?6?网络互连 第6章 6.1路由器在网际互连中的作用 6.1.1路由器的构成 网络互连 .3互联网与因特网 62因特网的网际协议|P 621分类的|P地址 622IP地址与硬件地址 6.2.3地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP 624|P数据报的格式 625|P层处理数据报的流程 ?6?网络互连(续) ?6?网络互连(续) 6.3划分子网和构造超网 66IP多播和因特网组管理协议GMP 661|P多播的基本概念 632使用子网掩码的分组转发过程 662因特网组管理协议lGMP 633无分类编址cDR 6.6.3多播路由选择 4因特网控制报文协议cMP 67虚拟专用网vPN和网络地址转换NAT 6.5因特网的路由选择协议 68下一代的网际协议Pv6Png) 6.51有关路由选择协议的几个基本概念 6.8.1解决P地址耗尽的措施 652内部网关协议R|P 682|Pv6的基本首部 653内部网关协议OSPF 683|Pv6的扩展首部 654外部网关协议BGP 685从|Pv4到IPv6的过渡 6.8.6|cMPv6 61路由器在网际互连中的作用 直接交付和间接交付 6.1.1路由器的 当主机A要 个主机B发送数据 间接交付 间接交付 岑檎鑫早的主 架罴髮通落数誓直接交付给目的主机B而 直接交付 直接交付不需要使用路由器 数据 但间接交付就必须使用路由器
1 ? 6 ? 网络互连 6.1 路由器在网际互连中的作用 6.1.1 路由器的构成 6.1.2 交换构件 6.1.3 互联网与因特网 6.2 因特网的网际协议 IP 6.2.1 分类的 IP地址 6.2.2 IP 地址与硬件地址 6.2.3 地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP 6.2.4 IP 数据报的格式 6.2.5 IP 层处理数据报的流程 ? 6 ? 网络互连（续） 6.3 划分子网和构造超网 6.3.1 划分子网 6.3.2 使用子网掩码的分组转发过程 6.3.3 无分类编址 CIDR 6.4 因特网控制报文协议 ICMP 6.5 因特网的路由选择协议 6.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念 6.5.2 内部网关协议 RIP 6.5.3 内部网关协议 OSPF 6.5.4 外部网关协议 BGP ? 6 ? 网络互连（续） 6.6 IP 多播和因特网组管理协议 IGMP 6.6.1 IP 多播的基本概念 6.6.2 因特网组管理协议 IGMP 6.6.3 多播路由选择 6.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT 6.8 下一代的网际协议 IPv6 (IPng) 6.8.1 解决 IP 地址耗尽的措施 6.8.2 IPv6 的基本首部 6.8.3 IPv6 的扩展首部 6.8.4 IPv6 的地址空间 6.8.5 从 IPv4 到 IPv6 的过渡 6.8.6 ICMPv6 6.1 路由器在网际互连中的作用 6.1.1 路由器的构成 l 当主机 A 要向另一个主机 B 发送数据报时，先 要检查目的主机 B 是否与源主机 A 连接在同一 个网络上。 l 如果是，就将数据报直接交付给目的主机 B 而 不需要通过路由器。 l 但如果目的主机与源主机 A 不是连接在同一个 网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个 路由器，由该路由器按照转发表指出的路由将 数据报转发给下一个路由器。这就叫作间接交 付。 直接交付和间接交付 间接交付 间接交付 间接交付 A B C 直接交付 直接交付 直接交付不需要使用路由器 但间接交付就必须使用路由器
典型的路由器的结构 “转发”和“路由选择”的区别 “转发"( awarding)就是路由器根据转发表将用 2—数据链路层 路由选择协议 户的|P数据报从合适的端口转发出去 ·“路由选择"( (routing)则是按照分布式算法,根 据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化 情况,动态地改变所选择的路由 分组处理 ●路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表 是从路由表得出的。 转发表 输出端口 ●在讨论路由选择的原理时,往往不去区分转发 囗吖效枸同四 表和路由表的区别, 输入端口对线路上 输出端口将交换结构传送来的分 收到的分组的处理 组发送到线路 数据链路层剥去帧首部和尾部后,将分组送到网 ●当交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据链 络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时 路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部 交给物理层后发送到外部线路 输入端口的处理 输出端口的处理 物理层 数据链路层 查表和转发 存管理 612交换结构 分组丢弃 ●若路由器处理分组的速率赶不上分组进入 口口9 口H 队列的速率,则队列的存储空间最终必定 (a)通过存储器 减少到零,这就使后面再进入队列的分组 互连网络 由于没有存储空间而只能被丢弃。 ●路由器中的输入或输出队列产生溢出是造 口口 成分组丢失的重要原因 (c)通过互连网络
2 典型的路由器的结构 路由 选择 路由选择处理机 路由选择协议 路由表 3 输入端口 3 交换结构 输入端口 输出端口 分组 转发 转发表 分组处理 输出端口 … … 1 1 1 3 3 1 2 2 2 2 3— — 网络层 2— — 数据链路层 1— — 物理层 “转发”和“路由选择”的区别 l “转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用 户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。 l “路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根 据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化 情况，动态地改变所选择的路由。 l 路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表 是从路由表得出的。 l 在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发 表和路由表的区别， 输入端口对线路上 收到的分组的处理 l 数据链路层剥去帧首部和尾部后，将分组送到网 络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时 延。 物理层处理 数据链路层 处理 网络层处理 分组排队 交 换 结 构 输入端口的处理 从 线 路 接 收 分 组 查表和转发 输出端口将交换结构传送来的分 组发送到线路 l 当交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据链 路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部， 交给物理层后发送到外部线路。 物理层处理 数据链路层 处理 网络层处理 分组排队 输出端口的处理 向 线 路 发 送 分 缓存管理 组 交 换 结 构 分组丢弃 l若路由器处理分组的速率赶不上分组进入 队列的速率，则队列的存储空间最终必定 减少到零，这就使后面再进入队列的分组 由于没有存储空间而只能被丢弃。 l路由器中的输入或输出队列产生溢出是造 成分组丢失的重要原因。 6.1.2 交换结构 I1 I3 I2 O1 O2 存 储 器 I1 I3 I2 O1 O2 I1 I3 I2 O1 O2 O3 (a) 通过存储器 (c) 通过互连网络 (b) 通过总线 总线 互连网络 O3 O3
613互联网与因特网 网络互相连接起来 要使用一些中间设备 连在一起的网络要进行通信,会遇到许多问题需要 中间设备又称为中间系统或中继( (relay)系统 o不同的寻址方案 o不同的最大分组长度 O物理层中继系统:转发器( (repeater)。 数据链路层中继系统:网桥或桥接器( bridge) 不同的差错恢复方法 O网络层中继系统:路由器( router)。 不同的状态报告方法 o不同的路由选择技术 ○网桥和路由器的混合物:桥路器( brouter) O网络层以上的中继系统:网关( gateway) o不问的服务(面向连接服务和无连接服务 o不同的管理与控制方式 网络互连使用路由器 互连网络与虚拟互连网络 当中继系统是转发器或网桥时,一般并不 称之为网络互连,因为这仅仅是把一个网 络扩大了,而这仍然是一个网络 ●网关由于比较复杂,目前使用得较少。 虚拟互连网络 |P网 互联网都是指用路由器进行互连的网络 由于历史的原因,许多有关TCP/P的文 献将网络层使用的路由器称为网关。 (a)互连网络 (b)虚拟互连网络 虚拟互连网络的意义 名词 Internet和 Internet ●所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络 思就是互连起来的各种物理网络的异构性 ●以小写字母i开始的 Internet(互联网或互连 客观存在的,但是我们利用IP协议就可以 网)是一个通用名词,它泛指由多个计算机网 性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的 络互连而成的虚拟网络 以大写字母I开始的的 Internet(因特网)则是 使用|P协议的虚拟互连网络可简称为|P网 专用名词,它指当前全球最大的、开放 使用虚拟互连网络的好处是:当互联网上的主机 的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网 进行通信时,就好像在一个网络上通信一样,而 络,它采用TCP/P协议族,且其前身是美国的 看不见互连的各具体的网络异构细节。 ARPANET
3 l 互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题需要 解决，如： ° 不同的寻址方案 ° 不同的最大分组长度 ° 不同的网络接入机制 ° 不同的超时控制 ° 不同的差错恢复方法 ° 不同的状态报告方法 ° 不同的路由选择技术 ° 不同的用户接入控制 ° 不同的服务（面向连接服务和无连接服务） ° 不同的管理与控制方式 6.1.3 互联网与因特网 l中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。 °物理层中继系统：转发器(repeater)。 °数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。 °网络层中继系统：路由器(router)。 °网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。 °网络层以上的中继系统：网关(gateway)。 网络互相连接起来 要使用一些中间设备 l当中继系统是转发器或网桥时，一般并不 称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网 络扩大了，而这仍然是一个网络。 l网关由于比较复杂，目前使用得较少。 l互联网都是指用路由器进行互连的网络。 l由于历史的原因，许多有关 TCP/IP 的文 献将网络层使用的路由器称为网关。 网络互连使用路由器 互连网络与虚拟互连网络 网络 网络 网络 网络 网络 (a) 互连网络 (b) 虚拟互连网络 路由器 虚拟互连网络 （IP 网） 虚拟互连网络的意义 l 所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，它的意 思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是 客观存在的，但是我们利用 IP 协议就可以使这些 性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的 网络。 l 使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。 l 使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机 进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而 看不见互连的各具体的网络异构细节。 名词 internet 和 Internet l 以小写字母 i 开始的 internet（互联网或互连 网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网 络互连而成的虚拟网络。 l 以大写字母 I 开始的的 Internet（因特网）则是 一个专用名词，它指当前全球最大的、开放 的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网 络，它采用 TCP/IP协议族，且其前身是美国的 ARPANET
62因特网的网际协议P 网际协议|P及其配套协议 网际协议P是TCPP体系中两个最主要的协议之 与|P协议配套使用的还有四个协议 TELNET FTP,SMTP等 ●地址解析协议ARP 运输层 TCP UDP (Address Resolution Protocol) ICMP IGMP] ●逆地址解析协议RARP 网际层 (Reverse Address Resolution Protocol) RARP‖AR ●因特网控制报文协议CMP 网络接口层 (Internet Control Message Protocol) ●因特网组管理协议GMP 窃理硬件 (Internet Group Management Protocol) 621分类的P地址 P地址的编址方法 1.|P地址及其表示方法 我们把整个因特网看成为一个单一的、抽 ●分类的卩P地址。这是最基本的编址方法 象的网络。|P地址就是给每个连接在因特 在1981年就通过了相应的标准协议 网上的主机(或路由器)分配一个在全世 子网的划分。这是对最基本的编址方法的 界范围是惟一的32bt的标识符 改进,其标准[RFc950]在1985年通过。 ●|P地址现在由因特网名字与号码指派公司 构成超网。这是比较新的无分类编址方 CANN(Internet Corporation for Assigned 法。1993年提出后很快就得到推广应用。 Names and Numbers进行分配 P地址中的网络号字段和主机号字段 分类|P地址 A类地址 net-id 4 bit 每一类地址都由两个固定长度的字段组 成,其中一个字段是网络号net-id,它标 B类地址0 netid 志主机(或路由器)所连接到的网络,而 16 bit 另一个字段则是主机号 host-id,它标志该 C类地址110 主机(或路由器) 24 bit ●两级的|P地址可以记为: D类地址1110 多播地 地址∷={<网络号>,<主机号习}(6-1) =代表“定义为” E类地址11110 保留为今后使用
4 6.2 因特网的网际协议 IP 网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之 一 。与 IP 协议配套使用的还有四个协议： l 地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol) l 逆地址解析协议RARP (Reverse Address Resolution Protocol) l 因特网控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) l 因特网组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol) 网际协议 IP 及其配套协议 各种应用层协议 网络接口层 (TELNET, FTP, SMTP 等) 物理硬件 运输层 TCP, UDP 应用层 ICMP IP RARP ARP 与各种网络接口 网际层 IGMP 6.2.1 分类的 IP 地址 1. IP 地址及其表示方法 l我们把整个因特网看成为一个单一的、抽 象的网络。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 界范围是惟一的 32 bit 的标识符。 lIP 地址现在由因特网名字与号码指派公司 ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配 IP 地址的编址方法 l分类的 IP 地址。这是最基本的编址方法， 在 1981 年就通过了相应的标准协议。 l子网的划分。这是对最基本的编址方法的 改进，其标准[RFC 950]在 1985 年通过。 l构成超网。这是比较新的无分类编址方 法。1993 年提出后很快就得到推广应用。 分类 IP 地址 l每一类地址都由两个固定长度的字段组 成，其中一个字段是网络号 net-id，它标 志主机（或路由器）所连接到的网络，而 另一个字段则是主机号 host-id，它标志该 主机（或路由器）。 l两级的 IP 地址可以记为： IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>} (6-1) ::= 代表“定义为” net-id 24 bit host-id 24 bit net-id 16 bit net-id 8 bit IP 地址中的网络号字段和主机号字段 A 类地址 0 host-id 16 bit B 类地址 C 类地址 1 1 0 host-id 8 bit D 类地址 11 1 0 多 播 地 址 E 类地址 11 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用 1 0
路由器转发分组的步骤 点分十进制记法 先按所要找的|P地址中的网络号net-d 机器中存放的地 把目的网络找到。 是32b二进制代码 1000000000001011000000110001111 每隔8bt插入一个空格 当分组到达目的网络后,再利用主机号 能够提高可读性 host-id将数据报直接交付给目的主机 将每8b的二进制数 按照整数字节划分 net-id字段和 host-id 字段,就可以使路由器在收到一个分组时 能够更快地将地址中的网络号提取出来 采用点分十进制记法 则进一步 28.1133 2.常用的三种类别的卩P地址 P地址的一些重要特点 P地址的使用范围 (1)IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级 络最大 的好处是: 类别网络数 中最大的 ●第一,|P地址管理机构在分配|P地址时只分配网 网络号 主机数 络号,而剩下的主机号则由得到该网络号的单位 A|126(27-2)112 自行分配。这样就方便了P地址的管理。 16.777214 16384(21)1280191255 ●第二,路由器仅根据目的主机所连接的网络号来 转发分组(而不考虑目的主机号),这样就可以 c|2097152(2)1920022525 使路由表中的项目数大幅度减少,从而减小了路 由表所占的存储空间 P地址的一些重要特点 P地址的一些重要特点 (2)实际上|P地址是标志一个主机(或路由器)和 (3)用转发器或网桥连接起来的若干个局域网 条链路的接口 仍为一个网络,因此这些局域网都具有同 当一个主机同时连接到两个网络上时,该主 必须同时具有两个相应的|P地址,其网 样的网络号netd ned必须是不同的。这种主机称为多接口主机 (4)所有分配到网络号netd的网络,范围很 (multihomed host). 小的局域网,还是可能覆盖很大地理范围 个路由器至少应当连接到两个网络(这样 它才能将|P数据报从一个网络转发到另一个网 的广域网,都是平等的 络),因此一个路由器至少应当有两个不同的|P 地址
5 路由器转发分组的步骤 l 先按所要找的 IP 地址中的网络号 net-id 把目的网络找到。 l 当分组到达目的网络后，再利用主机号 host-id 将数据报直接交付给目的主机。 l 按照整数字节划分 net-id 字段和 host-id 字段，就可以使路由器在收到一个分组时 能够更快地将地址中的网络号提取出来。 点分十进制记法 10000000000010110000001100011111 机器中存放的 IP 地址 是 32 bit 二进制代码 10000000 00001011 00000011 00011111 每隔 8 bit 插入一个空格 能够提高可读性 采用点分十进制记法 则进一步提高可读性 128.11.3.31 128 11 3 31 将每 8 bit 的二进制数 转换为十进制数 2. 常用的三种类别的 IP 地址 IP 地址的使用范围 网络 最大 第一个 最后一个 每个网络 类别 网络数 可用的 可用的 中最大的 网络号 网络号 主机数 A 126 (27 –2) 1 126 16,777,214 B 16,384 (214) 128.0 191.255 65,534 C 2,097,152 (221) 192.0.0 223.255.255 254 IP 地址的一些重要特点 (1) IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级 的好处是： l 第一，IP地址管理机构在分配 IP地址时只分配网 络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位 自行分配。这样就方便了 IP地址的管理。 l 第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来 转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以 使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路 由表所占的存储空间。 IP 地址的一些重要特点 (2) 实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和 一条链路的接口。 l 当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就 必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多接口主机 (multihomed host)。 l 由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样 它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网 络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。 IP 地址的一些重要特点 (3) 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网 仍为一个网络，因此这些局域网都具有同 样的网络号 net-id。 (4) 所有分配到网络号 net-id 的网络，范围很 小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围 的广域网，都是平等的