Chapter 18 Internet Protocols COMPUTER NETWORKS Chapter 18 Internet Protocols

Protocol Functions Small set of functions that form basis of all protocols Not all protocols have all functions Reduce duplication of effort May have same type of function in protocols at different levels Encapsulation(封装) Fragmentation and reassembly (分片和重装) Connection control (连接控制) Ordered delivery (顺序交付) Flow control (流量控制) Error control (差错控制) Addressing (寻址) Multiplexing (复用) Transmission services (传输服务) 2

Encapsulation Data usually transferred in blocks Protocol data units (PDUs) Each PDU contains data and control information Some PDUs only control Three categories of control (三类控制字段) Address Of sender and/or receiver Error-detecting code E.g. frame check sequence Protocol control Additional information to implement protocol functions Addition of control information to data is encapsulation(在数据外添加控制信息称之为封装) Data accepted or generated by entity and encapsulated into PDU Containing data plus control information e.g. TFTP, HDLC, frame relay, ATM, AAL5 (Figure 11.15), LLC, IEEE 802.3, IEEE 802.11 3

Fragmentation and Reassembly (Segmentation – OSI) Exchange data between two entities Characterized as sequence of PDUs of some bounded size Application level message in the form of datagram or continuous data stream Reason: Lower-level protocols may need to break data up into smaller blocks Communications network may only accept blocks of up to a certain size ATM 53 octets Ethernet 1526 octets IEEE802.11 2304 octets More efficient error control Smaller retransmission Fairer(公平) Prevent station monopolizing medium(防止长期霸占) Smaller buffers Provision of checkpoint and restart/recovery operations 4

Disadvantages of Fragmentation Make PDUs as large as possible because  PDU contains some control information(分割都要加控制信息) Smaller block, larger overhead PDU arrival generates interrupt Smaller blocks, more interrupts More time processing smaller, more numerous PDUs 5

Reassembly Segmented data must be reassembled into messages More complex if PDUs out of order 6

PDUS and Fragmentation (Copied from chapter 2 fig 2.4) 7

Connection Control Connectionless data transfer(无连接的传输) Each PDU treated independently E.g. datagram(数据报) Connection-oriented data transfer(面向连接的传输) E.g. virtual circuit(虚电路) Connection-oriented preferred (even required) for lengthy exchange of data Logical association, or connection, established between entities Three phases occur  Connection establishment Data transfer Connection termination May be interrupt and recovery phases to handle errors 8

Phases of Connection Oriented Transfer 9

Connection Establishment Entities agree to exchange data Typically, one station issues connection request Receiving entity accepts or rejects (simple) May include negotiation Syntax, semantics, and timing(语法、语义、定时) Both entities must use same protocol May allow optional features Must be agreed E.g. protocol may specify max PDU size 8000 octets; one station may wish to restrict to 1000 octets 10

Data Transfer and Termination Both data and control information exchanged e.g. flow control, error control Data flow and acknowledgements may be in one or both directions One side may send termination request Or central authority might terminate 11

Sequencing Many connection-oriented protocols use sequencing e.g. HDLC, IEEE 802.11 PDUs numbered sequentially (给数据报编序列号) Each side keeps track of outgoing and incoming numbers Supports three main functions Ordered delivery Flow control Error control Not found in all connection-oriented protocols E.g.frame relay and ATM All connection-oriented protocols include some way of identifying connection Unique connection identifier Combination of source and destination addresses 12

Ordered Delivery PDUs may arrive out of order Different paths through network PDU order must be maintained Number PDUs sequentially Easy to reorder received PDUs Finite sequence number field(有限的序列号字段) Numbers repeat modulo maximum number(以最大序列号为模) Maximum sequence number greater than maximum number of PDUs that could be outstanding(序列号的最大值要比未经确认的PDU的最大数量要大) In fact, maximum number may need to be twice maximum number of PDUs that could be outstanding e.g. selective-repeat ARQ(在选择重发ARQ中，序列号必须是窗口大小的两倍) 13

Flow Control Performed by receiving entity to limit amount or rate of data sent Stop-and-wait Each PDU must be acknowledged before next sent Credit(信贷) Amount of data that can be sent without acknowledgment E.g. HDLC sliding-window Must be implemented in several protocols Network traffic control Buffer space Application overflow E.g. waiting for disk access 14

Error Control Guard against loss or damage Error detection and retransmission Sender inserts error-detecting code in PDU Function of other bits in PDU Receiver checks code on incoming PDU If error, discard If transmitter doesn’t get acknowledgment in reasonable time, retransmit Error-correction code Enables receiver to detect and possibly correct errors Error control is performed at various layers of protocol Between station and network Inside network 15

Addressing Addressing level(寻址级别) Addressing scope (寻址范围) Connection identifiers (连接表示符) Addressing mode (寻址方式) 16

TCP/IP Concepts 17

Addressing Level Level in comms architecture at which entity is named Unique address for each end system e.g. workstation or server And each intermediate system (e.g., router) Network-level address IP address or internet address OSI - network service access point (NSAP) Used to route PDU through network At destination data must routed to some process Each process assigned an identifier TCP/IP port Service access point (SAP) in OSI 18

Addressing Scope Global address Global nonambiguity(全局唯一) Identifies unique system Synonyms permitted(允许有同义字，系统可能有多个全局地址) Global applicability（全局适用性） Possible at any global address to identify any other global address, in any system, by means of global address of other system（通过使用系统中的的全局地址，任何系统的全局地址都能被全局访问) Enables internet to route data between any two systems Need unique address for each device interface on network MAC address on IEEE 802 network and ATM host address Enables network to route data units through network and deliver to intended system Network attachment point address Addressing scope only relevant for network-level addresses （地址的范围通常仅对网络级地址而言是重要的） Port or SAP above network level is unique within system Need not be globally unique 19

Connection Identifiers Entity 1 on system A requests connection to entity 2 on system B, using global address B.2. B.2 accepts connection （通常是一个编号） Connection identifier used by both entities for future transmissions Reduced overhead Generally shorter than global identifiers Routing Fixed route may be defined Connection identifier identifies route to intermediate systems Multiplexing Entity may wish more than one connection simultaneously PDUs must be identified by connection identifier Use of state information(连接有状态信息) Once connection established, end systems can maintain state information about connection Flow and error control using sequence numbers 20

Addressing Mode Usually address refers to single system or port Individual or unicast （单播） address Address can refer to more than one entity or port Multiple simultaneous recipients for data Broadcast for all entities within domain Multicast for specific subset of entities 21

Multiplexing Multiple connections into single system（多个连接进入一个系统） E.g. frame relay, can have multiple data link connections terminating in single end system Connections multiplexed over single physical interface Can also be accomplished via port names Also permit multiple simultaneous connections E.g. multiple TCP connections to given system Each connection on different pair of ports 22

Multiplexing Between Levels Upward or inward multiplexing(上行/内复用) Multiple higher-level connections share single lower-level connection More efficient use of lower-level service Provides several higher-level connections where only single lower-level connection exists Downward multiplexing, or splitting(下行/分裂) Higher-level connection built on top of multiple lower-level connections Traffic on higher connection divided among lower connections Reliability, performance, or efficiency.（可以提高可靠性、性能或效率） 23

Transmission Services Protocol may provide additional services to entities E.g.:  Priority Connection basis On message basis E.g. terminate-connection request Quality of service E.g. minimum throughput or maximum delay threshold Security Security mechanisms, restricting access These services depend on underlying transmission system and lower-level entities 24

互联网与因特网 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

网络互相连接起来 要使用一些中间设备 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)。

网络互连使用路由器 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。 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/IP 的文献将网络层使用的路由器称为网关。

互连网络与虚拟互连网络 路由器 网络 网络 虚拟互连网络 （IP 网） 网络 网络 网络 (a) 互连网络 (b) 虚拟互连网络

虚拟互连网络的意义 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。 使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。 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。

IP Operation 30

The Internet as a Network 31

Design Issues (非面向连接互联方式的设计问题) Routing Datagram lifetime Fragmentation and re-assembly Error control Flow control 32

Routing End systems and routers maintain routing tables Source routing Indicate next router to which datagram should be sent Static May contain alternative routes（替换路由） Dynamic Flexible response to congestion and errors Source routing Source specifies route as sequential list of routers to be followed Security Priority Route recording（每个路由器将自己的互联网地址附加到数据报中一列地址的后面） 33

Datagram Lifetime Datagrams could loop indefinitely Consumes resources Transport protocol may need upper bound on datagram life（运输协议需要需要数据报生存期有个上限） Datagram marked with lifetime Time To Live field in IP Once lifetime expires, datagram discarded (not forwarded) Hop count Decrement time to live on passing through a each router Time count(另一种方式是用精确的时间计时) Need to know how long since last router 34

Fragmentation and Re-assembly Different packet sizes When to re-assemble At destination Results in packets getting smaller as data traverses internet Intermediate re-assembly Need large buffers at routers Buffers may fill with fragments All fragments must go through same router Inhibits dynamic routing 35

IP Fragmentation IP re-assembles at destination only Uses fields in header Data Unit Identifier (ID) Identifies end system originated datagram Data length Length of user data in octets Offset Position of fragment of user data in original datagram In multiples of 64 bits (8 octets) More flag Indicates that this is not the last fragment 36

Fragmentation Example 37

Dealing with Failure Re-assembly may fail if some fragments get lost Need to detect failure Re-assembly time out Assigned to first fragment to arrive If timeout expires before all fragments arrive, discard partial data Use packet lifetime (time to live in IP) If time to live runs out, kill partial data 38

Error Control Not guaranteed delivery Router should attempt to inform source if packet discarded e.g. for time to live expiring Source may modify transmission strategy May inform high layer protocol Datagram identification needed 39

Flow Control Allows routers and/or stations to limit rate of incoming data Limited in connectionless systems Send flow control packets Requesting reduced flow e.g. ICMP 40

名词 internet 和 Internet 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。 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。

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： 地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol) 逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol) 因特网控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) 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 应用层 (TELNET, FTP, SMTP 等) 运输层 TCP, UDP ICMP IGMP 网际层 IP RARP ARP 与各种网络接口 网络接口层 物理硬件

分类的 IP 地址--IP 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。 IP 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 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。 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。 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 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）。 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”

IP 地址中的网络号字段和主机号字段 A 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 net-id 24 bit host-id 8 bit D 类地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址 1 1 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用

IP 地址中的网络号字段和主机号字段 A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节 A 类地址 net-id 8 bit net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 net-id 24 bit host-id 8 bit A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节 D 类地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址 1 1 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用

IP 地址中的网络号字段和主机号字段 B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节 A 类地址 net-id 8 bit net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 net-id 24 bit host-id 8 bit B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节 D 类地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址 1 1 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用

IP 地址中的网络号字段和主机号字段 C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节 A 类地址 net-id 8 bit net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 net-id 24 bit host-id 8 bit C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节 D 类地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址 1 1 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用

A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节 IP 地址中的网络号字段和主机号字段 A 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 net-id 24 bit host-id 8 bit A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节 D 类地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址 1 1 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用

B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节 IP 地址中的网络号字段和主机号字段 A 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 net-id 24 bit host-id 8 bit B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节 D 类地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址 1 1 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用

C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节 IP 地址中的网络号字段和主机号字段 A 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 net-id 24 bit host-id 8 bit C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节 D 类地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址 1 1 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用

IP 地址中的网络号字段和主机号字段 D 类地址是多播地址 A 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id 16 bit D 类地址是多播地址 host-id 16 bit C 类地址 1 1 net-id 24 bit host-id 8 bit D 类地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址 1 1 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用

IP 地址中的网络号字段和主机号字段 E 类地址保留为今后使用 A 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit net-id 8 bit host-id 24 bit B 类地址 1 net-id 16 bit E 类地址保留为今后使用 host-id 16 bit C 类地址 1 1 net-id 24 bit host-id 8 bit D 类地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 类地址 1 1 1 1 0 保 留 为 今 后 使 用

路由器转发分组的步骤 先按所要找的 IP 地址中的网络号 net-id 把目的网络找到。 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。 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 将每 8 bit 的二进制数 转换为十进制数 128 11 3 31 采用点分十进制记法 则进一步提高可读性 128.11.3.31

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 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： 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。 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。 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)。 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。

图中的网络号就是 IP 地址中的 net-id 在同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址中的网络号必须是一样的。 图中的网络号就是 IP 地址中的 net-id 222.1.1.1 222.1.1.2 222.1.1.3 LAN1 222.1.1. 222.1.1.4 R1 LAN3 222.1.5.1 222.1.6.1 222.1.3.3 222.1.3. 222.1.2.1 N3 222.1.6. LAN2 222.1.2. N2 222.1.5. 222.1.5.2 222.1.6.2 222.1.3.1 R3 N1 222.1.4. R2 222.1.2.5 222.1.2.2 222.1.3.2 222.1.4.2 222.1.4.1 B 222.1.2.4 222.1.2.3 互联网

图中的网络号就是 IP 地址中的 net-id 在同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址中的网络号必须是一样的。 图中的网络号就是 IP 地址中的 net-id 222.1.1.1 222.1.1.2 222.1.1.3 LAN1 222.1.1. 222.1.1.4 R1 LAN3 222.1.5.1 222.1.6.1 222.1.3.3 222.1.3. 222.1.2.1 N3 222.1.6. LAN2 222.1.2. N2 222.1.5. 222.1.5.2 222.1.6.2 222.1.3.1 R3 N1 222.1.4. R2 222.1.2.5 222.1.2.2 222.1.3.2 222.1.4.2 222.1.4.1 B 222.1.2.4 222.1.2.3 互联网

图中的网络号就是 IP 地址中的 net-id 222.1.1.1 222.1.1.2 222.1.1.3 LAN1 222.1.1. 222.1.1.4 R1 LAN3 222.1.5.1 在同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址中的网络号必须是一样的。 图中的网络号就是 IP 地址中的 net-id 222.1.6.1 222.1.3.3 222.1.3. 222.1.2.1 N3 222.1.6. LAN2 222.1.2. N2 222.1.5. 222.1.5.2 222.1.6.2 222.1.3.1 R3 N1 222.1.4. R2 222.1.2.5 222.1.2.2 222.1.3.2 222.1.4.2 222.1.4.1 B 222.1.2.4 222.1.2.3 互联网

图中的网络号就是 IP 地址中的 net-id 在同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址中的网络号必须是一样的。 图中的网络号就是 IP 地址中的 net-id 222.1.1.1 222.1.1.2 222.1.1.3 LAN1 222.1.1. 222.1.1.4 R1 LAN3 222.1.5.1 222.1.6.1 222.1.3.3 222.1.3. 222.1.2.1 N3 222.1.6. LAN2 222.1.2. N2 222.1.5. 222.1.5.2 222.1.6.2 222.1.3.1 R3 N1 222.1.4. R2 222.1.2.5 222.1.2.2 222.1.3.2 222.1.4.2 222.1.4.1 B 222.1.2.4 222.1.2.3 互联网

路由器总是具有两个或两个以上的 IP 地址。 路由器的每一个接口都有一个 不同网络号的 IP 地址。 222.1.1.1 222.1.1.2 222.1.1.3 LAN1 222.1.1. 222.1.1.4 R1 LAN3 222.1.5.1 222.1.6.1 222.1.3.3 222.1.3. 222.1.2.1 N3 222.1.6. LAN2 222.1.2. N2 222.1.5. 222.1.5.2 222.1.6.2 222.1.3.1 R3 N1 222.1.4. R2 222.1.2.5 222.1.2.2 222.1.3.2 222.1.4.2 222.1.4.1 B 222.1.2.4 222.1.2.3 互联网

路由器总是具有两个或两个以上的 IP 地址。 路由器的每一个接口都有一个 不同网络号的 IP 地址。 222.1.1.1 222.1.1.2 222.1.1.3 LAN1 222.1.1. 222.1.1.4 R1 LAN3 222.1.5.1 222.1.6.1 222.1.3.3 222.1.3. 222.1.2.1 N3 222.1.6. LAN2 222.1.2. N2 222.1.5. 222.1.5.2 222.1.6.2 222.1.3.1 R3 N1 222.1.4. R2 222.1.2.5 222.1.2.2 222.1.3.2 222.1.4.2 222.1.4.1 B 222.1.2.4 222.1.2.3 互联网

路由器总是具有两个或两个以上的 IP 地址。 路由器的每一个接口都有一个 不同网络号的 IP 地址。 222.1.1.1 222.1.1.2 222.1.1.3 LAN1 222.1.1. 222.1.1.4 R1 LAN3 222.1.5.1 222.1.6.1 222.1.3.3 222.1.3. 222.1.2.1 N3 222.1.6. LAN2 222.1.2. N2 222.1.5. 222.1.5.2 222.1.6.2 222.1.3.1 R3 N1 222.1.4. R2 222.1.2.5 222.1.2.2 222.1.3.2 222.1.4.2 222.1.4.1 B 222.1.2.4 222.1.2.3 互联网

互联网中的 IP 地址 两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明 IP 地址。如指明 IP 地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络” 。现在常不指明 IP 地址。 222.1.1.1 222.1.1.2 222.1.1.3 LAN1 222.1.1. 222.1.1.4 R1 LAN3 222.1.5.1 222.1.6.1 222.1.3.3 222.1.3. 222.1.2.1 N3 222.1.6. LAN2 222.1.2. N2 222.1.5. 222.1.5.2 222.1.6.2 222.1.3.1 R3 N1 222.1.4. R2 222.1.2.5 222.1.2.2 222.1.3.2 222.1.4.2 222.1.4.1 B 222.1.2.4 222.1.2.3 互联网

IP 地址与硬件地址 首部 应用层数据 网络层及以上 使用 IP 地址 IP 地址 TCP 报文 首部 链路层及以下 使用硬件地址 硬件地址 尾部 MAC 帧

查找路由表 查找路由表 查找路由表 通信的路径 H1→经过 R1 转发→再经过 R2 转发→H2 主机 H1 主机 H1 主机 H1 IP1 硬件地址 IP2 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R2 路由器 R2 路由器 R2 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 局域网 局域网 局域网 通信的路径 H1→经过 R1 转发→再经过 R2 转发→H2

从协议栈的层次上看数据的流动 IP 层上的互联网 主机 H1 主机 H1 主机 H1 主机 H1 主机 H2 主机 H2 IP1 硬件地址 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R2 路由器 R2 路由器 R2 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 局域网 局域网 局域网 主机 H1 主机 H2 IP 数据报 路由器 R1 路由器 R2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 IP2 IP3 IP4 IP5 IP6 IP 层上的互联网 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 从 HA1 到 HA3 从 HA4 到 HA5 从 HA6 到 HA2 MAC 帧 MAC 帧 MAC 帧

从虚拟的 IP 层上看 IP 数据报的流动 IP 层上的互联网 主机 H1 主机 H1 主机 H1 主机 H1 主机 H2 主机 H2 硬件地址 IP2 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R2 路由器 R2 路由器 R2 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 局域网 局域网 局域网 主机 H1 主机 H2 IP 数据报 路由器 R1 路由器 R2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 IP2 IP3 IP4 IP5 IP6 IP 层上的互联网 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 从 HA1 到 HA3 从 HA4 到 HA5 从 HA6 到 HA2 MAC 帧 MAC 帧 MAC 帧

在链路上看 MAC 帧的流动 在链路上看 MAC 帧的流动 IP 层上的互联网 主机 H1 主机 H1 主机 H1 主机 H1 主机 H1 硬件地址 IP2 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R1 路由器 R2 路由器 R2 路由器 R2 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 局域网 局域网 局域网 主机 H1 主机 H2 IP 数据报 路由器 R1 路由器 R2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 IP2 IP3 IP4 IP5 IP6 IP 层上的互联网 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 从 HA1 到 HA3 从 HA4 到 HA5 从 HA6 到 HA2 MAC 帧 MAC 帧 MAC 帧

在 IP 层抽象的互联网上只能看到 IP 数据报 图中的 IP1→IP2 表示从源地址 IP1 到目的地址 IP2 主机 H1 主机 H2 IP 数据报 路由器 R1 路由器 R2 IP1 → IP2 IP1 IP2 IP3 IP4 IP5 IP6 IP 层上的互联网 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 从 HA1 到 HA3 从 HA4 到 HA5 从 HA6 到 HA2 MAC 帧 MAC 帧 MAC 帧

路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择 主机 H1 主机 H2 IP 数据报 路由器 R1 路由器 R2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 IP2 IP3 IP4 IP5 IP6 IP 层上的互联网 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 从 HA1 到 HA3 从 HA4 到 HA5 从 HA6 到 HA2 MAC 帧 MAC 帧 MAC 帧

在具体的物理网络的链路层 只能看见 MAC 帧而看不见 IP 数据报 IP 层上的互联网 主机 H1 主机 H2 IP 数据报 路由器 R1 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 MAC 帧 从 HA1 到 HA3 从 HA4 到 HA5 从 HA6 到 HA2

IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节 在抽象的网络层上讨论问题，就能够使用 统一的、抽象的 IP 地址 研究主机和主机或主机和路由器之间的通信 主机 H1 主机 H2 IP 数据报 路由器 R1 路由器 R2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 → IP2 IP1 IP2 IP3 IP4 IP5 IP6 IP 层上的互联网 HA1 HA3 HA4 HA5 HA6 HA2 MAC 帧 从 HA1 到 HA3 从 HA4 到 HA5 从 HA6 到 HA2

地址解析协议 ARP 和 逆地址解析协议 RARP 不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。 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。 当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。

主机 A 广播发送 ARP 请求分组 主机 B 向 A 发送 ARP 响应分组 我是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18 我想知道主机 209.0.0.6 的硬件地址 ARP 请求 ARP 请求 ARP 请求 ARP 请求 209.0.0.6 209.0.0.5 X Y Z A B 00-00-C0-15-AD-18 主机 B 向 A 发送 ARP 响应分组 我是 209.0.0.6 硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0A ARP 响应 209.0.0.6 209.0.0.5 X Y Z A B 00-00-C0-15-AD-18 08-00-2B-00-EE-0A

ARP 高速缓存的作用 为了减少网络上的通信量，主机 A 在发送其 ARP 请求分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。 当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时，就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B 自己的 ARP 高速缓存中。这对主机 B 以后向 A 发送数据报时就更方便了。

应当注意的问题 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。

应当注意的问题 从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。 只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信，ARP 协议就会自动地将该 IP 地址解析为链路层所需要的硬件地址。

什么我们不直接 使用硬件地址进行通信？ 由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事。 连接到因特网的主机都拥有统一的 IP 地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，因为调用 ARP 来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的。

逆地址解析协议 RARP 逆地址解析协议 RARP 使只知道自己硬件地址的主机能够知道其 IP 地址。

IP 数据报的格式 一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成。 首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。 在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 首 部 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 传送 首 部 数 据 部 分 IP 数据报

比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 固 定 部 分 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 传送 首 部 数 据 部 分 IP 数据报

比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 传送 首 部 数 据 部 分 IP 数据报

版本——占 4 bit，指IP协议的版本 目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4) 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版本——占 4 bit，指IP协议的版本 目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4) 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分

最小值为5，最小首部长度为5个单位（一个单位为4字节） 可表示的最大数值是 15 个单位 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 首部长度——占 4 bit， 最小值为5，最小首部长度为5个单位（一个单位为4字节） 可表示的最大数值是 15 个单位 因此 IP 的首部长度的最小值是20字节，最大值是60字节。

服务类型——占 8 bit，用来获得更好的服务 这个字段很少被用到，定义已改变。 前六位成为差异服务字段；后两位用于显示阻塞通知 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 服务类型——占 8 bit，用来获得更好的服务 这个字段很少被用到，定义已改变。 前六位成为差异服务字段；后两位用于显示阻塞通知

总长度——占 16 bit，指首部和数据之和的长度， 单位为字节，因此数据报的最大长度为 65535 字节。 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 总长度——占 16 bit，指首部和数据之和的长度， 单位为字节，因此数据报的最大长度为 65535 字节。 总长度必须不超过最大传送单元 MTU，以太网1500字节。

标识(identification) 占 16 bit， 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 标识(identification) 占 16 bit， 它是一个计数器，用来产生数据报的标识。

标志，占 3 bit，已定义2bit，用于数据的分片和重装 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 标志，占 3 bit，已定义2bit，用于数据的分片和重装

片偏移(13 bit)指出：较长的分组在分片后 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 片偏移(13 bit)指出：较长的分组在分片后 某片在原分组中的相对位置。 片偏移以 8 个字节为偏移单位。

IP 数据报分片的举例 数据部分共 3800 字节 需分片的 数据报 偏移 = 0/8 = 0 首部 字节 0 1400 2800 3799 首部 1 首部 2 首部 3 字节 0 1399 1400 2799 2800 3799 数据报片 1 数据报片 2 数据报片 3 偏移 = 0/8 = 0 偏移 = 1400/8 = 175 偏移 = 2800/8 = 350

生存时间(8 bit)记为 TTL (Time To Live) 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 生存时间(8 bit)记为 TTL (Time To Live) 数据报在网络中的寿命，其单位为秒。

协议(8 bit)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议 以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 协议(8 bit)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议 以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程

运输层 TCP UDP ICMP IGMP OSPF 网络层 首部 数 据 部 分 协议字段指出应将数据 部分交给哪一个进程 IP 数据报

首部检验和(16 bit)字段只检验数据报的首部 不包括数据部分。 这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 首部检验和(16 bit)字段只检验数据报的首部 不包括数据部分。 这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。

源地址和目的地址都各占 4 字节 比特 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 4 8 16 19 24 31 版 本 首部长度 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 片 偏 移 首 部 生 存 时 间 协 议 首 部 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 可 选 字 段 （长 度 可 变） 填 充 数 据 部 分 源地址和目的地址都各占 4 字节

IP 数据报首部的可变部分 IP 首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。 选项字段的长度可变，从 1 个字节到 40 个字节不等，取决于所选择的项目。 增加首部的可变部分是为了增加 IP 数据报的功能，但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。 实际上这些选项很少被使用。

IP 层转发分组的流程 路由器和结点交换机有些区别： 路由器是用来连接不同的网络，而结点交换机只是在一个特定的网络中工作。 路由器是专门用来转发分组的，而结点交换机还可接上许多个主机。 路由器使用统一的 IP 协议，而结点交换机使用所在广域网的特定协议。 路由器根据目的网络地址找出下一个路由器，而结点交换机则根据目的站所接入的交换机号找出下一跳（即下一个结点交换机）。

在路由表中，对每一条路由，最主要的是 （目的网络地址，下一跳地址） 路由器 R2 的路由表 10.0.0.4 20.0.0.7 20.0.0.9 30.0.0.2 30.0.0.1 40.0.0.4 R1 R2 R3 网 1 10.0.0.0 网 2 20.0.0.0 网 3 30.0.0.0 网 4 40.0.0.0 1 路由器 R2 的路由表 目的主机所在的网络 下一跳路由器的地址 20.0.0.0 直接交付，接口 0 30.0.0.0 直接交付，接口 1 10.0.0.0 20.0.0.7 40.0.0.0 30.0.0.1 10.0.0.4 20.0.0.7 20.0.0.9 30.0.0.2 30.0.0.1 40.0.0.4 R1 R2 R3 链路 1 链路 2 链路 3 链路 4

特定主机路由 这种路由是为特定的目的主机指明一个路由。 采用特定主机路由可使网络管理人员能更方便地控制网络和测试网络，同时也可在需要考虑某种安全问题时采用这种特定主机路由。

分组转发算法 (1) 从数据报的首部提取目的站的 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，则直接将数据报交付给目的站 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，则将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，则将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，则将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。

必须强调指出 IP 数据报的首部中没有地方可以用来指明“下一跳路由器的 IP 地址”。 网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。

划分子网 1. 从两级 IP 地址到三级 IP 地址 在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不够合理。 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。

三级的 IP 地址 从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。 这种做法叫作划分子网(subnetting) 。划分子网已成为因特网的正式标准协议。

划分子网的基本思路 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。 从主机号借用若干个比特作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个比特。 IP地址 ::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>} (6-2)

划分子网的基本思路（续） 凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。 然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。 最后就将 IP 数据报直接交付给目的主机。

网络 145.13.0.0 一个未划分子网的 B 类网络145.13.0.0 … … … 我的网络地址 是 145.13.0.0 145.13.3.101 145.13.3.11 … 145.13.7.34 R2 145.13.3.10 145.13.7.35 网络 145.13.0.0 R1 … R3 145.13.7.56 … 所有到网络 145.13.0.0的分组均到达此路由器 145.13.21.23 145.13.21.8 145.13.21.9

网络 145.13.0.0 划分为三个子网后对外仍是一个网络 所有到达网络 145.13.0.0 的分组均到达 此路由器 145.13.3.101 145.13.3.11 145.13.7.34 145.13.3.10 … 145.13.7.35 R2 子网 145.13.3.0 子网 145.13.7.0 … 145.13.7.56 R1 R3 子网 145.13.21.0 … 145.13.21.23 网络 145.13.0.0 145.13.21.9 145.13.21.8

划分子网后变成了三级结构 当没有划分子网时，IP 地址是两级结构，地址的网络号字段也就是 IP 地址的“因特网部分”，而主机号字段是 IP 地址的“本地部分”。 划分子网后 IP 地址就变成了三级结构。划分子网只是将 IP 地址的本地部分进行再划分，而不改变 IP 地址的因特网部分。

子网掩码 从一个 I P数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网的划分。 使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。

IP 地址的各字段和子网掩码 因特网部分 本地部分 两级 IP 地址 网络号 net-id 主机号 host-id 因特网部分 本地部分 subnet-id 子网号 host-id 网络号 主机号 子网掩码 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 划分子网时 的网络地址 net-id subnet-id host-id 为全 0

(IP 地址) AND (子网掩码) = 网络地址 因特网部分 本地部分 两级 IP 地址 网络号 net-id 主机号 host-id 因特网部分 本地部分 三级 IP 地址 net-id host-id subnet-id AND 网络号 子网号 主机号 子网掩码 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 划分子网时 的网络地址 net-id subnet-id host-id 为全 0

A 类、B 类和 C 类 IP 地址的默认子网掩码 A 类 地 址 网络地址 net-id host-id 为全 0 默认子网掩码 255.0.0.0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B 类 地 址 网络地址 net-id host-id 为全 0 默认子网掩码 255.255.0.0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 C 类 地 址 网络地址 net-id host-id 为全 0 默认子网掩码 255.255.255.0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

使用子网掩码的分组转发过程 在不划分子网的两级 IP 地址下，从 IP 地址得出网络地址是个很简单的事。 但在划分子网的情况下，从IP地址却不能惟一地得出网络地址来，这是因为网络地址取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息。 因此分组转发的算法也必须做相应的改动。

划分子网后分组的转发举例 R1 的路由表（未给出默认路由器） 子网2：网络地址 128.30.33.128 128.30.33.13 目的网络地址 子网掩码 下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 H1 128.30.33.1 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 1 128.30.33.129 H2 128.30.33.138 R2 1 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 H3 128.30.36.12

请注意：H1 并不知道 H2 连接在哪一个网络上。 H1 仅仅知道 H2 的 IP 地址是 128.30.33.138 R1 的路由表（未给出默认路由器） 128.30.33.13 目的网络地址 子网掩码 下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 H1 128.30.33.1 R1 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 1 128.30.33.129 128.30.33.138 R2 H2 请注意：H1 并不知道 H2 连接在哪一个网络上。 H1 仅仅知道 H2 的 IP 地址是 128.30.33.138 因此 H1 首先检查主机 128.30.33.138 是否连接在本网络上 如果是，则直接交付； 否则，就送交路由器 R1，并逐项查找路由表。 1 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 H3 128.30.36.12

主机 H1 首先将 本子网的子网掩码 255. 255. 255. 128 与分组的 IP 地址 128. 30. 33 主机 H1 首先将 本子网的子网掩码 255.255.255.128 与分组的 IP 地址 128.30.33.138 逐比特相“与”(AND 操作) R1 的路由表（未给出默认路由器） 255.255.255.128 AND 128.30.33.138 的计算 128.30.33.13 H1 目的网络地址 子网掩码 下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 255 就是二进制的全 1，因此 255 AND xyz = xyz， 这里只需计算最后的 128 AND 138 即可。 128.30.33.1 R1 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 128 → 10000000 138 → 10001010 128.30.33.130 1 128.30.33.129 H2 逐比特 AND 操作后：10000000 → 128 128.30.33.138 R2 1 128.30.36.2 255.255.255.128 128. 30. 33.138 128. 30. 33.128 逐比特 AND 操作 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0  H1 的网络地址 H3 128.30.36.12

因此 H1 必须把分组传送到路由器 R1 然后逐项查找路由表 128.30.33.13 目的网络地址 子网掩码 下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 H1 128.30.33.1 R1 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 1 128.30.33.129 H2 128.30.33.138 R2 1 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 H3 128.30.36.12

路由器 R1 收到分组后就用路由表中第 1 个项目的 子网掩码和 128.30.33.138 逐比特 AND 操作 R1 收到的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138 R1 的路由表（未给出默认路由器） 128.30.33.13 目的网络地址 子网掩码 下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 H1 128.30.33.1 R1 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 不一致 128.30.33.130 1 128.30.33.129 R2 H2 128.30.33.138 255.255.255.128 AND 128.30.33.138 = 128.30.33.128 不匹配! （因为128.30.33.128 与路由表中的 128.30.33.0 不一致） 1 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 H3 128.30.36.12

路由器 R1 再用路由表中第 2 个项目的 子网掩码和 128.30.33.138 逐比特 AND 操作 R1 收到的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138 R1 的路由表（未给出默认路由器） 128.30.33.13 目的网络地址 子网掩码 下一跳 128.30.33.0 128.30.33.128 128.30.36.0 255.255.255.128 255.255.255.0 接口 0 接口 1 R2 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 H1 一致! 128.30.33.1 R1 子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.130 1 128.30.33.129 128.30.33.138 R2 H2 255.255.255.128 AND 128.30.33.138 = 128.30.33.128 匹配! 这表明子网 2 就是收到的分组所要寻找的目的网络 1 128.30.36.2 子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0 H3 128.30.36.12

(1) 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。 (2) 先用各网络的子网掩码和 D 逐比特相“与”，看是否和 在划分子网的情况下路由器转发分组的算法 (1) 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。 (2) 先用各网络的子网掩码和 D 逐比特相“与”，看是否和 相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。 否则就是间接交付，执行(3)。 (3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将 分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。 (4) 对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐比特相“与”， 若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送 给该行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，则将分组传送给路由表 中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。 (6) 报告转发分组出错。

无分类编址 CIDR--网络前缀 划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇 到的困难。然而在 1992 年因特网仍然面临三个必 须尽早解决的问题，这就是： B 类地址在 1992 年已分配了近一半，眼看就要在 1994 年 3 月全部分配完毕！ 因特网主干网上的路由表中的项目数急剧增长（从几千个增长到几万个）。 整个 IPv4 的地址空间最终将全部耗尽。

IP 编址问题的演进 1987 年，RFC 1009 就指明了在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码。使用变长子网掩码 VLSM (Variable Length Subnet Mask)可进一步提高 IP 地址资源的利用率。 在 VLSM 的基础上又进一步研究出无分类编址方法，它的正式名字是无分类域间路由选择 CIDR (Classless Inter-Domain Routing)。

CIDR 最主要的特点 CIDR 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间。 CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)来代替分类地址中的网络号和子网号。 IP 地址从三级编址（使用子网掩码）又回到了两级编址。

无分类的两级编址 无分类的两级编址的记法是： IP地址 ::= {<网络前缀>, <主机号>} (6-3) CIDR 还使用“斜线记法”(slash notation)，它又称为CIDR记法，即在IP地址后面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的比特数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中比特 1 的个数）。 CIDR 将网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR地址块”。

CIDR 地址块 128.14.32.0/20 表示的地址块共有 212 个地址（因为斜线后面的 20 是网络前缀的比特数，所以主机号的比特数是 12）。 这个地址块的起始地址是 128.14.32.0。 在不需要指出地址块的起始地址时，也可将这样的地址块简称为“/20 地址块”。 128.14.32.0/20 地址块的最小地址：128.14.32.0 128.14.32.0/20 地址块的最大地址：128.14.47.255 全 0 和全 1 的主机号地址一般不使用。

128.14.32.0/20 表示的地址（212 个地址） 最小地址 10000000 00001110 00100000 00000000 10000000 00001110 00100000 00000001 10000000 00001110 00100000 00000010 10000000 00001110 00100000 00000011 10000000 00001110 00100000 00000100 10000000 00001110 00100000 00000101 10000000 00001110 00101111 11111011 10000000 00001110 00101111 11111100 10000000 00001110 00101111 11111101 10000000 00001110 00101111 11111110 10000000 00001110 00101111 11111111 所有地址 的 20 bit 前缀都是 一样的   最大地址

路由聚合(route aggregation) 一个 CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合，它使得路由表中的一个项目可以表示很多个（例如上千个）原来传统分类地址的路由。 路由聚合也称为构成超网(supernetting)。 CIDR 虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词（但不叫子网掩码）。 对于 /20 地址块，它的掩码是 20 个连续的 1。 斜线记法中的数字就是掩码中1的个数。

CIDR 记法的其他形式 10.0.0.0/10 可简写为 10/10，也就是将点分十进制中低位连续的 0 省略。 10.0.0.0/10 隐含地指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是 255.192.0.0。此掩码可表示为 11111111 11000000 00000000 00000000 掩码中有 10 个连续的 1 255 192

CIDR 记法的其他形式 10.0.0.0/10 可简写为 10/10，也就是将点分十进制中低位连续的 0 省略。 10.0.0.0/10 相当于指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是 255.192.0.0，即 11111111 11000000 00000000 00000000 网络前缀的后面加一个星号 * 的表示方法 如 00001010 00*，在星号 * 之前是网络前缀，而星号 * 表示 IP 地址中的主机号

构成超网 前缀长度不超过 23 bit 的 CIDR 地址块都包含了多个 C 类地址。 这些 C 类地址合起来就构成了超网。 网络前缀越短，其地址块所包含的地址数就越多。而在三级结构的IP地址中，划分子网是使网络前缀变长。

CIDR 地址块划分举例 ISP 大学 X 因特网 三系 四系 二系 一系 206.0.64.0/18 206.0.68.0/22 206.0.68.0/23 206.0.70.0/24 206.0.71.0/25 206.0.71.128/25 206.0.68.0/25 206.0.68.128/25 206.0.69.0/25 206.0.69.128/25 206.0.70.0/26 206.0.70.64/26 206.0.70.128/26 206.0.70.192/26 206.0.71.0/26 206.0.71.64/26 206.0.71.128/26 206.0.71.192/26 三系 四系 二系 一系 单位 地址块 二进制表示 地址数 ISP 206.0.64.0/18 11001110.00000000.01* 16384 大学 206.0.68.0/22 11001110.00000000.010001* 1024 一系 206.0.68.0/23 11001110.00000000.0100010* 512 二系 206.0.70.0/24 11001110.00000000.01000110.* 256 三系 206.0.71.0/25 11001110.00000000.01000111.0* 128 四系 206.0.71.128/25 11001110.00000000.01000111.1* 128

CIDR 地址块划分举例 ISP 大学 X 206.0.64.0/18 因特网 206.0.68.0/22 206.0.68.0/23 206.0.70.0/24 206.0.71.0/25 206.0.71.128/25 206.0.68.0/25 206.0.68.128/25 206.0.69.0/25 206.0.69.128/25 206.0.70.0/26 206.0.70.64/26 206.0.70.128/26 206.0.70.192/26 206.0.71.0/26 206.0.71.64/26 206.0.71.128/26 206.0.71.192/26 三系 四系 二系 一系 这个 ISP 共有 64 个 C 类网络。如果不采用 CIDR 技术，则在与该 ISP 的路由器交换路由信息的每一个路由器的路由表中，就需要有 64 个项目。但采用地址聚合后，只需用路由聚合后的 1 个项目 206.0.64.0/18 就能找到该 ISP。

最长前缀匹配 使用 CIDR 时，路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果。 应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由：最长前缀匹配(longest-prefix matching)。 网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体。 最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。

最长前缀匹配举例 收到的分组的目的地址 D = 206.0.68.0/22 路由表中的项目：206.0.68.0/22 （ISP） 206.0.71.128/25 （四系） 查找路由表中的第 1 个项目 第 1 个项目 206.0.68.0/22 的掩码 M 有 22 个连续的 1。 M = 11111111 11111111 11111100 00000000 因此只需把 D 的第 3 个字节转换成二进制。 M = 11111111 11111111 11111100 00000000 AND D = 206. 0. 01000100. 0 206. 0. 01000100. 0 与 206.0.68.0/22 匹配

最长前缀匹配举例 收到的分组的目的地址 D = 206.0.68.0/22 路由表中的项目：206.0.68.0/22 （ISP） 206.0.71.128/25 （四系） 再查找路由表中的第 2 个项目 第 2 个项目 206.0.71.128/25 的掩码 M 有 25 个连续的 1。 M = 11111111 11111111 11111111 10000000 因此只需把 D 的第 4 个字节转换成二进制。 M = 11111111 11111111 11111111 10000000 AND D = 206. 0. 71. 10000000 206. 0. 71. 10000000 与 206.0.71.128/25 匹配

最长前缀匹配举例 D AND (11111111 11111111 11111100 00000000) = 206.0.68.0/22 匹配 D AND (11111111 11111111 11111111 10000000) = 206.0.71.128/25 匹配 选择两个匹配的地址中更具体的一个，即选择最长前缀的地址。

因特网控制报文协议 ICMP 为了提高 IP 数据报交付成功的机会，在网际层使用了因特网控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)。 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 不是高层协议，而是 IP 层的协议。 ICMP 报文作为 IP 层数据报的数据，加上数据报的首部，组成 IP 数据报发送出去。

ICMP 报文的格式 8 16 31 前 4 个字节 都是一样的 类型 代码 检验和 （这 4 个字节取决于 ICMP 报文的类型） 8 16 31 前 4 个字节 都是一样的 类型 代码 检验和 （这 4 个字节取决于 ICMP 报文的类型） ICMP 的数据部分（长度取决于类型） ICMP 报文 首 部 数 据 部 分 IP 数据报

ICMP 报文 ICMP 报文的种类有两种，即 ICMP 差错报告报文和 ICMP 询问报文。

ICMP 差错报告报文共有 5 种 终点不可达 源站抑制 时间超过 参数问题 改变路由（重定向）

ICMP 差错报告报文的数据字段的内容 IP 数据报的数据字段 收到的 IP 数据报 IP 数据报 首部 8 字节 ICMP 的 前 8 字节 IP 数据报 首部 8 字节 ICMP 差错报告报文 首部 ICMP 差错报告报文 装入 ICMP 报文的 IP 数据报 IP 数据报

不应发送 ICMP 差错报告报文的几种情况 对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文。

ICMP 询问报文有四种 回送请求和回答报文 时间戳请求和回答报文 掩码地址请求和回答报文 路由器询问和通告报文

PING (Packet InterNet Groper) PING 使用了 ICMP 回送请求与回送回答报文。 PING 是应用层直接使用网络层 ICMP 的例子，它没有通过运输层的 TCP 或UDP。

作业： 18.5 18.8 152

THE END Q & A