第1章 IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

第1章IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)通信與信息工程學(xué)院楊寧yn@教學(xué)內(nèi)容1.1網(wǎng)際互連與因特網(wǎng)1.2TCP/IP協(xié)議族1.3物理網(wǎng)絡(luò)yn@2教學(xué)要求要求理解網(wǎng)際互連原理、異構(gòu)多網(wǎng)互連思想、通用網(wǎng)絡(luò)含義熟練掌握TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)模型以及各層的功能特點(diǎn)掌握下層網(wǎng)絡(luò)（物理網(wǎng)絡(luò)）對(duì)IP通信的支持及構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的不同特點(diǎn)，理解不同類(lèi)型下層網(wǎng)絡(luò)對(duì)TCP/IP的通信帶來(lái)的主要影響掌握主流的物理網(wǎng)絡(luò)——局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)重點(diǎn)TCP/IP層次結(jié)構(gòu)劃分及各層功能和主要協(xié)議難點(diǎn)不同下層網(wǎng)絡(luò)對(duì)IP通信的主要影響yn@31.1網(wǎng)際互連與因特網(wǎng)1.1.1網(wǎng)際互連概述設(shè)想基本策略1.1.2Internet概述產(chǎn)生技術(shù)思路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)：RFC1.1.3小結(jié)yn@41.1.1網(wǎng)際互連概述互連需求上世紀(jì)70’s始，出現(xiàn)單位獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)隨之：資源共享、信息共享的需求催生：網(wǎng)絡(luò)互連的設(shè)想面臨的問(wèn)題網(wǎng)絡(luò)體制不同通信協(xié)議不同互連設(shè)想：統(tǒng)一的互連技術(shù)將不同的網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)形成一個(gè)整體同時(shí)保留和利用各自網(wǎng)絡(luò)的通信體制和技術(shù)而不是用新的網(wǎng)絡(luò)取代已有網(wǎng)絡(luò)yn@5如何互連？網(wǎng)際互連基本策略：應(yīng)用級(jí)互連計(jì)算機(jī)在第一種網(wǎng)絡(luò)上傳遞的通信內(nèi)容，再搬到第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，傳遞給另一個(gè)計(jì)算機(jī)中間的計(jì)算機(jī)終結(jié)了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信中間計(jì)算機(jī)在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)交操作系統(tǒng)獲取的通信內(nèi)容與用U盤(pán)拷貝文件進(jìn)行信息傳遞沒(méi)有本質(zhì)差別，只不過(guò)速度更快，中間過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)yn@6NetANetBApplicationlayer應(yīng)用級(jí)互連的基本問(wèn)題問(wèn)題應(yīng)用軟件需要具備與多種網(wǎng)絡(luò)的通信接口應(yīng)用軟件需定制自己的尋址機(jī)制增加新應(yīng)用，需要為每臺(tái)機(jī)器構(gòu)建一個(gè)新應(yīng)用程序添加新網(wǎng)絡(luò)硬件，可能需要為每個(gè)應(yīng)用修改現(xiàn)有程序……互連成千上萬(wàn)個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成大網(wǎng)，難之又難！yn@7物理網(wǎng)A協(xié)議棧應(yīng)用軟件通信方式A物理網(wǎng)B協(xié)議棧應(yīng)用軟件通信方式B應(yīng)用軟件通信方式A物理網(wǎng)A協(xié)議棧物理網(wǎng)B協(xié)議棧通信方式BGateway網(wǎng)絡(luò)級(jí)互連將網(wǎng)絡(luò)通信貫穿到各個(gè)網(wǎng)絡(luò)中穿越網(wǎng)絡(luò)邊界不是通信的終結(jié)，而是通信的繼續(xù)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)級(jí)互連協(xié)議，通用的通信服務(wù)互連的性質(zhì)協(xié)議覆蓋方式的互連，負(fù)責(zé)網(wǎng)間跨越利用底層網(wǎng)提供的通信功能，穿越底層網(wǎng)底層網(wǎng)協(xié)議層次只需到組網(wǎng)功能的層次，排除高層協(xié)議以太網(wǎng)用MAC層實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，X.25則需要用網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)yn@8NetANetBNetworklayer互連協(xié)議互連協(xié)議上層協(xié)議上層協(xié)議互連協(xié)議網(wǎng)絡(luò)級(jí)互連的優(yōu)勢(shì)分離應(yīng)用與數(shù)據(jù)通信細(xì)節(jié)網(wǎng)絡(luò)通信傳送的是小數(shù)據(jù)分組而非應(yīng)用報(bào)文數(shù)據(jù)通信在網(wǎng)絡(luò)層及下層，中間節(jié)點(diǎn)無(wú)需運(yùn)行應(yīng)用程序應(yīng)用程序不需知道底層網(wǎng)絡(luò)的通信細(xì)節(jié)網(wǎng)絡(luò)通信也不需知道應(yīng)用程序的細(xì)節(jié)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議覆蓋實(shí)現(xiàn)互連，提供通用的通信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)層直接使用底層網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)，效率高網(wǎng)絡(luò)穿越采用底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)邊界完全符合網(wǎng)際互連設(shè)想統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)用戶或應(yīng)用程序與具體物理網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)用戶創(chuàng)建或使用應(yīng)用程序不需知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蚧ミB形式y(tǒng)n@9互連模型ISO：開(kāi)放系統(tǒng)互連——OSI參考模型DARPA：TCP/IP協(xié)議族DefenseAdvanced-ResearchProjectsAgency美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（遠(yuǎn)景規(guī)劃局）應(yīng)用：Internet（因特網(wǎng)）yn@101.1.2因特網(wǎng)概述Inter-ConnectionbetweennetworksDataLinkorchannelInter-CommunicationTransmittingdataamongnetworksInter-networkingProtocolInter-OperationamongstationsApplicationprotocolyn@11Internetworkinginternet：網(wǎng)際網(wǎng)，互連網(wǎng)Internet：因特網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)Internet使用TCP/IP協(xié)議族實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際互連包含一整套的協(xié)議、互連方法協(xié)議棧結(jié)構(gòu)互連方式通信方式編址尋址、路由方式y(tǒng)n@12TCP/IPTCP/IPTCP/IPTCP/IPInternet技術(shù)思路包容和使用各種網(wǎng)絡(luò)的功能既要互連各種網(wǎng)絡(luò)，還要充分利用各種網(wǎng)絡(luò)的通信功能統(tǒng)一互連網(wǎng)上的通信服務(wù)屏蔽具體網(wǎng)絡(luò)的通信細(xì)節(jié)允許互連網(wǎng)上任何主機(jī)之間相互通信（即提供通用通信服務(wù)）靈活、簡(jiǎn)單的通信方式無(wú)連接通信，穿越各個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)最低功能要求yn@13TCP/IPTCP/IPTCP/IPTCP/IP通用的通信服務(wù)Internet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Internet——邏輯網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)，形成相互通信的大網(wǎng)——互聯(lián)網(wǎng)互連鏈路：物理網(wǎng)絡(luò)（或“底層網(wǎng)絡(luò)”）局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)（有各自具體的通信協(xié)議和體制）互連網(wǎng)本身也可作為一個(gè)底層網(wǎng)看待：網(wǎng)絡(luò)分級(jí)嵌套思路對(duì)比“點(diǎn)-線”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，物理網(wǎng)絡(luò)是“點(diǎn)”還是“線”？互連設(shè)備：路由器（運(yùn)行IP協(xié)議）網(wǎng)際互連協(xié)議：IP協(xié)議yn@14信息如何穿越不同的物理網(wǎng)絡(luò)？網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)絡(luò)B網(wǎng)絡(luò)C路由器IP路由器協(xié)議結(jié)構(gòu)多個(gè)物理網(wǎng)協(xié)議棧（視連接的物理網(wǎng)而定）一個(gè)互連協(xié)議棧（IP協(xié)議）互連結(jié)構(gòu)所有接口連接的無(wú)一例外都是物理網(wǎng)注意：遠(yuǎn)程信道也作為物理網(wǎng)對(duì)待yn@15互連協(xié)議如何看待Internet用戶角度單一的虛擬網(wǎng)絡(luò)無(wú)需了解網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)互連網(wǎng)角度所有物理網(wǎng)絡(luò)是平等的路由器每個(gè)接口連接的都是網(wǎng)絡(luò)yn@16RRRRRRR路由器物理網(wǎng)絡(luò)當(dāng)今的InternetISP：InternetServiceProvider,因特網(wǎng)服務(wù)提供者yn@17地區(qū)骨干網(wǎng)地區(qū)骨干網(wǎng)接入網(wǎng)駐地網(wǎng)核心網(wǎng)CN：Corenetwork主干和地區(qū)ISP網(wǎng)絡(luò)AN：Accessnetwork本地ISP網(wǎng)絡(luò)ADSL、WLAN、PONCPN：CustomerPremisesnetwork企業(yè)、家庭等網(wǎng)絡(luò)LAN、WLAN等網(wǎng)關(guān)路由器接入設(shè)備接入網(wǎng)國(guó)際/國(guó)家骨干網(wǎng)駐地網(wǎng)地區(qū)ISP主干ISP地區(qū)ISP本地ISPInternet標(biāo)準(zhǔn)（RFC）的制定準(zhǔn)則鏈路層協(xié)議（最少）：PPP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議：IP，ARP、ICMP、IGMP、…路由協(xié)議：RIP、OSPF、…傳輸層協(xié)議：TCP、UDP、TRP、RTCP、…應(yīng)用層協(xié)議（最多）：HTTP、FTP、SIP、SMTP…yn@18只要可以應(yīng)用現(xiàn)有的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，就使用他們；只有當(dāng)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)不夠時(shí)才制定新的協(xié)議，而且只要能夠得到這些新的標(biāo)準(zhǔn)，而他們又能提供等價(jià)的功能，就使用這些新的標(biāo)準(zhǔn)1.1.3小結(jié)Internet采用TCP/IP將不同物理網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)網(wǎng)絡(luò)級(jí)互連（IP協(xié)議覆蓋）形成一個(gè)整體協(xié)議運(yùn)行的邏輯網(wǎng)絡(luò)核心內(nèi)容統(tǒng)一的互連協(xié)議與技術(shù)TCP/IP通用的互連允許各物理網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行自己的協(xié)議（不改變物理網(wǎng)）允許高層軟件獨(dú)立與物理網(wǎng)絡(luò)（物理網(wǎng)無(wú)關(guān)）yn@191.2TCP/IP協(xié)議族1.2.1TCP/IP分層模型1.2.2TCP/IP編址1.2.3小結(jié)yn@201.2.1TCP/IP分層模型OSImodelApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysicalyn@21TCPUDPRARPARPICMPIGMPIPProtocolsdefinedbytheunderlyingnetworksSMTPFTPTELNETDNSSNMPNFSRPCTFTPApplicationsTCP/IPProtocolSuiteApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalTCP/IP:PhysicalLayeryn@22bitsource&destinationTCP/IP:DataLinkLayeryn@23framesource&destinationTCP/IP:NetworkLayeryn@24datagramsource&destinationTCP/IP:TransportLayeryn@25segment,userdatagramsource&destinationTCP/IP:ApplicationLayeryn@26messagesource&destination1.2.2TCP/IP編址yn@27AddressPhysicaladdress物理地址IPaddressIP地址Portaddress端口地址標(biāo)識(shí)通信節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)所屬LAN或WAN指定LAN或WAN內(nèi)唯一鏈路地址/硬件地址0x0005.5D06.1418標(biāo)識(shí)通信節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接Internet指定Internet內(nèi)唯一網(wǎng)絡(luò)地址4標(biāo)識(shí)通信進(jìn)程操作系統(tǒng)指定一臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)唯一21,23,25,808080,10000Application-Specificaddress特定應(yīng)用地址，如URLTCP/IP中的地址與層次yn@28PhysicaladdressIPaddressPortaddressIPandotherprotocolsNetworklayerUnderlyingphysicalnetworksNetworkAccesslayerProcessApplicationlayerTCPUDPTransportlayerApplication-specificaddress通信實(shí)例1物理地址逐跳而變IP地址通常不變yn@29通信實(shí)例2yn@30——端口地址通常不變1.2.3小結(jié)TCP/IP層次與OSI模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系TCP/IP協(xié)議主要協(xié)議及其所在層次TCP/IP編址：物理地址、IP地址、端口地址作用、所在層次在互聯(lián)網(wǎng)通信中的變化情況yn@311.3物理網(wǎng)絡(luò)1.3.1引言1.3.2局域網(wǎng)1.3.3廣域網(wǎng)1.3.4小結(jié)yn@321.3.1引言因特網(wǎng)——IP互聯(lián)網(wǎng)各種物理網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)（主干網(wǎng)）：交換廣域網(wǎng)接入網(wǎng)：點(diǎn)到點(diǎn)廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)/城域網(wǎng)駐地網(wǎng)：局域網(wǎng)互連設(shè)備IP路由器yn@33局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）MultiplesystemsattachedtoasharedmediaBroadcastcapabilityHightotalbandwidth,lowdelay,lowerrorrateLimitedgeography,limitednumbersofstationsTechnologies：Wired&Wireless廣域網(wǎng)（WideAreaNetwork，WAN）Long-distancetransmissionofdata,voiceandvideoinformationoverlargegeographicalareasUtilizepublic,leased,orprivatecommunicationfacilities,usuallyincombinationTechnologies：Point-to-point&Switchedyn@341.3.2局域網(wǎng)yn@35TokenBusTokenRingCSMA/CDCSMA/CACSMAFDDITRTBEthernetStarLANARCnetOmniNet1970’s1980/1990’s2000’s802.9/ISLAN802.5/TR802.4/TB802.3/EnetX3T9.5/FDDI802.11/WLAN802.3/Enet802.22/WRAN802.14/CM802.12/DPLAN802.11/WLAN802.9/ISLAN802.8/FORTAG802.7/BBTAG802.6/MAN802.5/TR802.4/TB802.3/Enet802.20/MBWA802.17/RPR802.16/FBWA802.15/WPANLAN協(xié)議參考模型LAN標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)IEEE802委員會(huì)802網(wǎng)絡(luò)：LAN/MAN（城域網(wǎng)）802參考模型SAP：服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)LSAPMSAPPhSAPLLC：邏輯鏈路控制MAC：介質(zhì)訪問(wèn)控制yn@36OSIRMLLC物理介質(zhì)MACPHYPhSAPMSAPLSAP802網(wǎng)絡(luò)范圍802RMApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysicalIEEE802標(biāo)準(zhǔn)族IEEE802.1綜述、編址、橋接、管理、……IEEE802.2屏蔽不同類(lèi)型的LAN，向上提供一致的服務(wù)IEEE802.3/11/15/16/17

……定義不同類(lèi)型的LAN/MAN內(nèi)容包括：MAC協(xié)議、物理接口、介質(zhì)需求所有LAN具有相同的LLC子層；不同的MAC子層和物理層yn@37802.3……802.2802.11物理層數(shù)據(jù)鏈路層PHYMACLLCOSI層次802層次802.17…802.1LLCLLC（LogicalLinkControl）設(shè)立的初衷LLC位于LAN參考模型的中心位置向上為多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議提供一致的服務(wù)：不能直接為IP服務(wù)向下匯聚多種LAN（MAC）規(guī)范近年來(lái)發(fā)生了重大變化網(wǎng)絡(luò)層：IP協(xié)議幾乎成了唯一MAC層：以太網(wǎng)幾乎占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)LLC還是必要的？不再是必要的LLC正在退出實(shí)用（不再使用）！當(dāng)前的趨勢(shì)MAC（Ethernet）直接承載IP！yn@38LLCSNARS511SNAP…802.3802.4802.5FDDIATM802.3（及兼容）？IPIPMAC廣播信道：所有站點(diǎn)共享一條通信信道多路訪問(wèn)信道，共享信道兩個(gè)或以上站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送將會(huì)產(chǎn)生干擾（沖突）MAC（MediumAccessControl）解決廣播信道的信道訪問(wèn)權(quán)問(wèn)題yn@39ABCDE1.3.3廣域網(wǎng)點(diǎn)到點(diǎn)廣域網(wǎng)從公共網(wǎng)（如電話網(wǎng)）中獲取一條線路來(lái)連接兩個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備典型物理鏈路：DSL技術(shù)、HFC網(wǎng)絡(luò)典型鏈路協(xié)議：PPP、PPPoE交換廣域網(wǎng)網(wǎng)狀的點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供多個(gè)接入點(diǎn)使用面向連接的技術(shù)典型網(wǎng)絡(luò)：X.25、幀中繼、ATMyn@40DSL技術(shù)DigitalSubscriberLine，數(shù)字用戶線非對(duì)稱(chēng)DSLADSL（AsymmetricDSL）上行640kbps~1Mbps，下行500kbps～8MbpsVDSL（Very-high-bit-rate