级网络技术课件5章.ppt

三级网络技术,第5章 Internet基础,5.1 Internet的构成,5.1.1 Internet的逻辑结构,Internet也称为“国际互联网”，从网络设计者的角度考虑，它是由分布在世界各地的计算机网络相互连接而成的全球性的互联网络；从因特网使用者的角度考虑，因特网是一个信息资源网。 Internet是由大量主机通过连接在单一、无缝的通信系统上而形成的一个全球范围的信息资源网，接入Internet的主机既可以是信息资源及服务的提供者（服务器），也可以是信息资源及服务的消费者（客户机）。,5.1.1 Internet的逻辑结构(续),5.1.2 因特网的主要组成部分,Internet由硬件和软件两大部分组成 硬件部分： 包括通信线路、路由器和主机 软件部分 主要是指信息资源,5.1.2 因特网的主要组成部分,通信线路： 主要有两类：一类是有线线路、另一类是无线线路 通常用“数据传输速率”和“带宽”来衡量通信线路的传输能力 路由器 负责路由选择和存储转发 因特网中最为重要的设备 服务器与客户机： 统称为“主机” 服务器是信息的提供者 客户机是信息的消费者 信息资源： 主要包括文本、声音、图象或视频等信息类型,5.2 Internet的接入,5.2.1 通过电话网接入,用户计算机和ISP处的远程访问服务器RAS通过调制解调器与电话网相连。 用户在访问Internet时，通过拨号方式与ISP的RAS建立连接，借助RAS访问Internet。 电话拨号线路的传输速率低，目前较好线路的最高传输速率可以达到56Kbps。 电话拨号线路比较适合于家庭使用。,5.2.2 利用ADSL接入,ADSL是非对称数字用户线，是目前常用的一种Internet接入方式。 ADSL的非对称性表现在交换局端到用户端下行速率和用户端到交换局端上行速率不同。高速下行信道向用户传送数据、视频、音频信息及控制、开销信号，在5km的范围内速率一般在1.59Mbps，低速上行信道包括通向网络的控制开销信号，速率一般在16Kbps640Kbps。 ADSL需要的电话线资源分布广泛，具有传输速率高、使用费用低、无须重新布线和建设周期短的特点。 适合家庭和中小企业的Internet接入需求。,5.2.3 使用HFC接入,HFC采用非对称的数据传输速率，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之间。 HFC接入的特点是速率高，且接入主机可以24小时在线。 HFC接入的缺点是它采用共享式的传输方式，HFC网上的用户越多，每个用户实际可使用的带宽就越窄。,5.3 IP协议与互联层服务,5.3.1 IP互联网的工作原理,5.3.2 互联层服务,互联层可以为其高层用户提供服务 特点： 不可靠的数据投递服务 面向无连接的传输服务 尽最大努力投递服务,5.3.3 IP互联网的特点,IP互联网隐藏了底层物理网络细节，向上为用户提供通用的、一致的网络服务。 IP互联网不指定网络互连的拓扑结构，也不要求网络之间全互联。 IP互联网能在物理网络之间转发数据，信息可以跨网传输。 IP互联网中的所有计算机使用统一的、全局的地址描述法。 IP互联网平等地对待互联网中的每一个网络。,5.4 IP地址,5.4.1 IP地址的作用,IP地址提供了一种互联网通用的地址格式，该地址由32为的二进制数表示，用于屏蔽各种物理网络的地址差异。 IP协议规定的地址称为IP地址。 IP地址由IP地址管理结构进行统一管理和分配。,5.4.2 IP地址的层次结构,IP地址由网络号和主机号两个层次组成。 网络号用来标识互联网中的一个特定网络； 主机号用于标识该网络中主机的一个特定连接。,5.4.3 IP地址的直观表示法,一个IP地址由4个字节共32位的数字串组成，这4个字节通常用小数点分隔，每个字节可用十进制表示。,5.4.4 IP地址的分类,5.4.4 IP地址的分类（续）,IP地址分类练习,IP地址,类别,网络地址,主机地址,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 几种特殊的IP地址形式,1网络地址 主机号各位全为“0”,用来标识本网络的网络地址 例如，C类202.102.192.68，网络号占24位，主机号占8位，网络地址是202.102.192.0，主机号68 2广播地址 直接广播地址： 主机号各位全为“1” ，发送给特定网络上的所有主机 例如，一个C类地址是202.102.192.0，则直接广播地址是202.102.192.255。 有限广播地址： 网络号和主机号都为1，即255.255.255.255，对当前网络进行广播 用在DHCP,5.4.5 几种特殊的IP地址形式(续),3回送地址 A类网络地址127.0.0.0 4本地地址 A类地址 10.0.0.0 10.255.255.255 B类地址 172.16.0.0 172.31.255.255 C类地址 192.168.0.0 192.168.255.255,5.4.6 子网编码,为什么要使用子网屏蔽码 IP地址的分类虽然是很不错的,但对于具体的组织来说,所分得的IP地址毕竟有限。如果一个组织的网络是由许多网络互联而成的，而它所分得的网络地址数又远远少于它所拥有的网络数，显然这是不够的。由此，必须有一种方法，可以划分地址空间去适应网络结构。 为了提高IP地址的使用效率，可将一个网络划分为子网：采用借位的方式，从主机号最高位开始借位变为新的子网号，所剩余的部分则仍是主机号。这使得IP地址的结构分为三部分：网络号（net-id）、子网号（subnet-id）和主机号（host-id）。,子网屏蔽码组成和表示,使用32位长的IP编码 网络和子网部分使用全1 主机部分使用全0 也使用点分十进制表示法表示,子网屏蔽码的优点,将子网屏蔽码和IP地址逐比特相“与”（AND），就立即得出网络地址和子网地址 将子网屏蔽码的反码与IP地址作逻辑“与”操作，可得到其主机地址,子网屏蔽码的计算,将一个网段划分为多个子网段，便于网络管理 有利于网络设备尽快地区分本网段地址和非本网段的地址,缺省子网屏蔽码,5.4.7 地址解析协议（ARP）,将IP地址映射到物理地址 IP互联网采用动态联编方式进行IP地址到物理地址的映射。 ARP 协议使用一种询问/回答机制。 在采用高速缓存技术的ARP中，每台主机都保留了一个专用的高速缓冲区，用于保存已知的ARP表项。发送消息时，主机首先到高速Cache的ARP表中查找相应的关系，若找不到，再利用ARP进行地址解析。,5.5 IP数据报,5.5.1 IP数据报的格式,5.5.2 IP封装、分片与重组,解决了最大传输单元问题 分片：当一个数据报的尺寸大于将发往网络的MTU值时，路由器会将IP数据包分成若干较小部分。 IP数据报重组：在接收到所有分片的基础上，主机对分片进行重新组装的过程。 路由器不能对分片进行重组。 在IP数据报报头中，标识、标志和片偏移3个字段与控制分片和重组有关。 在因特网中，IP数据报根据其目的地的不同，经过的路径和投递次数也不同。,5.5.3 IP数据报选项,组成部分：选项码、长度和选项数据 用于控制和测试 常用的选项 源路由 记录路由 时间戳,5.6 差错与报文控制,5.6.1 ICMP差错控制,最基本的功能是提供差错报告 采用路由器到源主机的模式 包括目的地不可到达报告、超时报告、参数出错报告 ICMP差错报文的特点 ICMP差错报告作为一般数据报传输，在传输的过程中可能丢失或损坏。 ICMP差错报告数据中除包含故障IP数据报报头外，还包含故障IP数据报数据区的前64位数据。 ICMP差错报告时伴随着抛弃数据报而产生的。,5.6.2 ICMP控制报文,拥塞控制与源抑制报文 拥塞就是路由器被大量涌入的IP数据报“淹没”的现象。 造成拥塞的原因： 路由器的处理速度太慢，不能完成IP数据报排队等日常工作。 路由器传入数据速率大于传出数据速率。 为了控制拥塞，IP软件采用了“源站抑制”技术，利用ICMP源抑制报文抑制源主机发送IP数据报的速率。 路由控制与重定向报文 路由器一旦检测到某IP数据报经非优路径传输，它一方面将数据报转发出去，另一方面将向主机发送一个路由重定向ICMP报文，通知主机去往相应目的主机的最优路径。,5.6.3 ICMP请求/应答报文对,回应请求与应答 用于测试目的主机和路由器的可达性 时间戳请求与应答 为了同步互联网上主机时钟 掩码请求与应答 利用掩码请求与应答ICMP报文向路由器询问自己所处网络的子网掩码,5.7 路由器和路由选择,5.7.1 表驱动IP进行路由选择,在IP互联网中，需要进行路由选择设备一般采用表驱动的路由选择算法。 每台需要路由选择的设备保存一张IP路由表，该表存储着有关可能的目的地址以及怎样到达目的地址的信息。在需要传送IP数据报时，就查询该IP路由表，决定把数据报发往何处。,（1）标准路由选择算法,一个标准的IP路由表通常包含许多（N，R）对序列，其中N指的是目的网络得IP地址，R是到网络N路径上得“下一个”路由器的IP地址。在路由器R中的路由表仅仅制定了从R到目的网络路径上的一步，而路由器并不知道到达目的地的完整路径，这就是下一站选择路由的基本思想。,（2）子网选择路由,在子网编址方式下，仅凭地址类别来判断网络号和主机号是不可能的，因此必须在IP路由表中加入子网掩码。 扩充后的IP路由表可以表示为（M，N，R）三元组，其中M表示子网掩码，N表示目的网络地址，R表示到网络N路径上的“下一个”路由器的IP地址。 当进行路由选择时，将IP数据报中的目的IP地址取出，与路由表表目中的“子网掩码”进行逐位“与”运算，运算的结构再与表目中的“目的网络地址”比较，如果相同，说明路由选择成功，IP数据报沿“下一站地址”传送出去。,（3）路由表中的特殊路由,默认路由：为了进一步隐藏互联网细节，缩小路由表的长度，经常用到“默认路由”技术。 特定主机路由：对于单个主机指定一条特别的路径就是所谓的“特定主机路由”。,（4）统一的路由选择算法,在路由表中，对特定的主机路由，可采用255.255.255.255作为子网掩码，采用目的主机IP地址作为目的地址； 对于默认路由，则采用0.0.0.0作为子网掩码，默认路由器的地址作为目的地址； 对于标准网络路由，以A类IP地址为例，则采用255.0.0.0作为子网掩码，而目的网络地址作为目的地址； 对于一般的子网路由，则用相应的子网掩码和相应的目的子网地址构造路由表表项。,5.7.2 路由表的建立与刷新,典型的路由选择方式有两种：静态路由和动态路由。 静态路由是在路由器中设置的固定的路由表。静态路由人工管理，除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。 动态路由是网络中的路由器之间相互通信、传递路由信息、利用收到的路由信息更新路由器表的过程。它能实时地适应网络结构的变化，如果路由更新信息，表明发生了网络变化，路由选择软件就会重新计算路由，并发出新的路由更新信息。 静态路由一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网络中。动态路由适用于网络规模大、网络拓扑复杂的网络。,5.7.2 路由表的建立与刷新（续）,当路由器自动刷新和修改路由表时，它的首要目标是保证路由表中包含有最佳的路径信息。 修改和刷新路由时需要给每条路径生成一个数字：度量值，度量值越小，路径越好。度量值的计算可以基于路由的一个或多个特征，在计算中经常使用的特征有：跳数、带宽、延迟、负载、可靠性和开销。 目前，使用最广泛的路由选择协议有两种：路由信息协议（RIP）和开放式最短路径优先协议（OSPF）。,5.7.3 RIP协议与向量-距离算法,向量-距离路由选择算法 路由器周期性地向其相邻路由器广播自己知道的路由信息，用于通知相邻路由器知道自己可以到达的网络以及到达该网络的距离（通常用跳数表示），相邻路由器可以根据收到的路由表修改和刷新自己的路由表。 RIP协议 对于距离相同的路径按照先入为主的原则进行选择；对于过时路由，RIP协议规定，参与RIP选择的机器如果在规定的时间内一直没有再收到关于该路径的刷新信息，则说明该路径已经崩溃，需要将它从路由表中删除。 RIP协议与子网路由,5.7.4 OSPF协议与链路-状态算法,链路-状态路由选择算法 基本思想是：互联网上的每个路由器周期性地向其他路由器广播自己与相邻路由器的连接关系，以使每个路由器都可以画出一张互联网拓扑结构图。利用这张图，路由器就可以按照在最短路径优先算法计算出以本地路由器为根的SPF树。通过这棵SPF树，路由器就可以生成自己的路由表。 OSPF协议 以链路-状态算法为基础 具有收敛快、支持服务类型选择、提供负载均衡和身份认证等特点 适合于规模庞大、环境复杂的网络 要求较高的路由器处理能力、一定带宽的需求,5.7.5 部署和选择路由协议,静态路由最适合于小型的（210个网络）、单路径的、静态的IP互联网环境； RIP路由选择协议比较适合于小型到中型的（1050个网络）、多路径的、动态的IP互联网环境； OSPF路由选择协议最适合于大型到特大型的（50个以上的网络）、多路径的、动态的IP互联网环境。,5.8 IPv6协议,5.8.1 IPv4协议的局限性,地址空间的局限性 IP协议的性能问题 IP协议的安全性问题 自动配置问题 服务质量保证（Qos）问题,5.8.2 IPv6地址,IPv6地址表示 IPv6采用128位地址长度，可提供超过3.41038个IP地址。这128位地址按每16位划分为一个段位，每个段位被转换成一个4位的十六进制数，并用冒号隔开。 为了简化IPv6地址的表示，在有多个0出现时，可以采用零压缩法，如果几个连续的段位的值都为0，那么这些零可以简写为：，称为双冒号表示法。 IPv6采用前缀表示法，可以表示成“地址/前缀长度”。前缀是IPv6的一部分，用作IPv6路由或子网标识。 IPv6地址类型 IPv6地址分为单播地址、组播地址、任播地址和特殊地址。,5.8.3 IPv6数据报,IPv6数据报由一个IPv6基本头、多个扩展头和一个高层协议数据单元组成，基本头采用固定的40字节长度，一些可选内容放在扩展头部分实现。 IPv6数据报格式对IPv4不向下兼容。 IPv6数据报中主要的字段有版本、通信类型、流标记、载荷长度、下一个报头、跳数限制、源地址和目的地址。,5.8.4 IPv6扩展头,逐跳选项头 目的选项头 路由头 分片头 认证头 封装安全有效载荷包头,5.8.5 IPv6地址自动配置,IPv6地址自动配置包括有状态和无状态两种形式。 有状态地址自动配置需要DHCPv6服务器的支持。,5.9 TCP与UDP,5.9.1 端对端通信,数据报从一站转发到另一个站，从一个结点到另一个结点 主要的传输控制是在相邻两个结点之间进行 传输层需要提供一个直接从一台计算机到另一远程计算机上的端到端通信控制,5.9.2 传输控制协议TCP,（1）TCP提供的服务 传输控制协议TCP是TCP/IP参考模型中的传输层协议，它通过序列确认以及包重发机制提供可靠的数据流发送和应用程序的虚拟连接服务。 与IP协议相结合，TCP组成了因特网协议的核心。 TCP服务提供了数据流传输、可靠、有效流控制、全双工操作和多路复用技术等。 TCP提供的是面向连接的服务，在发送数据之前需要建立一个到达目的主机的连接。TCP能够确保通过一个连接发送的数据正确地到达目的地，不会发生数据的丢失或乱序。,5.9.2 传输控制协议TCP(续),（2）数据丢失与重发 TCP建立在一个不可靠的虚拟通信系统上，数据可能会丢失。 TCP采用重发技术来补偿数据包的丢失。 TCP采用自适应重发机制来确定重发之前应等待的时间，自适应重发时间的确定是重发方案的基石。 （3）连接的可靠建立和优雅关闭 为确保连接建立和终止的可靠性，TCP使用了三次握手法。 三次握手法就是在建立连接和终止连接的过程中，通信双发需要交换3个报文。,5.9.2 传输控制协议TCP(续),（4）TCP的缓冲、流控与