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计算机网络

计算机网络. 王占全 Zhqwang@ecust.edu.cn. 第6章 网络层. 本章学习要求 ：. 网络层与网络互联的基本概念 IP 地址及子网编址的基本方法 IP 协议初步 IP 分组的交付与路由选择的概念 Internet 路由选择协议的概念 IP 协议的基本内容 地址解析的基本概念与方法 路由器与第三层交换的基本概念 Internet 控制报文协议与组管理协议. 6.1 网络层与网络互联的基本概念. 6.1.1 网络层中基本功能 网络层主要任务 ： 通过路由选择算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径；

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  1. 计算机网络 王占全 Zhqwang@ecust.edu.cn

  2. 第6章 网络层

  3. 本章学习要求： • 网络层与网络互联的基本概念 • IP地址及子网编址的基本方法 • IP协议初步 • IP分组的交付与路由选择的概念 • Internet路由选择协议的概念 • IP协议的基本内容 • 地址解析的基本概念与方法 • 路由器与第三层交换的基本概念 • Internet控制报文协议与组管理协议

  4. 6.1 网络层与网络互联的基本概念 6.1.1 网络层中基本功能 网络层主要任务： • 通过路由选择算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径； • 网络层使用数据链路层的服务，实现路由选择、拥塞控制与网络互联等基本功能，向传输层的端一端传输连接提供服务。

  5. 6.1.2 网络互联基本概念 • 互联网络：利用交换机、路由器等互联设备将两个及两个以上的物 理网络相互连接起来 构成的系统。

  6. 基本概念续

  7. 网络差异性 • 1 不同类型的网络（WAN,LAN,MAN） • 2 使用不同类型数据链路层协议 • 3 不通的计算机系统（大型机，小型机等） • 4 使用不同的操作系统等

  8. 6.1.3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) TCP, UDP 运输层 ICMP IGMP 网际层 IP RARP ARP 与各种网络接口 网络接口层 物理硬件

  9. 6.2 IP地址 6.2.1 IP地址的基本概念 • 大型的互连网络中需要有一个全局的地址系统，它能够给每一台主机或路由器的网络连接分配一个全局惟一的地址； • TCP/IP协议的网络层使用的地址标识符叫做IP地址； • IP v.4中IP地址是一个32位的二进制地址； • 网络中的每一个主机或路由器至少有一个IP地址； • 在Internet中不允许有两个设备具有同样的IP地址； • 如果一台主机或路由器连接到两个或多个物理网络，那么它可以拥有两个或多个IP地址。

  10. 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地址处理方法演变过程发展

  11. IP地址处理方法演变的过程

  12. 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。这是无分类编址方法。1993 年提出后很快就得到推广应用。

  13. 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>} ::= 代表“定义为”

  14. IP在现实中的例子 • 发送分组的主机 — 源主机 源IP地址 • 接收分组的主机 — 目的主机 目的IP地址

  15. 6.2.2 IP地址的分类 • IP地址长度为32位，点分十进制（dotted decimal）地址； • 采用x.x.x.x的格式来表示，每个x为8位，每个x的值为0～255（例如 202.113.29.119）； • 根据不同的取值范围，IP地址可以分为五类； • IP地址中的前5位用于标识IP地址的类别： A类地址的第一位为0； B类地址的前两位为10； C类地址的前三位为110； D类地址的前四位为1110； E类地址的前五位为11110；

  16. 机器中存放的 IP 地址 是 32 bit 二进制代码 10000000000010110000001100011111 每隔 8 bit 插入一个空格 能够提高可读性 10000000 00001011 00000011 00011111 点分十进制记法 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

  17. A类IP地址

  18. host-id 8 bit IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0 A 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit • A类IP地址的网络号长度为8位，主机号长度为24位； • A类地址是从：1.0.0.0～127.255.255.255； • 根据网络号长度，从理论上可以有27=128个网络； • 网络号为全0和全1（用十进制表示为0与127）的两个地址保留用于特殊目的，实际允许有126个不同的A类网络； • 由于主机号长度为24位，因此每个A类网络的主机IP数理论上为224=16 777 216； • 主机IP为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的，实际允许连接16 777 214个主机； • A类IP地址结构适用于有大量主机的大型网络。 1 0 B 类地址 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 0 net-id 24 bit A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节 A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节 1110 D 类地址 多 播 地 址 11110 E 类地址 保 留 为 今 后 使 用

  19. B类IP地址

  20. host-id 8 bit IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0 A 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit • B类IP地址的网络IP长度为16位，主机IP长度为16位； • B类IP地址是从：128.0.0.0～191.255.255.255； • 根据网络IP长度，因此允许有214=16384个不同的B类网络，实际允许连接16382个网络； • 由于主机IP长度为16位，因此每个B类网络可以有216=65536个主机或路由器，实际一个B类IP地址允许连接65534个主机或路由器； • B类IP地址适用于一些国际性大公司与政府机构等中等大小的组织使用。 1 0 B 类地址 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 0 net-id 24 bit B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节 B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节 1110 D 类地址 多 播 地 址 11110 E 类地址 保 留 为 今 后 使 用

  21. C类IP地址

  22. host-id 8 bit IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0 A 类地址 net-id 8 bit host-id 24 bit • C类IP地址的网络号长度为24位，主机号长度为8位； • C类IP地址是从：192.0.0.0～223.255.255.255； • 根据网络号长度，因此允许有221=2097152个不同的C类网络； • 主机号长度为8位，每个C类网络的主机地址数最多为28=256个，实际允许连接254个主机或路由器； • C类IP地址适用于一些小公司与普通的研究机构。 1 0 B 类地址 net-id 16 bit host-id 16 bit C 类地址 1 1 0 net-id 24 bit C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节 C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节 1110 D 类地址 多 播 地 址 11110 E 类地址 保 留 为 今 后 使 用

  23. D类和E类IP地址 • D类IP地址不标识网络; 地址范围：224.0.0.0～239.255.255.255 用于其他特殊的用途，如多播地址Multicasting； • E类IP地址暂时保留； 地址范围：240.0.0.0～255.255.255.255； 用于某些实验和将来使用。

  24. host-id 8 bit • D类IP地址不标识网络; • 地址范围：224.0.0.0～239.255.255.255 • 用于其他特殊的用途，如多播地址Multicasting； IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0 A 类地址 • E类IP地址暂时保留； • 地址范围：240.0.0.0～255.255.255.255； • 用于某些实验和将来使用。 net-id 8 bit host-id 24 bit 1 0 B 类地址 net-id 16 bit host-id 16 bit D 类地址是多播地址 E 类地址保留为今后使用 C 类地址 1 1 0 net-id 24 bit 1110 D 类地址 多 播 地 址 11110 E 类地址 保 留 为 今 后 使 用

  25. 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

  26. 6.2.3 特殊IP地址形式 • 直接广播地址 • 受限广播地址 • “这个网络上的特定主机”地址 • 回送地址

  27. 1.直接广播地址 • A类、B类与C类IP地址中主机号全1的地址为直接广播地址; • 用来使路由器将一个分组以广播方式发送给特定网络上的所有主机; • 只能作为分组中的目的地址; • 物理网络采用的是点-点传输方式，分组广播需要通过软件来实现。

  28. 2.受限广播地址 • 网络号与主机号的32位全为1的地址为受限广播地址; • 用来将一个分组以广播方式发送给本网的所有主机; • 分组将被本网的所有主机接受该分组，路由器则阻挡该分组通过。

  29. 3.“这个网络上的特定主机”地址 • 主机或路由器向本网络上的某个特定的主机发送分组； • 网络号部分为全0，主机号为确定的值； • 这样的分组被限制在本网络内部。

  30. 4.回送地址 • 回送地址是用于网络软件测试和本地进程间通信； • TCP/IP协议规定： 含网络号为127的分组不能出现在任何网络上； 主机和路由器不能为该地址广播任何寻址信息。

  31. 6.2.3网络接口与IP地址的关系 连接到Internet的每一台主机或路由器至少有一个IP地址； 连接到Internet的任何两台主机或路由器不能使用相同IP地址； IP地址是与网络接口相关联的，如果一台主机或路由器分别连接到两个或更多的网络上，那么它必须有两个或更多的IP地址

  32. 6.3 子网和超网的基本概念 6.3.1 为什么要研究子网和超网 • IP地址的有效利用率问题 • 路由器的工作效率问题 • 子网（subnet） 将一个大的网络划分成几个较小的网络，而每一个网络都有其自己的子网地址； • 超网（supernet） 将一个组织所属的几个C类网络合并成为一个更大地址范围的逻辑网络。

  33. 6.3.2子网掩码与子网地址空间的划分方法 1.子网与IP地址的三级层次结构

  34. 划分为3个子网的结构

  35. 三级层次的IP地址是：网络号. 子网号. 主机号； • 第一级网络号定义了网点的位置； • 第二级子网号定义了物理子网； • 第三级主机号定义了主机和路由器到物理网络的连接； • 三级层次的IP地址，一个IP分组的路由选择的过程为三步：第一步转发给网点，第二步转发给物理子网，第三步转发给主机。

  36. 子网掩码的概念 • 子网掩码表示方法：网络号与子网号置1，主机号置0 • 子网掩码两种表示方法：P202。

  37. 对于子网掩码需要注意： • 在进行子网划分后，子网号的位数不一定是8位的整数倍。它可更具需要来选择。 • 与标准的IP地址相同，为了预留下子网与子网广播地址，子网号与主机号不允许是全1或全0。主机号为全0，用来表示子网地址；主机号为全1，用来表示子网广播地址 • IP协议标准规定允许子网掩码的0和1不一定要连续。但是，在实际情况下，子网掩码的0和1不连续，会给IP地址分配与理解路由选择表带来一定的困难，因此建议不用。

  38. 关系换算 • IP地址、网络地址、子网掩码的关系以及换算。 知道IP地址、子网掩码换算网络地址？

  39. 3.掩码运算 • 二进制的IP地址与掩码按位进行“与” 运算的过程

  40. 子网掩码运算

  41. 如何根据主机的IP地址判断是否属于同一个子网如何根据主机的IP地址判断是否属于同一个子网 • 在划分子网的情况下，判断两台主机是不是在同一个子网中，看它们的网络号与子网地址是不是相同。 实例： • 主机1的IP地址为156.26.27.71 • 主机2的IP地址为156.26.27.110 • 子网掩码为255.255.255.192 • 判断它们是不是在同一个子网上。

  42. 主机1的IP地址与子网掩码做与运算： • 主机2的IP地址与子网掩码做与运算： • 结论:子网号都是 0001101101，因此它们属于同一个子网。

  43. 掩码运算 某一网络其地址是：IP:142.16.2.21,掩码：255.255.0.0 另一网络其地址是：IP:142.16.2.21,掩码：255.255.255.0 那么是否属于同一网络？ 某一网络其地址是：IP:142.16.2.21,掩码：255.255.252.0 另一网络其地址是：IP:142.16.2.21,掩码：255.255.255.0 那么是否属于同一网络？ 某一网络其地址是：IP:142.16.131.21,掩码：255.255.252.0 另一网络其地址是：IP:142.16.128.21,掩码：255.255.255.0 那么是否属于同一网络？

  44. 6.3.3 子网地址空间的划分 • 划分子网就是将一个大网分成几个较小的网络； • A类、B类与C类IP地址都可以划分子网； • 划分子网是在IP地址编址的层次结构中增加了一个中间层次，使IP地址变成了三级层次结构。 • 例：一个大型跨国公司的管理者从网络管理中心获得 • 一个A类IP地址121.0.0.0； • 需要划分1000个子网。 • 分析：该公司需要有1 000个物理网络，加上主机号全 0 全1的两种特殊地址，子网数量至少为1002； 选择子网号的位长为10，可以用来分配的子网 最多为1024，满足用户要求。

  45. A类地址子网划分后的结构

  46. 划分子网后的地址范围

  47. 划分子网后的网点内部结构

  48. 可变长子网 • 可变长子网掩码（VLSM，Variable-length Subnet Mask）技术是子网划分的一种应用技术，指在一个网络中，按照各子网中主机的数量规划不同的子网，但所有子网网络号是一致的。其本质是对已划分的子网做进一步的划分。引入可变长子网掩码技术，主要目的是优化可用地址空间，避免造成IP地址资源的浪费。

  49. 1. 任务描述 • 为一个企业规划一个可变长子网，给定条件如下： • （1）申请一个B类网络，网络号为172.16.0.0。 • （2）配置13个能容纳4000台计算机的子网。 • （3）6个能容纳250台计算机的子网。 • 2. 互连方案的设计 • （1）配置13个能容纳4000台计算机的子网 • （2）配置6个能容纳250台计算机的子网

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