网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层第 6章 Internet网际层本章学习目标本章是有关 Internet网际层的相关描述,重点介绍 Internet Protocol工作机理,同时对下一代 IP协议也有所涉及 。 通过本章的学习,读者应重点掌握和理解以下内容：
l 了解 Internet网际层的功能以及在 TCP/IP体系结构中的位置
l 掌握 IP地址的分类,IP地址与 MAC地址的转换与 ARP协议
l 掌握 IP地址的申请,分配管理与子网划分,子网掩码的运用
l 了解 IP数据报的格式与工作原理,ICMP的作用
l 了解 Internet路由选择协议
l 了解 IPv6的机理和工作模式网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.1 概述
TCP/IP体系结构与协议栈之间的关系：
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
1,IP地址及其表示方法点分十进制记法,
130.9.44.192。
IP地址的结构分为两部分,
网络号,net-id
主机号,host-id
IP地址的类别,
常用的有 A,B,C三类地址。
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
IP 地址的结构与分类：
0 net-id host-id
比特 0 8 16 24 32
A类
10 net – id host – id
110 net – id host-id
B类
C类网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
地址类别最大网络数第一个可用的网络号最后一个可用的网络号每个网络中的最大主机数
A 126 1 126 16 777 214
B 16382 128.1 191.254 65 534
C 2097150 192.0.1 233.255.254 254
IP地址的分类 及特征网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
IP地址的转换：
标志主机地址的是机器的物理地址，又称为 MAC地址 。
MAC地址是集成在网卡上的，所以又叫做硬件地址。 MAC地址是一个
6字节（ 48bit）二进制数，采用 16进制表示法例如,09 E0 AC 00 9B 0D。
从 IP地址到物理地址的转换是由地址解析协议 ARP来完成。
主机 A的 ARP工作过程如下,（设：寻找主机 B的物理地址）
（ 1） ARP进程在本局域网上广播发送一个 ARP请求分组,上面有主机
B的 IP地址；
（ 2） 在本局域网上的所有主机上运行的 ARP进程都收到此 ARP请求分组；
（ 3） 主机 B在 ARP请求分组中见到自己的 IP地址,就向主机 A发送一个
ARP响应分组,写入自已的物理地址；
（ 4）主机 A收到主机 B的 ARP响应分组后，就在其 ARP高速缓存中写入主机 B的 IP地址到物理地址的映射。
6.2 IP地址与 ARP
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
IP地址的分配与管理,
NIC管理 IP地址中的 net-id字段，而 host-id部分则由获得了地址的机构来管理
IP地址在本网内的分配示意网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
IP地址的分配与管理,
网络互连时 IP地址分配示意网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层子网划分为了使 IP地址的使用更加灵活，在 IP地址中又增加了一个,子网号字段,,为获得地址的单位进行二次分配提供了方便
6.2 IP地址与 ARP
子网掩码（ Subnet Mask）
10 net-id host-id B类地址
11111111 11111111 00000000 00000000 标准子网掩码
10 net-id subnet-id host-id 划分了子网的 B类地址
11111111 11111111 11111100 00000000 该子网掩码从 host-id中划出高六位作为子网地址网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层子网划分
6.2 IP地址与 ARP
网络号 子网号 主机号
11001000 00001010 000001 00 00000001 子网 1中的第 1台主机地址
11111111 11111111 111111 00 00000000 子网掩码网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报数据报首部 数据报的数据区数据报的一般格式,
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报首部定义：
版本 首部长度 服务类型 总长度标 识 标志 片偏移寿命 协议 首部检验和源端 IP地址目的端 IP地址长度可变的任选字段 填充数 据
…
0 4 8 16 31
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
1,版本数据报的前 4比特字段包含了生成该数据报的 IP协议的版本信息。
2,首部长度该字段也是 4比特，给出以 32比特字长为单位的首部长度网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
3,服务类型服务类型字段占 8比特，它规定了本数据报的处理方式，并被分成如图所示的 5个子字段：
优先级 D T R C 未用
0 1 2 3 4 5 6 7
3个比特的优先级子字段指明本数据报的优先级，允许发送方表示本数据报的重要程度。优先级的值从 0（普通优先级）到 7（网络控制）
比特 D,T,R,C表示本数据报所希望的传输类型。这些比特的值为
1时,D代表低时延（ Delay）,T代表要求高吞吐量（ Throughput），
R要求高可靠性（ Reliability）,C表示要求选择费用更低廉的路由（ Cost）
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
4,总长度该字段给出了以字节为单位的 IP数据报长度,包括首部和数据中的字节数
5,标识,标志及片偏移数据报首部中的标识 （ Identification）,标志 （ Flags）,片偏移 （ Fragment offset） 三个字段用作控制分片和重组 。 标识字段含有一个惟一标识该数据报的整数 。 其主要目的是为了让目的主机知道每个到达的数据报片属于哪个数据报 。 目的主机通过数据报片的标识字段及源站点地址来识别数据报 。 发出 IP数据报的计算机必须为每个数据报生成一个惟一的值,作为标识字段值 。 如果该数据报在传输过程中被分片,则每一片数据报的标识字段是相同的 。
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
5,标识,标志及片偏移分片的片偏移字段指明分片所携带数据在原始数据报中以 8字节为单位的偏移量,从零开始计数
3个比特的标志字段中的两个低比特控制分片 。 第一个控制位指定数据报是否分片 。 如果把它设成,l”就不分片,因此它也叫做不分片 （ Do Not Fragment） 比特,只有该比特为 0时才允许分片 。
标志字段的低位比特指明了本分片中的数据是否为原始数据的最后一片,叫做片未完比特 。 该位为,1”时,表示后面还有分片的数据报,如果为,0”,表示该数据报为最后一片网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
6,寿命 TTL（ Time to live又称为生存时间 ）
寿命字段设置了该数据报在互联网中允许存在的时间,以秒为单位
7,协议占 8bit,协议字段指出此数据报携带的运输层数据是使用何种协议,以便目的主机的
IP层知道应将此数据报上交给哪个进程
8,首部检验和此字段只检验数据报的首部,不包括数据部分
9,地址源站 IP地址字段和目的站 IP地址宇段都各占 4字节 。
10 选项字段选项字段内容很丰富,它是 IP协议的组成部分,一些协议内容靠此字段来实现,例如,
排错,安全措施,记录路由,源站选路由,时间戳等网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.4 ICMP
为了让互联网中的路由器报告错误或提供有关意外情况的信息，设计者在
TCP／ IP中加入了一个特殊用途的报文机制。这个机制叫做 Internet控制报文协议 ICMP（ Internet Control
Message Protocol），作为 IP的一部分，
在每个 IP实现中都使用它。
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.4 ICMP
报文格式：
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层几个常用的 ICMP询问报文 。
l ICMP Echo请求报文：是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问 。
l ICMP时间戳请求报文：是请某个主机或路由器回答当前的日期和时间 。
l ICMP地址掩码请求报文,可使主机向子网掩码服务器得到某个接口的地址掩码 。
6.4 ICMP
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层路由信息协议 RIP
RIP是一个基于距离向量的分布式路由选择协议
6.5 Internet路由选择协议网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层开放最短通路优先协议 OSPF
OSPF最主要的特征就是它是一种分布式的链路状态协议 （ Link State Protocol）
6.5 Internet路由选择协议网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.6 下一代网际协议 IPv6
IPv6所引进的变化可以分成五类：
1,更大的地址空间新的地址大小是 IPv6最显著的变化。 IPv6把 IPv4的 32比特地址增大到了
128比特
2,灵活的首部格式
IPv6使用一种全新的、不兼容的数据报格式
3．增强的选项
4,支持资源分配
5,对协议扩展的保障网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.6 下一代网际协议 IPv6
IPv6基本格式,
IPv6数据报有一个固定大小的基本首部（ Base Header），其后可以允许有零个或多个扩展首部（ Extension Header），再后的内容是数据网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.6 下一代网际协议 IPv6
IPv6基本首部格式,
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
IPv6的地址空间在 IPv6中，每个地址占 128 bit，地址空间大于 3.4x1038。
目的地址可以是以下三种基本类型之一：
单播（ unicast）,就是传统的点对点通信。
多播（ multicast）：是一点对多点的通信 。
任播（ anycast）,目的站是一组计算机，但数据报在交付时只交付给其中的一个，通常是距离最近的一个。
IPv6标准将实现 IPv6的主机和路由器均称为结点，并将
IPv6地址分配给结点上面的接口。一个接口可以有多个单播地址。一个结点接口的单播地址可用来唯一地标识该结点。
6.6 下一代网际协议 IPv6
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
IPv6 使用 冒 号 十 六 进 制 记 法 （ colon hexadecimal
notation）,它把每个 16 位的二进制量用十六进制值表示,各量之间用冒号分隔 。 例如：
6C6E,8C0B,0000,FFFF,0000,1D80,096A,FFFF
冒号十六进制记法还包含两个技术使它尤其有用 。 首先,冒号十六进制记法可以允许零压缩 （ zero compression）,
即一连串连续的零可以由一对冒号所取代 。 其次,冒号十六进制记法可结合有点分十进制记法的后缀 。
推广使用 IPv6的一个重要问题就是要和 IPv4兼容 。 现在采用的方法是将 32位的 IPv4地址嵌入到 IPv6地址中的低 32位 。
6.6 下一代网际协议 IPv6
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层冒号十六进制记法可以允许零压缩 （ zero compression）,
即一连串连续的零可以由一对冒号所取代 。
例如：
FF05,0,0,0,0,0,0,B3 可以写成,FF05：,B3
冒号十六进制记法可结合有点分十进制记法的后缀 。
例如：
0,0,0,0,0,0,128.10.2.1,再使用零压缩即可得出：
：,128.10.2.1
推广使用 IPv6的一个重要问题就是要和 IPv4兼容 。 现在采用的方法是将 32位的 IPv4地址嵌入到 IPv6地址中的低 32位 。
6.6 下一代网际协议 IPv6
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
IPv6扩展首部介绍
IPv6的扩展首部的模式与 IPv4的任选项相似 。 扩展首部提供了最大限度的灵活性 。 概括来说就是：
每个数据报包含的扩展首部只提供那些它所要使用的设施 。
每个基本首部和扩展首部都包含一个 next header字段。
每个中间的路由器以及最终目的站上的软件需要对数据报进行处理，它们必须使用 next header 字段中的值以便对数据报进行分析。为了从 IPv6数据报中提取所有首部信息，
要求通过各个首部进行顺序查找。
6.6 下一代网际协议 IPv6
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层下面我们介绍几种扩展首部及其功能 。
1,逐跳选项扩展首部
2,路由选择扩展首部
3,分片扩展首部
6.6 下一代网际协议 IPv6
l 了解 Internet网际层的功能以及在 TCP/IP体系结构中的位置
l 掌握 IP地址的分类,IP地址与 MAC地址的转换与 ARP协议
l 掌握 IP地址的申请,分配管理与子网划分,子网掩码的运用
l 了解 IP数据报的格式与工作原理,ICMP的作用
l 了解 Internet路由选择协议
l 了解 IPv6的机理和工作模式网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.1 概述
TCP/IP体系结构与协议栈之间的关系：
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
1,IP地址及其表示方法点分十进制记法,
130.9.44.192。
IP地址的结构分为两部分,
网络号,net-id
主机号,host-id
IP地址的类别,
常用的有 A,B,C三类地址。
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
IP 地址的结构与分类：
0 net-id host-id
比特 0 8 16 24 32
A类
10 net – id host – id
110 net – id host-id
B类
C类网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
地址类别最大网络数第一个可用的网络号最后一个可用的网络号每个网络中的最大主机数
A 126 1 126 16 777 214
B 16382 128.1 191.254 65 534
C 2097150 192.0.1 233.255.254 254
IP地址的分类 及特征网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
IP地址的转换：
标志主机地址的是机器的物理地址，又称为 MAC地址 。
MAC地址是集成在网卡上的，所以又叫做硬件地址。 MAC地址是一个
6字节（ 48bit）二进制数，采用 16进制表示法例如,09 E0 AC 00 9B 0D。
从 IP地址到物理地址的转换是由地址解析协议 ARP来完成。
主机 A的 ARP工作过程如下,（设：寻找主机 B的物理地址）
（ 1） ARP进程在本局域网上广播发送一个 ARP请求分组,上面有主机
B的 IP地址；
（ 2） 在本局域网上的所有主机上运行的 ARP进程都收到此 ARP请求分组；
（ 3） 主机 B在 ARP请求分组中见到自己的 IP地址,就向主机 A发送一个
ARP响应分组,写入自已的物理地址；
（ 4）主机 A收到主机 B的 ARP响应分组后，就在其 ARP高速缓存中写入主机 B的 IP地址到物理地址的映射。
6.2 IP地址与 ARP
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
IP地址的分配与管理,
NIC管理 IP地址中的 net-id字段，而 host-id部分则由获得了地址的机构来管理
IP地址在本网内的分配示意网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.2 IP地址与 ARP
IP地址的分配与管理,
网络互连时 IP地址分配示意网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层子网划分为了使 IP地址的使用更加灵活，在 IP地址中又增加了一个,子网号字段,,为获得地址的单位进行二次分配提供了方便
6.2 IP地址与 ARP
子网掩码（ Subnet Mask）
10 net-id host-id B类地址
11111111 11111111 00000000 00000000 标准子网掩码
10 net-id subnet-id host-id 划分了子网的 B类地址
11111111 11111111 11111100 00000000 该子网掩码从 host-id中划出高六位作为子网地址网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层子网划分
6.2 IP地址与 ARP
网络号 子网号 主机号
11001000 00001010 000001 00 00000001 子网 1中的第 1台主机地址
11111111 11111111 111111 00 00000000 子网掩码网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报数据报首部 数据报的数据区数据报的一般格式,
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报首部定义：
版本 首部长度 服务类型 总长度标 识 标志 片偏移寿命 协议 首部检验和源端 IP地址目的端 IP地址长度可变的任选字段 填充数 据
…
0 4 8 16 31
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
1,版本数据报的前 4比特字段包含了生成该数据报的 IP协议的版本信息。
2,首部长度该字段也是 4比特，给出以 32比特字长为单位的首部长度网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
3,服务类型服务类型字段占 8比特，它规定了本数据报的处理方式，并被分成如图所示的 5个子字段：
优先级 D T R C 未用
0 1 2 3 4 5 6 7
3个比特的优先级子字段指明本数据报的优先级，允许发送方表示本数据报的重要程度。优先级的值从 0（普通优先级）到 7（网络控制）
比特 D,T,R,C表示本数据报所希望的传输类型。这些比特的值为
1时,D代表低时延（ Delay）,T代表要求高吞吐量（ Throughput），
R要求高可靠性（ Reliability）,C表示要求选择费用更低廉的路由（ Cost）
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
4,总长度该字段给出了以字节为单位的 IP数据报长度,包括首部和数据中的字节数
5,标识,标志及片偏移数据报首部中的标识 （ Identification）,标志 （ Flags）,片偏移 （ Fragment offset） 三个字段用作控制分片和重组 。 标识字段含有一个惟一标识该数据报的整数 。 其主要目的是为了让目的主机知道每个到达的数据报片属于哪个数据报 。 目的主机通过数据报片的标识字段及源站点地址来识别数据报 。 发出 IP数据报的计算机必须为每个数据报生成一个惟一的值,作为标识字段值 。 如果该数据报在传输过程中被分片,则每一片数据报的标识字段是相同的 。
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
5,标识,标志及片偏移分片的片偏移字段指明分片所携带数据在原始数据报中以 8字节为单位的偏移量,从零开始计数
3个比特的标志字段中的两个低比特控制分片 。 第一个控制位指定数据报是否分片 。 如果把它设成,l”就不分片,因此它也叫做不分片 （ Do Not Fragment） 比特,只有该比特为 0时才允许分片 。
标志字段的低位比特指明了本分片中的数据是否为原始数据的最后一片,叫做片未完比特 。 该位为,1”时,表示后面还有分片的数据报,如果为,0”,表示该数据报为最后一片网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.3 IP数据报
IP数据报主要字段的意义,
6,寿命 TTL（ Time to live又称为生存时间 ）
寿命字段设置了该数据报在互联网中允许存在的时间,以秒为单位
7,协议占 8bit,协议字段指出此数据报携带的运输层数据是使用何种协议,以便目的主机的
IP层知道应将此数据报上交给哪个进程
8,首部检验和此字段只检验数据报的首部,不包括数据部分
9,地址源站 IP地址字段和目的站 IP地址宇段都各占 4字节 。
10 选项字段选项字段内容很丰富,它是 IP协议的组成部分,一些协议内容靠此字段来实现,例如,
排错,安全措施,记录路由,源站选路由,时间戳等网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.4 ICMP
为了让互联网中的路由器报告错误或提供有关意外情况的信息，设计者在
TCP／ IP中加入了一个特殊用途的报文机制。这个机制叫做 Internet控制报文协议 ICMP（ Internet Control
Message Protocol），作为 IP的一部分，
在每个 IP实现中都使用它。
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.4 ICMP
报文格式：
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层几个常用的 ICMP询问报文 。
l ICMP Echo请求报文：是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问 。
l ICMP时间戳请求报文：是请某个主机或路由器回答当前的日期和时间 。
l ICMP地址掩码请求报文,可使主机向子网掩码服务器得到某个接口的地址掩码 。
6.4 ICMP
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层路由信息协议 RIP
RIP是一个基于距离向量的分布式路由选择协议
6.5 Internet路由选择协议网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层开放最短通路优先协议 OSPF
OSPF最主要的特征就是它是一种分布式的链路状态协议 （ Link State Protocol）
6.5 Internet路由选择协议网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.6 下一代网际协议 IPv6
IPv6所引进的变化可以分成五类：
1,更大的地址空间新的地址大小是 IPv6最显著的变化。 IPv6把 IPv4的 32比特地址增大到了
128比特
2,灵活的首部格式
IPv6使用一种全新的、不兼容的数据报格式
3．增强的选项
4,支持资源分配
5,对协议扩展的保障网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.6 下一代网际协议 IPv6
IPv6基本格式,
IPv6数据报有一个固定大小的基本首部（ Base Header），其后可以允许有零个或多个扩展首部（ Extension Header），再后的内容是数据网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
6.6 下一代网际协议 IPv6
IPv6基本首部格式,
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
IPv6的地址空间在 IPv6中，每个地址占 128 bit，地址空间大于 3.4x1038。
目的地址可以是以下三种基本类型之一：
单播（ unicast）,就是传统的点对点通信。
多播（ multicast）：是一点对多点的通信 。
任播（ anycast）,目的站是一组计算机，但数据报在交付时只交付给其中的一个，通常是距离最近的一个。
IPv6标准将实现 IPv6的主机和路由器均称为结点，并将
IPv6地址分配给结点上面的接口。一个接口可以有多个单播地址。一个结点接口的单播地址可用来唯一地标识该结点。
6.6 下一代网际协议 IPv6
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
IPv6 使用 冒 号 十 六 进 制 记 法 （ colon hexadecimal
notation）,它把每个 16 位的二进制量用十六进制值表示,各量之间用冒号分隔 。 例如：
6C6E,8C0B,0000,FFFF,0000,1D80,096A,FFFF
冒号十六进制记法还包含两个技术使它尤其有用 。 首先,冒号十六进制记法可以允许零压缩 （ zero compression）,
即一连串连续的零可以由一对冒号所取代 。 其次,冒号十六进制记法可结合有点分十进制记法的后缀 。
推广使用 IPv6的一个重要问题就是要和 IPv4兼容 。 现在采用的方法是将 32位的 IPv4地址嵌入到 IPv6地址中的低 32位 。
6.6 下一代网际协议 IPv6
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层冒号十六进制记法可以允许零压缩 （ zero compression）,
即一连串连续的零可以由一对冒号所取代 。
例如：
FF05,0,0,0,0,0,0,B3 可以写成,FF05：,B3
冒号十六进制记法可结合有点分十进制记法的后缀 。
例如：
0,0,0,0,0,0,128.10.2.1,再使用零压缩即可得出：
：,128.10.2.1
推广使用 IPv6的一个重要问题就是要和 IPv4兼容 。 现在采用的方法是将 32位的 IPv4地址嵌入到 IPv6地址中的低 32位 。
6.6 下一代网际协议 IPv6
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层
IPv6扩展首部介绍
IPv6的扩展首部的模式与 IPv4的任选项相似 。 扩展首部提供了最大限度的灵活性 。 概括来说就是：
每个数据报包含的扩展首部只提供那些它所要使用的设施 。
每个基本首部和扩展首部都包含一个 next header字段。
每个中间的路由器以及最终目的站上的软件需要对数据报进行处理，它们必须使用 next header 字段中的值以便对数据报进行分析。为了从 IPv6数据报中提取所有首部信息，
要求通过各个首部进行顺序查找。
6.6 下一代网际协议 IPv6
网络和现代通信技术基础 ——Internet网际层下面我们介绍几种扩展首部及其功能 。
1,逐跳选项扩展首部
2,路由选择扩展首部
3,分片扩展首部
6.6 下一代网际协议 IPv6
