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Computer Networks 第四章网络层 Teacher: Dr. 周鹏

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http://ic.huanghuai.edu.cn/?zhoupeng

本章内容

4.1 网络层提供的两种服务4.2 网际协议 IP

4.3 划分子网和构造超网

4.4 网际控制报文协议 ICMP

4.5 因特网的路由选择协议

4.6 IP 多播

4.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT


学习目的与要求

了解：网络层与网络互联的基本概念。掌握：网络层的功能和提供服务掌握： IP 协议的特点与基本内容。掌握：地址解析的基本概念与方法。掌握： IP 地址及子网编址的基本方法。掌握： IP 分组的转发与路由选择的概念。掌握： Internet 路由选择协议的概念。掌握：路由器与三层交换的基本工作原理。了解： Internet 控制报文协议（ ICMP ）


4.5 因特网的路由选择协议

1. 理想的路由算法算法必须是正确的和完整的。算法在计算上应简单。算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，这就是说，

要有自适应性。算法应具有稳定性。算法应是公平的。算法应是最佳的。


关于“最佳路由”

不存在一种绝对的最佳路由算法。所谓“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的

较为合理的选择而已。实际的路由选择算法，应尽可能接近于理想的算法。

路由选择是个非常复杂的问题它是网络中的所有结点共同协调工作的结果。路由选择的环境往往是不断变化的，而这种变化有时无法

事先知道。


路由算法的分类

按照路由算法的自适应性分为静态路由选择策略—小网络

即非自适应路由选择，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。

动态路由选择策略—大网络即自适应路由选择，其特点是能较好地适应网络状

态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大。


路由算法的分类

那么我们的因特网应该采用的路由算法

是？……

P145 倒数第 5 段第一句。因特网采用自适应的、动态的、分层次的

路由选择协议。


因特网路由选择协议

由于规模和隐私、保密的原因，因特网

采用分层次的路由选择协议（当然，它首先是动态的、分布式的）。

采用分层次路由选择协议的前提—划分自治系统（ AS- Autonomous System ）


自治系统 AS(Autonomous System)

定义：在单一的技术管理下的一组路由器。

这些路由器使用一种 AS 内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该 AS 内

的路由，同时还使用一种 AS 之间的路由选择协议用以确定分组在 AS 之间的路

由。


IGP

IGP

IGP

3自治系统

1自治系统

IGP IGP

IGP

IGP

IGP

2自治系统

IGP

IGPIGP

IGP

IGPEGP

EGP

EGP

3路由器

1路由器

2路由器

内部网关协议内部网关协议外部网关协议1主机

2主机

(IGP) (IGP)(EGP)


1. 内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol)

在一个自治系统内部使用的路由选择协议。目前这类路由选择协议使用得最多，如 RIP 和 OSPF 协议。

2. 外部网关协议 EGP (External Gateway Protocol)

若源站和目的站处在不同的自治系统中，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。这样的协议就是外部网关协议 EGP 。在外部网关协议中目前使用最多的是 BGP-4 。

因特网分层次路由协议的分类


AS和 IGP、 EGP 协议

用内部网关协议（例如， RIP ）

自治系统 B自治系统 A用外部网关协议

（例如， BGP-4 ）R1 R2

用内部网关协议（例如， OSPF ）

自治系统之间的路由选择也叫做域间路由选择 (interdomain routing) ，在自治系统内部的路由选择叫做域内路由选择 (intradomain routing)


内部网关协议 RIP (Routing Information Protocol)

1. 工作原理 RIP （路由信息协议）是内部网关协议 IGP 中最

先得到广泛使用的协议。 RIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选择

协议。 RIP 协议要求网络中的每一个路由器都要维护

从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。


“ 距离”的定义

从一个路由器到直接连接的网络的距离定义为 1 。

从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加 1 。

RIP 协议中的 “ 距离 ” 也称为 “跳数” (hop count) ，每经过一个路由器，跳数就加 1 。


“ 距离”的定义（续）

RIP 认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少，即“距离短”。

RIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。 “ 距离”的最大值为 16 时即相当于不可达。可见

RIP 只适用于小型互联网。 RIP 不能在两个网络之间同时使用多条路由。 RIP

选择一个具有最少路由器的路由（即最短路由），哪怕还存在另一条高速 (低时延 ) 但路由器较多的路由。


路由信息协议 RIP 小结

RIP 是内部网关协议中一种分布式、基于距离向量的路由选择协议；

路由器周期性地向外发送路由刷新报文，其他路由器在接收到某此报文后，按照最短路径原则对各自的路由表进行刷新；

路由刷新报文主要内容是由若干（ V， D， R ）组成的表；矢量 V标识该路由器可以到达的目的网络或目的主机， D表示该路由器到达目的网络或目的主机的跳步数， R表示下一跳路由器

路由信息协议 RIF 适用于相对较小的自治系统，直径一般小于 16跳。


RIP 协议的优缺点

优点 RIP 协议最大的优点就是实现简单，开销较小。

缺点： RIP 限制了网络的规模，它能使用的最大距离为 15（ 16

表示不可达）。路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也就增加。


内部网关协议 OSPF (Open Shortest Path First)

OSPF 协议的基本特点（ 2 个）① “ 开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，

即其规范是公开的，公布的 OSPF规范是 RFC1247 。

②OSPF 基于 SPF 算法，该算法也称为 Dijkstra 算法 “最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF 。 OSPF 只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协

议不是“最短路径优先”。 OSPF 是分布式的链路状态协议（不仅仅是 RIP 的距离向量）。

三个要点（与 RIP 比较）

向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法（ RIP 仅向相邻路由器发送）。

发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。 “ 链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路

的“度量” (metric) ，可以是时间、费用、带宽、距离等等。 RIP

发送的是到所有网络的距离和下一跳路由器。 RIP 的“距离”，以经过的路由器数来衡量。

只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息（ RIP 每隔 30秒定期交换）。


OSPF 的区域

为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络， OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫作区域。

每一个区域都有一个 32 位的区域标识符（用

点分十进制表示）。区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好

不超过 200 个。


自治系统 AS

OSPF 划分为两种不同的区域

区域 0.0.0.1 区域 0.0.0.3

主干区域 0.0.0.0

至其他自治系统

R9

R7

R6

R5

R4

R3

R2

R1

网 8

网 6

网 3

网 2

网 1

网 7

区域 0.0.0.2

网 4网 5 R8


OSPF 的优点

当互联网规模很大时， OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连

通状态，而与整个互联网的规模并无直接关系。

So， OSPF 没有“坏消息传播得慢”的问题，据统计，其响应网络变化的时间小于 100 ms 。


最短路径优先协议 OSPF 小结

分布式的链路状态协议；路由器发送的信息是本路由器与哪些路由器相邻，以

及链路状态（距离、时延、带宽等）信息；当链路状态发生变化时用洪泛法向所有路由器发送；所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库；将一个自治系统再划分为若干个更小的区域，一个区域内的路由器数不超过 200 个。


4.5.4 外部网关协议 BGP

BGP 是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。

Border Gateway Protocol


BGP 使用的环境与内部网关协议不同

① 因特网的规模太大，使得自治系统之间路由选择非常困难。对于自治系统之间的路由选择，要寻找最佳路由是很不现实的。

② 自治系统之间的路由选择必须考虑有关策略。① 边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由。


BGP 发言人(BGP speaker)

每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“ BGP 发言人” 。

一般说来，两个 BGP 发言人都是通过一个共享网络连接在一起的，而 BGP 发言人往往就是 BGP 边界路由器。


BGP 发言人和自治系统 AS 的关系

BGP 发言人

BGP发言人

BGP 发言人

BGP 发言人

BGP发言人AS1

AS3

AS2

AS5

AS4


BGP 协议的特点

BGP 协议交换路由信息的结点数量级是自治系

统数的量级，这要比这些自治系统中的网络数少

很多。

每一个自治系统中 BGP 发言人（或边界路由

器）的数目是很少的。这样就使得自治系统之间

的路由选择不致过分复杂。


4.5.5 路由器在网际互连中的作用

1. 概念路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。也就是说，将路由器某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地（即目的网络），把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。


2.典型的路由器的结构

路由选择

路由选择处理机路由选择协议路由选择协议

路由表路由表

33

输入端口

33 交换结构

输入端口

输出端口

分组转发

转发表转发表

分组处理

输出端口

… …

11

1111

33

33

11 22

22

22

22

3—— 网络层2—— 数据链路层1—— 物理层


“ 转发”和“路由选择”的区别

“ 转发” (forwarding) 就是路由器根据转发表将用户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。

“ 路由选择” (routing)则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由。路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。

在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路由表的区别。


路由器输入、输出端口对分组的处理过程


输入端口对线路上收到的分组的处理

数据链路层剥去帧首部和尾部后，将分组送到网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时延。

物理层处理物理层处理数据链路层处理

数据链路层处理

网络层处理分组排队

交换结构

输入端口的处理

从线路接收分组查表和转发


输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路

当交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。

物理层处理物理层处理数据链路层处理

数据链路层处理

网络层处理分组排队

输出端口的处理

向线路发送分组缓存管理

交换结构


4.6 IP 多播（组播）

概念— 多播：一个主机向特定的多个接收者发送消息的方法。

在 Internet 上，多媒体业务诸如：流媒体，视频会议和AOD/VOD 、网络视频会议、多媒体远程教育、“ push” 技术（如股票行情等）和虚拟现实游戏等方面等，正在成为信息传送的重要组成部分。

点对点传输的单播方式不能适应这一类业务传输特性—单点发送多点接收。因为服务器必须为每一个接收者提供一个相同内容的 IP 报文拷贝，同时网络上也重复地传输相同内容的报文，占用了大量资源。


单播与多播的区别


IP 多播（组播）IP 多播是指一个 IP 报文向一个“主机组”的

传送，这个包含零个或多个主机的主机组由一个单独的 IP 地址标识。除了目的地址部分，多播报文与普通报文没有区别，网络尽力传送组播报文但是并不保证一定送达。


IP 多播的特点

多播使用组地址—— IP 使用 D 类地址支持多播。多播地址只能用于目的地址，而不能用于源地址。

动态的组成员主机有权选择加入或者退出某个主机组。


多播使用组地址

主机组地址也称为“多播地址”，或者 D 类地址。 D 类地址：前缀 1110 。范围： 224.0.0.0 — 239.255.255.255

每个 D 类地址标识一组主机。向某个 D 类地址发送数据报，即被所有主机组成员接收。


4.6.3 网际组管理协议 IGMP

和多播路由选择协议

1. IP 多播需要两种协议A. 为了使路由器知道多播组成员的信息，

需要利用网际组管理协议 IGMP (Internet

Group Management Protocol) 。

B. 多播路由选择协议。


因特网组管理协议 IGMP

IGMP ：用于帮助多播路由器识别加入的组成员。有 3 个版本： IGMPv1（ RFC1112）

IGMPv2 (RFC2326)

IGMPv3 (RFC3376)。

主机向多播组的多播地址发送 IGMP 报文声明要成为该组成员，告知本地的组播路由器它想接收的组播流量的主机组地址。多播路由器收到“主机成员报告”消息后把该主机加入指定的主机组。


多播小结

多播能使一个或多个多播源只把数据包发送给特定的多播组，而只有加入该多播组的主机才能接收到数据包。单播地址：一个网络接口的地址。送往一个

单播地址的包将被传送至该地址标识的接口上。多播地址：一组接口 ( 一般属于不同节点 ) 的

网络地址。送往一个组播地址的包将被传送至有该地址标识的所有接口上。

广播地址：一个网段内的所有节点。送往一个广播地址的包将被送至网段内的所有节点（广播禁止在 Internet宽带网上传输。）。


4.7 VPN 和NAT

什么是 VPN ？概念： VPN（ Virtual Private

Network ）是指在公用网络上建立专用网络的技术。

目的：在公共网络上建立属于自己的安全的专用网络，用来传输内部信息。


VPN 的特点

① 没有专用物理链路，而是建立在公共网上的逻辑专用链路（隧道）。称为虚拟网主要是因为整个 VPN 网络的任意两个结点之间的连接并没

有传统专网建设所需的点到点的物理链路，而是架构在公用网络服务商ISP 所提供的网络平台之上的逻辑网络。

② 通过逻辑隧道、加密、认证等技术实现点到点的数据传输的专有性。用户的数据是通过 ISP 在公共网络（ Internet ）中建立的逻辑隧道，即

点到点的虚拟专线进行传输的。通过相应的加密和认证技术来保证用户内部网络数据在公网上安全传输，从而真正实现网络数据的专有性。


VPN 的分类

① 远程接入 VPN

远程接入 VPN 用于实现移动用户或远程办公室安全访问企业网络；

② Intranet VPN

用于组建跨地区的企业内部机构之间的互联网络；

③ Extranet VPN

用于企业与客户、合作伙伴之间建立互联网络。

VPN 的组建方式

① 租用电信运营商的 VPN 服务② 自购 VPN设备，在公网上建立 VPN

通过宽带网组建的 VPN增值潜力大，除了用于数据业务，还可用于语音、视频通信业务，从而实现三网合一的需求

③ VPN设备 VPN 交换机、 VPN 路由器、 VPN集中器、 VPN防火墙、 VPN 服务器（软件实现，搭配客户端拨号软件，使用免费号码）



X

10.1.0.1

用隧道技术实现虚拟专用网

部门 A

因特网

部门 B

R1R2

隧道125.1.2.3 194.4.5.6

Y

10.2.0.3

使用隧道技术

加密的从 X 到 Y 的内部数据报加密的从 X 到 Y 的内部数据报

外部数据报的数据部分外部数据报的数据部分

源地址： 125.1.2.3目的地址： 194.4.5.6

数据报首部数据报首部

部门 A部门 B

X YR1R2

125.1.2.3 194.4.5.6

10.1.0.110.2.0.3

虚拟专用网 VPN


4.7.2 网络地址转换 NAT (Network Address

Translation)

网络地址转换 NAT 方法于 1994年提出。

需要在专用网连接到因特网的路由器上安装 NAT 软件。装有 NAT 软件的路由器叫做 NAT 路由器，它至少有一个有效的外部全球地址 IPG。

所有使用本地地址的主机在和外界通信时都要在 NAT

路由器上将其本地地址转换成 IPG 才能和因特网连接。


本地专用地址和全球地址

本地专用地址—仅在机构内部使用的 IP

地址，可以由本机构自行分配，而不需要向因特网的管理机构申请。

全球地址—全球唯一的 IP 地址，必须向因特网的管理机构申请。

为什么要使用内部地址？分配方便节省有限的 IP 地址空间


RFC 1918 指明的专用地址 (private address)

10.0.0.0 到 10.255.255.255

172.16.0.0 到 172.31.255.255

192.168.0.0 到 192.168.255.255

这些地址只能用于一个机构的内部通信，而不能用于和因特网上的主机通信。

专用地址只能用作本地地址而不能用作全球地址。在因特网中的所有路由器对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。


NAT 的作用：解决 IP地址耗尽问题

NAT ：每台主机都有一个固定的 IP 地址

用于表示自己在网络中的身份，但一个单位只能分配到一个或少量的公开 IP 地址，所以单位内部的主机通常都使用私有地址。当内部主机要访问 Internet 时必须进行“网络地址转换”，即把私有 IP 地址转换成公开 IP 地址。

NAT 工作原理



本章小结

网络层要实现路由选择、拥塞控制与网络互联等基本功能；

Internet 的网络层采用 IP 协议。 IP 协议是一种不可靠、无连接的协议，它提供是一种 “尽力而为”的服务；

Internet 将路由选择协议分为内部网关协议 IGP 与外部网关协议 EGP；

路由器在网络层实现多个网络互联，第三层交换机可以实现网络层数据分组的快速转发；


思考

某公司一共有四个部门，部门 A有 9台计算机，部门 B有 28台计算机，部门 C有 17台计算机、部门D有 25台电脑，组成公司局域网，每个部门单独构成一个子网，该公司只分配有一个 C 类网络地址192.168.1.0

（ 1 ）规划写出各部门子网划分的 IP 地址分配方案。（包括子网地址、 IP 地址范围和子网掩码）

（ 2 ）如果各部门独立子网需要互相通信，可采用什么办法？请画出网络连接示意图。


答案

思路：可以用路由器 + 2 层交换机或者 3 层交换机。部门 IP 地址范围子网掩码子网号 A 192.168.1-192.168.1.62 255.255.255.192 0

B 192.168.1.65-192.168.1.126 同上 64

C 192.168.1.129-192.168.1.190 同上 128

D 192.168.1.193.-192.168.1.254 同上 255


作业

4-19 4-24、 4-28、 4-334-35、 4-37


补充— 09考研真题

33．在 OSI参考模型中，自下而上第一个提供端到端服务的层次是（）

A ）数据链路层 B ）传输层 C ）会话层 D ）应用层

34．在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为 3KHz ，采用 4 个相位，每个相位具有 4 中振幅的 QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是（）

A） 12kbps B） 24kbps C） 48kbps

D） 96kbps



35．数据链路层采用了后退 N帧（ GBN ）协议，发送方已经发送了编号为 0~7 的帧。当计时器超时时，若发送方只收到0、 1、 2、 3号帧的确认，则发送方需要重发的帧数是（）

A） 2 B） 3 C） 4 D） 5

36．以太网交换机进行转发决策时使用的 PDU 地址是（）

A ）目的物理地址 B ）目的 IP 地址

C ）源物理地址 D ）源 IP 地址



37．在一个采用 CSMA/CD 协议的网络中，传输介质为电缆，传输速率为 1Gbps ，信号传播速度为 200000km/s 。若最小数据帧长度减少 800 比特，则最远的两个站点之间的距离至少需要（）

A ）增加 160m B ）增加 80m C ）减少 160m D ）减少80m

38．主机甲和主机乙间已建立一个 TCP 连接，主机甲向主机乙发送了两个连续的 TCP 段，分别包含 300字节和 500字节的有效载荷，第一个段的序列号是 200 ，主机乙正确接收到两个段后，发给主机甲的确认号是（）

A） 500 B） 700 C） 800 D） 1000



39．一个 TCP 连接总是以 1KB 的最大段发送 TCP 段，发送方有足够多的数据要发送。当拥塞窗口为 16KB 时发生了超时，如果接下来的 4个 RTT 时间内的 TCP 段的传输都是成功的，那么当第 4个

RTT 时间内发送的所有 TCP 段都得到肯定应当时，拥塞窗口的大小是（）

A） 7KB B） 8KB C） 9KB D） 16KB

40． FTP客户和服务器之间传递 FTP命令时，使用的连接是（）

A ）建立在 TCP 之上的控制连接 B ）建立在 TCP 之上的数据连接

C ）建立在 UDP 之上的控制连接 D ）建立在 UDP 之上的控制连接


补充— 09考研真题答案

33.B 34.B 35.C 36.A

37.D 38.D 39.C 40.A


补充— 09考研真题 47.（ 9 分）希赛公司网络拓扑图如下所示，路由器 R1 通过接口

E1、 E2 分别连接局域网 1 、局域网 2 ，通过接口 S0 连接路由器 R2 ，并通过路由器 R2 连接域名服务器与互联网。 R1的 S0

接口的 IP 地址是 211.67.2.1； R2的 S0 接口的 IP 地址是211.67.2.2， S1 接口的 IP 地址是 202.102.224.1， E1 接口的 IP 地址是 211.67.3.1；域名服务器的 IP 地址是211.67.3.2 。

域名服务器211.67.3.2

互联网

R1局域网 1

E1

局域网 2E2

R2

S0 211.67.2.1

S0211.67.2.2

E1211.67.3.1

S1202.102.224.1



R1和 R2 的路由表结构为：

（ 1 ）将 IP 地址空间 211.67.1.0/24 划分为 2 个子网，分别分配给局域网 1 、局域网 2 ，每个局域网需分配的 IP 地址数不少于 120 个。请给出子网划分结果，说明理由或给出必要的计算过程。

（ 2 ）请给出 R1 的路由表，使其明确包括到局域网 1 的路由、局域网 2 的路由、域名服务器的主机路由和互联网的路由。

（ 3 ）请采用路由聚合技术，给出 R2 到局域网 1 和局域网 2 的路由。

目的网络 IP 地址

子网掩码下一跳 IP 地址接口



（ 1 ）将 IP 地址空间 211.67.1.0/24 划分为 2 个子网，分别分配给局域网 1 、局域网 2 ，每个局域网需分配的 IP 地址数不少于 120 个。请给出子网划分结果，说明理由或给出必要的计算过程。

211.67.1.0/24 2n =

域名服务器211.67.3.2

互联网

R1局域网 1

E1

局域网 2E2

R2

S0 211.67.2.1

S0211.67.2.2

E1211.67.3.1

S1

202.102.224.1

目的网络地址子网掩码下一跳地址接口

（ 2 ）请给出 R1 的路由表，使其明确包括到局域网 1 的路由、局域网 2 的路由、域名服务器的主机路由和互联网的路由。（ 3 ）请采用路由聚合技术，给出 R2 到局域网 1 和局域网 2 的路由。

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