4.1 网络层概述与IP地址

H1 5 4 3 2 1 主机 H1 间接交付
分组在互联网中的传送
R1 3 2 1 R1 间接交付 2 1 R2 间接交付 2 1 R2 3 2 1 2 1 R3 R3 3 2 1
R5 间接交付 R5 3 2 2 1 1
R4 R4 3 2 2 1 1
主机 H2
5 4 3 2 1
H2
Hale Waihona Puke 从网络层看 IP 数据报的传送
最高位为0， 最高位为 ，接下来 位为网络ID， 的7位为网络 ，共 位为网络 个网络， 有27-2=126个网络， 个网络 高位为10， 高位为 ，接下来 网络号是1~126,127 网络号是 14位为网络 ， 位为网络ID， 的 位为网络 8 bits 8 bits 14 =16384个 专用。 共有2 专用。 共有 个 高位为110，接下来 高位为 ， 网络， 网络，首个域值为 位为网络ID， 的21位为网络 ，共 128~191。21= 。 位为网络 有2 2097152个网 个网 D类地址的高位为 类地址的高位为 络，首个域值为 1110，其余28位为 192~223 ，其余 位为 组播地址， 组播地址，第一个域 值为224~239 。 值为
H2 D B H6 H1 E A H5 C H3 分组交换网 H4
网络不保证所传送的分组不丢失 也不保证按源主机发送分组的先后顺序 提供数据报服务的特点 以及在时限内必须将分组交付给目的主机
H2 D B H6 H1 E A H5 C H3 分组交换网 H4
当网络发生拥塞时 网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃
虚电路服务与数据报服务的对比
对比的方面 虚电路服务 数据报服务
思路
可靠通信应当由网络来保证
可靠通信应当由用户主机来保证
连接的建立 目的地址
必须有 仅在连接建立阶段使用，每个 分组使用短的虚电路号 属于同一条虚电路的分组均按 照同一路由进行转发 所有通过出故障的结点的虚电 路均不能工作 总是按发送顺序到达终点
虚拟互连网络
虚拟互连网络即逻辑互连网络，也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。
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。
由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使 网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉 （与电信网的交换机相比较）。 如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可 靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责（包括差 错处理、流量控制等）。 采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低， 运行方式灵活，能够适应多种应用。 因特网能够发展到今日的规模，充分证明了当初采用 这种设计思路的正确性。
不需要 每个分组都有终点的完整地址
分组的转发
每个分组独立选择路由进行转发
当结点出故障时
出故障的结点可能会丢失分组， 一些路由可能会发生变化 到达终点时不一定按发送顺序 由用户主机负责
分组的顺序
端到端的差错处理 可以由网络负责，也可以由用 和流量控制 户主机负责
4.2 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) 网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) 网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)
提供数据报服务的特点
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数据报提供的服务是不可靠的， 它不能保证服务质量。 实际上“尽最大努力交付”的服务 提供数据报服务的特点 就是没有质量保证的服务。
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尽最大努力交付的好处
面向连接的服务：网络提供可靠交付 面向连接
建立虚电路 虚电路(Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。 建立虚电路 如果使用可靠传输的网络协议，就可使所发送的分组无差错按序到 达终点。
虚电路只是一条逻辑上的连接 逻辑上的连接，分组都沿着这条逻辑连接按 照存储转发方式传送，而并不是真正建立了一条物理连接。 电路交换是先建立了一条真正的连接 真正的连接。因此分组交换的虚连 接和电路交换的连接只是类似，但并不完全一样。
::= 代表“定义为”
IP地址
•有效的主机 和网络ID 有效的主机ID和网络 有效的主机 和网络 IP地址是由四个 位二进制数字域组成的 总长度为或个字节 地址是由四个8位二进制数字域组成的 总长度为4个字节 地址是由四个 位二进制数字域组成的,总长度为 255； 不能为0或 不能为 ； 32≈40多亿个不同的 地址。 •网络 不能为 网络ID不能为 网络 不能为127； ； 位二进制数， 多亿个不同的IP地址 的32位二进制数，理论上可组成 位二进制数 理论上可组成2 多亿个不同的 地址。
网络随时接受主机发送的分组（即数据报） 网络为每个分组独立地选择路由。
提供数据报服务的特点
H2 H4 D B
H1 向 H5 发送分组 路径可能变化
H1
H2 向 H6 发送分组
H6 E
A H5 C H3 分组交换网
网络尽最大努力地将分组交付给目的主机， 但网络对源主机没有任何承诺。
提供数据报服务的特点
网际层的 IP 协议及配套协议
应用层 运输层 网络层 （网际层） 各种应用层协议 (HTTP, FTP, SMTP 等) TCP, UDP ICMP IGMP IP RARP ARP 网络接口层 与各种网络接口 物理硬件
ICMP——网际控制报文协议 ICMP——网际控制报文协议 IGMP——网际组管理协议 IGMP——网际组管理协议
同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。
提供虚电路服务的特点
H2 D B H6 H1 E A H5 C H3 分组交换网 H4
在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在 两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。 所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照 提供虚电路服务的特点 先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。
因特网采用的无连接的数据报服务
网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付 的数据报服务。 网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。 网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、 丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组 传送的时限。
由局域网和广域网组成互联网
互联网
局域网 结点交换机 局域网
广域网 路由器
相距较远的局域网通过路由器与广域网相连 组成了一个覆盖范围很广的互联网
网络层提供的服务
网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两 大类：
无连接的网络服务（数据报服务） 无连接 面向连接的网络服务（虚电路服务） 面向连接
面向连接的服务
第 4 章 网络层
第一讲
概述 网际协议 IP
虚拟互连网络 分类的 IP 地址
4.1 概述
网络层的作用是实现分组由源节点到目的节点的传输 网络层的作用是实现分组由源节点到目的节点的传输。可 实现分组由源节点到目的节点的传输。可 实现: 实现:
异构网络互联： 异构网络互联：是指把各种物理网络（不同的或相同的，局域网或 广域网）通过某种技术连接起来，形成一个覆盖范围更大的、对用 户透明的网络。 路由与转发： 路由与转发： 路由：决定分组从源到目的地所采用的路由 转发：将分组从路由器的输入端口移动到适当的输出端口输出 拥塞控制： 拥塞控制：在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资源所 能提供的可用部分，网络的性能就要变坏——产生拥塞 (congestion)。若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就 要明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降
网络互连
IP（Internet Protocol）协议即互联网协议，也称为网际协议。 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
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到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致， 因此网络提供虚电路服务对通信的 服务质量提供虚电路服务的特点 QoS (Quality of Service)有较好的保证。
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广域网与互联网
广域网覆盖的距离范围可达几百甚至几千公里，早期的局域网技术 是不能覆盖如此广阔的距离范围的。 典型的广域网技术包括：X.25、帧中继、ATM等。 广域网是单个的网络 单个的网络，它使用结点交换机连接各主机 结点交换机连接各主机而不是用路由 单个的网络 结点交换机连接各主机 器连接各网络。 即使是覆盖范围很广的互联网，也不是广域网，因为在这种网络中， 即使是覆盖范围很广的互联网，也不是广域网，因为在这种网络中， 不同网络的“互连”才是其最主要的特征。 不同网络的“互连”才是其最主要的特征。 结点交换机在单个网络中转发分组，而路由器在多个网络构成的互 联网中转发分组。 连接在一个广域网（或一个局域网）上的主机在该网内进行通信时， 只需要使用其网络的物理地址即可。