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  1. 计算机网络技术

  2. 学习情境二:构建中型网络 项目五:IP路由和子网划分

  3. 相关知识 网络层的作用 网络层所提供的服务 TCP/IP的网络互联层 IP路由(转发)、路由协议 IP子网划分 ARP和RARP、ICMP 路由器

  4. 网络层的作用 网络层涉及将源主机发出的分组经由各种网络路径到达目的主机,其利用了数据链路层所提供的相邻节点的数据传输服务,向传输层提供了从源到目的的数据传输服务。网络层是处理端到端数据传输的最低层,但同时又是通信子网的最高层。

  5. 网络层的作用 为了有效地实现源到目的的分组传输,网络层需要提供多方面的功能 (1)需要规定该层协议数据单元的类型和格式 (2)了解通信子网的拓扑结构,从而能进行最佳路径的选择 (3)在选择路径时还要注意拥塞控制和负载平衡 (4)当源主机和目的主机的网络不属于同一种类型时,网络层还要协调好不同网络间的差异。

  6. 网络层所提供的服务 面向连接的服务 指在数据传输之前双方需要为此建立一种连接,然后在该连接上实现有次序的分组传输,直到数据传输完毕才释放连接。 无连接的服务 不需要为数据传输事先建立连接,其只提供简单的源和目的之间的数据发送与接收功能。

  7. TCP/IP的网络互联层 网络互联层的核心协议 ★网络协议(IP) ★地址解析协议(ARP) ★反向地址解析协议(RARP) ★网际控制报文协议(ICMP)

  8. TCP/IP的网络互联层 IP路由基础 IP定义了一个称为IP路由的过程,简称为路由。IP路由定义了如何从一台主机,以IP包的形式,将数据转发给另一个台主机。路由的过程允许包在广阔多变的物理网络中进行发送。

  9. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包

  10. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 版本号——占 4 bit,指IP协议的版本 目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)

  11. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 首部长度——占 4 bit, IP 的首部长度的最大值是60字节。

  12. 服务类型——占 8 bit,用来获得更好的服务 这个字段以前一直没有被人们使用 比特 0 1 2 3 4 5 6 7 优 先 级 D T R C 未用 比特 0 4 8 16 19 24 31 首部长度 版 本 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

  13. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 总长度——占 16 bit,指首部和数据之和的长度, 单位为字节,数据报的最大长度为 65535 字节。

  14. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 标识——占16 bit用来让目的主机判断新来的分段属于哪个分组,所有属于同一分组的分段包含同样的标志值。

  15. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 标志——占3 bit,用来标志是否所有分段都已到达。

  16. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 分段偏移(12 bit)指出:较长的分组在分片后 某片在原分组中的相对位置。 分段偏移以 8 个字节为偏移单位。

  17. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 生命期(8 bit)记为 TTL (Time To Live) 数据报在网络中的寿命,其单位为秒。

  18. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 协议(8 bit) :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。

  19. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 报头检验和(16 bit):只检验数据报的首部 不包括数据部分。

  20. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 源地址和目的地址都各占 4 字节

  21. 比特 4 24 31 0 8 16 19 首部长度 版本号 服 务 类 型 总 长 度 固 定 部 分 标 识 标志 分 段 偏 移 首 部 生 命 期 用户协议 报 头 检 验 和 源 地 址 目 的 地 址 可变 部分 选 择 项 填 充 数 据 部 分 TCP/IP的网络互联层 IP数据包 选择项:主要用于网络测试或调试,包括安全性、严格的路由选择、松散的源路由选择、记录路由、时间标记等。

  22. IP报头 数据 TCP/IP的网络互联层 IP数据报的封装 IP数据报 封装 MAC数据帧 MAC帧头 IP数据报作为MAC帧的数据 帧校验码

  23. MTU 帧格式中的数据字段的最大长度称为最大传输单元MTU。 TCP/IP的网络互联层 IP数据报的分片 数据报的总长度(即报头加上数据部分)一不 能超过网络的数据链路层协议的 值。

  24. 协 议 MTU(B) 65535 Hyperchannel 17914 令牌环(16Mbps) 4464 令牌环(4Mbps) FDDI 4352 1500 以太网 X.25 576 PPP 296 TCP/IP的网络互联层 不同数据链路层协议的MTU值

  25. TCP/IP的网络互联层 IP数据报的重组 在最终的目的主机上将接收到的所有分片进行重新组装的过程就是IP数据报重组

  26. IP路由(转发) 被路由协议 被路由协议是以寻址方案为基础,为分组从一个主机发送到另一个主机提供充分的第三层地址信息的任何网络协议。

  27. IP路由(转发) 路由选择协议 路由选择协议使得路由器在确定路径之后发送被路由协议数据。换而言之,路由选择协议用来确定被路由协议为了到达目标所遵循的路径。

  28. IP路由(转发) IP路由:使用二层协议 (1)三层到二层的映射 (2)交换机和路由协同工作

  29. 路由协议 路由器学习IP路由 (1)学习直连路由 路由表的组成:来源、出接口、下一跳 (2)静态路由 (3)通过路由协议学习路由(动态路由)

  30. 路由协议 静态路由 • 不需要使用路由协议 • 管理员手工配置及更新路由表 • 当网络结构比较简单,到达某一网络的路径唯一时采用静态路由

  31. 动态路由更加灵活; • 能自动调整路由选择表; • 引导流量通过不同的路径到达同一目标。 源主机 A B D C 目的主机 路由协议 动态路由

  32. 路由协议 路由协议特性 • 健壮性度量 • 路由进程开销 • 稳定性 • 快速收敛 • 执行的难度 • 支持标准

  33. 当网络中的主机总数未超出所给定的某类网络可容纳的最大主机数,但内部又要划分成若干个分段(segment)进行管理时,就可以采用子网划分的方法。当网络中的主机总数未超出所给定的某类网络可容纳的最大主机数,但内部又要划分成若干个分段(segment)进行管理时,就可以采用子网划分的方法。 IP子网划分 子网划分的概念

  34. IP子网划分 在划分子网时应遵循以下的基本规则: (1)同一个局域网上的IP主机-特别指出,在同一广播域内应该使用同一IP子网内的IP地址。 (2)通过点到点的租用线路直连的两个路由器接口地址应该在相同的IP子网内。 (3)被至少一台路由器分割开的不同局域网的主机,应该使用不同IP子网内的IP地址。 (4)互联网内的IP地址应该是唯一的。

  35. IP子网划分 子网IP地址格式 网络地址部分 主机地址部分 网络地址 划分子网后的网络地址 网络地址部分 子网地址部分主机地址部分 子网地址部分 网络地址部分

  36. IP子网划分 子网IP掩码 子网掩码(subnetmask)通常与IP地址配对出现,其功能是告知主机或路由设备,IP地址的哪一部分代表网络号部分,哪一部分代表主机号部分。子网掩码使用与IP地址相同的编址格式,即32位长度的二进制比特位,也可分为4个8位组并采用点分十进制来表示。但在子网掩码中,与IP地址中的网络位部分对应的位取值为“1”,而与IP地址主机部分对应的位取值为“0”。这样通过将子网掩码与相应的IP地址进行求“与”操作,就可决定给定的IP地址所属的网络号(包括子网络信息)。

  37. 划分位数 子网掩码 255.255.255.192 2 3 255.255.255.224 255.255.255.240 4 255.255.255.248 5 255.255.255.252 6 IP子网划分 C类网络进行子网划分后的子网掩码

  38. IP子网划分 书写方法 为了表达的方便,在书写上还可以采用诸如“X.X.X.X/Y”的方式来表示IP地址与子网掩码,其中每个“X”分别表示与IP地址中的一个8位组对应的十进制值,而“Y”表示子网掩码中与网络标识对应的位数。如上面提到的102.2.3.3/255.0.0.0也可表示为102.2.3.3/8,而102.2.3.3/255.255.247.0则可表示为102.2.3.3/21。

  39. IP子网划分 子网划分的方法 决定子网和主机数量 由于主机被一个或多个路由器分割在不同的子网里,所以网络工程师需要决定在这个特定互联网络中划分多少个子网,计划好的网络拓扑结构在某种程度上决定了需要的子网数量。

  40. IP子网划分 要决定最大的子网中要容纳多少台主机,需要知道连接在每一个局域网上的所有设备的具体信息,以及对于未来趋势的一定预测能力。一般情况下,通过局域网交换机和线缆的配置情况来了解连接到该局域网的设备数量,然后在增加一定的百分比留作扩展使用。 假定在一个A、B或C类网络中使用相同的子网掩码,称为固定长度子网掩码(SLSM)。和VLSM不同,VLSM允许在同一IP子网内的不同部分使用不同的掩码。当使用SLSM时,最大子网内的主机数量决定了整个网络内子网掩码的主机位的大小。但是使用VLSM,需要决定每一个子网内主机的数量。

  41. IP子网划分 决定掩码中的子网和主机位数   对A、B或C类网络进行子网划分的过程并不会改变原地址中网络部分的大小。它会减少地址中主机部分的大小,来创建子网部分,如下图。   为了创建子网,在此过程中缩短了主机域,通常称为借位。在下图中,被借出的位用于组成地址结构中的子网部分,为S比特长。   这里,用变量s表示子网位数,用h表示主机位数。

  42. 8位 24位 A类 没有划分子网 网络 主机 8位 S位 24-S位 划分了子网 网络 子网 主机 16位 16位 B类 没有划分子网 网络 主机 16位 S位 16-S位 网络 子网 主机 划分了子网 24位 8位 C类 没有划分子网 网络 主机 24位 S位 8-S位 划分了子网 网络 子网 主机 进行子网划分的IP网络地址结构 IP子网划分

  43. IP子网划分 决定子网号以及每个子网内可分配的IP地址 • 子网号:从数字上讲,是一个子网内最小的号码,它是用来表示一个特定IP子网的一组点分十进制数。 • 子网广播地址:从数字上讲,是一个子网内最大的值。发送到这个地址的数据包,都会被路由转发到目的子网,在转发的同时,数据包被封装在一个2层广播帧中,这样子网内的所有主机都能够接收到这个帧。 • 可供分配的IP地址:一个可以分配到接口上的IP地址。此时子网内的保留地址排除在外,例如IP子网号和子网广播地址。

  44. IP子网划分 决定子网号以及每个子网内可分配的IP地址 • 网络广播地址:在任何一个IP网络中,最大的那个IP地址。 • 子网0(0号子网):从数字上讲,是每一个子网划分规划中最小的子网号,它的特点是在子网号的子网部分全为0。一般为保留子网,不使用。 • 广播子网:从数字上讲,是每一个子网划分规划中最大的子网号,它的特点是在子网号的子网部分全为1。一般为保留子网,不使用。

  45. IP子网划分 找出子网号:二进制方法 • 采用二进制的方法找出子网号的的关键在于: • 每个子网号的网络部分与待划分IP网络号的网络部分相同。 • 每个子网号主机部分全为0。 • 子网号的子网部分都不相同,用来区别各个子网。   在进行子网划分时,0号子网的十进制表示法和有类IP网络号是相同的并且根据分类IP规则,0号子网保留不做使用。

  46. IP子网划分 采用二进制的方法找出子网号的过程如下: 步骤1:计算2s,s是子网部分的位数。 步骤2:写下来分类IP网络号的二进制表示方法。 步骤3:注分类IP网络号和0号子网是同一个号码,不使用。 步骤4:从上到下画两条竖线,将32位的网络部分和主机部分分开。 步骤5:向下重复网络部分和主机部分的比特位,直到总共有2s行为止,所有这些行中,除了第一行(0号子网),子网部分都没有数值。

  47. IP子网划分

  48. IP子网划分 步骤6:从第2行开始,子网域的部分每一行都在前一行的基础上加1。这保证了连续的子网域内所有的值都不相同。一直写到列表的最后,这时子网域的每一位都应该是1。 步骤7:最后一行,也就是子网域全为1的那一行就是广播子网,保留不使用。 步骤8:将32位的二进制数每8位一组转换为十进制数,就可以得到子网号了。

  49. IP子网划分

  50. IP子网划分 找出子网广播地址:二进制方法 步骤如下: 步骤1:在每个二进制表示的子网号中,将所有的主机位都换成1。 步骤2:将这些号码转换为十进制,8位一组(即便一个字节中包含子网和主机部分)。