网际协议培训资料.ppt

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第 3 章 网 际 协 议 1 TCP/IP—协议分析与应用编程 第三章 网际协议 第 3 章 网 际 协 议 2主要内容 •网际协议 • IPv6 •移动IP 第 3 章 网 际 协 议 3学习目标 •理解IP的概念、作用以及在TCP/IP协议族中的 位置。 •掌握IP数据报格式的构成，了解IP数据报选项的 作用。 •熟悉IPv6的地址结构、数据报格式以及从IPv4过 渡到IPv6的常用方法。 •理解移动IP的工作原理，熟悉与移动IP相关的重 要概念。 第 3 章 网 际 协 议 4网际协议 •网际协议（Internet Protocol，IP）作为 TCP/IP协议族中的核心协议，提供了网络数据 传送的最基本服务，同时也是实现网络互连的基 本协议。主要特点如下。  IP是一种点对点协议，虽然IP数据报携带源IP地址和 目的IP地址，但进行数据传输时的对等实体一定是同 一物理网络中的对等实体。  IP不保证传输的可靠性，不对数据进行差错校验和跟 踪，当数据报发生损坏时不向发送方通告，如果要求 数据传输具有可靠性，则要在IP层的上面使用其他协 议加以保证。  IP提供无连接数据报服务，各个数据报独立传输，可 能沿着不同的路径到达目的地，也可能不会按序到达 目的地。 第 3 章 网 际 协 议 5网际协议 • IP数据报 第 3 章 网 际 协 议 6网际协议 • IP数据报  IP首部是IP模块为了正确传输数据而添加的各种控制 信息的集合，是IP数据报的核心，其长度是20～60 字节。在IP首部中，数据的组织都是低位在前（右）， 高位在后（左）即网络字节顺序。 版本，4bit，用于存放该IP数据报所使用的IP版本 信息。 首部长度，4bit，以4个字节的倍数方式说明IP首 部的长度。 服务类型，8bit，用于规定数据报在网络传输过程 中的处理方式。 第 3 章 网 际 协 议 7网际协议 • IP数据报  IP首部（续） 总长度，16bit，以字节为单位具体说明包括IP首 部在内的整个IP数据报的总长度。 标识，16bit，又称作“片标识符”，是由信源指 定的数据报标识码，用于将分割后的数据报分片重 组成原始数据报。 标志，3bit，IP数据报分割控制标志，用于表示该 IP数据报是否允许分片以及是否是最后一片。 片偏移，13bit，表示本片数据在它所在的原始数 据报数据区中的偏移量。 生存时间（Time To Live，TTL），8bit，用来指 定IP数据报可以在网络上传输的最长时间。 第 3 章 网 际 协 议 8网际协议 • IP数据报  IP首部（续） 上层协议标识，8bit，用于指明IP数据报所封装的 上层协议类型。 首部校验和，16bit，用于IP首部数据有效性的校 验，以保证IP首部在传输时的正确性和完整性。 源地址，32bit，存储发送数据报的信源的IP地址。 目的地址，32bit，存储接收数据报的信宿的IP地 址。 第 3 章 网 际 协 议 9网际协议 • IP数据报  选项类型 复制位，1bit，用于控制数据报分片时是否将选项复制到各 个分片中，值为0时表示不复制，值为1时表示复制到所有的 分片； 选项类，2bit，用于定义选项的一般作用； 选项号，5bit，用于定义选项的具体类型； 选项长度，8bit，用于定义整个选项的长度； 选项数据，变长，用于定义选项请求。 第 3 章 网 际 协 议 10网际协议 • IP数据报 6种选项类型的功能 选项结束（End of Option List，EOL），1字节 长度，用于提示最后一个选项，必须放在所有选项 的后面。 无操作（No OPeration，NOP），1字节长度， 用于选项之间的边界对正。当数据报中有两个以上 的选项时，如果其中某个选项的长度不足4字节的 倍数，则可以在其中加入NOP，将长度补足到4字 节的倍数，以便能够对正到下一个选项的起始位置。 第 3 章 网 际 协 议 11网际协议 • IP数据报 6种选项类型的功能（续） 记录路由（Record Rout，RR），用于记录数据 报在因特网传送过程中从信源到信宿所经过的各路 由器的IP地址。 第 3 章 网 际 协 议 12网际协议 • IP数据报 6种选项类型的功能（续） 严格的源路由（SSRR），用于信源预先设定数据 报在因特网中传送时所经过的路由器（入口地址） 并记录所经过的路由器（出口地址），即指定数据 报的传送路径并记录传输路径。 第 3 章 网 际 协 议 13网际协议 • IP数据报 6种选项类型的功能（续） 宽松的源路由（LSRR），用于信源预先指定数据 报传送过程中必须经过的关键路由。 第 3 章 网 际 协 议 14网际协议 • IP数据报 6种选项类型的功能（续） 时间戳（TS），用于记录路由器处理数据报的时 间。根据时间戳可以估算IP数据报从一个路由器传 送到另一个路由器所花费的时间，进而帮助分析网 络的吞吐率和负载情况。 第 3 章 网 际 协 议 15网际协议 • IP数据报分片与重组  IP数据报在从信源到信宿的传输过程中，往往需要穿 过多个不同的物理网络。由于每种物理网络都有其自 身的最大传输单元（MTU），即帧格式中数据字段的 最大长度。为了使被传输的IP数据报能顺利穿过不同 的物理网络，同时具有较高的传输效率，TCP/IP引 入了IP数据报的动态分片技术。 第 3 章 网 际 协 议 16网际协议 • IP数据报分片与重组 数据报分片 TCP/IP规定，IP数据报的最大长度为65 535字节， 这远远大于大多数物理网络的MTU值。考虑到从 信源到信宿的数据报传递过程中可能需要穿过不同 物理网络，当IP数据报需要经过具有较小MTU的 物理网络时，IP允许路由器等数据报转发设备对数 据报进行进一步分片。这样，数据报从信源到信宿 的传递过程中可能会进行多次分片操作。 IP首部的标志字段用于表示该IP数据报是否允许分 片以及是否是最后一片。 第 3 章 网 际 协 议 17网际协议 • IP数据报分片与重组 数据报分片（续） 第 3 章 网 际 协 议 18网际协议 • IP数据报分片与重组 分片重组 在TCP/IP中，分片重组只在信宿上进行。并引入 了重组定时器来规定重组时间。开始重组时，首先 启动重组定时器，然后将具有相同标识、协议号、 源IP地址和目的IP地址的各分片根据分片首部中的 相关字段（标志、片偏移和总长度）信息，将它们 重新组装成完整的原始数据报。最后将重组后的IP 数据报按上层协议标识字段中的协议号提交给上层 相应的协议模块。 分片操作可以在信源到信宿的传输路径上的任何一 台路由器上进行，并且数据报在传输过程中只进行 分片操作，不进行分片重组的操作。 第 3 章 网 际 协 议 19IPv6 • IPv4已经使用了20多年，获得了巨大的成功， 但随着应用范围的扩大，它面临的危机也越来越 不容忽视，如地址匮乏等。IPv6是为了解决IPv4 所存在的一些问题和不足而提出的，同时它还在 许多方面提出了改进，如路由协议、安全性、移 动性、服务质量等。 第 3 章 网 际 协 议 20IPv6 • IPv6地址  IPv6由当前IPv4的32位扩充到128位 表示形式 冒号十六进制表示法，即将128位地址表示位 X:X:X:X:X:X:X:X，其中X是8个16位地址段的十 六进制值。 零压缩表示法 第 3 章 网 际 协 议 21IPv6 • IPv6地址  IPv6由当前IPv4的32位扩充到128位 表示形式（续） 在涉及IPv4和IPv6节点混合的链路环境时，有时 需要采用另一种表达方式，即 X:X:X:X:X:X:，其中X是地址中6个高阶 16位字段的十六进制值，D是地址中4个低阶8位 字段的十进制值（按照IPv4规范表示）。 第 3 章 网 际 协 议 22IPv6 • IPv6地址 地址结构 IPv6中地址有3种类型：单播地址（Unicast）、 多播传送（Multicast）和任意播地址 （Anycast），也称为单播、多播和泛播地址。 单播地址：一个单接口标识符，送往单播地址 的数据包将被传送到该地址所标识的接口上。 任意播地址：一组接口（一般属于不同节点） 的标识符。送往一个任意播地址的数据包将被 传送到该地址所标识的接口之一（即根据路由 协议中的距离的计算方法而确定的“最近”的 一个）。 多播地址：一组接口（一般属于不同节点）的 标识符。送往一个多播地址的数据包将被传送 到该地址标识的所有接口上。 第 3 章 网 际 协 议 23IPv6 • IPv6地址  地址结构 全球单播地址 全球路由选择前缀，占48位（含001前缀），分配给各公司 和组织，用于因特网中路由器的路由选择。 子网标识符，占16位，用于各公司和组织创建自己的子网。 如果没有子网，可以把该字段设置为全0。 接口标识符，占64位，用于标识主机或路由器单个的网络接 口，相当于IPv4中的主机号字段。 第 3 章 网 际 协 议 24IPv6 • IPv6报文格式  IPv6报文由基本首部、零个或最多6个扩展首部和数 据组成。其中，基本首部的长度为40字节，共有8个 字段构成 第 3 章 网 际 协 议 25IPv6 • IPv6报文格式  基本首部长度固定，40字节，其中包含如下几个部分。 版本，4bit，值为6。 通信量等级，8bit，用于定义当发生拥塞时，从相同源站发 出的每一个报文相对与其他报文的优先等级。 游标号，24bit，为需要作特殊处理的实时报文流进行标识， 与一个已分配的资源相联系。 有效负载长度，16bit，定义了IP报文除基本首部外的总长度。 下一首部，8bit，定义了数据报中跟随在基本首部后面的扩 展首部位置。如果没有扩展首部则用来指定上层协议的类型。 跳数限制，8bit，和IPv4中的TTL字段的目的一样。 源地址，128bit，定义了数据报的源地址。 目的地址，128bit，定义了数据报的目的地址。如果使用了 严格的源路由选择，则该字段为下一个路由器的地址。 第 3 章 网 际 协 议 26IPv6 • IPv6报文格式  IPv6在基本首部后增加了最多6个扩展首部，分别是 逐跳选项、源路由选择、分片、鉴别、加密的安全有 效载荷和目的站选项，进而扩充了IP数据报的功能。 第 3 章 网 际 协 议 27IPv6 • IPv4到IPv6的转换 目前，IETF已经制定了从IPv4平滑过渡到IPv6的多 种策略，其中最基本的两种过渡技术——双栈技术和 隧道技术 双栈技术是指一台主机上同时运行IPv4和IPv6两套协 议栈，这样该主机既能支持IPv4的通信，又能支持 IPv6的通信 第 3 章 网 际 协 议 28IPv6 • IPv4到IPv6的转换 隧道技术提供了一种以现有IPv4路由体系来传递IPv6 数据报的方法，即将IPv6的数据报作为无结构无意义 的数据，封装在IPv4数据报中，通过IPv4网络进行传 输 第 3 章 网 际 协 议 29移动IP •移动IP概述 移动IP是一种计算机网络通信协议，它能够保证计算 机在移动过程中，在不改变现有网络IP地址、不中断 正在进行的网络通信及不中断正在执行的网络应用的 情况下实现对网络的不间断访问。 第 3 章 网 际 协 议 30移动IP •重要概念 移动节点是指处于移动中的计算机通信设备 本地链路是指与移动节点具有相同IP网络前缀 （Network Prefix，NP）和网络掩码的网络链路， 即本地链路是移动节点原来所在的链路。 外部链路（Foreign Link），也称外区链路，是相对 于本地链路而言，是指IP网络前缀不同于本地链路的 其他链路。 在移动IP中，移动节点可以拥有两个IP地址，即归属 地址和转交地址。其中，归属地址（Home Address）又称为本地地址或家乡地址，是移动节点 在本地链路上的IP地址。转交地址（Care-of Address）是指移动节点移动到外部链路上时临时获 得的IP地址。转交地址具有与外部链路相同的网络前 缀。 第 3 章 网 际 协 议 31移动IP • 重要概念（续）  归属代理，又称为本地代理或家乡代理，指的是位于本地链路上 的具有下述代理功能的路由器。 能够在本地链路上广播代理广告（Agent Advertisement）， 以便移动节点判别自己所处的位置。 能够响应移动节点的注册请求（Registration Request）， 将移动节点在外部链路上获得的转交地址与移动节点本地地 址的对应关系添加在一张映射表中。 能够响应移动节点的取消注册请求（Deregistration Request），将移动节点在外部链路上获得的转交地址与移 动节点本地地址的对应关系从映射表中删除。 能够中途截取目标地址为移动节点本地地址的IP数据报，并 通过隧道将它们转发给位于外部链路上的移动节点。 第 3 章 网 际 协 议 32移动IP •重要概念（续） 外部代理，又称为外区代理，是位于外部链路上的具 有以下代理功能的路由器： 能够在外部链路上广播代理广告，以便移动节点判 别自己所处的位置。 能够协助移动节点将注册请求/取消注册请求发送 给移动节点的本地代理。 能够为移动节点提供可用的转交地址。 能够将本地代理通过隧道发送给移动节点的IP数据 报进行解包，然后再发送给移动节点。 第 3 章 网 际 协 议 33移动IP •重要概念（续） 移动节点必须将其位置信息向其归属代理进行注册， 以便归属代理能找到该移动节点。在移动IP中，依不 同的网络连接方式，有两种不同的注册规程 通过外部代理进行注册 直接向归属代理进行注册 代理发现：为了随时随地与其他节点进行通信，移动 节点必须首先找到一个移动代理。移动IP定义了两种 发现移动代理的方法。 被动发现，即移动节点等待移动代理周期性地广播 代理广告报文。 主动发现，即移动节点广播一条请求代理的报文以 促使移动代理广播代理广告报文。 第 3 章 网 际 协 议 34移动IP •重要概念（续） 隧道（Tunnel）指的当移动节点在外部链路上时，归 属代理需要将原始数据报转发给已注册的外部代理， 即归属代理使用IP隧道，将原始IP数据报封装在转发 的IP数据报中，并将转发的IP数据报转发到处于隧道 终点的外部代理处。 第 3 章 网 际 协 议 35移动IP •移动IP实现原理 第 3 章 网 际 协 议 36移动IP •移动节点的数据收发过程 第 3 章 网 际 协 议 37移动IP •移动IP技术存在的不足 三角形路径问题，即通信节点发送数据报到移动节点 时，需要通过其归属代理，而移动节点根据标准IP路 由规则将数据报直接发送到通信节点。 外部代理间的光滑切换 移动节点连至因特网的链路通常是无线链路，这种链 路与传统的有线网络相比，其带宽低得多，误码率却 高得多；某些防火墙也可能会阻断IP隧道，因为它们 检验每个数据包的源地址，而移动节点的数据包归属 地址与外区网的网络地址不一样，从而导致防火墙阻 截IP隧道数据包；且移动节点可能是电池供电，如何 减小功耗是一个急需解决的问题。