计算机网络网络层

计算机网络网络层

5.3地址解析协议第2页,共46页，2024年2月25日，星期天

5.3.1

IP地址与物理地址

IP层及以上使用IP地址寻址，数据链路层使用物理地址(MAC地址，硬件地址)寻址。IP地址和物理地址的使用

第3页,共46页，2024年2月25日，星期天5.3.1

IP地址与物理地址R1中地址的查找和转换

IP地址和物理地址的使用

作用范围IP数据报首部MAC帧首部源地址目的地址源地址目的地址LAN1，从H1到R1IP1IP2HA1HA3LAN2，从R1到R2IP1IP2HA4HA5LAN3，从R2到H2IP1IP2HA6HA2第4页,共46页，2024年2月25日，星期天5.3.2ARP地址解析机制

动态绑定(dynamicbinding)第5页,共46页，2024年2月25日，星期天5.3.2ARP地址解析机制ARP缓存(caching)为进一步提高效率，ARP还采取了以下措施：在ARP请求报文中也放入源站的IP地址和物理地址的映射，以免目标机紧接着为解析源站的物理地址而再进行一次动态绑定操作；源站在广播自己的地址映射时，网上所有主机都将它存入自己的ARP缓存；新的主机入网时，主动广播自己的地址映射，以免其他主机对它运行ARP。第6页,共46页，2024年2月25日，星期天5.4因特网控制报文协议ICMP

第7页,共46页，2024年2月25日，星期天

5.4.1ICMP及其报文格式

ICMP（InternetControlMessageProtocol）弥补了IP可靠性方面的不足，提供了一定的差错报告和控制功能。ICMP数据的封装第8页,共46页，2024年2月25日，星期天5.4.1ICMP及其报文格式ICMP报文类型

类型域ICMP报文类型03458910111213141718回应应答（echoreply）目的不可到达(destinationunreachable)源抑制(sourcequench)重定向(redirect)回应请求(echorequest)路由器通告(routeradvertisement)路由器恳求(routersolicitation)数据报超时(datagramtimeexceeded)数据报参数错(datagramparameterproblem)时间戳请求(timestamprequest)时间戳应答(timestampreply)地址掩码请求(subnetmaskrequest)地址掩码响应(subnetmaskreply)第9页,共46页，2024年2月25日，星期天5.4.2ICMP报文差错报告报文具有以下特点：①提供差错报告，并不严格规定对差错应采取什么样的处理方式；②差错报告是伴随着抛弃出错的数据报而进行的；③路由器或目的站向源站进行报告，并不通知有关的路由器。

ICMP差错报告包括以下几种：

(1)目的不可到达报告；

(2)超时报告；

(3)参数出错报告。第10页,共46页，2024年2月25日，星期天5.4.2ICMP报文ICMP控制报文源抑制报文:路由器周期性测试每条输出线路，监视拥塞的发生并发送源抑制报文。重定向报文:主机并不执行路由算法动态更新路由表，启动时路由表一般是由人工配置。ICMP重定向机制保证主机拥有一个动态的优化的路由表，它只用于同一网络上的主机与路由器之间。ICMP重定向机制的前提是路由器知道优化的路径，路由器的路由选择协议来解决。第11页,共46页，2024年2月25日，星期天5.4.2ICMP报文ICMP请求/应答（request/reply）报文(1)回应请求与应答(2)时戳请求与应答(3)子网掩码请求与应答路由器发现(routerdiscovery)报文路由器恳求(routersolicitation)和路由器通告(routeradvertisement)两种ICMP报文支持路由器发现。第12页,共46页，2024年2月25日，星期天

5.6路由协议

第13页,共46页，2024年2月25日，星期天

5.6.1路由协议简介

静态路由（staticrouting）和动态路由（dynamicrouting），Internet使用动态路由。主机或路由器在启动后都必须有一个初始的路由表，对于动态路由，初始路由表建立起来之后还要动态地更新。路由协议（routingprotocol），也称路由选择协议，用于路由器之间不断地交换路由信息，运行路由算法，优化更新路由。

第14页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.1路由协议简介整个Internet并不是采用一种全局性的一致的路由算法。自治系统AS(AutonomousSystem)Internet划分为许多较小的自治系统，有一个全局管理的唯一的识别编号，自己有权决定在本自治系统内部采用哪种路由协议。

AS之间的路由称为域间路由（interdomainrouting）,AS内部的路由称为域内路由（intradomainrouting）两级路由。相应地，路由协议分为如下两类：内部网关协议IGP（InteriorGatewayProtocol）外部网关协议EGP（ExternalGatewayProtocol）

第15页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.1路由协议简介IGP和EGP第16页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.2路由信息协议

RIP

距离矢量(distance-vector

路由算法

路由交换的报文包含（D，V）序偶的列表，D是到该目的网络的距离，V标识目的网络，称为矢量。交换处理的过程是一个分布式处理过程。

距离矢量路由算法例子第17页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.2路由信息协议

RIP距离矢量路由算法,设：网络所有结点的集合为N;D(i)表示N中任意结点i到某一目的结点d的距离；L(i,j)表示N中两个结点i和j之间的距离，i≠j，并有如下原始数据：当i和j直接相连接时，L(i,j)就是图右图所标的距离；当i和j不直接相连接时，L(i,j)

=∞。求各结点i到目的结点d的最短距离D(i)的算法如下：(1)初始化D(i)=∞，i∈N但i≠d；

D(d)=0。(2)更新最小距离对每个i∈N但i≠d：

D(i)=min{L(i,j)+D(j)}；重复步骤（2），直至迭代中所有D(i)不再变化。第18页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.2路由信息协议

RIP迭代轮次结点A结点B结点C结点E结点F结点G初始化(no,∞)(no,∞)(no,∞)(no,∞)(no,∞)(no,∞)1(no,∞)(no,∞)(D,3)(D,5)(no,∞)(no,∞)2(no,∞)(C,5)(D,3)(D,5)(E,12)(C,7)3(B,10)(C,5)(D,3)(D,5)(E,12)(B,6)4(B,10)(C,5)(D,3)(D,5)(E,12)(B,6)

上述例子中各结点到目的结点D的路由的迭代过程第19页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.2路由信息协议

RIP所有路由器周期性地和邻接路由器（称邻站，neighbor）交换路由信息。如，A与B是邻站，当B收到A发来的A的路表之后，下述4种情况下B将修改其路由表：①A知道去某个目的网络距离更短的路由；②A给出了B不知道的路由；③B到某个目的网络的路由经过A而且A到该网络的距离有了变化（变小或变大）；④在规定的时间内收不到A的路由报文，则下一跳为A的表项，距离修改为最大值。路由信息报文的交互顺序具有随机性，导致不同的路由更新过程，最终会收敛到同样的优化路由。第20页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.2路由信息协议

RIP

路由更新的例子第21页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.2路由信息协议

RIPRIP：简单，规定“距离”为到达目的网络的跳数，最大跳数为15，达到16时，即认为不可达。每个RIP路由器每隔30秒钟周期性地向所有邻站广播自己的路由表。RIP2报文格式第22页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.3开放最短路径优先协议Dijkstra算法示例

最短路径优先SPF（ShortestPathFirst）路由算法SPF算法的每个路由器都要知道全部的网络拓扑结构信息。Dijkstra算法可以从单个源点开始计算到其他所有目的结点的最短路径。以a为根的最短路径树

第23页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.3开放最短路径优先协议

SPF算法，设：

D(i)表示任意结点i到源结点s之间的距离，i≠s;L(i,j)表示结点i和j之间的链路距离，i≠j，当i和j直接相连接时，L(i,j)就是图上所标的距离，当i和j不直接相连接时，L(i,j)=∞；

N为集一个集合，它包含了到s的最短距离已得到的诸结点，NC为其补集；那么，Dijkstra算法可按下述步骤进行：

(1)初始化N={s}；

D(i)=L(i,s)，i∈NC。

(2)迭代寻找结点j∈NC使得：

D(j)=minD(i)，i∈NC

将结点j加入集合N；如果NC为空，结束；否则进入（3）。

(3)更新最小距离对每个结点i∈NC：

D(i)=min{D(i),L(i,j)+D(j)};

返回到(2)。第24页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.3开放最短路径优先协议上述例子的计算过程

迭代轮次集合N结点b结点c结点d结点e结点f初始化{a}(a,10)(no,∞)(a,20)(a,50)(no,∞)1{a，b}(a,10)*(b,30)(a,20)(b,40)(no,∞)2{a，b，d}(b,30)(a,20)*(b,40)(no,∞)3{a，b，d，c}(b,30)*(b,40)(c,70)4{a，b，d，c，e}(b,40)*(e,60)5{a，b，d，c，e，f}(e,60)*第25页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.3开放最短路径优先协议OSPF路由协议OSPF是一种分布式的链路状态协议，所有的OSPF路由器都维持一个链路状态数据库LSDB，存储的链路状态信息描绘了整个AS的网络拓扑以及各个链路的度量。

OSPF路由器之间要不断地相互交换链路状态信息并扩散到整个AS，以保持LSDB的动态性和在AS范围内的一致性，即LSDB同步。路由器在此基础上执行Dijkstra算法，计算出以自己为根的最短路径树,再得到路由表。第26页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.3开放最短路径优先协议OSPF报文

OSPF设计有五种类型的报文：

1问候报文Hello；

2数据库描述报文DBD(DataBaseDescription)3链路状态请求报文LSR(LinkStateRequest)4链路状态更新报文LSU(LinkStateUpdate)5链路状态确认报文LSAck(LinkStateAcknowledgment)第27页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.3开放最短路径优先协议OSPF报文格式第28页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.3开放最短路径优先协议单区OSPF操作（1）建立与维护与邻站的邻接关系（2）选举指定路由器和备份指定路由器（3）同步LSDB

（4）计算最短路径树并生成路由表OSPF生成最短路径的例子

第29页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.3开放最短路径优先协议路由状态信息的分区管理Internet中有的AS很大，可以将AS划分成若干个区，采取层次结构的区划分，每个AS有一个主干区，连通所有的其他区，主干区内还有一个路由器和其它AS相连接。每个区至少有一个路由器连到主干区。OSPF的分区管理把路由器分为了4类：（1）内部路由器（internalrouter）（2）区界路由器(areaboarderrouter)（3）主干路由器（backbonerouter）（4）自治系统边界路由器（ASboundaryrouter）

第30页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.3开放最短路径优先协议跨区传送的路径分三段计算：从源到区界路由器的源区内路径段；源区和目的区之间的主干区路径段；目的区内路径段。OSPF自治系统分区示例第31页,共46页，2024年2月25日，星期天

5.6.4边界网关协议BGP路径矢量（path-vector）协议边界网关协议BGP（BorderGatewayProtocol）是一种EGP，用来在不同AS的路由器之间交换路由信息。

BGP交换的路由信息主要是到目的网络的路径和目的网络地址，是一种路径矢量协议。BGP不通报距离，是一种可达性协议，而不是最优路由协议，原因：①Internet规模太大，AS之间的路由选择非常困难；②对各个AS之间计算最优路径也是不现实的；③AS之间路由选择必须考虑有关策略。第32页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.4边界网关协议BGPBGP路由选择机制

BGP路由选择示例第33页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.4边界网关协议BGPBGP的3个功能步骤：邻站关系的建立,即邻站探测（neighboracquisition）；邻站关系的维护，即邻站可达性（neighborreachability）；可达网络数据库的建立与维护，即网络可达性（networkreachability）。BGP报文打开报文Open；保活报文Keepalive；更新报文Update；通知报文Notification。第34页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.4边界网关协议BGPBGP报文交换过程假设R1.1通过RIP得到了关于子网N1.2和N1.3的新的路由消息，R1.1可以给AS2的R2.1发送一个BGPUpdate报文，报告这一新路由，主要路由信息是：ASpath：AS1标识；NextHop：R1.1的IP地址；NLRI：N1.2网络ID，N1.3网络ID。

R2.2将通过一个新的Update报文将从R2.1收到的消息转发到R3.1：ASPath：AS2标识，AS1标识；

NextHop：R2.1的IP地址；

NLRI：N1.2网络ID，N1.3网络ID。第35页,共46页，2024年2月25日，星期天5.6.4边界网关协议BGPBGP路由信息交换第36页,共46页，2024年2月25日，星期天

5.7

IP多播

第37页,共46页，2024年2月25日，星期天

5.7.1IP多播简介IP多播

IP多播并不是发送者向多个目的站进行多次单播，多播过程仅在传输路径必须分岔时才将IP数据报复制后继续转发。多播组的成员可以是动态的，一台主机可以在任何时候加入或退出一个多播组。而且，一台主机可以是多个多播组的成员。在多个网络上，转发IP多播数据报需要特殊的多播路由器，通常是给常规的路由器增加多播功能。第38页,共46页，2024年2月25日，星期天

5.7.1IP多播简介IP多播地址

IP使用D类地址支持IP多播2.68亿个组，地址范围是224.0.0.0到239.255.255.255。以太网支持多播。以太网的物理地址为48比特，其中第1字节的最低位为1则为组地址，用于多播的以太网地址范围是0x01005E000000～

0x01005E7FFFFF，共有223个地址，有800多万个。当IP多播数据报交到底层以太网进行传送时，IP多播地址要转换为以太网多播物理地址。

IP多播协议

因特网组管理协议IGMP(InternetGroupManagementProtocol)支持

IP多播。多播路由（multicastrouting）协议，也分为域内和域间多播路由协议。第39页,共46页，2024年2月25日，星期天5.7.2因特网管理协议IGMPIGMP报文类型组地址发送者意义0x11填入0路由器一般组成员关系查询0x11使用路由器特定组成员关系查询0x16使用主机组成员关系报告0x17使用主机离组0x12使用主机组成员关系报告（IGMPv1使用）第40页,共46页，2024年2月25日，星期天5.7.2因特网管理协议IGMP

IGMP运行机制多播路由器的每个端口它都动态地维护一张多播组表，表中记录了与该端口连接的网络上的主机当前所加入的多播组地址。对于每个端口，不管是一台还是多台主机属于某一个多播组，多播组表中只包含一个该组的组地址。主机如果欲加入某一新的多播组，通过发送IGMP报告报文来声明。本地多播路由器接收到这个报告报文后，检查接收该报文的端口的多播组表，如果没有声明的组地址，便将它加入表中。第41页,共46页，2024年2月25日，星期天5.7.2因特网管理协议IGMP

多播路由器是通过周期性地轮询本地网络上的主机，动态维护多播组表。轮询通过发送IGMP查询报文实现。主机通过发送IGMP报告报文来响应多播路由器的查询。一个主机中可能有一个或多个进程加入不同的组，对每个组都要发回IGMP报告。当主机检测到参加某个组的进程全部都退出后，对于这个组，就不再发回IGMP响应报文。另外，也可使用离组报告报文声明退出多播组。

第42页,共46页，2024年2月25日，星期天5.7.2因特网管理协议IGMP提高IGMP运行效率

为了提高效率，IGMP采用了一些措施：①多播路由器的查询报文，一般并不针对某一多播组。②当同一个网络上有多个多播路由器选择其中一个负责查询主机的多播成员关系。③当一台主机上有多个进程要求加入同一个多播组时，则只有一个进程发出声明成员关系的报告报文。④当主机收到查询后，延迟一个随机