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IP地址的表示方法、子网的基本概念路由器的工作过程主要的

点击数:153 更新时间:2019-07-26 15:34:00

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  第4章 网络互连 IP地址的表示方法、子网的基本概念 路由器的工作过程 主要的地址映射方法:ARP、RARP、NAT 常见的路由选择算法 网络规划与设计原则和关键技术 常见的网络测试命令 4.1.1 IP协议 1. IP地址 IP地址为32位地址,一般以4个字节表示。每 个字节的数字又用十进制表示,即每个字节的数的 范围是0~255,且每个数字之间用点隔开,例如: 211.85.193.155,这种标记方法称为“点—分”十进 制记号法。 4.1.1 IP协议 IP地址的编址方法共经过了三个历史阶段: (1)分类的IP地址; (2)子网的划分; (3)构成超网。。 2. IP地址的分类 2. IP地址的分类 网络类 最大网 第一个可用的 最后一个可用 每个网络中的最 别 络数 网络号 的网络号 大主机数 A B C 126 16384 1 128.0 126 191.255 223.225.250 16777214 65534 254 2097152 192.0.0 特殊的IP地址。 (1)回传地址 (2)广播地址 (3)网络地址 (4)私有IP地址: 127. X. X. X 10.0.0.1 ~ 10.255.255.254 172.13.0.1 ~ 172.32.255.254 (A类); (B类); (C类)。 192.168.0.1 ~ 192.168.255.254 3. IP数据报的格式 协议名 ICMP IGMP TCP EGP IGP UDP IPv6 OSPF 协议字段 值 1 2 6 8 9 17 41 89 ? ? 如下IP报文头,分析各字段含义 45 00 00 64 19 C0 00 00 80 11 E2 5C D3 55 CB D7 D3 55 CB FF 4.1.2 划分子网和超网 1. 子网及子网掩码 (1)子网 子网是指在一个IP地址上生成的逻辑网络 。IP地址 结构变成如下三层结构: 网络地址部分 子网地址部分 主机地址部分 (2)子网掩码 子网掩码是一个32位地址,它用于屏蔽IP地址 的一部分以区别网络ID和主机ID;用来将网络分割 为多个子网;判断目的主机的IP地址是在本局域网 或是在远程网。 类 A B 子网掩码 255.0.0.0 255.255.0.0 子网掩码的二进制表示 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 11111111 00000000 00000000 C 255.255.255.0 11111111 11111111 11111111 00000000 例如,某单位需要构建4个分布于不同地点的局域网 络,每个网络都各有约20台主机,而其仅向NIC申 请了一个C类的网络ID号,其号码为202.204.60。 请分配IP地址和子网掩码。 2. IP路由 3. 无分类编址 无分类域间路由选择CIDR(Classless Inter-Domain Routing)。 CIDR的主要特点是: (1)CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的 概念 ( 2 ) CIDR 将网络前缀都相同的连续 IP 地址组成“ CIDR 地址 块”。 CIDR使用“斜线记法”来表示整个的IP地址块,表示方法如下: A.B.C.D / n 例如:211.85.192.0 / 20 3. 无分类编址 例如:211.85.192.0/20表示的地址块共有212个地址 (因为网络地址是32位,而斜线位,所以主机号占比特数是12位,因此 地址块的数目就是212),而该地址块的起始地址和 最大地址分别是: 超始地址 211.85.192.0 11010011.01010101.11000000.00000000 最大地址 211.85.207.255 11010011.01010101.11001111.11111111 3. 无分类编址 但在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果, 这时就从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由, 即最长前缀匹配(Longest-prefix Matching),这是 因为网络前缀越长,其地址块就越小,因而路由就 越具体。 4.1.3 IP层转发分组的流程 在路由器的路由表中,每一条路由主要有以下两项: (目的网络地址,下一跳地址) 这样做结果是: (1)IP数据报首先要设法找到目的主机所在目的网络 上的路由器(间接交付)。 (2)只有到达最后一个路由器时,才试图向目的主 机进行直接交付。 4.1.3 IP层转发分组的流程 在因特网中某一个路由器的IP层所执行的分组转发算 法如下: (1)从数据报的首部提取目的站的 IP 地址 D, 得出目 的网络地址为 N。 (2)若网络 N 与此路由器直接相连,则直接将数据报 交付给目的站 D;否则是间接交付,执行(3)。 (3)若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由,则 将数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器;否 则,执行(4)。 4.1.3 IP层转发分组的流程 (4)若路由表中有到达网络 N 的路由,则将数据报传 送给路由表指明的下一跳路由器;否则,执行(5)。 (5)若路由表中有一个默认路由,则将数据报传送给 路由表中所指明的默认路由器;否则,执行(6)。 (6)报告转发分组出错。 4.1.4 下一代网际协议IPv6 IPv6主要在以下几个方面进行扩充和改进: (1)IPv6把原来IPv4的32bit地址增大到了128bit (2)这种下一代的IP协议并不是完全抛弃了原来的 IPv4,且允许与IPv4在若干年内共存。 (3)IPv6对IP数据报协议单元的头部与原来的IPv4相 比进行了相应的简化,仅包含7个字段(IPv4有13个) (4)IPv6另一个主要的改善方面是在它的安全方面。 4.1.4 下一代网际协议IPv6 IPv6用“冒号十六进制”记法,它把每个16比特的 量用十六进制值表示,各量之间用冒号分隔。例如, 如果前面所给的点分十进制数记法的值改为冒号十 六进制记法,就变成了 FFFE:000C:0000:0000:0C00:0000:0000:000C 4.1.4 下一代网际协议IPv6 IPv6还允许对这种冒号十六进制的地址记法进行压缩: (1)一组中的前导零可以忽略不写。例如上面这个IPv6 地址中的第二组000C可以直接写成C,则该地址可压缩 为: FFFE:C:0:0:C00:0:0:C。 (2)冒号十六进制记法还可以允许零压缩 。上面这个 IPv6地址可压缩为 FFFE:C::C00:0:0:C。 4.1.4 下一代网际协议IPv6 在IPv4向IPv6的转换阶段特别有用。例如,下面的串 是一个合法的冒号十六进制记法: 0:0:0:0:0:0:192.168.101.5 使用零压缩即可得出: ::192.168.101.5 4.2.1 路由器 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 . 1. 路由器的功能 (1)网络互连。 (2)数据处理。 (3)网络管理。 4.2.1 路由器 2. 路由器的路由过程 路由是将数据包从一个地方转发到另一个地方的一 个中继过程。 4.2.1 路由器 4.2.1 路由器 网段路径 网络层数据包头内地址信 数据链路层数据帧内的地址信息 息 源IP地址 目的IP地址 PC2 PC2 源MAC地址 PC1 Router1的S0 口 Router2的S1 口 Router1的E0 口 目的MAC地址 Router1的E0口 Router2的S0口 从PC1到 Router1 从Router1到 Router2 从Router2到 Router3 从Router3到 PC2 PC1 PC1 PC1 PC2 Router3的S1口 PC1 PC2 PC2 3. 路由的度量 度量是路由算法用以确定到达目的地的最佳路 径的计量标准 ,常用的度量如下: 1. 路径长度 3. 延迟 5. 负载 2. 可靠性 4. 带宽 6. 通信代价 4.2.2 路由表 路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数 据包寻找一条最佳传输路径,并将该数据快速、准 确地传送到目的站点。 (1)静态路由表 (2)动态路由表 4.2.2 路由表 路由表由多个路由记录组成,每个记录指明了以下 内容: (1)逻辑目的地 (3)网关 (5)跃点数 (2)网络掩码 (4)接口 (6)协议 4.2.2 目的网络 211.85.192.0 211.85.203.0 子网掩码 255.255.255.0 255.255.255.0 网关 路由表 标志 U 接口 eth0 eth1 跃点数 0 0 下面来看一个路由表的实例,如表所示。 211.85192.254 211.85.203.254 U 63.0.0.0 72.65.28.88 127.0.0.1 default 255.0.0.0 255.255.255.25 5 255.255.255.25 5 0.0.0.0 211.85.203.254 UG 211.85.203.254 UGH 127.0.0.1 UH eth1 eth1 lo0 eth1 8 10 0 1 211.85.203.254 UG 4.2.2 路由表 在Internet中一个路由器的IP层所执行的路由算法: (1)从收到的数据报的首部提取目的IP地址。 (2)先判断是否为直接交付。对路由器直接相连的 网络逐个进行检查。判断方法:目的 IP 地址与子网 掩码相与。 (3)路由表中有没有特定的目的地址IP地址,有转 发。 4.2.2 路由表 (4)对路由表中的每一行,将其中的子网掩码和收 到数据包中的目的IP地址逐比特相与,其结果为N。 若N与该行的目的网络地址匹配,则将数据报传送给 该行指明的下一跳路由器。 (5)若路由表中有默认路由,转发。 (6)以下情况都不符合时,报错。 4.3.1 ARP协议 地址解析协议就是用来确定32位IP地址到48位 MAC地址的映射协议。 1. 什么是ARP协议 ARP协议是“Address Resolution Protocol”(地址解 析协议)的缩写。 4.3.1 ARP协议 2. ARP协议的数据报格式 4.3.1 ARP协议 3. ARP数据报的封装 4. APR的工作原理 ① A在本局域网上广播发送一个ARP请求分组。 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 B收到ARP请求分组发现此分组的目的IP地址与自己 的IP地址相同,B就发送一个ARP响应分组,在此响应 分组中写入主机B的IP和物理地址。 ④ A收到B的ARP响应分组后,在其ARP高速缓存中写 入主机B的IP地址到硬件地址的映射。 5. ARP命令 ARP常用命令选项: (1)arp -a或arp –g (2)arp -a IP (3)arp -s IP 物理地址 (4)arp -d IP 4.3.2 RARP协议 RARP的工作过程如下 (1)在局域网上至少有一个主机要充当RARP服务 器,无盘工作站先向局域网发出RARP请求分组,并 在此分组中给出自己的硬件地址。 (2)RARP服务器收到某个主机发送的RARP请求分 组后,RARP服务器就从这映射表查出该无盘工作站 的IP地址,然后写入RARP响应分组,发回给无盘工 作站。无盘工作站用此方法获得自己的IP地址。 4.3.3 网络地址转换NAT 1. NAT的分类 (1)静态NAT(STATIC NAT) (2)动态NAT(DYNAMIC NAT) (3)端口NAT(PORTNAT) 2. NAT的工作原理 位于内部网络和外部网络之间的 NAT 路由器,在 发送数据包之前,负责把包内的内部 IP地址域用合法 的IP地址来替换,可以将多个内部地址映射为少数几 个甚至一个外部地址。 3. NAT的工作过程 4.4 路由选择算法 1. 路由选择算法的特点 (1) 路由算法必须具有正确性和完整性。 (2) 简单性。 (3) 适应性 (4) 稳定性 (5) 公平性 (6)最佳性 2. 路由选择算法的分类 ( 1 ) 内 部 网 关 协 议 IGP ( Interior Gateway Protocol) ( 2 ) 外 部 网 关 协 议 EGP ( External Gateway Protocol) 根据 IP 地址是否具有类别属性,又把路由选择协议 分为 : (1)有类别路由选择(classful routing) (2)无类别路由选择(classless routing) 3. 常用路由选择协议 (1)距离矢量的协议 (2)链路状态协议 (3)边界网关协议 4.4.2 静态路由概述 路由动作包括两项基本内容:寻址和转发。 静态路由是在路由器中设置固定的路由表。除非网 络管理员干预,否则静态路由不会发生变化。 静态路由的优点是简单、高效、可靠。 4.4.3 RIP协议的基本概念 1. RIP协议的工作原理 RIP的原理是到达目的网络的“距离”最短。其 中“距离”定义为到达目的网络所经过路由器的个 数,也称为跳数(hop count)。 从一个路由器到直接相连的网络的距离定义为 1 ,然后,每经过一个路由器跳数加 1 ,并允许一条 路径最多只能包含 15 个路由器,即最大跳数为 15 , 如果“距离”为16,则表示目的网络不可达,且RIP 认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目最少。 2. RIP协议中的距离向量算法 收到相邻路由器(其IP地址为X)的一个RIP报文: (1)先修改此RIP报文中的所有项目:将“下一跳” 中的地址都改为X,并将所有的“距离”字段的值加1。 (2)对修改后的RIP项目进行以下操作: 若项目中的目的网络不在路由表中,则添加该项目。 否则 若下一跳给出的路由器地址是相同的,则将收 到的项目替换原路由表中的项目。 否则 若收到的项目中的距离小于路由表的距离, 则进行更新。 否则,什么也不做。 2. RIP协议中的距离向量算法 (3)若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表, 则将此相邻路由器记为不可达的路由器,即将距离置为 16。 (4)返回。 假定在一个网络中的路由器B的路由表有如下 的项目: 目的网络 N1 N2 N6 N8 N9 距离 下一跳路由器 7 2 8 4 4 A C F E F 现在路由器B收到从路由器C发来的以下路由信息: 目的网络 N2 距离 4 N3 N6 N8 N9 8 4 3 5 4.5 网络规划与设计 4.5.1 网络规划与设计基础 ? 网络规划是为建立的网络系统提出一套完整的 设想和方案,包括网络系统的可行性研究、需 求分析、总体方案设计、网络体系结构、网络 拓扑结构、详细设计、投资预算、建立规范化 文档等 。 4.5.1 网络规划与设计基础 ? ? ? ? ? ? (1)认真做好需求分析,为网络规划和设计 奠定良好的基础。 (2)网络规划和设计要充分保证网络的先进 性、可靠性、安全性和实用性。 (3)统一建网模式,确定总体架构,保证网 络功能的完善。 (4)充分保证网络的发展和网络规模的扩大。 (5)保证网络系统的安全性和保密性。 (6)具有良好的网络可维护性。 4.5.2 网络规划与设计的内容 ? 网络规划与设计的主要任务是对网络业务需求、 网络的规模、网络的结构、网络的管理需要、 网络增长预测、网络安全要求,以与外部网络 的互连等指标,给出尽可能准确的定量或定性 分析和估计。 4.5.2 网络规划与设计的内容 ? ? ? ? ? ? ? 1.需求分析 (1)可行性研究 (2)环境要求 (3)设备配置 (4)功能需求 (5)用户目标 (6)网络系统目标 4.5.2 网络规划与设计的内容 ? ? 2.规划网络体系结构 根据需求分析,初步规划用户设备类型 (主机、服务器等)、通信类型(数据 或多媒体)和网络应提供的服务(数据 库共享、文件传送与存取、电子邮件、 网络互连等);并在初步规划的基础上, 为用户提出一个或几个网络体系结构方 案。 4.5.2 网络规划与设计的内容 ? ? 3.技术方案设计与设备造型 确定网络主干和分支采用的网络技术、传输介 质和拓扑结构,以及网络资源配置和连接外部 网络的方案等。 根据技术方案选择网络设备 、进行软件平台配 置,综合布线设计,光缆、电缆铺设,网络设 备安装规范与要求,互连和调试工程的规范与 施工要求等。 ? 4.5.2 网络规划与设计的内容 ? ? 4.网络工程经预算 网络工程经预算包括的费用很多,主要有:网 络设备(路由器、交换机、服务器等)、综合 布线工程(含材料)费用、网络机房建设费用、 网络工程施工费用,设备安装、测试费用,网 络系统(操作系统)软件费用,网络应用系统 集成(开发)费用,网络技术培训费用,网络 运行管理、维护费用等。 4.5.2 网络规划与设计的内容 ? ? ? ? ? ? ? 5.验收 制定具体的网络系统测试指标和详细的验收标 准。此项工作紧紧围绕系统目标、网络设计等 具体内容进行。 培训对象一般分为4类,人员: 用户管理层的网络应用技术培训(领导层) 用户网络管理人员的网络系统技术培训(网管 层) 用户网络软件开发人员的技术培训(程序员) 一般用户的网络应用培训 4.5.3 网络规划与设计中的关键技术 ? 在进行网络规划与设计时,应充分考虑 网络传输、服务质量、服务模式和网络 管理与安全等一些关键技术。 4.5.4 网络设计举例 ? 下面以校园网设计为例来说明网络方案 的设计方法.。 1. 校园网网络需求分析及建设目标 ? ? ? ? ? ? ? (1)校园网一般需求分析 ① 复杂多出口与计费的需求。 ② 安全管理的需求。 ③ 网络管理的需求。 ④ 关键业务服务质量保证。 ⑤ 统一信息标准的需求。 ⑥ 降低综合建设成本的需求。 1. 校园网网络需求分析及建设目标 ? ? ? ? ? ? ? ? (2)校园网建设目标 (3)校园网建设内容 ① 网络资源平台 ② 数据中心平台 ③ 资源中心平台 ④ 管理中心平台 ⑤ 服务中心平台 ⑥ 信息门户平台 1. 校园网网络需求分析及建设目标 ? ? ? ? ? ? (4)校园网功能分析 在教育网络建设和营运的应用主要可分为两类: 1)一般功能 网络都需具有的:教育行政办公自动化、教学管 理自动化、多媒体教学、网站和电子邮件、资源 学习、网络管理和连接互联网的功能。这些业务 主要通过整合性的软硬件一体化平台来实现,其 中包括资源库平台、应用软件平台、网络监制和 管理平台等。 2)高级功能 课件点播、网络直播、远程教学、在线.网络系统设计原则与技术选型 ? ? ? (1)网络系统设计原则 高可靠性、 高性能、 灵活性及可扩展性、 高可管理性、安全性、兼容性 (2)网络技术选型 3.总体网络拓扑设计 4. Internet接入和安全性设计 ? ? ? 网络的互联网出口为电信的百兆出口,为了分担 流量和提高访问的响应速度,可以同时使用 CERNET或其他网络出口。 校园网的互联网接入部分(平台)可以提供以下 功能: 对外提供信息服务、入侵防御和入侵检测、访问 外网服务加速功能、NAT(网络地址转换) 5. 网络IP地址规划 ? ? ? ? ? 对于校园网来说,需要全局IP地址的有以下几种 情况; 对互联网提供信息服务的服务器,这些服务器一 般放置在防火墙的DMZ区; 内部分配私有IP地址的网络访问互联网时,需要 全局IP地址做NAT; 内部网络中对全局IP地址有特定需求的网段,比 如对外服务的研究所或校办企业等。 跟CERNET和ChinaNet的互联地址一般有ISP另外 分配。 4.6 网络测试的常用命令 4.6.1 Ping命令 4.6.2 IPConfig命令 4.6.3 Tracert命令 4.6.4 netstat命令 4.6.5 Route命令 4.6.1 Ping命令 Ping命令是最常用的网络测试命令。Ping命令在 Windows中的使用语法如下: ping [-t] [-a] [-n count] [-l size] [-f] [-i TTL] [-v TOS] [r count] [-s count] [[-j host-list] [-k host-list]][-w timeout] target_name 4.6.2 IPConfig命令 IPConfig可以让用户了解自己的计算机是否成功的 租用到一个IP地址。如果租用到,则可以了解它目 前分配到的是什么地址。 IPConfig命令使用的语法 如下: ipconfig [/? /all /renew [adapter] /release [adapter] 4.6.3 Tracert命令 如果要测试网络连通,可以使用tracert命 令来检查到达的目标IP地址的路径并记录 结果。 tracert 最常见的用法如下: tracert IP address [-d] 4.6.4 netstat命令 netstat命令运行在DOS窗口或命令行下,可以使用户了 解到自己的主机是怎样与Internet相连接的,这有助 于用户了解网络的整体使用情况。 netstat命令语法格 式如下: netstat [-r] [-s] [-n] [-a] 4.6.5 Route命令 Route命令的语法如下: ROUTE [-f] [-p] [command [destination][MASK netmask] [gateway] [METRIC metric] [IF interface]

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