級網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課件5章.ppt

三級網(wǎng)絡(luò)技術(shù),第5章 Internet基礎(chǔ),5.1 Internet的構(gòu)成,5.1.1 Internet的邏輯結(jié)構(gòu),Internet也稱為“國際互聯(lián)網(wǎng)”，從網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者的角度考慮，它是由分布在世界各地的計算機網(wǎng)絡(luò)相互連接而成的全球性的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；從因特網(wǎng)使用者的角度考慮，因特網(wǎng)是一個信息資源網(wǎng)。 Internet是由大量主機通過連接在單一、無縫的通信系統(tǒng)上而形成的一個全球范圍的信息資源網(wǎng)，接入Internet的主機既可以是信息資源及服務(wù)的提供者（服務(wù)器），也可以是信息資源及服務(wù)的消費者（客戶機）。,5.1.1 Internet的邏輯結(jié)構(gòu)(續(xù)),5.1.2 因特網(wǎng)的主要組成部分,Internet由硬件和軟件兩大部分組成 硬件部分： 包括通信線路、路由器和主機 軟件部分 主要是指信息資源,5.1.2 因特網(wǎng)的主要組成部分,通信線路： 主要有兩類：一類是有線線路、另一類是無線線路 通常用“數(shù)據(jù)傳輸速率”和“帶寬”來衡量通信線路的傳輸能力 路由器 負(fù)責(zé)路由選擇和存儲轉(zhuǎn)發(fā) 因特網(wǎng)中最為重要的設(shè)備 服務(wù)器與客戶機： 統(tǒng)稱為“主機” 服務(wù)器是信息的提供者 客戶機是信息的消費者 信息資源： 主要包括文本、聲音、圖象或視頻等信息類型,5.2 Internet的接入,5.2.1 通過電話網(wǎng)接入,用戶計算機和ISP處的遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器RAS通過調(diào)制解調(diào)器與電話網(wǎng)相連。 用戶在訪問Internet時，通過撥號方式與ISP的RAS建立連接，借助RAS訪問Internet。 電話撥號線路的傳輸速率低，目前較好線路的最高傳輸速率可以達到56Kbps。 電話撥號線路比較適合于家庭使用。,5.2.2 利用ADSL接入,ADSL是非對稱數(shù)字用戶線，是目前常用的一種Internet接入方式。 ADSL的非對稱性表現(xiàn)在交換局端到用戶端下行速率和用戶端到交換局端上行速率不同。高速下行信道向用戶傳送數(shù)據(jù)、視頻、音頻信息及控制、開銷信號，在5km的范圍內(nèi)速率一般在1.59Mbps，低速上行信道包括通向網(wǎng)絡(luò)的控制開銷信號，速率一般在16Kbps640Kbps。 ADSL需要的電話線資源分布廣泛，具有傳輸速率高、使用費用低、無須重新布線和建設(shè)周期短的特點。 適合家庭和中小企業(yè)的Internet接入需求。,5.2.3 使用HFC接入,HFC采用非對稱的數(shù)據(jù)傳輸速率，下行速率要大于上行速率。上行速率一般在10Mbps左右，下行速率一般在10Mbps到40Mbps之間。 HFC接入的特點是速率高，且接入主機可以24小時在線。 HFC接入的缺點是它采用共享式的傳輸方式，HFC網(wǎng)上的用戶越多，每個用戶實際可使用的帶寬就越窄。,5.3 IP協(xié)議與互聯(lián)層服務(wù),5.3.1 IP互聯(lián)網(wǎng)的工作原理,5.3.2 互聯(lián)層服務(wù),互聯(lián)層可以為其高層用戶提供服務(wù) 特點： 不可靠的數(shù)據(jù)投遞服務(wù) 面向無連接的傳輸服務(wù) 盡最大努力投遞服務(wù),5.3.3 IP互聯(lián)網(wǎng)的特點,IP互聯(lián)網(wǎng)隱藏了底層物理網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)，向上為用戶提供通用的、一致的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 IP互聯(lián)網(wǎng)不指定網(wǎng)絡(luò)互連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也不要求網(wǎng)絡(luò)之間全互聯(lián)。 IP互聯(lián)網(wǎng)能在物理網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，信息可以跨網(wǎng)傳輸。 IP互聯(lián)網(wǎng)中的所有計算機使用統(tǒng)一的、全局的地址描述法。 IP互聯(lián)網(wǎng)平等地對待互聯(lián)網(wǎng)中的每一個網(wǎng)絡(luò)。,5.4 IP地址,5.4.1 IP地址的作用,IP地址提供了一種互聯(lián)網(wǎng)通用的地址格式，該地址由32為的二進制數(shù)表示，用于屏蔽各種物理網(wǎng)絡(luò)的地址差異。 IP協(xié)議規(guī)定的地址稱為IP地址。 IP地址由IP地址管理結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)一管理和分配。,5.4.2 IP地址的層次結(jié)構(gòu),IP地址由網(wǎng)絡(luò)號和主機號兩個層次組成。 網(wǎng)絡(luò)號用來標(biāo)識互聯(lián)網(wǎng)中的一個特定網(wǎng)絡(luò)； 主機號用于標(biāo)識該網(wǎng)絡(luò)中主機的一個特定連接。,5.4.3 IP地址的直觀表示法,一個IP地址由4個字節(jié)共32位的數(shù)字串組成，這4個字節(jié)通常用小數(shù)點分隔，每個字節(jié)可用十進制表示。,5.4.4 IP地址的分類,5.4.4 IP地址的分類（續(xù)）,IP地址分類練習(xí),IP地址,類別,網(wǎng)絡(luò)地址,主機地址,10.2.1.1,128.63.2.100,201.222.5.64,192.6.141.2,130.113.64.16,256.241.201.10,A,10.0.0.0,0.2.1.1,B,128.63.0.0,0.0.2.100,C,201.222.5.0,0.0.0.64,C,192.6.141.0,0.0.0.2,B,130.113.0.0,0.0.64.16,不存在的地址,5.4.5 幾種特殊的IP地址形式,1網(wǎng)絡(luò)地址 主機號各位全為“0”,用來標(biāo)識本網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址 例如，C類202.102.192.68，網(wǎng)絡(luò)號占24位，主機號占8位，網(wǎng)絡(luò)地址是202.102.192.0，主機號68 2廣播地址 直接廣播地址： 主機號各位全為“1” ，發(fā)送給特定網(wǎng)絡(luò)上的所有主機 例如，一個C類地址是202.102.192.0，則直接廣播地址是202.102.192.255。 有限廣播地址： 網(wǎng)絡(luò)號和主機號都為1，即255.255.255.255，對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)進行廣播 用在DHCP,5.4.5 幾種特殊的IP地址形式(續(xù)),3回送地址 A類網(wǎng)絡(luò)地址127.0.0.0 4本地地址 A類地址 10.0.0.0 10.255.255.255 B類地址 172.16.0.0 172.31.255.255 C類地址 192.168.0.0 192.168.255.255,5.4.6 子網(wǎng)編碼,為什么要使用子網(wǎng)屏蔽碼 IP地址的分類雖然是很不錯的,但對于具體的組織來說,所分得的IP地址畢竟有限。如果一個組織的網(wǎng)絡(luò)是由許多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)而成的，而它所分得的網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于它所擁有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)，顯然這是不夠的。由此，必須有一種方法，可以劃分地址空間去適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 為了提高IP地址的使用效率，可將一個網(wǎng)絡(luò)劃分為子網(wǎng)：采用借位的方式，從主機號最高位開始借位變?yōu)樾碌淖泳W(wǎng)號，所剩余的部分則仍是主機號。這使得IP地址的結(jié)構(gòu)分為三部分：網(wǎng)絡(luò)號（net-id）、子網(wǎng)號（subnet-id）和主機號（host-id）。,子網(wǎng)屏蔽碼組成和表示,使用32位長的IP編碼 網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)部分使用全1 主機部分使用全0 也使用點分十進制表示法表示,子網(wǎng)屏蔽碼的優(yōu)點,將子網(wǎng)屏蔽碼和IP地址逐比特相“與”（AND），就立即得出網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)地址 將子網(wǎng)屏蔽碼的反碼與IP地址作邏輯“與”操作，可得到其主機地址,子網(wǎng)屏蔽碼的計算,將一個網(wǎng)段劃分為多個子網(wǎng)段，便于網(wǎng)絡(luò)管理 有利于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備盡快地區(qū)分本網(wǎng)段地址和非本網(wǎng)段的地址,缺省子網(wǎng)屏蔽碼,5.4.7 地址解析協(xié)議（ARP）,將IP地址映射到物理地址 IP互聯(lián)網(wǎng)采用動態(tài)聯(lián)編方式進行IP地址到物理地址的映射。 ARP 協(xié)議使用一種詢問/回答機制。 在采用高速緩存技術(shù)的ARP中，每臺主機都保留了一個專用的高速緩沖區(qū)，用于保存已知的ARP表項。發(fā)送消息時，主機首先到高速Cache的ARP表中查找相應(yīng)的關(guān)系，若找不到，再利用ARP進行地址解析。,5.5 IP數(shù)據(jù)報,5.5.1 IP數(shù)據(jù)報的格式,5.5.2 IP封裝、分片與重組,解決了最大傳輸單元問題 分片：當(dāng)一個數(shù)據(jù)報的尺寸大于將發(fā)往網(wǎng)絡(luò)的MTU值時，路由器會將IP數(shù)據(jù)包分成若干較小部分。 IP數(shù)據(jù)報重組：在接收到所有分片的基礎(chǔ)上，主機對分片進行重新組裝的過程。 路由器不能對分片進行重組。 在IP數(shù)據(jù)報報頭中，標(biāo)識、標(biāo)志和片偏移3個字段與控制分片和重組有關(guān)。 在因特網(wǎng)中，IP數(shù)據(jù)報根據(jù)其目的地的不同，經(jīng)過的路徑和投遞次數(shù)也不同。,5.5.3 IP數(shù)據(jù)報選項,組成部分：選項碼、長度和選項數(shù)據(jù) 用于控制和測試 常用的選項 源路由 記錄路由 時間戳,5.6 差錯與報文控制,5.6.1 ICMP差錯控制,最基本的功能是提供差錯報告 采用路由器到源主機的模式 包括目的地不可到達報告、超時報告、參數(shù)出錯報告 ICMP差錯報文的特點 ICMP差錯報告作為一般數(shù)據(jù)報傳輸，在傳輸?shù)倪^程中可能丟失或損壞。 ICMP差錯報告數(shù)據(jù)中除包含故障IP數(shù)據(jù)報報頭外，還包含故障IP數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)區(qū)的前64位數(shù)據(jù)。 ICMP差錯報告時伴隨著拋棄數(shù)據(jù)報而產(chǎn)生的。,5.6.2 ICMP控制報文,擁塞控制與源抑制報文 擁塞就是路由器被大量涌入的IP數(shù)據(jù)報“淹沒”的現(xiàn)象。 造成擁塞的原因： 路由器的處理速度太慢，不能完成IP數(shù)據(jù)報排隊等日常工作。 路由器傳入數(shù)據(jù)速率大于傳出數(shù)據(jù)速率。 為了控制擁塞，IP軟件采用了“源站抑制”技術(shù)，利用ICMP源抑制報文抑制源主機發(fā)送IP數(shù)據(jù)報的速率。 路由控制與重定向報文 路由器一旦檢測到某IP數(shù)據(jù)報經(jīng)非優(yōu)路徑傳輸，它一方面將數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)出去，另一方面將向主機發(fā)送一個路由重定向ICMP報文，通知主機去往相應(yīng)目的主機的最優(yōu)路徑。,5.6.3 ICMP請求/應(yīng)答報文對,回應(yīng)請求與應(yīng)答 用于測試目的主機和路由器的可達性 時間戳請求與應(yīng)答 為了同步互聯(lián)網(wǎng)上主機時鐘 掩碼請求與應(yīng)答 利用掩碼請求與應(yīng)答ICMP報文向路由器詢問自己所處網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼,5.7 路由器和路由選擇,5.7.1 表驅(qū)動IP進行路由選擇,在IP互聯(lián)網(wǎng)中，需要進行路由選擇設(shè)備一般采用表驅(qū)動的路由選擇算法。 每臺需要路由選擇的設(shè)備保存一張IP路由表，該表存儲著有關(guān)可能的目的地址以及怎樣到達目的地址的信息。在需要傳送IP數(shù)據(jù)報時，就查詢該IP路由表，決定把數(shù)據(jù)報發(fā)往何處。,（1）標(biāo)準(zhǔn)路由選擇算法,一個標(biāo)準(zhǔn)的IP路由表通常包含許多（N，R）對序列，其中N指的是目的網(wǎng)絡(luò)得IP地址，R是到網(wǎng)絡(luò)N路徑上得“下一個”路由器的IP地址。在路由器R中的路由表僅僅制定了從R到目的網(wǎng)絡(luò)路徑上的一步，而路由器并不知道到達目的地的完整路徑，這就是下一站選擇路由的基本思想。,（2）子網(wǎng)選擇路由,在子網(wǎng)編址方式下，僅憑地址類別來判斷網(wǎng)絡(luò)號和主機號是不可能的，因此必須在IP路由表中加入子網(wǎng)掩碼。 擴充后的IP路由表可以表示為（M，N，R）三元組，其中M表示子網(wǎng)掩碼，N表示目的網(wǎng)絡(luò)地址，R表示到網(wǎng)絡(luò)N路徑上的“下一個”路由器的IP地址。 當(dāng)進行路由選擇時，將IP數(shù)據(jù)報中的目的IP地址取出，與路由表表目中的“子網(wǎng)掩碼”進行逐位“與”運算，運算的結(jié)構(gòu)再與表目中的“目的網(wǎng)絡(luò)地址”比較，如果相同，說明路由選擇成功，IP數(shù)據(jù)報沿“下一站地址”傳送出去。,（3）路由表中的特殊路由,默認(rèn)路由：為了進一步隱藏互聯(lián)網(wǎng)細(xì)節(jié)，縮小路由表的長度，經(jīng)常用到“默認(rèn)路由”技術(shù)。 特定主機路由：對于單個主機指定一條特別的路徑就是所謂的“特定主機路由”。,（4）統(tǒng)一的路由選擇算法,在路由表中，對特定的主機路由，可采用255.255.255.255作為子網(wǎng)掩碼，采用目的主機IP地址作為目的地址； 對于默認(rèn)路由，則采用0.0.0.0作為子網(wǎng)掩碼，默認(rèn)路由器的地址作為目的地址； 對于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)路由，以A類IP地址為例，則采用255.0.0.0作為子網(wǎng)掩碼，而目的網(wǎng)絡(luò)地址作為目的地址； 對于一般的子網(wǎng)路由，則用相應(yīng)的子網(wǎng)掩碼和相應(yīng)的目的子網(wǎng)地址構(gòu)造路由表表項。,5.7.2 路由表的建立與刷新,典型的路由選擇方式有兩種：靜態(tài)路由和動態(tài)路由。 靜態(tài)路由是在路由器中設(shè)置的固定的路由表。靜態(tài)路由人工管理，除非網(wǎng)絡(luò)管理員干預(yù)，否則靜態(tài)路由不會發(fā)生變化。 動態(tài)路由是網(wǎng)絡(luò)中的路由器之間相互通信、傳遞路由信息、利用收到的路由信息更新路由器表的過程。它能實時地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，如果路由更新信息，表明發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)變化，路由選擇軟件就會重新計算路由，并發(fā)出新的路由更新信息。 靜態(tài)路由一般用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定的網(wǎng)絡(luò)中。動態(tài)路由適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。,5.7.2 路由表的建立與刷新（續(xù)）,當(dāng)路由器自動刷新和修改路由表時，它的首要目標(biāo)是保證路由表中包含有最佳的路徑信息。 修改和刷新路由時需要給每條路徑生成一個數(shù)字：度量值，度量值越小，路徑越好。度量值的計算可以基于路由的一個或多個特征，在計算中經(jīng)常使用的特征有：跳數(shù)、帶寬、延遲、負(fù)載、可靠性和開銷。 目前，使用最廣泛的路由選擇協(xié)議有兩種：路由信息協(xié)議（RIP）和開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF）。,5.7.3 RIP協(xié)議與向量-距離算法,向量-距離路由選擇算法 路由器周期性地向其相鄰路由器廣播自己知道的路由信息，用于通知相鄰路由器知道自己可以到達的網(wǎng)絡(luò)以及到達該網(wǎng)絡(luò)的距離（通常用跳數(shù)表示），相鄰路由器可以根據(jù)收到的路由表修改和刷新自己的路由表。 RIP協(xié)議 對于距離相同的路徑按照先入為主的原則進行選擇；對于過時路由，RIP協(xié)議規(guī)定，參與RIP選擇的機器如果在規(guī)定的時間內(nèi)一直沒有再收到關(guān)于該路徑的刷新信息，則說明該路徑已經(jīng)崩潰，需要將它從路由表中刪除。 RIP協(xié)議與子網(wǎng)路由,5.7.4 OSPF協(xié)議與鏈路-狀態(tài)算法,鏈路-狀態(tài)路由選擇算法 基本思想是：互聯(lián)網(wǎng)上的每個路由器周期性地向其他路由器廣播自己與相鄰路由器的連接關(guān)系，以使每個路由器都可以畫出一張互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。利用這張圖，路由器就可以按照在最短路徑優(yōu)先算法計算出以本地路由器為根的SPF樹。通過這棵SPF樹，路由器就可以生成自己的路由表。 OSPF協(xié)議 以鏈路-狀態(tài)算法為基礎(chǔ) 具有收斂快、支持服務(wù)類型選擇、提供負(fù)載均衡和身份認(rèn)證等特點 適合于規(guī)模龐大、環(huán)境復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò) 要求較高的路由器處理能力、一定帶寬的需求,5.7.5 部署和選擇路由協(xié)議,靜態(tài)路由最適合于小型的（210個網(wǎng)絡(luò)）、單路徑的、靜態(tài)的IP互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境； RIP路由選擇協(xié)議比較適合于小型到中型的（1050個網(wǎng)絡(luò)）、多路徑的、動態(tài)的IP互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境； OSPF路由選擇協(xié)議最適合于大型到特大型的（50個以上的網(wǎng)絡(luò)）、多路徑的、動態(tài)的IP互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。,5.8 IPv6協(xié)議,5.8.1 IPv4協(xié)議的局限性,地址空間的局限性 IP協(xié)議的性能問題 IP協(xié)議的安全性問題 自動配置問題 服務(wù)質(zhì)量保證（Qos）問題,5.8.2 IPv6地址,IPv6地址表示 IPv6采用128位地址長度，可提供超過3.41038個IP地址。這128位地址按每16位劃分為一個段位，每個段位被轉(zhuǎn)換成一個4位的十六進制數(shù)，并用冒號隔開。 為了簡化IPv6地址的表示，在有多個0出現(xiàn)時，可以采用零壓縮法，如果幾個連續(xù)的段位的值都為0，那么這些零可以簡寫為：，稱為雙冒號表示法。 IPv6采用前綴表示法，可以表示成“地址/前綴長度”。前綴是IPv6的一部分，用作IPv6路由或子網(wǎng)標(biāo)識。 IPv6地址類型 IPv6地址分為單播地址、組播地址、任播地址和特殊地址。,5.8.3 IPv6數(shù)據(jù)報,IPv6數(shù)據(jù)報由一個IPv6基本頭、多個擴展頭和一個高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元組成，基本頭采用固定的40字節(jié)長度，一些可選內(nèi)容放在擴展頭部分實現(xiàn)。 IPv6數(shù)據(jù)報格式對IPv4不向下兼容。 IPv6數(shù)據(jù)報中主要的字段有版本、通信類型、流標(biāo)記、載荷長度、下一個報頭、跳數(shù)限制、源地址和目的地址。,5.8.4 IPv6擴展頭,逐跳選項頭 目的選項頭 路由頭 分片頭 認(rèn)證頭 封裝安全有效載荷包頭,5.8.5 IPv6地址自動配置,IPv6地址自動配置包括有狀態(tài)和無狀態(tài)兩種形式。 有狀態(tài)地址自動配置需要DHCPv6服務(wù)器的支持。,5.9 TCP與UDP,5.9.1 端對端通信,數(shù)據(jù)報從一站轉(zhuǎn)發(fā)到另一個站，從一個結(jié)點到另一個結(jié)點 主要的傳輸控制是在相鄰兩個結(jié)點之間進行 傳輸層需要提供一個直接從一臺計算機到另一遠(yuǎn)程計算機上的端到端通信控制,5.9.2 傳輸控制協(xié)議TCP,（1）TCP提供的服務(wù) 傳輸控制協(xié)議TCP是TCP/IP參考模型中的傳輸層協(xié)議，它通過序列確認(rèn)以及包重發(fā)機制提供可靠的數(shù)據(jù)流發(fā)送和應(yīng)用程序的虛擬連接服務(wù)。 與IP協(xié)議相結(jié)合，TCP組成了因特網(wǎng)協(xié)議的核心。 TCP服務(wù)提供了數(shù)據(jù)流傳輸、可靠、有效流控制、全雙工操作和多路復(fù)用技術(shù)等。 TCP提供的是面向連接的服務(wù)，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要建立一個到達目的主機的連接。TCP能夠確保通過一個連接發(fā)送的數(shù)據(jù)正確地到達目的地，不會發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失或亂序。,5.9.2 傳輸控制協(xié)議TCP(續(xù)),（2）數(shù)據(jù)丟失與重發(fā) TCP建立在一個不可靠的虛擬通信系統(tǒng)上，數(shù)據(jù)可能會丟失。 TCP采用重發(fā)技術(shù)來補償數(shù)據(jù)包的丟失。 TCP采用自適應(yīng)重發(fā)機制來確定重發(fā)之前應(yīng)等待的時間，自適應(yīng)重發(fā)時間的確定是重發(fā)方案的基石。 （3）連接的可靠建立和優(yōu)雅關(guān)閉 為確保連接建立和終止的可靠性，TCP使用了三次握手法。 三次握手法就是在建立連接和終止連接的過程中，通信雙發(fā)需要交換3個報文。,5.9.2 傳輸控制協(xié)議TCP(續(xù)),（4）TCP的緩沖、流控與