网络原理 第6章：网络层

第6章 网络层

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网络层与网络互联的基本概念。 IPv4协议的基本内容。 IP地址、路由算法与路由协议的基本概念。 路由器与第三层交换的基本概念。 ICMP与IGMP协议的基本概念。 MPLS协议与虚拟专网VPN的基本概念。 地址解析ARP的基本概念与方法。 移动IP的基本概念。 IPv6协议的基本内容。2

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6.1 网络层与IP协议 6.1.1 网络层基本概念

网络层通过路由选择算法，为IP分组从源主 机到目的主机选择一条合适的传输路径，为 传输层端—端数据传输提供服务。

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IPv4

6.1.2 IP协议的发展与演变 标准分类 划分子网:IP地址IP地址 特殊地址 保留地址 3级结构预测4年B类地址用完 2015年全部地址用完 1981年,RFC1812

第1阶段:1980年

第2阶段:1991年

第3阶段:1993年

:1996年 第4阶段

: 构成超网 CIDR路由表危机

地址转换: NATISP接入的需要

IP分组1981年,RFC791

分组头 分组 交付 路由算法 路由器 设计自治系统 ASInternet 路由选择 协议

内部网关协议 RIP/OSPF 外部网关协议 BGP

第3层 交换

IPv6

1981年,RFC792

ICMP1989年,RFC1112

IP控制报文协议IGMP QoS

1993年开始1997年,RFC2236

IP多播协议

IGMPv2

1999年标准

1993年,RFC2205 资源预留协议 RSVP 1999年,RFC2475

服务质量

区分服务 Diffserv多协议标记交换 MPLS

2000年,MPLS 论坛

1998年,RFC2401/2411

IPSec

5 IP安全

6.2 IPv4协议的基本内容6.2.1 IP协议的主要特点 1、IP协议是一种无连接、不可靠的分组传送服务的协议 IP协议提供的是一种 “尽力而为(best-effort)”的 服务。 2、IP协议是点-点的网络层通信协议 IP协议是针对源主机—路由器、路由器—路由器、路 由器—目的主机之间的数据传输的点—点的网络层通 信协议。

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3、IP协议屏蔽了互联的网络在数据链路层、物理 层协议与实现技术上的差异TCP/UDP 传输层

IP分组 网络层

IP

Ethernet帧

Frame Relay帧

PPP帧

数据 链路层

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1、IPv4分组结构 IPv4分组：分组头和数据。分组头长度可变，每行宽度为4B, 6.2.2 IPv4分组格式 前五行为分组头必需有的域，长度为20B;第6行为选项域,最长 为40B。所以，IP分组头长度为20B~60B.0 版本 固 定 长 度 部 分 4 8 16 服务类型 标志 协议 19 24 总长度 片偏移 头部校验和 分 组 头 31

报头 长度标识

生存时间

源IP地址目的IP地址

可选 部分

选项 数据部分

填充域 数据 部分 8

2、IPv4分组头格式 (1)版本字段 版本字段长度为4位。 版本字段值为4,表示IPv4;版本字段值为6

,表示IPv6。 (2)协议字段 协议字段长度为8位。 表示使用IP协议的高层协议类型。协议字段值 高层协议类型 1 ICMP 2 IGMP 6 TCP 8 EGP 17 UDP 41 IPv6 89 OSPF 表6-1 协议字段值所表示的高层协议类型《计算机网络》第6章 网络层

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(3)长度IP分组头有两个长度字段：分组头长度(报头长度)、总长度。 分组头长度字段 分组头长度字段的长度为4位，它定义了以4字节为一个单位的分 组头的长度。 分组头中除了IP选项字段与填充字段之外，其他各项是定长的。 分组头长度字段最小值为5(4×5=20B),最大长度为15 (4×15=60B) 。 总长度字段 总长度字段长度为16位，定义以字节为单位的分组总长度，是分 组头长度与数据长度之和。 总长度字段长度为16位，它能表示的IP分组最大长度为65535( 216-1)字节，其中包括分组头长度。 IP分组中高层协议的数据长度等于分组的总长度减去分组头长度 。 10《计算机网络》第6章 网络层

(4)服务类型字段

服务类型(service type)字段的长度为8位，用于指 示路由器如何处理该分组。 服务类型由1位的保留位， 4位的服务类型(TOS)字段 与3位的优先级(precedence)字段构成。服务类型： Precedence D T R C 0 D:1,low delay 0, normal T:1,high throughput 开销 0, normal 可靠性 吞吐量 R:1,high 可靠性 C:1,low cost 优先级 延迟 0, normal 0, normal 4位中，最多只能有一位值为1,其他3位则为0,默认值0000 优先级 分8级，数值越大等级越高，数据报越重要。 12

b7 b6 b5

b4 b3 b2 b1 b0

(5)生存时间(TTL)字段

生存时间TTL用来设定分组在Internet中的“寿命”, 它通常是用转发分组最多的路由器跳数(hop)来度 量。 生存时间TTL的初始值由源主机设臵，经过一个路由 器转发之后，TTL值减1。 当TTL的值为0时，丢弃分组并发送ICMP报文通知源 主机。13

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(6)头校验和字段 头校验和字段长度为8位。 设臵头校验和是为了保证分组头部数据完整性。 IP分组只对分组头进行校验，不包括分组数据。 IP分组头之外的部分属于高层数据，高层数据都 会有相应的校验字段，IP分组不对高层数据进行 校验。 每经过一个路由器，IP分组头都要改变一次，数 据部分并不改变。设臵头校验和只对变化部分进 行校验是合理的，可以减少路由器对每个接收分 组的处理时间，提高路由器的运行效率。14

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(7)地址字段 分组头中最简单的部分是地址字段。 地址字段包括源地址与目的地址。 0 4 8 16 19 24 31 源地址与目的地址字段长度都是32位，分别表示发

送 报头 版本 服务类型 总长度 分组的源主机与接收分组的目的主机的IP地址。 长度 标识 标志 片偏移 固在分组的整个传输过程中，无论采用什么样的传输路 定 长径或如何分片，源地址与目的地址始终保持不变。 生存时间 协议 头部校验和 分度 部 分 源IP地址目的IP地址 可选 部分 选项 数据部分《计算机网络》第6章 网络层

组 头

填充域 数据 部分 15

3、IP分组的分片与组装 (1) 最大传输单元(MTU)与IP数据报分片 IP数据报作为网络层数据必然要通过帧来传输； 一个数据报可能要通过多个不同的物理网络； 每一个路由器都要将接收到的帧进行拆包和处理， 然后封装成另外一个帧；帧的格式与长度取决于物 理网络所采用的协议。 每一种物理网络都规定了各自帧的数据域最大字节 长度即最大传输单元MTU;

使IP协议与网络无关，RFC791文件规定IP分组的最大长度为65535个字节。

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实际使用的网络最大传输单元长度比IP数 据报最大长度短，使用它们传输IP数据报 时，要对其进行分片传输。 如：Ethernet的MTU的长度为1500B,因此 ，在使用这些网络传输IP分组是，要将IP 分组分成若干较小的片(fragment)来传 输。

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(2)IP数据报分片的基本方法 如果数据报来自一个能够通过较大数据报的局域网 ，又要通过另一个只能通过较小的数据报的局域网 ，那么就必须对IP数据报进行分片。 方法：先确定片长度，然后将原始IP分组包括分组 头分成第1片，若剩下的数据仍大于片长度，再进行 第2次分片，第2个分片数据加上分组头构成第2个片 ，如此直到剩下的数据小于片长度。原始数据报 分组头 分组头 分组头

分组头

分组头

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(3)域标识、标志和片偏移在IP分组的报头中，与一个分组的分片、组装相关的域有：标 识域、标志域与片偏移域。 标识(identification)域 属于同一个分组的所有片分配一个标识ID值,长度16位。 标志(flags)域 0 DF MF 表示接收结点是不是能对分组分片。 共3位，最高位为0; 不分片(Do not Fragment,DF)值=1,表示接收主机不能对分 组分片。=0,表示可以分片。 分片(More Fragment,MF)值=1,表示接收的分片不是最后一 个分片，=0,表示接收的是最后一个分片。 片偏移(fragment offset)域 表示该分片在整个分组中的相对位臵 。长度为13位。值以8B为单 19 位计数。即分片长度应为8B的整数倍。

分片方法的例子20B原始数据报： 报头

数据长度2200B片1(800byte)

编号0~2199片3(600byte)

片2(800byte)

片1:

报头

片1(800byte)

片偏移值：0

0~799片2: 报头 片2(800byte) 片偏移值：100

800~

1599片3: 报头 片3(600byte) 片偏移值：200

1600~219920

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原始数据报 分片与字段标识、标志与片偏移 总长度 2220 265 0 0 0 0 265

分片1 820 0 0 1 0

分组标识ID 标志字段，3位数据编码号：0-2199

分片不是最后 一片数据编码号：0-799

片偏移值

分片2 820 265 0 0 1 100 265

分片3 620 0 0 0 200

分片是最后一片数据编码号：800-1599 数据编码号：1600-2199

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4、IP分组头选项 (1)设置IP分组头选项的主要目的 设臵IP分组头选项主要用于控制与测试。 0 4 8 16 19 24 31 所有实现IP协议的硬件或软件都应该能够处理分组头 报头 版本 服务类型 总长度 选项。 长度 固 选项的最大长度为40字节，如果用户使用的选项长度 标识 标志 片偏移 定 不是4字节的整数倍，需要添加填充位，补成4字节的 长 生存时间 协议 头部校验和 分 度 组 整数倍。 部 头 源IP地址 分 分组头选项由选项码、长度与选项数据等3部分组成。 目的IP地址 选项码用于确定该选项的具体功能，例如源路由、记 可选 选项 填充域 录路由、时间戳等。长度表示出选项数据的大小。 部分数据部分22

数据 部分

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(2)源路由

源路由是指由发送分组的源主机制定的传输路径，用来 区别由路由器通过路由选择算法确定的路径。 源路由分为严格源路由(SRR)与松散源路由(LRR)。 严格源路由规定分组要经过的路径上每个路由器，相邻 路由器之间不能插入其他路由器，并且经过的路由器顺 序不能改变。 松散源路由规定分组一定要经过的路由器，但不是一条 完整的传输路径，中途可以经过其他路由器。

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