开放系统互联参考模型属于理论上的结构模型Word文档格式.docx
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5.1.3物理和数据链路层
在TCP/IP体系结构中没有详细定义此层的功能，只是指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上，并能够传输网络数据分组。
具体是哪种协议，在本层中没有规定。
该层包括了能使用TCP/IP与物理网络进行通信的协议，其中包括的通信网络有WAN（例如：
Internet、X.25公用数据网）和各种LAN（例如：
Ethernet、IEEE各种标准局域网等）。
5.2网际层及相关协议
5.2.1基本概念
网际层也称为IP层，相当于OSI参考模型中的网络层，它与物理和数据链路层统称为“通信子网”，它是在Internet标准中正式定义的第一层。
该层提供了定义数据分组和确定传输分组路径的功能。
网际层是TCP/IP体系结构中最重要的一层，是通信的核心，从低层传来的数据要由它来选择是继续传给其他网络节点还是直接交给传输层；
对高层传输来的数据报文，也要负责按照数据分组的格式填充报头，选择发送路径，并交由相应的线路去发送。
该层运行的协议有：
用于数据传输的IP协议，用于互联网络控制的ARP、RAPP、ICMP协议，用于路由选择的RIP、OSPF等路由协议。
5.2.2IP协议
IP协议是网际层最重要的协议，它负责在通信子网范围内实现跨越互联网络的主机间的相互通信。
IP协议具有以下功能：
（1）提供无连接数据分组服务。
（2）将传输层报文分成若干个数据量较小的数据分组，再加上报头送往下层。
（3）接收并校验下层送来的IP数据分组，去掉报头后进行合并，送往传输层。
目前流行的IP协议版本为IPv4，下一代的IP协议版本为IPv6和移动IP。
本章重点介绍目前流行的IPv4。
1．IP地址
基于TCP/IP技术构建的互联网可以看作是一个虚拟网络，它把处于不同物理网络的所有主机互联起来，并通过这个虚拟网络进行通信，隐藏了不同物理网络的底层结构，简化了不同网络间的网络互联。
为了能进行有效的通信，在虚拟网络中的每个设备都需要一个全局的地址来表示，这个地址就是IP地址。
IP协议比较重要的一个功能就是为网络中的每台计算机分配一个地址。
IP地址在进行编址时采用两级结构的编制方法，这样方便在Internet上进行寻址。
每个IP地址被分为前后两部分，前半部分称为网络号，用来表示一个物理网络；
后半部分称为主机号，用来表示这个网络中的一台主机，IP地址＝网络号＋主机号，如图5-3所示。
图5-3IP地址的结构
IP地址是一个32位的二进制数，为了方便，采用二进制和点分十进制两种表示方式。
点分十进制是从二进制转换得到的，其目的是便于用户和网络管理人员使用和记忆。
把32位IP地址每8位分成一组，每组的8位二进制数用十进制数表示，并在每组之间用小数点隔开，便得到点分十进制表示的IP地址。
同样，把点分十进制表示的IP地址转化为二进制表示时，分别把每个十进制数转化为8位二进制数，并按原来的顺序写出来。
【例5-1】把下列二进制形式的IP地址转化为点分十进制形式，把点分十进制形式的IP地址转化为二进制形式。
（1）11000000101010000000101011110111
（2）202.92.98.76
解：
（1）把每组8位二进制数转化为十进制数，并用点隔开：
192.168.10.247。
（2）把点隔开的每个十进制数表示为8位二进制数，并按顺序排列。
11001010010111000110001001001100
2．IP地址分类
IP地址共有5种类型，分别是A类、B类、C类、D类和E类，如图5-4所示。
（1）A类IP地址：
网络号长度有7位，因此允许有126（27-2）个不同的A类网络（网络号为0和127的有特殊的用途，不作为网络地址）。
主机号的长度为24位，表示每个A类网络中可以包含16777214（224-2）台主机。
A类IP地址结构适用于有大量主机的大型网络。
（2）B类IP地址：
网络号长度有14位，因此允许有16384（214）个不同的B类网络。
主机号的长度为16位，因此每个B类网络中可以包含65534（216-2）台主机。
B类IP地址结构适用于一些国际性大公司与政府机构等。
（3）C类IP地址：
网络号长度为21位，允许有2097152（221）个不同的C类小型网络。
主机号长度为8位，因此每个C类网可以包括254（28-2）台主机。
C类IP地址特别适用于一些小型公司与普通的研究机构。
（4）D类IP地址不用于标识网络，主要用于其他的特殊用途，如多目的地址的地址广播。
（5）E类IP地址暂时保留，用于某些实验和将来扩展使用。
图5-4IP地址的5种类型（图有错，已该正）
3．特殊IP地址
在A、B、C类地址中，有部分地址被用作特殊用途，这些地址被称为特殊地址，如表5-1所示。
（1）网络地址。
在A、B、C类地址中具有全零主机号的地址不指派给任何主机，这个地址保留用来定义本网络的地址。
在路由选择中，用网络地址表示一个网络。
（2）直接广播地址。
在A、B、C类地址中若主机号为全1，则此地址称为直接广播地址，用于将IP分组发送到一个特定网络上的所有主机。
（3）受限广播地址。
若32位IP地址是全1，则这个地址表示在当前网络上的一个广播地址。
当需要将一个IP分组发送到本网络上的所有主机时，可使用这个地址作为分组的目的地址。
值得注意的是，路由器不会转发此类型地址的分组，广播只局限在本地网络。
（4）本网络上的本主机。
若32位的IP地址是全零（0.0.0.0）就表示在本网络上的本主机地址。
当一个主机需要获得其IP地址时，可以运行一个引导程序，并发送一个全零地址给引导服务器以得到本主机的IP地址。
（5）本网络上的特定主机。
网络号为全零的IP地址，表示在这个网络上的特定主机。
用于一个主机向同一网络上的特定主机发送一个IP分组。
因为网络号为0，路由器不会转发这个分组，所以分组只能局限在本地网络。
（6）环回地址。
在点分十进制形式的IP地址中，第一个字节等于127的IP地址用作环回地址，它是一个用来测试设备软件的地址。
当使用环回地址时，分组永远不离开这个设备，只简单的返回到协议软件。
表5-1特殊IP地址
网络地址
主机地址
地址类型
特定
全0
全1
直接广播地址
受限广播地址
本网络上的本主机
本网络上的特定主机
127
任意
环回地址
4．专用IP地址
如果一台计算机或一个物理网络想要访问Internet，必须要从ISP申请注册IP地址或网络地址。
但是，对于没有与Internet连接的计算机或物理网络，则不需要注册IP地址与网络地址，管理员可使用任何的IP地址或网络地址。
但是如果该计算机或该网络与Internet连接起来之后，则IP地址与Internet上注册IP的地址会发生冲突。
为了防止此类冲突的发生，IP地址中有3个地址范围用于专用网络，这些地址不分配给Internet上的注册网络，管理员可在内部专用网络上使用这些专用IP地址，这3个专用IP地址范围，如表5-2所示。
表5-2专用IP地址范围
起始地址
结束地址
A
10.0.0.0
10.255.255.255
B
172.16.0.0
172.31.255.255
C
192.168.0.0
192.168.255.255
5．子网划分
互联网是由许多小的物理网络通过路由器等设备连接而成的。
在同一个物理网络中的所有主机都必须具有相同的网络号，即一个物理网络对应一个网络地址。
规模较大的物理网络包含的主机容量很多，因此主机地址很多，较小的物理网络主机地址很少。
一个A类网络的主机地址有1600多万个，一个B类网络的主机地址有6万多个，这在实际上不可能有一个网络能包含如此多的主机，如果仍然要求一个物理网络对应一个网路地址的话，就会导致IP地址的浪费。
随着Internet的发展，IP地址已相当珍贵，因此要充分地利用IP地址空间。
为了能充分利用IP地址，通常采用子网划分的方式。
子网划分是把一个物理网络划分为多个规模更小的网络，使得多个规模小的物理网络利用路由器连接起来，共用一个网络号。
需要注意的是，子网是一个单位内部划分的，在外看来仍然像一个物理网络。
划分子网，是将一个IP地址中的主机号的前几位划分为“子网号”，后面的仍然是主机号，这样IP地址就被划分为3个部分，分别为“网络号”、“子网号”和“主机号”，如图5-5所示。
【例5-2】将一个B类IP地址主机号的前8位划分为子网号，后8位仍为主机号，试计算出该IP地址划分子网数，及每个子网所包含的主机数。
图5-5划分子网后的IP地址
若将8位主机号划分为子网地址，则可以生成28（256）个潜在子网地址，除了全0和全1子网地址，有254个子网可用。
但是目前对全0的子网地址的使用已相当普遍，例如Cisco路由器的IOS从12.0版本开始可以默认支持全0子网地址。
剩下的8位主机号为每个可生成256个主机地址，除了全0和全1之外，剩下254个主机地址可用。
6．子网掩码
如果一个IP地址没有被划分子网，那么要确定这个IP地址的网络号和主机号，首先要先找出这个IP地址所属的类。
如果一个IP地址被划分了子网，那么区分子网地址和主机地址就需要利用子网掩码来完成。
子网掩码是一个32位的二进制数，它的每一位与IP地址相对应。
如果IP地址中的某一位对应的子网掩码是1，那么这个位就属于网络号部分或子网号部分；
反之，IP地址中的某一位对应的子网掩码是0，那么这个位就属于主机号部分，如图5-6所示。
通过IP地址所属的种类和子网掩码相结合，就可以判断出该IP地址的每个部分。
值得注意的是，子网掩码中0和1都是连续出现的，不能有0、1交替出现的方式
图5-6子网掩码与IP地址的关系
子网掩码的表示形式有3种：
二进制形式、点分十进制形式和斜杠形式。
二进制形式就是将子网掩码用32位二进制数表示出来；
点分十进制形式和IP地址的点分十进制形式类似，每8位子网掩码转换成十进制数，中间用小数点隔开；
而斜杠形式是指，在IP地址后面划一个斜杠，然后在斜杠后面写出子网掩码中1的个数，例如，192.168.10.25，子网掩码为255.255.255.192，可以写作192.168.10.25/26。
【例5-3】如图5-7所示，一个B类IP地址172.35.10.20，根据子网掩码255.255.252.0，计算得到该IP地址的网络地址为172.35.0.0、子网地址部分为8，即该子网的网络地址为172.35.8.0。
如果一个物理网络没有被划分子网，则该网络就要用默认的子网掩码。
在默认的子网掩码中，1的长度和网络号的长度相同，0的长度和主机号的长度相同。
A类、B类、C类IP地址对应的默认子网掩码的值，如表5-3所示。
图5-7利用子网掩码计算IP地址的网络号和子网号
表5-3A类、B类、C类IP地址默认子网掩码的值
二进制形式
点分十进制形式
A类
11111111000000000000000000000000
255.0.0.0
B类
11111111111111110000000000000000
255.255.0.0
C类
11111111111111111111111100000000
255.255.255.0
另外，子网掩码还可以将多个规模小的网络合并成规模较大的网络，如将几个C类网合并成一个B类网，这种方式称为超网，其过程就是将子网掩码中“1”的长度缩短，使网络地址的部分位变成主机字段。
【例5-4】使用子网掩码255.255.248.0，将下列C类网络地址合并到一个子网中。
192.168.193.0、192.168.194.0、192.168.195.0、192.168.199.0
利用子网掩码255.255.248.0，对这些C类网进行合并，如表5-4所示。
表5-4超网的合并过程
点分制形式
网络号
主机号
255.255.192.0
111111111111111111
00000000000000
192.168.193.0
110000001010100011
00000100000000
192.168.194.0
00001000000000
192.168.195.0
00001100000000
192.168.199.0
00011100000000
7．IP分组
在网际层中，数据传输的格式称为IP分组。
IP分组由头部和数据两部分组成，如图5-8所示为IPv4分组格式。
IP分组的头部中基本长度为20B，因为选项字段长度是可变的，包含选项的最大长度为60B。
（1）版本。
4位，定义IP协议的版本。
IPv4的版本号为4，IPv6的版本号为6。
（2）头部长度。
4位，定义IP分组的头部长度，以4B为单位进行计数。
头部长度是可变的，当头部为最小长度20B时，该字段为（0101）B，当头部为最大长度60B时，该字段为（1111）B。
图5-8IPv4分组格式
（3）服务类型。
8位，用来定义IP分组的服务质量，格式如图5-9所示。
高3位代表优先级的级别，共8个优先级，其中0为最低，7为最高。
D4~D1位为分组期望得到的服务类型。
“D”代表最小延迟，“T”代表最大吞吐量，“R”代表最高可靠性，“C”代表最小费用。
该4位最多只能有一位的值为“1”，其他位为“0”，也就是说期望得到的服务类型只能有一个。
D0位未用。
图5-9服务类型格式
（4）总长度。
16位，表示头部和数据两部分的长度总和，以字节为单位。
最大长度可达到65535个字节，但实际的分组长度很少有超过1500个字节的。
（5）标识。
16位，用来使分片后的数据报片能准确地重新组装成原来的数据报。
（6）标志。
3位，只对后两位进行定义，用来表示后面是否还有分片，是否允许分片。
（7）片偏移。
13位，用来指出较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。
（8）寿命。
8位，用来表示该分组在网络中的生存时间，以秒为单位。
（9）协议。
8位，用来指出IP分组中封装的高层协议，其中不同的值代表不同的协议类型，如表5-5所示。
表5-5高层协议类型及对应值（两表合在一起了）
值
协议类型
1
ICMP
2
IGMP
…
6
TCP
17
UDP
50
ESP（IPsec）
51
AH（IPsec）
89
OSPF
（10）头部校验和。
16位，用来检验IP分组的头部，不包括数据部分。
计算方法是把整个分组的头部按16位分段，然后按位进行不带进位加法（异或运算），再将最后的结果写成反码形式，写入到该字段中。
（11）源IP地址。
32位，用来定义该分组源主机的IP地址。
（12）目的IP地址。
32位，用来定义该分组目的主机的IP地址。
（13）选项。
长度不定（0字节或更多），用于网络的测试和控制。
选项处理作为IP协议的组成部分，在所有IP协议实现中都是不可缺少的，其中主要包括3种类型的选项。
①记录路由。
记录下IP分组从源主机到目的主机所经过路径上各路由器的IP地址。
②源路由。
由源主机定义，源主机给出一条路径，分组根据该路径选择路由器进行传输。
③时间戳。
用来记录IP分组经过每个路由器的时间，以毫秒为单位。
8．IPv6
前面介绍的IP协议为IPv4。
IPv4自20世纪70年代产生以来，对数据通信有了很大的发展。
但是Internet的迅速发展使得IPv4在地址空间、信息安全和区分服务等方面显露出明显的缺陷。
为了解决Internet出现的相关问题，Internet工程任务组（IETF）提出了下一代IP协议，即IPv6。
IPv6在IP地址空间、路由协议、安全性、移动性及服务质量（Qos）支持等方面都作了较大的改进，增强了IP的功能。
（1）IPv6地址表示法
IPv6的地址共128位二进制数，在表示方法上采用“冒号分隔十六进制表示法”。
当采用此表示方法时，将128位二进制数划分为8段，每段16位，用4位十六进制数表示，每段之间用冒号隔开。
例如，下面是一个用此方式表示的IPv6地址，FADC:
C9D8:
0042:
0000:
BBCD:
BDEE。
在这个IP地址中，有很多段的数字全是0，这样使得IP地址很冗长。
可以采用“零压缩”的技术来将这些连续出现的0删除，用两个冒号来代替这些删除的全段0。
因此，我们可以用“零压缩”技术来表示上面的IP地址，FADC:
:
BBCD:
（2）IPv6地址类型
IPv6的地址类型有3种：
单播地址、多播地址和任播地址。
①单播地址（UnicastAddress）。
单播地址标识了作用域内的单个接口。
作用域是IPv6网络的一个区域，在此区域中这个地址是唯一的。
发送各单播地址的分组必须交付到一个唯一的接口。
②多播地址（MulticastAddress）。
多播地址标识了零个或多个接口。
发送各多播地址的分组必须交付到该组中所有的接口。
③任播地址（AnycastAddress）。
任播地址标识了多个接口。
发送各任播地址的分组最终交付到一个唯一的接口，该接口与源主机在路由距离上最近。
任播地址用于一对多中之一的通信，而多播地址用于一对多的通信。
（3）IPv6地址结构
IPv6地址分成两个部分，即“类型前缀”和“地址的其余部分”，如图5-10所示，这两个部分的长度都是可变的。
只要给出了地址，就能确定类型前缀，如表5-6所示。
图5-10IPv6地址结构
表5-6IPv6的类型前缀
类型前缀
类型
所占地址空间的比例
00000000
保留
1/256
00000001
0000001
NSAP（网络服务接入点）
1/128
0000010
IPX（Novell）
0000011
00001
1/32
0001
1/16
001
可聚合的全球单播地址
1/8
010
011
100
101
110
1110
11110
111110
1/64
1111110
111111100
1/512
1111111010
本地链路单播地址
1/1024
1111111011
本地网点单播地址
11111111
多播地址
（4）IPv6分组格式
IPv6的分组由基本头部、零或最多6个扩展头部和数据组成，如图5-11所示。
图5-11IPv6分组格式
IPv6基本头部的长度固定为40B，其格式如图5-12所示。
图5-12IPv6基本头部格式
①版本。
4位，定义IP的版本号。
IPv6的版本字段值是6。
②通信量类型。
4位，当发生拥塞时，定义从相同源主机发出的每一个分组相对于其他分组的有限等级。
IPv6将通信量划分为两种类型：
有拥塞控制的通信和无拥塞控制的通信。
③流标签。
24位，为需要作特殊处理的实时分组流进行标识。
与一个已分配的资源相联系。
④有效载荷长度。
16位，定义了IP分组除基本头部外的总长度。
一个IPv6分组可容纳65535B的数据。
⑤下一个头部。
8位，定义了分组中跟随在基本头部后面的扩展头部或上层协议的头部。
⑥跳数限制。
8位，和IPv4中的“寿命”作用是一样的。
⑦源地址。
128位，该分组的源主机地址。
⑧目的地址。
128位，该分组的目的主机地址。
IPv6的扩展头部根据不同的选项，最多可扩展6个扩展头部，分别是“逐跳选项”、“源路由选择”、“分片选项”、“鉴别”、“加密安全有效载荷选项”和“目的主机选项”。
扩展头部格式如图5-13所示。
图5-13扩展头部格式
9．移动IP
根据现有IPv4的地址结构，IP地址由网络号和主机号构成，网络号使得主机和网络相关联。
连接到一个特定网络上的主机必须有该网络的IP地址，路由器使用层次结构的IP地址转发IP分组，最终把分组交付到这个主机所连接的网络上。
在Internet中，主机不能携带其IP地址从一个网络转移到另一个网络，即网络改变了，IP地址将不再有效，除非给这台主机一个新的网络IP地址。
在移动IP的设计上，主机可改变接入Internet的
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