP地址并不只是一個(gè)主機(jī)的號(hào)，而是指出了連接到某個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)主機(jī)。常用的三種類別的IP

地址IP

地址的使用范圍網(wǎng)絡(luò)類別最大網(wǎng)絡(luò)數(shù)第一個(gè)可用的網(wǎng)絡(luò)號(hào)最后一個(gè)可用的網(wǎng)絡(luò)號(hào)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最大的主機(jī)數(shù)A126

(27

–

2)112616,777,214B16,384

(214

–

1)128.1191.25565,534C2,097,152

(221

–

1)192.0.1223.255.255254一些特殊的IP地址IP

地址的一些重要特點(diǎn)每一個(gè)IP地址都由網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)兩部分組成。

IP地址是一種分等級(jí)的地址結(jié)構(gòu)。分兩個(gè)等級(jí)的好處是：第一，IP

地址管理機(jī)構(gòu)在分配IP

地址時(shí)只分配網(wǎng)絡(luò)號(hào)，而剩下的主機(jī)號(hào)則由得到該網(wǎng)絡(luò)號(hào)的單位自行分配。這樣就方便了IP

地址的管理。第二，路由器僅根據(jù)目的主機(jī)所連接的網(wǎng)絡(luò)號(hào)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)分組（而不考慮目的主機(jī)號(hào)），這樣就可以使路由表中的項(xiàng)目數(shù)大幅度減少，從而減小了路由表所占的存儲(chǔ)空間。IP

地址的一些重要特點(diǎn)實(shí)際上IP

地址是標(biāo)志“一個(gè)主機(jī)（或路由器）和一條鏈路的接口”。當(dāng)一個(gè)主機(jī)同時(shí)連接到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，該主機(jī)就必須同時(shí)具有兩個(gè)相應(yīng)的IP

地址，其網(wǎng)絡(luò)號(hào)

net-id必須是不同的。這種主機(jī)稱為多接口主機(jī)

(multihomed

host)。由于一個(gè)路由器至少應(yīng)當(dāng)連接到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)（這樣它才能將IP

數(shù)據(jù)報(bào)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)），因此一個(gè)路由器至少應(yīng)當(dāng)有兩個(gè)不同的IP地址。IP

地址的一些重要特點(diǎn)

用轉(zhuǎn)發(fā)器或網(wǎng)橋連接起來(lái)的若干個(gè)局域網(wǎng)仍為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此這些局域網(wǎng)都具有同樣的網(wǎng)絡(luò)號(hào)net-id。所有分配到網(wǎng)絡(luò)號(hào)net-id

的網(wǎng)絡(luò)，范圍很小的局域網(wǎng)，還是可能覆蓋很大地理范圍的廣域網(wǎng)，都是平等的。B222.1.1.1.3互聯(lián)網(wǎng)中的IP

地址

222.1.R1222.1.2.2222.1.2.4

222.1.2.222.1.2.5R3

222.1.3.LAN33N

222.1.6.N2

222.1.5.N1

222.1.4.

R2LAN2LAN1互聯(lián)網(wǎng)在同一個(gè)局域網(wǎng)上的主機(jī)或路由器的

IP

地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)必須是一樣的。

圖中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)就是IP

地址中的net-idB222.1.1.1.3互聯(lián)網(wǎng)中的IP

地址

222.1.R1

222.1.2.222.1.3.1R3222.1.3.3

222.1.3.LAN33N

222.1.6.N2

222.1.5.N1

222.1.4.

R2LAN2LAN1互聯(lián)網(wǎng)在同一個(gè)局域網(wǎng)上的主機(jī)或路由器的

IP

地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)必須是一樣的。

圖中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)就是IP

地址中的net-id互聯(lián)網(wǎng)中的IP

地址B222.1.1.222.1.1.1

222.1.1.2222.1.1.4R11

222.R3

222.1.3.LAN3N1

222.1.4.

R2

N

LAN

222.1.2.3

222.1.6.

21.5.2

N2

222.1.5.

222.1.2.LAN1互聯(lián)網(wǎng)在同一個(gè)局域網(wǎng)上的主機(jī)或路由器的IP

地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)必須是一樣的。圖中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)就是IP

地址中的net-idB222.1.1.互聯(lián)網(wǎng)中的IP

地址R1

222.1.2.R3

222.1.3.LAN33N

222.1.6.N2

222.1.5.N1

222.1.4.

R2LAN2LAN1互聯(lián)網(wǎng)在同一個(gè)局域網(wǎng)上的主機(jī)或路由器的

IP

地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)必須是一樣的。

圖中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)就是IP

地址中的net-id

B222.1.1.互聯(lián)網(wǎng)中的IP

地址

R1

222.1.2.

R3

222.1.3.LAN33N

222.1.6.N2

222.1.5.N1

222.1.4.

R2LAN2LAN1互聯(lián)網(wǎng)路由器總是具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的IP

地址。路由器的每一個(gè)接口都有一個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)號(hào)的IP

地址。B222.1.1.互聯(lián)網(wǎng)中的IP

地址

R1

222.1.2.

R3

222.1.3.LAN33N

222.1.6.N2

222.1.5.N1

222.1.4.

R2LAN2LAN1互聯(lián)網(wǎng)路由器總是具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的IP

地址。路由器的每一個(gè)接口都有一個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)號(hào)的IP

地址。B222.1.1.互聯(lián)網(wǎng)中的IP

地址

R1

222.1.2.

R3

222.1.3.LAN33N

222.1.6.N2

222.1.5.N1

222.1.4.

R2LAN2LAN1互聯(lián)網(wǎng)路由器總是具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的IP

地址。路由器的每一個(gè)接口都有一個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)號(hào)的IP

地址。B222.1.1.R1

222.1.2.R3

222.1.3.LAN33N

222.1.6.N2

222.1.5.N1

222.1.4.

R2LAN2互聯(lián)網(wǎng)中的IP

地址

LAN1互聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)路由器直接相連的接口處，可指明也可不指明IP地址。如指明IP地址，則這一段連線就構(gòu)成了一種只包含一段線路的特殊“網(wǎng)絡(luò)”。現(xiàn)在常不指明IP

地址。小結(jié)：在同一個(gè)局域網(wǎng)上的主機(jī)或路由器的IP地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)必須是一樣的。用網(wǎng)橋(它只在鏈路層工作)互連的網(wǎng)段仍然是一個(gè)局域網(wǎng)，只能有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)。路由器總是具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的IP地址。當(dāng)兩個(gè)路由器直接相連時(shí)，在連線兩端的接口處，可以指明也可以不指明IP地址。4.2.3

IP

地址與硬件地址TCP

報(bào)文IP

數(shù)據(jù)報(bào)MAC幀應(yīng)用層數(shù)據(jù)首部首部尾部首部鏈路層及以下使用硬件地址硬件地址網(wǎng)絡(luò)層及以上使用IP

地址IP

地址IP地址放在IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部，而硬件地址則放在MAC幀的首部。在網(wǎng)絡(luò)層及以上使用的是IP地址，而數(shù)據(jù)鏈路層及以下使用的是硬件地址。因而在數(shù)據(jù)鏈路層看不見數(shù)據(jù)報(bào)的IP地址。下圖是三個(gè)局域網(wǎng)用兩個(gè)路由器R1和R2互連起來(lái)的示意圖。HA1HA4HA6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1硬件地址路由器R2HA2IP1IP2局域網(wǎng)HA3局域網(wǎng)HA5局域網(wǎng)通信的路徑H1→經(jīng)過R1

轉(zhuǎn)發(fā)→再經(jīng)過R2

轉(zhuǎn)發(fā)→H2查找路由表查找路由表HA1HA4HA6主機(jī)H1主機(jī)H2硬件地址路由器

R1

路由器

R2HA2IP1IP2局域網(wǎng)HA3局域網(wǎng)HA5局域網(wǎng)IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP

層上的互聯(lián)網(wǎng)MAC

幀IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1

→

IP2IP1

→

IP2IP1

→

IP2從HA1

到HA3從HA4

到HA5從HA6

到HA2MAC

幀MAC

幀IP

數(shù)據(jù)報(bào)從協(xié)議棧的層次上看數(shù)據(jù)的流動(dòng)HA1HA4HA6主機(jī)H1主機(jī)H2硬件地址路由器

R1

路由器

R2HA2IP1IP2局域網(wǎng)HA3局域網(wǎng)HA5局域網(wǎng)IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP

層上的互聯(lián)網(wǎng)MAC

幀IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1

→

IP2IP1

→

IP2IP1

→

IP2從HA1

到HA3從HA4

到HA5從HA6

到HA2MAC

幀MAC

幀IP

數(shù)據(jù)報(bào)從虛擬的IP

層上看IP

數(shù)據(jù)報(bào)的流動(dòng)HA1HA4HA6主機(jī)H1主機(jī)H2硬件地址路由器

R1

路由器

R2HA2IP1IP2局域網(wǎng)HA3局域網(wǎng)HA5局域網(wǎng)IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP

層上的互聯(lián)網(wǎng)MAC

幀IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1

→

IP2IP1

→

IP2IP1

→

IP2從HA1

到HA3從HA4

到HA5從HA6

到HA2MAC

幀MAC

幀IP

數(shù)據(jù)報(bào)在鏈路上看MAC

幀的流動(dòng)IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP

層上的互聯(lián)網(wǎng)MAC

幀IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1

→

IP2IP1

→

IP2IP1

→

IP2從HA1

到HA3從HA4

到HA5從HA6

到HA2MAC

幀MAC

幀IP

數(shù)據(jù)報(bào)在

IP

層抽象的互聯(lián)網(wǎng)上只能看到

IP

數(shù)據(jù)報(bào)

圖中的

IP1→IP2

表示從源地址

IP1

到目的地址

IP2兩個(gè)路由器的IP

地址并不出現(xiàn)在IP

數(shù)據(jù)報(bào)的首部中IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP

層上的互聯(lián)網(wǎng)MAC

幀IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1

→

IP2IP1

→

IP2IP1

→

IP2從HA1

到HA3從HA4

到HA5從HA6

到HA2MAC

幀MAC

幀IP

數(shù)據(jù)報(bào)路由器只根據(jù)目的站的IP

地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)進(jìn)行路由選擇IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP

層上的互聯(lián)網(wǎng)IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1

→

IP2IP1

→

IP2IP1

→

IP2MAC

幀從HA1

到HA3從HA4

到HA5從HA6

到HA2MAC

幀MAC

幀IP

數(shù)據(jù)報(bào)在具體的物理網(wǎng)絡(luò)的鏈路層只能看見MAC

幀而看不見IP

數(shù)據(jù)報(bào)IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主機(jī)H1主機(jī)H2路由器R1IP

層上的互聯(lián)網(wǎng)IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1

→

IP2IP1

→

IP2IP1

→

IP2MAC

幀從HA1

到HA3從HA4

到HA5從HA6

到HA2MAC

幀MAC

幀IP

數(shù)據(jù)報(bào)IP層抽象的互聯(lián)網(wǎng)屏蔽了下層很復(fù)雜的細(xì)節(jié)在抽象的網(wǎng)絡(luò)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(jī)和主機(jī)或主機(jī)和路由器之間的通信上圖強(qiáng)調(diào)了IP地址與硬件地址的區(qū)別。下表歸納了這種區(qū)別。4.2.4

地址解析協(xié)議ARP

和逆地址解析協(xié)議RARPIP

地址物理地址ARP物理地址IP

地址RARP地址解析協(xié)議ARP不管網(wǎng)絡(luò)層使用的是什么協(xié)議，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的鏈路上傳送數(shù)據(jù)幀時(shí)，最終還是必須使用硬件地址。每一個(gè)主機(jī)都設(shè)有一個(gè)ARP

高速緩存(ARPcache)，里面有所在的局域網(wǎng)上的各主機(jī)和路由器的IP

地址到硬件地址的映射表。當(dāng)主機(jī)A欲向本局域網(wǎng)上的某個(gè)主機(jī)B發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，就先在其ARP

高速緩存中查看有無(wú)主機(jī)

B的IP地址。如有，就可查出其對(duì)應(yīng)的硬件地址，再將此硬件地址寫入MAC幀，然后通過局域網(wǎng)將該MAC

幀發(fā)往此硬件地址。ARP

響應(yīng)YX

BZ主機(jī)B

向A

發(fā)送ARP

響應(yīng)分組主機(jī)A

廣播發(fā)送ARP

請(qǐng)求分組ARP

請(qǐng)求ARP

請(qǐng)求ARP

請(qǐng)求ARP

請(qǐng)求

A00-00-C0-15-AD-1808-00-2B-00-EE-0A我是，硬件地址是00-00-C0-15-AD-18我想知道主機(jī)

的硬件地址我是硬件地址是08-00-2B-00-EE-0A

AYX

BZ00-00-C0-15-AD-18ARP

高速緩存的作用為了減少網(wǎng)絡(luò)上的通信量，主機(jī)A

在發(fā)送其ARP

請(qǐng)求分組時(shí)，就將自己的IP

地址到硬件地址的映射寫入ARP

請(qǐng)求分組。當(dāng)主機(jī)B

收到A

的ARP

請(qǐng)求分組時(shí)，就將主機(jī)A

的這一地址映射寫入主機(jī)B

自己的ARP

高速緩存中。這對(duì)主機(jī)B

以后向A發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)就更方便了。應(yīng)當(dāng)注意的問題ARP是解決同一個(gè)局域網(wǎng)上的主機(jī)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(jī)和源主機(jī)不在同一個(gè)局域網(wǎng)上，那么就要通過ARP

找到一個(gè)位于本局域網(wǎng)上的某個(gè)路由器的硬件地址，然后把分組發(fā)送給這個(gè)路由器，讓這個(gè)路由器把分組轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。剩下的工作就由下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)做。應(yīng)當(dāng)注意的問題從IP

地址到硬件地址的解析是自動(dòng)進(jìn)行的，主機(jī)的用戶對(duì)這種地址解析過程是不知道的。只要主機(jī)或路由器要和本網(wǎng)絡(luò)上的另一個(gè)已知IP

地址的主機(jī)或路由器進(jìn)行通信，ARP協(xié)議就會(huì)自動(dòng)地將該IP

地址解析為鏈路層所需要的硬件地址。使用ARP的四種典型情況發(fā)送方是主機(jī)，要把IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到本網(wǎng)絡(luò)上的另一個(gè)主機(jī)。這時(shí)用ARP

找到目的主機(jī)的硬件地址。發(fā)送方是主機(jī)，要把IP

數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)主機(jī)。這時(shí)用ARP

找到本網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)路由器的硬件地址。剩下的工作由這個(gè)路由器來(lái)完成。發(fā)送方是路由器，要把IP

數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到本網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)主機(jī)。這時(shí)用ARP

找到目的主機(jī)的硬件地址。發(fā)送方是路由器，要把IP

數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)主機(jī)。這時(shí)用ARP

找到本網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)路由器的硬件地址。剩下的工作由這個(gè)路由器來(lái)完成。為什么我們不直接

使用硬件地址進(jìn)行通信？由于全世界存在著各式各樣的網(wǎng)絡(luò)，它們使用不同的硬件地址。要使這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠互相通信就必須進(jìn)行非常復(fù)雜的硬件地址轉(zhuǎn)換工作，因此幾乎是不可能的事。連接到因特網(wǎng)的主機(jī)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(gè)網(wǎng)絡(luò)上那樣簡(jiǎn)單方便，因?yàn)檎{(diào)用ARP來(lái)尋找某個(gè)路由器或主機(jī)的硬件地址都是由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)進(jìn)行的，對(duì)用戶來(lái)說是看不見這種調(diào)用過程的。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(jī)能夠知道其IP

地址。這種主機(jī)往往是無(wú)盤工作站。因此RARP協(xié)議目前已很少使用。4.2.5 IP

數(shù)據(jù)報(bào)的格式一個(gè)IP

數(shù)據(jù)報(bào)由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成。首部的前一部分是固定長(zhǎng)度，共20

字節(jié)，是所有IP

數(shù)據(jù)報(bào)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(zhǎng)度是可變的。固定部分可變部分16

19

24

31版本標(biāo)志生存時(shí)間協(xié)

議標(biāo)

識(shí)服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分比特?cái)?shù)

據(jù)部分首

部傳送IP

數(shù)據(jù)報(bào)首部發(fā)送在前可變部分首部16192431版本標(biāo)志協(xié)

議標(biāo)

識(shí)生

存

時(shí)

間服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度填

充片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用數(shù)可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）據(jù)

部

分比特部分首

部傳送數(shù)

據(jù)IP

數(shù)據(jù)報(bào)固定部分首部16192431版本標(biāo)志協(xié)

議標(biāo)

識(shí)生

存

時(shí)

間服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度填

充片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用數(shù)可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）據(jù)

部

分比特部分首

部傳送數(shù)

據(jù)IP

數(shù)據(jù)報(bào)固定部分可變部分首部16

19

24

31版本標(biāo)志生存時(shí)間協(xié)

議標(biāo)

識(shí)服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分比特固定部分可變部分版本——占4bit，指IP協(xié)議的版本目前的IP

協(xié)議版本號(hào)為4(即IPv4)首部4816

19

24

31版本標(biāo)志生存時(shí)間協(xié)

議標(biāo)

識(shí)服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特0首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分比特固定部分可變部分首部長(zhǎng)度——占4

bit，可表示的最大數(shù)值是15

個(gè)單位(一個(gè)單位為4

字節(jié))因此IP

的首部長(zhǎng)度的最大值是60字節(jié)。首部16192431版本標(biāo)志生存時(shí)間協(xié)

議標(biāo)

識(shí)服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分比特固定部分可變部分服務(wù)類型——占8bit，用來(lái)獲得更好的服務(wù)這個(gè)字段以前一直沒有被人們使用首部16

19

24

31版本生存時(shí)間協(xié)

議標(biāo)

識(shí)服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度標(biāo)志

片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分比特固定部分可變部分總長(zhǎng)度——占16

bit，指首部和數(shù)據(jù)之和的長(zhǎng)度，單位為字節(jié)，因此數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為65535字節(jié)。總長(zhǎng)度必須不超過最大傳送單元MTU。首部16192431版本服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移標(biāo)

識(shí) 標(biāo)志生

存

時(shí)

間

協(xié)

議

首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用比特固定部分可變部分可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分標(biāo)識(shí)(identification)

占

16

bit，它是一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)。首部16192431版本標(biāo)志生存時(shí)間標(biāo)

識(shí)服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移協(xié)

議

首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分比特固定部分可變部分標(biāo)志(flag)

占

3bit，目前只有前兩個(gè)比特有意義。標(biāo)志字段的最低位是

MF

(MoreFragment)。MF

=1表示后面“還有分片”。MF

=0表示最后一個(gè)分片。標(biāo)志字段中間的一位是DF

(Don't

Fragment)

。只有當(dāng)DF=0

時(shí)才允許分片。首部16192431版本標(biāo)志生存時(shí)間標(biāo)

識(shí)服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移協(xié)

議

首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分比特固定部分可變部分片偏移(12bit)指出：較長(zhǎng)的分組在分片后某片在原分組中的相對(duì)位置。片偏移以8

個(gè)字節(jié)為偏移單位。偏移=0/8=

0140028003799279913993799需分片的數(shù)據(jù)報(bào)首部數(shù)據(jù)部分共3800

字節(jié)首部1首部2首部3字節(jié)014002800字節(jié)0【例4-1】IP

數(shù)據(jù)報(bào)分片數(shù)據(jù)報(bào)片1數(shù)據(jù)報(bào)片2數(shù)據(jù)報(bào)片3MF=

1,DF

=

0MF=

1,DF

=

0MF=

0,DF

=

0偏移=0/8=0分片總長(zhǎng)度=1420字節(jié)偏移=1400/8=175分片總長(zhǎng)度=1420字節(jié)偏移=2800/8=350分片總長(zhǎng)度=1020字節(jié)首部16

19

24

31版本標(biāo)志生存時(shí)間協(xié)

議標(biāo)

識(shí)服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用比特固定部分可變部分可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分生存時(shí)間(8

bit)記為TTL(Time

To

Live)，這是為了限制數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中的生存時(shí)間，其單位最初是秒，但為了方便，現(xiàn)在都用“跳數(shù)”作為TTL

的單位。數(shù)據(jù)報(bào)每經(jīng)過一個(gè)路由器，其TTL

值就減1。首部16

19

24

31版本標(biāo)志協(xié)

議標(biāo)

識(shí)生

存

時(shí)

間服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分比特固定部分可變部分協(xié)議(8bit)字段指出此數(shù)據(jù)報(bào)攜帶的數(shù)據(jù)使用何種協(xié)議以便目的主機(jī)的IP

層將數(shù)據(jù)部分上交給哪個(gè)處理過程運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層首部TCPUDPICMPIGMPOSPF數(shù)據(jù)部分IP

數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議字段指出應(yīng)將數(shù)據(jù)部分交給哪一個(gè)進(jìn)程首部16

19

24

31版本生存時(shí)間協(xié)

議標(biāo)

識(shí)服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度標(biāo)志

片

偏

移首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用比特固定部分可變部分可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分首部檢驗(yàn)和(16bit)字段只檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)的首部不包括數(shù)據(jù)部分。這里不采用CRC

檢驗(yàn)碼而采用簡(jiǎn)單的計(jì)算方法。發(fā)送端接收端16

bit16

bit字1字2置為全0檢驗(yàn)和16

bit字n16

bit反碼算術(shù)運(yùn)算求和……取反碼數(shù)據(jù)報(bào)首部IP

數(shù)據(jù)報(bào)16

bit檢驗(yàn)和16

bit16

bit字1字216

bit檢驗(yàn)和16

bit字n16

bit反碼算術(shù)運(yùn)算求和16

bit結(jié)果……取反碼數(shù)據(jù)部分若結(jié)果為0,則保留；否則，丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)部分不參與檢驗(yàn)和的計(jì)算首部16

19

24

31版本標(biāo)志服務(wù)類型總

長(zhǎng)

度片

偏

移標(biāo)

識(shí)生

存

時(shí)

間

協(xié)

議

首

部

檢

驗(yàn)

和源

地

址目

的

地

址比特04

8首部長(zhǎng)度01234567優(yōu)先級(jí)DTRC未用可

選

字 段

（長(zhǎng)

度

可 變）

填

充數(shù)

據(jù)

部

分比特固定部分可變部分源地址和目的地址都各占4

字節(jié)2. IP

數(shù)據(jù)報(bào)首部的可變部分IP首部的可變部分就是一個(gè)選項(xiàng)字段，用來(lái)支持排錯(cuò)、測(cè)量以及安全等措施，內(nèi)容很豐富。選項(xiàng)字段的長(zhǎng)度可變，從1

個(gè)字節(jié)到40

個(gè)字節(jié)不等，取決于所選擇的項(xiàng)目。增加首部的可變部分是為了增加IP

數(shù)據(jù)報(bào)的功能，但這同時(shí)也使得IP

數(shù)據(jù)報(bào)的首部長(zhǎng)度成為可變的。這就增加了每一個(gè)路由器處理數(shù)據(jù)報(bào)的開銷。實(shí)際上這些選項(xiàng)很少被使用。有四個(gè)A

類網(wǎng)絡(luò)通過三個(gè)路由器連接在一起。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上都可能有成千上萬(wàn)個(gè)主機(jī)?？梢韵胂?，若按目的主機(jī)號(hào)來(lái)制作路由表，則所得出的路由表就會(huì)過于龐大。但若按主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)制作路由表，那么每一個(gè)路由器中的路由表就只包含4

個(gè)項(xiàng)目。這樣就可使路由表大大簡(jiǎn)化。4.2.6

IP層處理數(shù)據(jù)報(bào)的流程網(wǎng)1網(wǎng)4網(wǎng)3網(wǎng)2目的主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)下一跳路由器的地址直接交付，接口0直接交付，接口1路由器R2

的路由表鏈路4

鏈路2

鏈路3鏈路1R2

R3

R10

1R2R3R1在路由表中，對(duì)每一條路由，最主要的是（目的網(wǎng)絡(luò)地址，下一跳地址）路由器A的路由表目的網(wǎng)絡(luò)端口下一跳地址類型距離E0無(wú)Direct0S0無(wú)Direct0S0RIP1S0E0特定主機(jī)路由這種路由是為特定的目的主機(jī)指明一個(gè)路由。采用特定主機(jī)路由可使網(wǎng)絡(luò)管理人員能更方

便地控制網(wǎng)絡(luò)和測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可在需要

考慮某種安全問題時(shí)采用這種特定主機(jī)路由。默認(rèn)路由(default

route)路由器還可采用默認(rèn)路由以減少路由表所占用的空間和搜索路由表所用的時(shí)間。這種轉(zhuǎn)發(fā)方式在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有很少的對(duì)外連接時(shí)是很有用的。默認(rèn)路由在主機(jī)發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)往往更能顯示出它的好處。如果一個(gè)主機(jī)連接在一個(gè)小網(wǎng)絡(luò)上，而這個(gè)網(wǎng)絡(luò)只用一個(gè)路由器和因特網(wǎng)連接，那么在這種情況下使用默認(rèn)路由是非常合適的。N1R1因特網(wǎng)目的網(wǎng)絡(luò)下一跳N1直接N2R2默認(rèn)R1路由表N2R2只要目的網(wǎng)絡(luò)不是N1和N2，就一律選擇默認(rèn)路由，把數(shù)據(jù)報(bào)先間接交付路由器R1，讓R1

再轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)路由器。分組轉(zhuǎn)發(fā)算法從數(shù)據(jù)報(bào)的首部提取目的站的IP

地址D,得出目的網(wǎng)絡(luò)地址為N。

若網(wǎng)絡(luò)N

與此路由器直接相連，則直接將數(shù)據(jù)報(bào)交付給目的站D；否則是間接交付，執(zhí)行(3)。

若路由表中有目的地址為D

的特定主機(jī)路由，則將數(shù)據(jù)報(bào)傳送給路由表中所指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(4)。

若路由表中有到達(dá)網(wǎng)絡(luò)

N

的路由，則將數(shù)據(jù)報(bào)傳送給路由表指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(5)。若路由表中有一個(gè)默認(rèn)路由，則將數(shù)據(jù)報(bào)傳送給路由表 中所指明的默認(rèn)路由器；否則，執(zhí)行(6)。報(bào)告轉(zhuǎn)發(fā)分組出錯(cuò)。必須強(qiáng)調(diào)指出IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部中沒有地方可以用來(lái)指明“下一跳路由器的IP

地址”。當(dāng)路由器收到待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)，不是將下一跳路由器的IP地址填入IP數(shù)據(jù)報(bào)，而是送交下層的網(wǎng)絡(luò)接口軟件。網(wǎng)絡(luò)接口軟件使用ARP

負(fù)責(zé)將下一跳路由器的

IP地址轉(zhuǎn)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(jù)這個(gè)硬件地址找到下一跳路由器。4.3

劃分子網(wǎng)和構(gòu)造超網(wǎng)子網(wǎng)的劃分劃分子網(wǎng)的概念和思路第一，IP地址空間的利用率有時(shí)很低。第二，給每一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)會(huì)使路由表變得太大因而使網(wǎng)絡(luò)性能變壞。第三，兩級(jí)的IP地址不夠靈活。從1985

年起在IP

地址中又增加了一個(gè)

“子網(wǎng)號(hào)字段”，使兩級(jí)的IP地址變成為三級(jí)的IP

地址。這種做法叫作劃分子網(wǎng)(subnetting)。劃分子網(wǎng)已成為因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。三級(jí)的IP

地址劃分子網(wǎng)純屬一個(gè)單位內(nèi)部的事情。這個(gè)單位對(duì)外仍然表現(xiàn)為沒有劃分子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。從主機(jī)號(hào)借用若干個(gè)比特作為子網(wǎng)號(hào)subnet-id，而主機(jī)號(hào)host-id

也就相應(yīng)減少了若干個(gè)比特。IP地址

::=

{<網(wǎng)絡(luò)號(hào)>,

<子網(wǎng)號(hào)>,

<主機(jī)號(hào)>} (6-2)劃分子網(wǎng)的基本思路凡是從其他網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給本單位某個(gè)主機(jī)的

IP

數(shù)據(jù)報(bào)，仍然是根據(jù)

IP

數(shù)據(jù)報(bào)的目的網(wǎng)絡(luò)號(hào)

net-id，先找到連接在本單位網(wǎng)絡(luò)上的路由器。然后此路由器在收到

IP

數(shù)據(jù)報(bào)后，再按目的網(wǎng)絡(luò)號(hào)net-id

和子網(wǎng)號(hào)subnet-id

找到目的子網(wǎng)。最后就將IP

數(shù)據(jù)報(bào)直接交付給目的主機(jī)。劃分子網(wǎng)的基本思路（續(xù)）01014563所有到網(wǎng)絡(luò)的分組均到達(dá)此路由器我的網(wǎng)絡(luò)地址是R1R3R2網(wǎng)絡(luò)一個(gè)未劃分子網(wǎng)的B

類網(wǎng)絡(luò)劃分為三個(gè)子網(wǎng)后對(duì)外仍是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)01

4563………子網(wǎng)子網(wǎng)子網(wǎng)所有到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的分組均到達(dá)

01此路由器網(wǎng)絡(luò)R1R3R2當(dāng)沒有劃分子網(wǎng)時(shí)，IP

地址是兩級(jí)結(jié)構(gòu)，地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)字段也就是

IP

地址的“因特網(wǎng)部分”，而主機(jī)號(hào)字段是

IP

地址的“本地部分”。劃分子網(wǎng)后

IP

地址就變成了三級(jí)結(jié)構(gòu)。劃分子網(wǎng)只是將

IP

地址的本地部分進(jìn)行再劃分，而不改變

IP

地址的因特網(wǎng)部分。劃分子網(wǎng)后變成了三級(jí)結(jié)構(gòu)從一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部并無(wú)法判斷源主機(jī)或目的主機(jī)所連接的網(wǎng)絡(luò)是否進(jìn)行了子網(wǎng)的劃分。使用子網(wǎng)掩碼(subnetmask)可以很方便地找出IP

地址中的子網(wǎng)部分。2.

子網(wǎng)掩碼IP

地址的各字段和子網(wǎng)掩碼網(wǎng)絡(luò)號(hào)net-id主機(jī)號(hào)host-id兩級(jí)IP

地址三級(jí)IP

地址net-idsubnet-idhost-id網(wǎng)絡(luò)號(hào) 子網(wǎng)號(hào)

主機(jī)號(hào)因特網(wǎng)部分本地部分因特網(wǎng)部分本地部分子網(wǎng)掩碼劃分子網(wǎng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)地址1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

11

1

1

1

1

1

1

10

0

0

0

0

0

0

0net-idsubnet-idhost-id

為全0(IP

地址)AND(子網(wǎng)掩碼)=網(wǎng)絡(luò)地址網(wǎng)絡(luò)號(hào)net-id主機(jī)號(hào)host-id兩級(jí)IP

地址三級(jí)IP

地址net-idsubnet-idhost-id網(wǎng)絡(luò)號(hào) 子網(wǎng)號(hào)

主機(jī)號(hào)子網(wǎng)掩碼因特網(wǎng)部分本地部分因特網(wǎng)部分本地部分劃分子網(wǎng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)地址1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

11

1

1

1

1

1

1

10

0

0

0

0

0

0

0net-idsubnet-idhost-id

為全0AND11111111000000000000000000000000A類地址網(wǎng)絡(luò)地址

net-id host-id

為全

0默認(rèn)子網(wǎng)掩碼B類地址網(wǎng)絡(luò)地址

net-id host-id

為全

0默認(rèn)子網(wǎng)掩碼

1111111111111111 0000000000000000C類地址網(wǎng)絡(luò)地址

net-id

host-id

為全

0默認(rèn)子網(wǎng)掩碼

111111111111111111111111

00000000A

類、B

類和C

類IP

地址的默認(rèn)子網(wǎng)掩碼子網(wǎng)掩碼是一個(gè)重要屬性子網(wǎng)掩碼是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或一個(gè)子網(wǎng)的重要屬性。路由器在和相鄰路由器交換路由信息時(shí)，必須把自己所在網(wǎng)絡(luò)（或子網(wǎng)）的子網(wǎng)掩碼告訴相鄰路由器。路由器的路由表中的每一個(gè)項(xiàng)目，除了要給出目的網(wǎng)絡(luò)地址外，還必須同時(shí)給出該網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼。若一個(gè)路由器連接在兩個(gè)子網(wǎng)上就擁有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址和兩個(gè)子網(wǎng)掩碼?！纠?-2】已知IP地址是4，子網(wǎng)掩碼是。試求網(wǎng)絡(luò)地址。141

.14.64.0(a)

點(diǎn)分十進(jìn)制表示的IP

地址141.14.72.24(b)

IP

地址的第3字節(jié)是二進(jìn)制141

.

14.

01001000

.24(c)

子網(wǎng)掩碼是111111

11111111111100000000000000(d)

IP

地址與子網(wǎng)掩碼逐位相與141

.

14.01

000000

.0(e)

網(wǎng)絡(luò)地址（點(diǎn)分十進(jìn)制表示）【例4-3】在上例中，若子網(wǎng)掩碼改為。試求網(wǎng)絡(luò)地址，討論所得結(jié)果。(a)

點(diǎn)分十進(jìn)制表示的IP

地址141.14.72.24(b)

IP

地址的第3字節(jié)是二進(jìn)制141

.

14.

01001000

.24(c)

子網(wǎng)掩碼是111111

11111111111110000000000000(d)

IP

地址與子網(wǎng)掩碼逐位相與141

.

14.010

00000

.0(e)

網(wǎng)絡(luò)地址（點(diǎn)分十進(jìn)制表示）

141

.

14

.

64

.

0不同的子網(wǎng)掩碼得出相同的網(wǎng)絡(luò)地址。但不同的掩碼的效果是不同的。在不劃分子網(wǎng)的兩級(jí)IP地址下，從IP地址得出網(wǎng)絡(luò)地址是個(gè)很簡(jiǎn)單的事。但在劃分子網(wǎng)的情況下，從IP地址卻不能唯一地得出網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)地址取決于那個(gè)網(wǎng)絡(luò)所采用的子網(wǎng)掩碼，但數(shù)據(jù)報(bào)的首部并沒有提供子網(wǎng)掩碼的信息。因此分組轉(zhuǎn)發(fā)的算法也必須做相應(yīng)的改動(dòng)。4.3.2

使用子網(wǎng)掩碼的分組轉(zhuǎn)發(fā)過程0目的網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼下一跳28接口02828接口1R23H1子網(wǎng)1：網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼28R1

的路由表（未給出默認(rèn)路由器）R130

1子網(wǎng)2：網(wǎng)絡(luò)地址28子網(wǎng)掩碼28H238H30

29R21

子網(wǎng)3：網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼2【例4-4】劃分子網(wǎng)后分組的轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)H1要發(fā)送分組給H20目的網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼下一跳28接口02828接口1R2R1

的路由表（未給出默認(rèn)路由器）3H1子網(wǎng)1：網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼28R1子網(wǎng)2：網(wǎng)絡(luò)地址28子網(wǎng)掩碼28H23830

10

29R21

子網(wǎng)3：網(wǎng)絡(luò)地址H3

2

子網(wǎng)掩碼要發(fā)送的分組的目的IP

地址：38請(qǐng)注意：H1

并不知道H2

連接在哪一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。H1

僅僅知道H2

的IP

地址是38因此H1

首先檢查主機(jī)38是否連接在本網(wǎng)絡(luò)上如果是，則直接交付；否則，就送交路由器R1，并逐項(xiàng)查找路由表。R1

的路由表（未給出默認(rèn)路由器）3H1

目的網(wǎng)絡(luò)地址 子網(wǎng)掩碼 下一跳子網(wǎng)1：網(wǎng)絡(luò)地址

28

接口

0子網(wǎng)掩碼128.30.33.1280

28

28

接口

1R1

R2子網(wǎng)2：網(wǎng)絡(luò)地址2830

1

子網(wǎng)掩碼280

29H2

38R21

子網(wǎng)3：網(wǎng)絡(luò)地址H3

2

子網(wǎng)掩碼主機(jī)H1

首先將本子網(wǎng)的子網(wǎng)掩碼28與分組的IP

地址38

逐比特相“與”(AND

操作)28

AND

38

的計(jì)算255就是二進(jìn)制的全1，因此255

ANDxyz=xyz，這里只需計(jì)算最后的128

AND

138

即可。128

→

10000000138

→

10001010逐比特AND

操作后：10000000→128逐比特AND

操作28128.

30.

33.138128.

30.

33.128?H1

的網(wǎng)絡(luò)地址因此H1

必須把分組傳送到路由器R1然后逐項(xiàng)查找路由表0

28

接口028

28

接口1

R2R1

的路由表（未給出默認(rèn)路由器）目的網(wǎng)絡(luò)地址 子網(wǎng)掩碼 下一跳3H1子網(wǎng)1：網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼28R130

1子網(wǎng)2：網(wǎng)絡(luò)地址28子網(wǎng)掩碼28H238H30

29R21

子網(wǎng)3：網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼2路由器R1

收到分組后就用路由表中第1

個(gè)項(xiàng)目的子網(wǎng)掩碼和38

逐比特AND

操作0目的網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼下一跳28接口02828接口1R2R1

的路由表（未給出默認(rèn)路由器）3H1子網(wǎng)1：網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼28R1子網(wǎng)2：網(wǎng)子1285.128絡(luò)地址128.30.33.網(wǎng)掩碼255.255.25H23830

10

29R21

子網(wǎng)3：網(wǎng)絡(luò)地址H3

2

子網(wǎng)掩碼28

AND

38

=

28不匹配!（因?yàn)?8

與路由表中的

不一致）R1

收到的分組的目的IP

地址：38不一致路由器R1

再用路由表中第2

個(gè)項(xiàng)目的

子網(wǎng)掩碼和38

逐比特AND

操作0目的網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼下一跳28接口02828接口1R2H1子網(wǎng)1：網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼28R1子網(wǎng)2：網(wǎng)絡(luò)地128址128.30.33.碼255.255.25H23830

10

29R21

子網(wǎng)3：網(wǎng)絡(luò)地址H3

2

子網(wǎng)掩碼28

AND

38

=

28匹配!這表明子網(wǎng)2

就是收到的分組所要尋找的目的網(wǎng)絡(luò)R1

收到的分組的目的IP

地址：38R1

的路由表（未給出默認(rèn)路由器）3子網(wǎng)掩

一致!

5.128在劃分子網(wǎng)的情況下路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組的算法從收到的分組的首部提取目的IP

地址D。

先用各網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼和D逐比特相“與”，看是否和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址匹配。若匹配，則將分組直接交付。

否則就是間接交付，執(zhí)行(3)。

若路由表中有目的地址為D的特定主機(jī)路由，則將分組傳送給指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(4)。

對(duì)路由表中的每一行的子網(wǎng)掩碼和D逐比特相“與”，若其結(jié)果與該行的目的網(wǎng)絡(luò)地址匹配，則將分組傳送

給該行指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(5)。

若路由表中有一個(gè)默認(rèn)路由，則將分組傳送給路由表中所指明的默認(rèn)路由器；否則，執(zhí)行(6)。報(bào)告轉(zhuǎn)發(fā)分組出錯(cuò)。4.3.3

無(wú)分類編址CIDR1.

網(wǎng)絡(luò)前綴劃分子網(wǎng)在一定程度上緩解了因特網(wǎng)在發(fā)展中遇到的困難。然而在1992年因特網(wǎng)仍然面臨三個(gè)必須盡早解決的問題，這就是：B

類地址在

1992

年已分配了近一半，眼看就要在

1994

年

3

月全部分配完畢！因特網(wǎng)主干網(wǎng)上的路由表中的項(xiàng)目數(shù)急劇增長(zhǎng)（從幾千個(gè)增長(zhǎng)到幾萬(wàn)個(gè)）。整個(gè)IPv4

的地址空間最終將全部耗盡。1987

年，RFC

1009

就指明了在一個(gè)劃分子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中可同時(shí)使用幾個(gè)不同的子網(wǎng)掩碼。使用變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼VLSM

(VariableLength

Subnet

Mask)可進(jìn)一步提高IP

地址資源的利用率。在VLSM

的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步研究出無(wú)分類編址方法，它的正式名字是無(wú)分類域間路由選擇CIDR

(Classless

Inter-DomainRouting)。IP

編址問題的演進(jìn)(1)CIDR消除了傳統(tǒng)的A類、B類和C類地址以及劃分子網(wǎng)的概念，因而可以更加有效地分配IPv4

的地址空間。CIDR使用各種長(zhǎng)度的“網(wǎng)絡(luò)前綴”(network-prefix)來(lái)代替分類地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和子網(wǎng)號(hào)。IP地址從三級(jí)編址（使用子網(wǎng)掩碼）又回到了兩級(jí)編址。CIDR

最主要的特點(diǎn)無(wú)分類的兩級(jí)編址的記法是：IP地址

::=

{<網(wǎng)絡(luò)前綴>,

<主機(jī)號(hào)>}

(6-3)CIDR還使用“斜線記法”(slashnotation)，它又稱為CIDR記法，即在IP

地址后面加上一個(gè)斜線“/”，然后寫上網(wǎng)絡(luò)前綴所占的比特?cái)?shù)（這個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)于三級(jí)編址中子網(wǎng)掩碼中比特1

的個(gè)數(shù)）。無(wú)分類的兩級(jí)編址CIDR

地址塊(2)CIDR

將網(wǎng)絡(luò)前綴都相同的連續(xù)的

IP

地址組成“CIDR

地址塊”。/20表示的地址塊共有212個(gè)地址（因?yàn)樾本€后面的20

是網(wǎng)絡(luò)前綴的比特?cái)?shù)，所以主機(jī)號(hào)的比特?cái)?shù)是

12）。這個(gè)地址塊的起始地址是。在不需要指出地址塊的起始地址時(shí)，也可將這樣的地址塊簡(jiǎn)稱為“/20

地址塊”。/20

地址塊的最小地址：/20

地址塊的最大地址：55全0

和全1

的主機(jī)號(hào)地址一般不使用。/20

表示的地址（212

個(gè)地址）10000000

00001110

00100000

0000000010000000

00001110

00100000

0000000110000000

00001110

00100000

0000001010000000

00001110

00100000

0000001110000000

00001110

00100000

0000010010000000

00001110

00100000

00000101…

…10000000

00001110

00101111

1111101110000000

00001110

00101111

1111110010000000

00001110

00101111

1111110110000000

00001110

00101111

1111111010000000

00001110

00101111

11111111所有地址的20

bit前綴都是一樣的最小地址最大地址一個(gè)CIDR

地址塊可以表示很多地址，這種地址的聚合常稱為路由聚合，它使得路由表中的一個(gè)項(xiàng)目可以表示很多個(gè)（例如上千個(gè)）原來(lái)傳統(tǒng)分類地址的路由。路由聚合也稱為構(gòu)成超網(wǎng)(supernetting)。CIDR

雖然不使用子網(wǎng)了，但仍然使用“掩碼”這一名詞（但不叫子網(wǎng)掩碼）。對(duì)于/20

地址塊，它的掩碼是20

個(gè)連續(xù)的1。斜線記法中的數(shù)字就是掩碼中1

的個(gè)數(shù)。路由聚合(route

aggregation)CIDR

記法的其他形式/10

可簡(jiǎn)寫為10/10，也就是將點(diǎn)分十進(jìn)制中低位連續(xù)的0

省略。/10

隱含地指出

IP

地址

的掩碼是

。此掩碼可表示為11111111

11000000

00000000

00000000255

192

0

0掩碼中有10

個(gè)連續(xù)的1CIDR

記法的其他形式比較清楚的表示方法是直接使用二進(jìn)制，例如/10

可寫為00001010

00xxxxxx

xxxxxxxx

xxxxxxxx這22個(gè)x是任意值的主機(jī)號(hào)網(wǎng)絡(luò)前綴的后面加一個(gè)星號(hào)*

的表示方法如00001010

00*，在星號(hào)*

之前是網(wǎng)絡(luò)前綴，而星號(hào)*

表示IP

地址中的主機(jī)號(hào)，可以是任意值。對(duì)于前綴位數(shù)不是8的整數(shù)倍時(shí)，需要比較小心的對(duì)待。構(gòu)成超網(wǎng)前綴長(zhǎng)度不超過23bit的CIDR地址塊都包含了多個(gè)C

類地址。這些C