0x04-IP和网络互联

内容简介

不能直接对接那咋办？用路由器。

终端和路由器称为跳。终端A的下一跳就是路由器，路由器的下一跳就是终端B。
下面是学习重点：

这一章的学习内容包括网络接口层和网际层。

学习的目标：

网络互连机制

本小节的学习内容：

南京到芝加哥没有直连。所以通过上海来中转一下。

然后把它对应到我们的网络中来：

相对于信件有独立与任何运输系统之外的编址方式，我们可以给终端、路由器一个独立于任何传输网络的地址，我们称之为IP地址。相对于信件我们设计了一种独立于任何传输网络的IP分组。

这就是网际协议-IP的基本思想。

注意啊，给路由器的每个端口都能配置一个不同的IP地址。

终端A查找自己的路由表，发现吓一跳是IP R11路由器。然后就封装成以太网的MAC帧传输到路由器。然后路由器又查找自己的路由表，发现吓一跳是IPB。然后转换成PPP帧转发出去。

总结：

IP------分类编址

学习内容：

现在还没推行IPv6，所以主要学习IPv4就可以了。
那么IPv4怎么表示IP地址呢？
每8位分隔一下，为了方便记忆用点分十进制来表示。

先看看生活中的一些常见号码代表的含义：

所以说一串码并不都是顺序码。在网络中也是这样的。
比如有两个网络，需要标识这是哪一个网络里的终端，还需要标识这是某个网络的哪一台终端。所以我们引入了网络号和主机号。我们把主机号和网络号表示IP地址的方式称为分层编址,意思就是IP地址由网络号和主机号两层组成。那么，多少位表示网络号，多少位表示主机号呢？

分类编址是把IP地址分成不同的类，每一类的IP地址网络号和主机号不一样。

单播：1对1
组播：1对多
广播：1对网段内所有

IP地址为什么要分类呢？主要的原因是网络规模的不同。（也就是说网络中的终端数量）

分类搞明白了，那么IP地址为什么要分层呢？
先搞明白什么是分类、分层。
分类就是分成A类、B类、C类、D类。
分层就是把IP分为网络号和主机号。

那么IP地址为啥要分层？？？？？
1、根据终端IP地址确定终端连接的网络
2、减少路由项
网络互连就是要把不同类型的网络互联在一起，互联设备就要知道某个IP地址是属于哪个网络的。比如下面这个网络：

以太网的网络地址是192.1.1.0，现在有一个终端的IP地址为192.1.1.1，那我们根据分层思路确定终端A的IP地址的网络号是192.1.1

分层原因之一：

分层原因之二：
比如这是R1的路由表：

但是分层之后，可以简化路由表：

网络地址可以减少路由项的原因：

IP地址配置原则

IP地址分类的缺陷
1、IP地址浪费严重
2、不能更有效的减少路由项
3、C类地址使用率低

经过分析，发现R2路由表还可以进行合并：

小结：

IP-无分类编址

分类编址是为了适用于不同规模的网络，但是不太好用。无分类编址就很好的解决了这个问题。
学习内容：

什么是无分类编址？

那要怎样辨别IP地址中作为网络号的二进制位数呢？？？

还有更简单的表示方法：

下面来看一下怎么样来有效精简路由项的问题
这是之前讨论过的一张网络拓扑图：

路由表长这样：

究竟什么叫CIDR呢？？？？我的理解就是，一坨IP地址的集合。它可以分配给同一网络，也可以分配给不同的网络。
CIDR分配给单个网络的规则：

下面来看一下CIDR地址块的用途：
1、聚合路由项
2、将CIDR地址块划分成多个网络地址

1、我们先来看一下R2的路由表：
前两项的下一跳和输出接口都是一样的，根据前面的讨论，可以合并成CIDR地址块来表示。

这样就有效的精简了路由器的路由项。

2、将CIDR地址块划分成多个网络地址

下面来看一下分配原则：
首先找主机网络最多的网络：子网3有45台，大于2的5次方，小于2的6次方。

下面来看一下分配IP地址的过程：
我们说了刚刚的CIDR高24位是网络前缀，大家都一样，所以不用写出来了。主要就是看低八位。
因为终端数量最多的是子网3，有45台主机，所以应当占用6位二进制位，8-6=2，剩余高两位。 2^2=4，所以把高两位分成4个段：00,01,10,11
所以把00段给了子网3.
step1:

再往下找最多的，发现子网4和子网1分别是27台和20台，用5位二进制位可以表示。
对于剩余的01,10,11段来说，用个01就够了。而且它们用5位二进制位，01开头的有6位，所以把01再分为010和011。分别分配给子网4和子网1.
step2:

接着继续往下找主机最多的，子网2有12台，子网6有11台。用4位二进制位就可以了。
现在剩余的段还有10和11，它们分别剩余6位二进制位。6-4=2. 2^2=4.所以把10段分成4段，分别是1000,1001,1010,1011。然后将1000，1001分配给子网2和子网6即可。
step3:

还剩一个子网5，只需要3位二进制位即可。对于1010来说还剩下4位未分配。 4-3=1 1^2=1 所以把1010分成2个段，10100,10101即可。把10100分配给子网5.
step4:

然后剩余的IP地址可以分配给其他的网络来使用，避免了IP地址的浪费。

最终结果：

如果把刚刚的网络连接成这样一个网络拓扑图的话，那么路由器R1的路由表之中只需要有一个路由项即可。
R2由于每个网络都连接在它不同的端口中，因此它有6个路由项。

如果子网6想提高访问外网的速度，又不想改变原来连接的结构，那么它可以从子网6到R1之间直接拉一根线，那么R1中的路由表就增加了一项直接到子网6的路由项。这时如果有一个目的终端的IP地址是192.1.2.150的话，到了路由器R1的时候，R1路由表中的两项都是符合的，那么它会怎么选择路由项呢？它会选择直接相连的路由项。当然啦，就是因为这个，子网6才直接拉了一根线。不然何必呢？

这就是用最长前缀匹配原则。因为它的前缀是28，上面那个前缀是24，所以选它。

默认路由项：

这种情况下，在Internet中有许多的网络，如果这些网络都在R2当中写上相应的路由项，那么R2的路由项就非常的多。（这种情况是R2右面的3个网络想发送到Internet） 那么这个时候我们可以设置一个默认的路由项。


也就是说，如果目的IP在路由表中找不到，就通过默认路由项进行转发。

小结：

IP-分组格式

网际协议IP主要包括两部分内容，一部分是设计一套独立于任何传输网络的编址方式，就是IP地址，另一部分就是设计一套独立于任何网络的封装格式。就是IP分组。下面我们来学习一下IP分组的格式。
学习内容：

之前学过这个：

它是在上一层的数据之上加一个IP首部，形成一个IP分组。所以说IP分组就是包括两部分。
一个是IP首部，另一个就是上层数据。

IP首部分为两部分，一个是20个字节的固定部分，一个是可变部分。

咱们是为了好理解把这些字段弄成了一个二维的格式。但是事实上这些控制字段没有二维关系，实际运行过程是这样的：

下面我们来看一下这些具体字段的功能和含义。

表示IPv4的是0100. 4位的意思就是4个二进制位。

为什么要有一个首部长度字段呢？因为IP分组首部包含可变部分，所以要有一个首部长度字段表明首部有多长。

这里就是指的二进制位的位数。 每行4个字节。一共5行，所以首部最小值是20字节，。什么叫以4个字节为单位呢？？？意思就是比如0001 ，代表4个字节。0010，代表8个字节。1111代表15*4=60个字节。所以首部最大是60个字节。
服务类型：

优先级从0到7，优先级是0代表普通报文，优先级是7代表了网络控制报文。优先级高的优先提供服务。


因为数据长度和首部长度都是可变的，所以给一个总长度字段来控制一下。

这3个字段是将IP分组进行分片的时候来用的。

来自同一分组的标识是一样的，有利于IP分组的重新组合。

对于片偏移：

以8个字节为单位的意思就是，如果是0000 0000 0000 1 就代表了8个字节。

每经过一跳，这个值就减1.
这是为了防止IP分组长期在网络中漂流的情况。
当TTL值减为0的时候，就丢弃这个分组。并且给源终端一个信息。

为什么每经过一跳就要计算一次呢？因为每经过一跳，TTL（生存时间）的值就改变了，所以首部也变了，所以得重新计算。

我们来看一下具体的数据分片的方法：

那么我们怎么来确定数据片的长度呢？？？

前面的，都设置成1480（因为首部是20，加起来要小于等于1500，因为取最大值，所以设置成1480），剩下的最后一个自己看着办。
小结：

路由器屏蔽可选部分是为了安全考虑。

IP分组传输过程

学习内容：

注意，同一个路由器的不同接口的IP地址的网络号是不一样的。

从图中可以看出来，终端A想要给终端B发送数据，有两条路径。

对于传输过程来说，先要判断终端A和终端B在不在同一个网络中（意思就是看终端A和终端B的IP的网络号是否相同）。

根据计算，网络号不同，所以不在同一个网络。因此，终端A首先要把IP分组根据默认网关找到第一跳路由器。把数据封装成一个IP分组，这个分组的目的地址是终端B的地址，源地址是终端A的地址。

然后沿着以太网1传输给R1。

R1根据分组中的目的地址去自己的路由表中查找路由项，根据路由项确定下一跳的路由器。

R3发现这个目的地址跟自己是同一个网络的，所以就直接交付给终端B了。

实现IP分组传输过程的思路：

人工配置静态路由项

路由器传输IP分组主要是根据路由表和IP首部中的目的地址。
所以怎么做出来路由表是重点。
学习内容：

路由项有3种类型：

下面我们来看一下直连路由项的生成过程。

只有直连的才被加入到路由表中。
比如，R2直连的是以太网2和R1、3。没有跟以太网1和以太网3直连，所以以太网1和以太网3就不在R2的路由表中。
没有那咋办？我们可以通过手工来进行配置。

举个例子：
R2到达以太网1有两条路径，经过分析发现经过R1走，这条路径是最短的。
然后我们手工给它配置上。

再来一个，R2到以太网3.如法炮制。

路由协议与动态路由项

学习内容：

之前说了人工配置路由表。这只适用于规模比较小的网络，对于大型网络就不好使了。

大型网络应该根据路由协议动态生成路由项。

举个例子：

这样就传输给了R2。假如R2种没有到达LAN1的路由项，那么就加入到自己的路由表中。

再举个例子：
初始状态是这样的：

然后R1把它自己的路由信息封装起来以后，传输给R2。

然后这就是R1给R2传输的路由信息的处理过程。

R3传给R2也是一样的道理。

IP over 以太网

TCP/IP体系结构的成功之处就是IP分组可以通过网络接口层在不同的传输网络中传输。下面我们学习IP分组怎么通过以太网来传输。

在实际的应用中，我们往往只知道目的终端的IP地址，而不知道目的终端的MAC地址。那怎么样通过目的终端的IP地址来获取目的终端的MAC地址，并将它来封装成MAC帧呢？
这就是IP over以太网的核心内容。

ARP协议首先要广播一个ARP请求帧。这个ARP请求帧的格式：在数据部分，比如终端A要发送一个ARP请求帧，那么它就把终端A的IP地址，终端A的MAC地址，加上目的终端的IP地址（比如终端B）作为数据，然后源MAC地址设置成自己的MAC地址（MACA），然后将目的MAC地址设置成一个广播地址（全1的地址）。然后数据类型设置成ARP。
然后把封装好的MAC帧发送出去。

ARP地址解析过程：

然后跟终端A所互联的网络当中所有的终端都能接收到这个MAC帧。服务器B也一样接收到这个MAC帧。接到之后，它就去查找它的ARP缓存区，如果它的ARP缓存区中没有终端A MAC地址和IP地址的对应信息，那么它在ARP缓存区中增加一项这个对应信息。

终端A接收到这个MAC帧以后，它也会去查自己的ARP缓存，肯定是没有的。为啥？因为要是自己的ARP缓存有，它何必去发送这个请求帧呢？
因此它把IPB MACB这个对应信息加入到自己的ARP缓存中。这个地址就解析出来了（将IP地址解析成MAC地址）

下面我们来看一下IP分组在以太网当中的传输过程
假定现在要从终端A到终端B传送数据。

因为终端A和终端B不在同一个网络中，所以首先终端A要把数据传输给默认网关–路由器R1。因此它就根据默认网关的IP地址，根据ARP协议，解析出R1与以太网1相连的接口的MAC地址为R11。
然后封装成一个MAC帧。帧结构如下：

MAC帧的数据部分是一个IP分组。
把这样一个数据传输给路由器R1以后，路由器根据它的目的IP地址，查找自己的路由表，找到路由项，确定下一跳的地址。

因此R1根据ARP协议又解析出了R2的端口1的MAC地址R21。

因为R1和R2之间又是一个以太网，所以又封装成一个MAC帧。
然后通过以太网3传输给路由器R2。

路由器R2又根据目的IP地址去查找自己的路由表，发现目的IP地址在自己直连的网络当中。

因此又根据ARP协议解析出终端B的MAC地址MACB。然后封装成一个MAC帧后直接传输给终端B。

在传输的过程当中，IP分组始终没有改变。

多端口路由器实现VLAN间通信过程

学习内容：

现在来看一下从终端A到终端C的IP分组传输过程

根据目的IP和源IP发现它们不在同一个网络中。

于是先把数据传输给默认网关。然后根据ARP协议，把路由器端口1的MAC地址解析出来，然后终端A把这个IP分组封装成MAC帧传输给路由器的端口1.

然后路由器根据目的终端IP地址，去查找自己的路由表。发现连在端口3上。然后用ARP协议解析出终端C的MAC地址C，然后再传输。

单臂路由器实现VLAN间通信过程

学习内容：

我们把这种单端口实现VLAN互联的方式称为单臂路由。

然后为每个逻辑接口配置一个IP地址和子网掩码。

然后就能给每台终端配置了。

都配置好以后，路由器的路由表就自动生成了这么3个直连路由项。我们可以看到，在路由表中，它们的数据接口是相应的VLAN。

现在我们来看一下从终端A到终端C的IP分组传输过程：

首先呢，根据默认网关，利用ARP协议解析到路由器的MAC地址MACR。

然后打包成MAC帧，传输给共享端口。
共享端口在原来的MAC帧的基础上增加一个VLAN标记。

把这个MAC帧再传输给路由器。
路由器接收到MAC帧以后，根据VLAN标记，把MAC帧传输给相应的逻辑接口。
然后路由器根据路由表中的目的MAC地址去查找它的路由表，查找到路由项，目的终端是连接在VLAN4当中。因此路由器把IP分组封装成MAC帧，然后加上VLAN标记VLAN4。

然后共享端口接收到带有VLAN4标记的MAC帧以后，去掉VLAN标记，通过VLAN4再传输给终端C。这就是通过单臂路由的方式来传输IP分组的过程。

为什么带来了路由器和交换机之间链路带宽瓶颈的问题？
因为所有的VLAN之间的互联都是通过同一个链路来传输数据的。之前是3条，现在一条，不够用。

三层交换机实现VLAN间通信过程

学习内容：


为啥要用三层交换机？因为多端口路由器和单臂路由器都不好使。

为啥叫三层交换机？因为它有第三层的功能。
三层交换机就是在原来的交换机的基础上增加了一个功能模块。所以三层交换机由一个二层交换结构+路由模块来组成。路由模块和二层交换结构通过背板总线来进行数据传输。

下面我们来看一下三层交换机的配置过程：


对三层交换机来说，它接到MAC帧以后，首先要判断通信的这两个终端是在同一个VLAN还是不同的VLAN，因此对于IP接口要有一个特殊的MAC地址来标识。如果它的目的地址是IP接口所对应的特殊的MAC地址，说明两个终端在不同的VLAN里。因此对于两个接口要有一个特殊的MAC地址。

1、VLAN内通信过程
每一个交换机的每一个VLAN都有一个转发表。

下面我们来看一下终端A到终端B的通信过程
终端A和终端B都属于VLAN2，它都属于VLAN2，因此是在VLAN内部的通信。在转发表中有MACB。
封装成MAC帧，发送到交换机上，从端口5转发出去，端口5添加了VLAN2的VLAN标记以后，发送到3层交换机上。3层交换机根据目的MAC地址根据转发表也找到了MACB的转发项，不是IP接口所对应的特殊的MAC地址，说明是在同一个VLAN内部的两个终端之间的通信，不需要经过路由模块。直接从端口2转发出去。交换机2接收到这个MAC帧以后也根据目的MAC地址MACB查找自己的转发表转发给终端B。
注意，VLAN内通信过程是不需要经过路由模块的。

2、VLAN间通信过程
终端A和终端C的网络地址不一样，因此它们是在不同的VLAN之间，那么终端就要根据它的默认网关地址解析出VLAN所对应的IP接口的MAC地址。终端A根据默认网关地址发送到3层交换机，然后3层交换机把VLAN2对应的MAC地址发送给终端1.（ARP过程）



发送到3层交换机以后，交换机根据目的MAC地址是MACR1断定这个MAC帧是要交给路由模块的，

到了路由模块以后，它把这个MAC帧进行解封装，取出IP分组中的目的MAC地址，然后到路由表当中查找到一项路由项，直连的输出端口为VLAN3。然后根据ARP过程得到终端C的MAC地址MACC，所以它把IP分组进行重新封装成一个MAC帧，这个MAC帧的目的地址应该是终端C的MAC地址。
封装好MAC帧以后把他传输到3层交换机的VLAN3当中，读取VLAN3的转发项，转发给交换机2的端口5.注意，现在的MAC帧是带着VLAN标记的。

到了端口5以后，它把MAC帧的VLAN标记去掉，然后转发到交换机的VLAN3当中去查找它的转发表，发现了有一项转发项是MACC的转发项，输出端口是端口4，因此就把MAC帧传输给终端C。
就完成了转发的过程。

小结：

三层交换机实现VLAN间通信过程演示

三层交换机的配置命令：

互联设备之间的区别

学习内容：

ICMP协议

下面我们来看两个典型的ICMP应用实例


tracert执行过程：

终端A先发送TTL为1的数据，拿到R1的超时响应之后再发送TTL为2的数据，以此类推，直到回送响应的地址是目的终端的IP地址为止。
这样就可以得到终端A和终端B之间所有的路由器的IP地址了。

案例设计

这是第三讲弄过的：

回顾一下设计要求：


首先要对3层交换机定义IP接口。
从图中可以看出，三层交换机s6要分别连接5个IP接口。

三层交换机s7要连接4个IP接口。

三层交换机s8要连接6个IP接口。

比如这样配置：


配置完了之后，VLAN的网络号就出来了：

配置好了以后，RIP生成的每一个路由器的路由表应该是这样的：

例题分析

我们来看一下这3个地址块的地址范围：

前面两个地址快我们能看出来高两位是相同的，第六位的值正好是连续的从全0到全1.因此我们能把前两个地址块聚合成这样：








根据主机地址是将网络号全置为0，冰将主机地址写成二进制形式，得到下图：

红色字部分肯定不是网络号。但是从这儿也不能得出x就全是网络号的结论。因为没有主机号的前几位是0也是被允许的。

同时，根据最大可用IP地址可知，红色字肯定是网络号，为啥呢？因为最大的IP地址是全1的IP地址-1（即将最后一位置为0）.但是这里并不能说明x全部是主机号，因为网络号的后几位是1也是被允许的。
综合两点考虑，我们就得到了网络号的位数，从而拿到了IP地址和子网掩码。
IP地址就是主机地址的主机号加上最大可用IP地址的网络号。




当VD报文到了的时候，同步时每个都+1。
即为3 4 5 5.
而R1更新后成了0 4 4 3
所以第2个值被VD报文覆盖了，另外两个值没被覆盖。
所以原来的值应该是x,4,3 x >= 4 选择C。

由于有6个输出接口，所以应该对应这6个网络：


转换成二进制数之后发现，它们的后8位中的高6位是相同的。

所以我们可以假设高6位全部是网络号，所以网络号应该有30位：

但是网络号不一定有30位那么多，可以继续往前分析，比如29位。

这样的话，IP地址的范围就包含了右边的网络的地址范围了。这样是不行的，因为路由器是连接两个不同网络的。所以第一个网络的网络号只能是29位。

同样，如法炮制：



看上去高6位是相同的，但是这并没有什么用，为啥呢？因为如果后两位是主机号的话，163的主机号是全1了，它是不能作为某一个主机的IP地址的。因此最起码也得往前再挪一位。

但是这也不是唯一解。

最后

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