网络互连概述 协议 (IP) IP 地址 IP 路由 IP 中的其他协议 IPv6 协议 1. 网络互连概述

为了将分布在全球的不同类型、不同协议的网络连接起来，顺利、高效地共享信息，就必须依靠网络互联技术。 网络互连技术是指能够在物理上和逻辑上将不同网络相互连接起来的一切技术的总称。

实现异构网络互连的基本策略是协议转换和虚拟互连网络的构建。 协议转换实现异构网络之间数据包的转换和转发； 构建虚拟网络，实现异构网络之间统一虚拟网络的数据包转发。 IP网络就是这种类型的虚拟互联网。

2. 互联网协议（IP） 2.1 IP 概述

互联网协议（IP）是 TCP/IP 系统中两个最重要的协议之一。 正是因为IP的出现，才使得分布在世界各地的不同类型的网络得以互联。 IP属于OSI参考模型的网络层，与之相关的协议有3个：

IP的核心技术是IP地址和IP路由。

IP地址是标识IP网络中的计算机、路由器和子网分配设备的地址。

IP路由是指收集、计算和维护到不同网络的路径信息，并将其存储在路由表中。

知识产权的特点：

IP是一种无连接且不可靠的数据包传输协议。 IP屏蔽了数据链路层和物理层的差异，使得数据传输和转发更加方便。 IP是一种点对点网络通信协议。 2.2 IPv4协议报文格式

IPv4是IP的第四版本，是当前网络主要使用的IP。 其数据报格式如下图所示。

各字段说明：

1）版本号：表示IP的版本号。 IPv4的版本号字段值为0100（十进制4）。

2) 报头长度：IP数据包报头长度，包括变长选项字段，以4B为单位。

3）差异化服务：用于指示期望什么类型的服务。 仅当网络提供差异化​​服务时才使用该字段。

4）总长度：IP数据包的总字节数，包括报头和数据部分。

5) 标识：标识一个IP组。 主要目的是在IP数据包的分片和重组过程中识别属于同一来源的IP数据包。

6）标志位：用于IP数据包的分片。 DF 是禁用碎片标志，MF 是更多碎片标志。 结构如下：

保留位 DFMF

7）分片偏移：表示一个IP报文分片封装源IP报文数据的相对偏移量，即封装的数据从哪个字节开始。

8）生存时间（TTL）：表示IP数据包在网络中可以通过的路由器（或跳数）的数量。 当TTL = 0时，路由器丢弃IP数据包。

9) 协议：这个IP数据包中封装了哪些协议的数据包？ IP利用该字段来实现复用/解复用功能。

10) 报头校验和：IP数据包报头中的错误检测。

11) 源IP地址/目的IP地址：发送/接收IP报文的主机的IP地址。

12）选项字段：可以携带安全性、源选择路径、时间戳、路由记录等。

13）：用于填充整个头部，与32位对齐一致。

3.IP地址

IP为了连接世界各地的网络和主机，实现数据的自由传输，必须为每台主机分配一个全球唯一的标识符。 这个唯一的标识符称为 IP 地址。 目前常用的是IPv4版本，用32位二进制数表示。 IPv4经历了三个历史阶段：

1. IP地址分类

IP地址由两个字段组成：网络号和主机号。 其表示形式为：

IP 地址::={,}

分为5类：A、B、C、D、E。

这五类IP地址的分配示意图如下。

随着网络规模的发展，这种分类方式会造成地址的巨大浪费。 另外，两级IP地址不够灵活，因此出现了三级IP地址结构，即子网划分。

2. 子网划分

子网划分方法：

1）在原有的两级IP地址结构的基础上，借用IP地址的主机号部分的几位作为子网号，IP地址的结构变为：网络号、子网号和主机号。 其表示形式为：

IP 地址::= {,,}

2）具有多个物理网络的单元可以使用子网号将物理网络划分为多个子网。

3）对于从其他网络发送到某个单位内的主机的IP数据报，首先根据目的IP地址中的网络号找到与本单位网络相连的路由器； 然后路由器根据目的IP地址中的子网号找到对应的路由器。 子网，最后将IP数据报发送到目的主机。

例如，网络地址为215.195.45.0，主机号的3位作为子网号，其余5位作为主机号，则最多可以划分8个子网，如下：

215.195.45.0（子网号为000）、215.195.45.32（子网号为001）、215.195.45.64（子网号为010）、215.195.45.96（子网号为011）、215.195.45.128（子网号为011）的子网号为100）、215.195.45.160（子网号为101）、215.195.45.192（子网号为110）、215.195.45.244（子网号为111）、

每个子网的最大主机数为 25−2=302^5 - 2 = 3025−2=30。

查找子网的方法是“子网掩码”。

子网掩码是一个32位的二进制数，1对应IP地址中的网络号和子网号，0对应主机号。 将IP地址与子网掩码按位逻辑与运算，即可得到子网的网络地址。

例如，IP地址为202.194.20.138，其子网掩码为11，两者按位逻辑与运算为：

因此，该IP所在子网的网络地址为202.194.20.128。

3.无类寻址CIDR

为了提高IP地址资源的利用率，出现了一种无类别寻址方法，称为无类别域间路由（Inter-，CIDR）。 基本思想是：

1）CIDR不再按照A、B、C类来区分IP，也不再使用子网号。 它将 32 位 IP 地址分为两部分。 第一部分称为网络前缀，用于指示网络，后一部分用于指定主机。 一种未分类的二次寻址方法，表示如下：

IP 地址::={,}

在IP地址后面添加斜杠“/”，并添加网络前缀位数就代表一个完整的IP地址，如：

202.194.20.138/27

2）具有相同网络前缀的连续IP地址称为CIDR地址块。 当一个地址确定后，就可以确定整个地址块的最小地址和最大地址，以及该地址块中地址的数量。 例如，如果IP地址是202.194.20.138/27，前27位是网络前缀，后5位是主机号，则二进制表示为：

10 100 01010（粗体为前缀）

那么该IP地址所在的CIDR地址块中最小的地址为：

10 100 00000（粗体为前缀），即

202.194.20.128

最大地址为：

10 100 11111（粗体为前缀），即

202.194.20.159

该地址块中一共有252^525 = 32个地址。

CIDR优势：

路由聚合：可以用来简化路由器中的路由表，将很多IP地址聚合成一个CIDR地址块，从而减少路由表中的项与路由器之间的信息交互；

灵活分配：即借用主机号的若干位来扩展网络前缀位数，从而灵活分配CIDR地址块。

例如，210.32.16.0/20地址块可以分为4个IP地址数相同的地址块，也可以分为4个IP地址数不同的地址块。

将 IP 地址的数量分成 4 个相等的数量：

原始地址块210.32.16.0/2010

地址块1

210.32.16.0/22

10

地址块2

210.32.20.0/22

10

地址块3

210.32.24.0/22

10

地址块4

210.32.28.0/22

10

IP地址的数量分为4个不同的数字：

原始地址块210.32.16.0/2010

地址块1

210.32.16.0/21

10

地址块2

210.32.24.0/22

10

地址块3

210.32.28.0/23

10

地址块4

210.32.30.0/23

10

当路由表中同一地址块中包含多个子网地址时网站推广，在使用CIDR路由查找时，应选择网络前缀最长的路由，这称为最长前缀匹配。 因为前缀越长，子网越小，路由也越具体。

除了上述三种寻址方式外，还有一些特殊的IP地址，称为私有地址或专用地址。 这些地址只能在内部网络中使用。 如下表所示：

私有地址类别范围

A类

10.0.0.0 ~ 10.255.255.255(或 10.0.0.0/8)

B类

172.16.0.0 ~ 172.31.255.255(或 172.16.0.0/12)

C类

192.168.0.0 ~ 192.168.255.255(或 192.168.0.0/16)

如果使用私有地址的主机与网络外的主机进行通信，则必须进行地址转换。 这种转换方法称为网络地址转换协议（NAT）。

4.IP路由

为IP数据报找到合适的通信路径并转发的过程称为IP路由，由路由器实现。

4.1 路由器的结构和功能

路由器结构分为输入/输出端口、交换结构和路由处理器。

1）路由处理器：负责执行路由器指令，包括路由协议、路由计算、路由表更新和维护等。

2）输入端口：根据收到的IP数据报的目的IP地址检索路由表，指定数据报交换到哪个输出端口，然后交给交换结构处理。

3）交换结构：将IP数据报从输入端口交换到指定的输出端口。 它主要包括三种交换结构：存储器交换、总线交换和高级交叉连接“网络”交换。

4）输出端口：将IP数据报重新封装成数据链路层的数据帧，通过物理层发送出去。

4.2 路由表和路由转发

“路由”和“转发”是路由器最重要的两个功能。 路由信息可以静态（手动）或动态（路由协议）获取，并存储在路由表中，用于数据转发。

路由表的基本结构：

1) 目的网络和子网掩码：准确描述目的网络。

2）下一跳：到达目的网络路径上的下一个邻居节点的接口IP地址。

3) 接口：IP 数据包应从哪个接口发送到目的网络。

最长前缀匹配原理：路由器对于收到的IP数据报，将目的IP地址和路由表中各路由项的掩码进行按位逻辑与运算，并将结果与​​路由表中的目的网络进行比较。 如果存在多个一致的目的网络，则选择网络前缀最长的作为路由转发的基础。

4.3 路由算法

1.静态路由和动态路由

静态路由手动将路由信息配置到路由表中； 动态路由根据路由协议动态收集网络状态信息，然后根据一定的路由算法计算出最佳路由并更新路由表。

2.距离矢量路由算法

它是一种异步、迭代、分散的路由算法，只需要来自网络的“本地”信息。 每个路由器定期以最小距离的形式通告距离向量，更新字节距离向量和路由表，并将更新后的距离向量交换给所有邻居路由器。 经过多次迭代，确定到达每个目的网络的最佳路由。

为了避免无限计数问题，解决方案包括：毒性逆转（ ）、定义最大有效距离、水平分裂和阻塞时钟等。

3. 链路状态路由算法

将网络抽象成图，然后使用算法找到最短路径。 每个路由器检测并收集直连链路的开销和直连路由器的IP地址信息，构建链路状态组，并将其广播给网络中的所有其他路由器。 每个路由器维护一个链路状态数据库，根据数据库中的链路状态信息构建网络拓扑图，并利用算法寻找最短路径并确定最佳路由。

4. 分层路由

当网络规模较大时，抽象的网络拓扑图不再适用，最有效的解决方案是分层路由。 大规模互联网按照组织边界、管理边界、网络技术边界或功能边界被划分为多个自治系统（AS）。 自治系统通过网关路由器连接。 分层路由将大规模路由分为两层：自治系统内路由和自治系统间路由。

4.4 路由协议

1. 自治系统（，AS）

自治系统是在统一技术管理下使用相同AS内部路由协议的一组路由器。

2、域内/域间路由

域内路由协议是在AS内部使用的协议，称为内部网关协议（IGP），例如RIP和OSPF协议。

域间路由协议称为外部路由网关协议（EGP），它实现不同自治系统之间路由信息的交换，例如BGP4协议。

3.RIP路由协议

RIP是一种基于分布式距离向量的IGP； RIP 要求 AS 中的每个路由器维护从自身到每个其他目标网络的距离向量。

4.OSPF路由协议

OSPF（开放路径优先，开放最短路径优先）使用一种算法来收集与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，并将链路状态信息广播到本自治系统中的所有路由器，这称为“洪泛”。 平底锅”。

为了使OSPF能够在大规模网络中使用，可以将一个自治系统进一步划分为多个区域。 这减少了泛洪链路状态信息交换所需的流量。

5.BGP协议

BGP 是用于在不同自治系统之间交换路由信息的协议。 它力求找到一条能够到达目的网络的更好的路由，而不是寻找最佳路由。

BGP 在 TCP 上建立 BGP 会话来交换路由信息。 会话交换包括四种类型的消息。

1）开放（OPEN）消息，用于与另一个相邻的BGP发言者建立关系。

2）()消息，用于发送某些路由信息。

3）()消息，用于确认消息的开通，定期确认邻居站关系。

4）()消息，用于发送检测到的错误。

5. IP中的其他协议 5.1 地址解析协议（ARP）

使用IP地址进行通信时，发送数据的主机和转发数据的路由器都必须知道IP地址对应的硬件地址，才能实现通信。 地址解析协议（ARP）就是解决这个问题的机制。

ARP的基本思想是在每台主机中设置一块专用的内存区域，称为ARP缓存网站推广，其中包含主机所在局域网中每台主机和路由器的IP地址和硬件地址的映射表。 该表将经常更新。

ARP查找硬件地址的过程：

假设主机A向局域网中的主机B发送IP数据报

1）主机A首先在局域网内广播ARP请求报文。 内容形象地描述为：“我的IP地址是A，硬件地址是A，我想知道IP地址B的硬件地址。” 该局域网内所有运行 ARP 的主机都会收到该 ARP 请求。

2）主机B收到请求后，发现请求组中的IP地址与自己的IP一致，将主机A的硬件地址写入自己的ARP缓存中，方便以后向A发送数据； 其他主机发现该IP地址与自己的IP地址相同。 如果 IP 不匹配，则丢弃它。 主机B收到ARP请求后，创建响应报文，并将自己的硬件地址写入响应报文中，然后直接发送给A。

3）主机A收到主机B的ARP响应报文后，将报文中主机B的硬件地址写入自己的ARP缓存中。

为了防止局域网内主机地址发生变化，ARP缓存中的每个地址映射都有一个生存时间（几十分钟）。 超时后会被删除，然后重新运行ARP来查找主机硬件地址。

5.2 动态主机配置协议（DHCP）

一台新的计算机要接入，需要配置IP地址、子网掩码、域名等。在大规模的局域网中，对每台计算机进行手动配置相对繁琐。 动态主机配置协议就是为了解决这个问题。 机制。

其基本思想是在网络内部建立一个DHCP服务器，它存储IP地址和网络管理的其他配置信息； 当计算机新接入网络时，开机后会向网络广播一条消息。 DHCP发现报文中，目的IP地址全为1，源IP地址全为0。DHCP服务器收到该报文后，取出自己保存的一个IP地址，与配置信息一起发送DHCP报文到计算机，从而为计算机分配新的 IP 地址和配置信息。

5.3 互联网控制消息协议（ICMP）

在数据传输过程中，经常会遇到延迟、丢失等异常情况。 为了使通信双方及时了解异常情况并及时调整和控制，互联网控制消息协议应运而生。

它通过允许主机或路由器发送ICMP报文，向参与数据通信的相关主机报告网络传输过程中的错误和异常情况。 ICMP报文作为IP数据报的数据部分，被封装在IP数据报中。 消息格式为：

ICMP 报文有两种类型：错误报告报文和查询报文。

ICMP错误报告报文有5种情况：

1) 终点不可达。 当路由器或主机无法传送数据报时，将向源点发送目标不可达消息。

2）源头抑制。 当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，会向源发送一条抑制消息。

3）时间到期。 当接收到生存时间 (TTL) 值为 0 的数据报时，该数据报将被丢弃，并向源发送一条超时消息。

4）参数问题。 当数据报中的某个字段不正确时，该字段将被丢弃，并向源发送参数问题消息。

5）改变路线。 当路由器的路由表发生变化时，它会向主机发送一条更改路由消息。

ICMP查询报文有两种情况：

1) 发回请求和应答。 由主机向特定目标主机发送的查询。 收到此消息的主机必须向源主机发送回复消息，以测试是否可以到达目的站。 一个典型的应用是 ping 命令。

2) 时间戳请求和响应。 网络上的主机用来要求其他主机回答当前日期和时间，用于同步时钟和测量时间。

5.4 互联网组管理协议（IGMP）

用于管理IP组播。 IP 组播是一种从一个源发送到多个目的地的数据服务。

IP组播流程如下图所示。

假设三个不同局域网中的主机A、主机B、主机C都属于一个组播组，其组播地址为224.30.152.62。 当服务器想要向该组播组发送IP组播时，只需将IP包发送给组播路由器R即可。R会根据组播路由将IP包复制并转发给组播组成员主机A和主机B协议。 发送到主机C所在局域网的组播路由器R1、R2、R3，从而发送给主机A、主机B、主机C。

IGMP的作用是对某个组播组下的主机进行管理（加入或退出组）。

IGMP的工作过程分为两个阶段：

1）当主机加入新的组播组时，主机向该组播组的组播地址发送IGMP报文。 本地组播路由器收到该消息后，根据组播路由协议将组播组成员信息通知给其他组播路由器。

2) 组播路由器定期搜索本地局域网内的主机，以确定它们是否仍然是组播组的成员。 如果多次查找仍没有主机响应，则认为本地局域网内的所有主机都已离开该组，组成员信息将不再发送给其他组播路由器。

6.IPv6协议

由于IPv4协议面临IP地址资源严重短缺的问题，IETF于1995年提出了IPv6协议。

IPv6采用新的报头格式，基本报头固定长度为40B，如下图所示。

标头字段说明：

IPv6表示方法：

IPv6地址占用128位，最多可以提供3.4×$10^{38}$个IP地址。 表达式通常采用冒号分隔的十六进制，每个16位值表示为一个十六进制数字，每个数字之间用冒号分隔。 例如，以冒号十六进制表示的 IPv6 地址：45EE :0000:78AC:FFFF:2A9B:0000:FFFF:62F4。

总结

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