《计算机网络原理与虚拟仿真》课件Chapter3-网络层仿真实例0212.ppt
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1、数据通信与计算机网络 第3章 网络层及仿真 第3章 网络层3.1 网络层概述网络互联*存在大大小小、相互独立的多种物理网络已有的异种网络客观存在没有哪种网络技术可以满足所有需求全球范围的通信需求各物理网络中的用户希望能够相互通信,不受物理网络边界限制通信:电子邮件、IP电话、视频会议信息服务:信息和资源共享网络社会化:电子商务、远程教育、远程医疗网络互联的作用隐藏底层细节,使互联网可以看成是单一的虚拟网络,所有计算机都与它相连,而不管实际的物理连接如何。互联网互联网物理网络物理网络主机主机路由器路由器图图 51(a)用户观点的互联网用户观点的互联网;(b)互联网的实际连接示例互联网的实际连接示
2、例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优点是: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。网络互联提出的问题 IP层主要功能是负责为不同物理网络上的主机提供通信服务。需要解决若干问题:如何屏蔽异种网络的差异统一网络地址统一数据格式如何实现全网的数据传输和交换网络之间的数据包寻径、转发路由表的产生和动态刷新差错处理IP组播3.1.
3、2 IP地址及子网划分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互联网上的主机(或路由器)分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。IP 地址现在由互联网名字和数字分配机构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
4、。分类 IP 地址 将IP地址划分为若干个固定类。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)。主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。由此可见,一个 IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址01 1host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今
5、 后 使 用1 1 1 101net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址01 1host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址01 1host-id8 位D 类地址 1 1 1 0
6、多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1 01B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址01 1host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节net-id24 bithost-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址h
7、ost-id16 位B 类地址C 类地址01 1host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址01 1host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节net-id24 位host-id24
8、位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址01 1host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节net-id24 位host-id24 位net-id16 bitnet-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址01 1host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1
9、01D 类地址是多播地址 net-id24 位host-id24 位net-id16 bitnet-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址01 1host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101E 类地址保留为今后使用 点分十进制记法 10000000000010110000001100011111 机器中存放的 IP 地址是 32 位 二进制代码10000000 00001011 00000011 00011111 每隔 8 位插入一个空格能够提高可读性采用点分十
10、进制记法则进一步提高可读性128.11.3.31 128 11 3 31 将每 8 位的二进制数转换为十进制数常用的三种类别的 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 16,383(214 1)128.1 191.255 65,534 C 2,097,151(221 1)192.0.1 223.255.255 254一般不使用的特殊的 IP 地址2.划分子网和构造超网划分子网在 ARPANET 的早期,IP 地址的设计确实不够合理给每一个物
11、理网络分配一个网络号:IP 地址空间的利用率有时很低 会使路由表变得太大,因而使网络性能变坏从 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。使得多个物理网络可以共用一个网络前缀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。子网编址的实现 从主机域中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 子网位从主机域的最左边开始连续借用。子网号在网外是不可见的,仅在子网内使用。子网号的位数是可变的,为了反映有多少位用于表示子
12、网号,采用子网掩码(mask)。子网掩码32位Net_id 子网号子网号 =子网掩码与子网掩码与 IP IP 地址地址 做逻辑做逻辑“与与”运算的结果运算的结果 Subnet_id Host_id32位子网掩码中,网络地址、子网地址位子网掩码中,网络地址、子网地址部分对应部分对应“1”,主机地址部分为,主机地址部分为“0”。子网的规划设计 在设计选择子网划分方案时,必须考虑5个问题。它们是:(1)该网络内将划分几个子网?(2)每个子网有多少有效主机?(3)有效的子网地址是什么?(4)在该子网划分中,网络掩码是什么?(5)每个子网的广播地址是什么?子网数和子网掩码的计算(1)子网数=2x-2。x
13、是被占用的表示子网比特的数目,或者说1的个数。减2是指减去子网位全1和全0,它们默认是无效的。例如,11100000能产生232个子网。(2)2y-2=每个子网的主机数。y是未被占用的比特数目,或者说0的个数。例如,11100000产生252,每个子网30个主机。有效的主机是两个子网之间去掉“全0”和“全1”的数。子网数和子网掩码的计算(3)子网掩码点分十进制表示 根据主网络类型,确定借用的子网位数和位置,根据对应位的权值,计算其十进制数值。如子网掩码部分为11100000,则十进制为1286432224。(4)256-子网掩码=基数。如,子网掩码为224,则有效子网基数为256-224=32
14、。子网地址为在对应子网地址字节中,N基数。(5)广播地址是所有主机位为1,直接在下一个子网之前的数。例:关于子网掩码的计算设有一个网络地址为 172.168.0.0,要在此网络中划分14个子网,问:需要多少位表示子网?子网掩码的点分十进制数值是多少?每个子网地址是什么?子网数=2x-2,则X4,需借用 4位表示子网。由网络地址可知,这是一个B类网络,网络地址和主机地址各为16位,网络掩码为 255.255.0.0。划分子网后,又使用主机地址部分的最高4 位表示子网,则其对应十进制数值为128643216240。网络掩码为 255.255.240.0。关于子网掩码的计算子网基数25624016,
15、N114,则子网地址为 172.168.16.0,172.168.32.0,172.168.48.0,172.168.64.0,172.168.80.0,172.168.96.0,172.168.112.0,172.168.128.0,172.168.144.0,172.168.160.0,172.168.176.0,172.168.192.0,172.168.208.0,172.168.224.0。每个子网内表示主机的地址位为12位,则子网内有效主机数为 21224094。网络内总的主机数为40941457316。使用子网划分会造成部分主机地址损失,但仍可提高IP地址利用率。B类网络的子网划
16、分#Bits Subnet Mask#Subnets#Hosts2 255.255.192.02 16382 3 255.255.224.06 8190 4 255.255.240.0 14 4094 5 255.255.248.0 30 2046 6 255.255.252.0 62 1022 7 255.255.254.0 126 510 8 255.255.255.0 254 254 9 255.255.255.128 510 126 10 255.255.255.192 1022 62 11 255.255.255.224 2046 30 12 255.255.255.240 4094
17、 14 13 255.255.255.248 8190 6 14 255.255.255.252 16382 2C类网络的子网划分#Bits Subnet Mask#Subnets#Hosts2 255.255.255.192 2 62 3 255.255.255.224 6 32 4 255.255.255.240 14 14 5 255.255.255.248 30 6 6 255.255.255.252 62 231变长子网掩码VLSM静态子网掩码可能带来地址空间的浪费全0、全1限制的浪费子网内多余地址的浪费分配子网时可以采用不同长度的子网掩码假设申请了C类地址165.214.32.0,
18、现在要支持5个子网,每个子网支持主机数分别为50,50,50,30,30首先采用掩码255.255.255.192分成4个子网,每个支持62主机(有问题?)第4个子网进一步采用255.255.255.224分成2个支持30主机的子网32IP地址:private addresses内部地址被预留并建议给内部网络使用的地址A类网络10.0.0.0B类网络172.16.0.0172.31.0.0C类网络192.168.0.0192.168.255.0Internet中的路由器不会转发那些目的地址为内部IP地址的分组,即内部IP地址不能穿越一个机构的边界。内部网络和外部Internet之间通过网络地址
19、转换或者代理机制相连。33CIDRCIDR(Classless Inter-Domain Routing)总的IP地址空间不够,全球分配也很不公平。A类网络主机数太多(地址浪费),C类网络主机数太少(增加路由负担,需要合并)抛弃了IP地址类的边界,通过地址汇集的方法来描述连续地址块通过网络掩码来描述地址块,一般采用x.x.x.x/y格式,y表示前面多少个比特属于网络部分前面的内部地址块可以这样描述:10.0.0.0/8172.16.0.0/12192.168.0.0/1634CIDR示例192.60.128.011000000.00111100.10000000.00000000C类地址192
20、.60.129.011000000.00111100.10000001.00000000192.60.130.011000000.00111100.10000010.00000000192.60.131.011000000.00111100.10000011.00000000192.60.128.011000000.00111100.10000000.00000000超网地址255.255.252.011111111.11111111.11111100.00000000网络掩码192.60.131.25511000000.00111100.10000011.11111111广播地址假设需要10
21、00个IP地址,分配4个连续的C类地址4个C类地址被汇集成为:192.60.128.0/22可用的地址数?35CIDR路由路由表包含:目的网络/网络掩码/下一跳直接路由:目的节点和当前主机在同一子网,可直接递交间接路由:需要通过下一跳路由转发缺省路由:当路由表中找不到路由时采用如何匹配路由表中的表项?目的IP地址&路由表项的网络掩码目的网络&网络掩码?最长匹配原则:网络掩码最长的匹配Destination Gateway interfacedefault 202.104.139.193 rl0127.0.0.1 127.0.0.1 lo0202.104.139.192/26 link#1 rl
22、1 202.120.224.0/24202.104.139.194rl2202.120.224.0/22202.104.139.1rl33.1.3 网络层的主要协议网际层的 IP 协议及配套协议各种应用层协议 网络接口层(HTTP,FTP,SMTP 等)物理硬件运输层TCP,UDP应用层ICMPIPRARPARP与各种网络接口网络层(网际层)IGMP因特网的基本传送单元是IP数据报(或分组)。一个 IP 数据报由首部(报头)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。IP 数据报首部的固定部分
23、和可选字段长度之和最大为 60 字节。IP数据报固定部分可变部分04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识区 分 服 务总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分数 据 部 分首 部IP 数据报首部发送在前可变部分首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识区 分 服 务总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分数 据 部 分首 部IP 数据报固定部分发送在前首部04816192431版 本标志
24、生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分数 据 部 分首 部IP 数据报固定部分可变部分区 分 服 务发送在前首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分版本占 4 位,指 IP 协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4(即 IPv4)区 分 服 务1.IP 数据报首部的固定部分中的各字段 首部04816192431版 本标志
25、生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分首部长度占 4 位,可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节)因此 IP 的首部长度的最大值是 60 字节。区 分 服 务首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分区分服务占 8 位,用来获得更好的服务在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直未被使用过。199
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