高等学校21世纪教材《计算机网络教程》第7章网络互连.ppt

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1、本章最重要的概念是：IP地址与物理地址的关系。分类的IP地址(包括子网掩码)和无分类域间路由选择CIDR。路由选择协议的工作原理。对上述概念务必弄清楚。,第7章 网络互连,退出,7.1 路由器在网际互连中的作用7.2 因特网的网际协议IP7.3 划分子网和构造超网7.4 因特网控制报文协议ICMP7.5 因特网的路由选择协议7.6 IP多播和因特网组管理协议7.7 下一代的网际协议IPv6(IPng),退出,7.1 路由器在网际互连中的作用,7.1.1 路由器的构成图7-1是直接交付和间接交付的示意图。,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。图7-2给出了典

2、型的路由器的构成框图。,整个的路由器结构可划分为两大部分：路由选择部分和分组转发部分。路由选择部分也叫做控制部分，其核心构件是路由选择处理机。分组转发部分由三部分组成：交换构件、一组输入端口和一组输出端口。下面分别讨论每一部分的组成。在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路由表的区别，而是笼统地使用路由表这一名词。图7-3给出了在输入端口的队列中排队的分组的示意图。我们再来观察在输出端口上出现什么情况，如图7-4所示。,7.1.2 互联网与因特网将网络互相连接起来要使用一些中间设备(或中间系统)，ISO的术语称之为中继(relay)系统。根据中继系统所在的层次，可以有以下五种不同的中继系

3、统。（1）物理层中继系统，即转发器(repeater)。（2）数据链路层中继系统，即网桥或桥接器(bridge)。（3）网络层中继系统，即路由器(router)。（4）网桥和路由器的混合物桥路器(brouter)。（5）在网络层以上的中继系统称为网关(gateway)，也有人称之为网间连接器、信关或联网机。,由于历史的原因，许多有关TCP/IP的文献将网络层使用的路由器称为网关。因特网在IP层采用了标准化协议。图7-5(a)表示有许多计算机网络通过一些路由器进行互连。由于参加互连的计算机网络都使用相同的网际协议IP(Internet Protocol)，因此可以将互连以后的计算机网络看成如图7

4、-5(b)所示的一个虚拟互联网络(internet)。,以小写字母i开始的internet(互联网或互连网)是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的虚拟网络。以大写字母I开始的Internet(因特网)则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族，且其前身是美国的ARPANET。,7.2 因特网的网际协议IP,IP协议配套使用的有下述四个协议。地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)逆地址解析协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol)因特网控

5、制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)因特网组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)图7-6画出了这四个协议和网际协议IP的关系。,7.2.1 分类IP地址1IP地址及其表示方法IP地址:=,(7-1)图7-7给出了各种IP地址的网络号字段和主机号字段，这里A类、B类和C类地址是最常用的。,路由器转发分组的步骤是：（1）先按所要找的IP地址中的网络号net-id把目的网络找到。（2）当分组到达目的网络后，再利用主机号host-id将数据报直接交付给目的主机。从IP地址的结构来看，IP地址并不只是

6、一个主机的号，而是指出了连接到某个网络上的某个主机。,在主机或路由器中存放的IP地址都是32 bit的二进制代码。为了提高可读性，在写出给人看的IP地址时，往往每隔8 bit插入一个空格。但这样还是不方便。于是我们常常将32 bit的IP地址中的每8 bit用其等效的十进制数字表示，并且在这些数字之间加上一个点。这就叫做点分十进制记法(dotted decimal notation)。图7-8表示了这种方法，这是一个B类IP地址。,2常用的三种类别的IP地址A类地址的net-id字段占一个字节，只有7个比特可供使用。整个A类地址空间共有231(2147483648)个地址。B类地址的net-i

7、d字段有2字节，但前面两个比特(1 0)已经固定了，只剩下14个比特可以变化。C类地址有3个字节的net-id字段，最前面的3个比特是(1 1 0)，还有21个比特可以变化，因此C类地址的网络总数是2097152(221)(这里也不需要减2)。每一个C类地址的最大主机数是254，即(28 2)。整个C类地址空间共有536870912(229)个地址。,表7-1所示的IP地址的使用范围。,IP地址具有以下一些重要特点：（1）每一个IP地址都由网络号和主机号两部分组成。（2）IP地址的这种结构和电话号码(这里指的是固定电话)的等级结构虽然有相似之处，但并不完全一样。（3）当一个主机同时连接到两个网

8、络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号net-id是不同的。这种主机称为多归宿主机(multihomed host)，或多接口主机。,（4）按照因特网的观点，用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号net-id。（5）在IP地址中，所有分配到网络号net-id的网络都是平等的。图7-9画出了3个局域网(LAN1,LAN2和LAN3)通过3个路由器(R1,R2和R3)互连起来所构成的一个互联网(此互联网用虚线圆角方框表示)。,应当注意到：（1）在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。（2）用网桥(它只在链路层工作

9、)互连的网段仍然是一个局域网，只能有一个网络号。（3）路由器总是具有两个或两个以上的IP地址。（4）当两个路由器直接相连时，在连线两端的接口处，可以指明也可以不指明IP地址。,7.2.2 IP地址与硬件地址图7-10说明了主机的IP地址与硬件地址的区别。从层次的角度看，物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址。,IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。在网络层及以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。因而在数据链路层看不见数据报的IP地址。图7-11(a)画的是三个局域网用两个路由器R1和R2互连起来。,图7-11(

10、b)特别强调了IP地址与硬件地址的区别。表7-2归纳了这种区别。,强调指出的是：（1）在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报。（2）虽然在IP数据报首部有源站IP地址，但路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择。（3）在具体的物理网络的链路层，只能看见MAC帧(在X.25网的链路层则是HDLC帧)。（4）尽管互连在一起的网络的硬件地址体系各不相同，但IP层抽象的互联网却屏蔽了下层这些很复杂的细节。只要我们在网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或路由器之间的通信。,7.2.3 地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP由于IP地址有32 bit，而局域网的硬

11、件地址是48 bit，因此它们之间不存在简单的转换关系。图7-12(a)是主机A广播发送ARP请求分组的示意图。,7.2.4 IP数据报的格式图7-13是IP数据报的完整格式。,1IP数据报首部的固定部分中的各字段（1）版本（2）首部长度（3）服务类型（4）总长度（5）标识(identification)（6）标志(flag)（7）片偏移表7-3给出了不同链路层协议的MTU值。,（8）生存时间（9）协议图7-15表示IP层需要根据这个协议字段的值将所收到的数据交付到正确的地方。,（10）首部检验和此字段只检验数据报的首部，不包括数据部分。（11）源地址（12）目的地址,2IP数据报首部的可变部

12、分IP首部的可变部分就是一个选项字段。选项字段用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。IP首部的可变部分有两个选项是关于源站路由选择的，即不严格的源站路由选择(loose source routing)和严格的源站路由选择(strict source routing)。,7.2.5 IP层处理数据报的流程路由器和结点交换机还有些区别。这就是：路由器是用来连接不同的网络，而结点交换机只是在一个特定的网络中工作。路由器是专门用来转发分组的，而结点交换机还可接上许多个主机。路由器使用统一的IP协议，而结点交换机使用所在广域网的特定协议。路由器根据目的网络地址找出下一跳(即下一个路由器)，而结点

13、交换机则根据目的站所接入的交换机号找出下一跳(即下一个结点交换机)。图7-16(a)是一个路由表的简单的例子。,7.3 划分子网和构造超网,7.3.1 子网的划分1划分子网的概念和思路第一，IP地址空间的利用率有时很低。第二，给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。第三，两级的IP地址不够灵活。,图7-17表示一个单位拥有一个B类IP地址，网络地址是145.13.0.0(net-id是145.13)。,现将图7-17的网络划分为三个子网，如图7-18所示。,2子网掩码子网掩码和IP地址一样长，都是32 bit，并且是由一串1和跟随的一串0组成。网络地址(即子网地址)

14、就是将主机号置为全0的IP地址。这也是将子网掩码和IP地址逐比特相“与”(AND)的结果。对于连接在一个子网上的所有主机和路由器，其子网掩码都是同样的。子网掩码是整个子网的一个重要属性。,我们以一个B类地址为例，说明可以有多少种子网划分的方法。在采用固定长度子网时，所划分的所有子网的子网掩码都是相同的，如表7-5所示。,7.3.2 在使用子网时分组的转发路由表中的每行主要应包括目的网络地址、子网掩码和下一跳地址。图7-20画出了包括三个子网的网络拓扑。,7.3.3 无分类编址CIDR(构造超网)1网络前缀CIDR最主要的特点有两个：（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

15、念，因而可以更加有效地分配IPv4的地址空间，并且可以在新的IPv6使用之前容许因特网的规模继续增长。（2）CIDR将网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”。表7-6给出了最常用的CIDR地址块。,2最长前缀匹配应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由。这叫做最长前缀匹配(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(more specific)。最长前缀匹配又为最长匹配或最佳匹配。,7.4 因特网控制报文协议ICMP,为了提高IP数据报交付成功的机会，在网际层使用了因特网控制报文协议ICMP(Internet Con

16、trol Message Protocol)RFC 792。ICMP报文格式如图7-22所示。,ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。ICMP报文的类型字段的值与ICMP报文类型的对应关系如表7-7所示。,ICMP差错报告报文共有五种，即：目的站不可达 源站抑制 时间超过 参数问题 改变路由(重定向)ICMP报文的数据字段由两部分组成，一部分是收到的需要进行差错报告的IP数据报的首部，另一部分是IP数据报的数据字段的前8个字节，如图7-23所示。,下面是不应发送ICMP差错报告报文的几种情况。对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文。对第一个分片的数据报

17、片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文。对具有多播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文。对具有特殊地址(如127.0.0.0或0.0.0.0)的数据报不发送ICMP差错报告报文。ICMP询问报文有四种，即回送请求和回答、时间戳请求和回答、掩码地址请求和回答以及路由器询问和通告。,7.5 因特网的路由选择协议,7.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念1理想的路由算法一个理想的路由算法应具有如下的一些特点BELL86：（1）算法必须是正确的和完整的。（2）算法在计算上应简单。,（3）算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，这就是说，要有自适应性。（4）算法应具有稳定性。（5）算法应是公

18、平的。这就是说，算法应对所有用户(除对少数优先级高的用户)都是平等的。例如，若使某一对用户的端到端时延为最小，但不考虑其他的广大用户，这就明显地不符合公平性的要求。（6）算法应是最佳的。所谓“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。,2分层次的路由选择协议因特网就把路由选择协议划分为两大类，即：内部网关协议IGP(Interior Gateway Protocol)。外部网关协议EGP(External Gateway Protocol)。自治系统之间的路由选择也称为域间路由选择(interdomain routing)，而在自治系统内部的路由选择称为域内路由选择(intr

19、adomain routing)。图7-24为三个自治系统互连在一起的示意图,使用分层次的路由选择方法，可将因特网的路由选择协议划分为：内部网关协议IGP：具体的协议有多种，如RIP和OSPF等。外部网关协议EGP：目前使用的协议就是BGP。,7.5.2 内部网关协议RIP路由信息协议RIP(Routing Information Protocol)是内部网关协议IGP中使用得最广泛的一个RFC 1058。RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的标准协议，其最大优点就是简单。RIP存在的一个问题是当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。,7.5.3

20、 内部网关协议OSPF1OSPF协议的基本特点OSPF的三个要点：（1）向本自治系统中所有路由器发送信息。（2）发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。（3）只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。图7-25就表示一个自治系统划分为4个区域。,OSPF还具有下列的一些特点：对一个给定的目的网络可根据IP的服务类型ToS计算出不同的路由。在路由分组中包含子网掩码，它支持可变长度的子网划分。链路的度量可以是1 65535中的任何一个无量纲的数，因此十分灵活。如果到同一个目的网络有多条费用相同的路径，那么可以将通信量分配给这几条路

21、径。这叫作多路径间的负载平衡(load balancing)。具有鉴别的功能，保证了仅在可信赖的路由器之间交换链路状态信息。由于网络中的链路状态可能经常发生变化，因此OSPF让每一个链路状态都带上一个32 bit的序号，序号越大状态就越新。,2OSPF的5种分组类型OSPF共有以下5种分组类型。类型1，问候(Hello)分组 类型2，数据库描述(Database Description)分组 类型3，链路状态请求(Link State Request)分组 类型4，链路状态更新(Link State Update)分组 类型5，链路状态确认(Link State Acknowledgment)

22、分组OSPF使用的是可靠的洪泛法，其要点如图7-26所示。,7.5.4 外部网关协议BGP内部网关协议(如RIP或OSPF)主要是设法使数据报在一个自治系统中尽可能有效地从源站传送到目的站。在一个自治系统内部并不需要考虑其他方面的策略。然而BGP使用的环境却不同。这是因为：第一，因特网的规模太大，使得域间路由选择非常困难。,第二，由于各自治系统是运行自己选定的内部路由选择协议，使用自己指明的路径度量，因此，当一条路径通过几个不同的自治系统时，要想对这样的路径计算出有意义的费用是不可能的。要寻找最佳路由是很不现实的。第三，域间路由选择必须考虑有关策略。图7-27表示BGP发言人和自治系统AS的关

23、系的示意图。图7-28表示一个BGP发言人构造出的自治系统连通图，它是树形结构，不存在回路。,BGP-4共使用四种报文，即：打开(Open)报文，用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系。更新(Update)报文，用来发送某一路由的信息，以及列出要撤消的多条路由。保活(Keepalive)报文，用来确认打开报文，和周期性地证实邻站关系。通知(Notificaton)报文，用来发送检测到的差错。,7.6 IP多播和因特网组管理协议,7.6.1 IP多播的基本概念在因特网上向多个目的站发送同样的数据报可以有两种方法。一种方法是采用单播，即一次向一个目的站发送数据报，这样的发送共进行多次。另一种方法是

24、采用多播。图7-29表示多播的特点。能够运行多播协议的路由器称为多播路由器(multicast router)。,在因特网上进行多播就叫做IP多播。IP多播具有以下的一些特点：（1）多播使用组地址多播地址只能用于目的地址，而不能用于源地址。（2）永久组地址（3）动态的组成员（4）使用硬件进行多播,7.6.2 因特网组管理协议IGMP因特网组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)是在多播环境下使用的协议，它位于网际层。IGMP可分为两个阶段。第一阶段：当某个主机加入新的多播组时，该主机应向多播组的多播地址发送一个IGMP报文，声明自己要成为该组的

25、成员。第二阶段：因为组成员关系是动态的，因此本地多播路由器要周期性地探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还继续是组的成员。,当多播数据报在传输的过程中，若遇到有不运行多播软件的路由器或网络，那么就要采用隧道技术。图7-31是对隧道技术的说明。,7.7 下一代的网际协议IPv6(IPng),7.7.1 IPv6 的基本首部格式IPv6所引进的主要变化如下：更大的地址空间。简化了首部格式。灵活的协议 允许对网络资源的预分配 允许协议继续演变和增加新的功能IPv6数据报在基本首部的后面允许有零个或多个扩展首部(extension header)，再后面是数据，如图7-32所示。,每个IPv6

26、数据报都从基本首部开始，如图7-33所示。在基本首部后面是有效载荷，它包括高层的数据和可能选用的扩展首部。下面是IPv6基本首部中的各字段。（1）版本(version)（2）通信量类(traffic class)（3）流标号(flow label)（4）有效载荷长度(payload length)（5）下一个首部(next header)（6）跳数限制(hop limit)（7）源地址（8）目的地址,7.7.2 IPv6的扩展首部1扩展首部及下一个首部字段在RFC 2460中定义了以下六种扩展首部：逐跳选项 路由选择(类型0，即不严格的源站路由选择)分片 鉴别 封装安全有效载荷 目的站选项,图

27、7-34(a)表示当数据报不包含扩展首部时，固定首部中的下一个首部字段就相当于IPv4首部中的协议字段，此字段的值指出后面的有效载荷应当交付给上一层的哪一个进程。图7-34(b)表示在基本首部后面有两个扩展首部的情况。,2分片扩展首部IPv6基本首部中不包含有用于分片的字段，而是在需要分片时，源站便在每一数据报片的基本首部的后边插入一个小的分片扩展首部，如图7-35所示。,IPv6保留了IPv4分片的大部分特征，其分片扩展首部共有以下几个字段：（1）下一个首部(8 bit)（2）保留(10 bit)（3）片偏移(13 bit)（4）M(1 bit)（5）标识符(32 bit),7.7.3 IP

28、v6的地址空间1128 bit的地址空间一般来讲，一个IPv6数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一。单播(unicast)多播(multicast)任播(anycast),2地址空间的分配IPv6将128 bit地址空间分为两大部分。第一部分是可变长度的类型前缀，它定义了地址的目的。剩下的是地址的其余部分。IPv6的地址类型前缀如表7-8所示RFC 2373。,7.7.4 从IPv4向IPv6过渡双协议栈(dual stack)是指在完全过渡到IPv6之前，使一部分主机和路由器装有两个协议栈，一个IPv4和一个IPv6，如图7-38所示。,图7-39所示的情况是源主机A和目的主机F都使用IPv6，所以A向F发送IPv6数据报。,图7-40给出了隧道技术(tunneling)的工作原理。,