第章计算机网络的体系结构及协议PPT课件.ppt

第3章计算机网络的体系结构及协议 1 20世纪70年代中期 计算机网络开始向着体系结构标准化的方向发展 当时 计算机网络体系结构主要由一些大公司提出 如IBM公司的SNA和DEC公司的DNA 20世纪80年代 计算机网络体系结构以ISO OSI参考模型为代表 20世纪90年代以来 计算机网络的体系结构已演进成基于TCP IP的Internet体系结构 2 3 1典型计算机网络标准化组织 1 国际标准化组织 ISO 国际标准化组织ISO InternationalStandardOrganization 于1946年成立 是世界上最有权威性有国际标准化专门机构 中国已于1947年参加了该组织 它的主要工作是协调世界范围内的标准化工作 制定国际标准 一个国际标准的形成 一般要经历这样几个阶段 工作草案 WD 建议划案 DP 国际标准草案 DIS 和国际标准 IS ISO由若干个技术委员会 TC 组成 其标准化工作涉及及各种专业领域 其中TC97是 信息处理系统技术委员会 它专门负责制定有关信息处理方面的标准 在TC97下又设立了16个分委员会 SC 和一个直属工作组 WG 其中SC16曾负责 开放系统互连 OSI 标准的制定工作 1984年起该项工作已移交给SC21 3 2 国际电信联盟 ITU 国际电信联盟ITU InternationalTelecommunicationsUnion 中的ITU T的电信标准化部门 其前身是国际电报电话咨询委员会CCITT ConsultaiveCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone 我国也是CCITT的成员国之一 它的主要工作是制定有关通信及公用数据网络 PDN 方面的标准或建议 在数据通信及公用数据网络方面 CCITT从20世纪60年代起就制定了V系列建议 70年代开始又制定了X系列建议 其中X 21 X 25 X 75与计算机网络密切相关 70年代后期 CCITT开始着手制定综合业务数字网 ISDN 的I系列建议 90年代初 CCITT已正式确定异步传输模式 ATM 为宽带综合业务数字网 B ISDN 的最终传输模式 1993年3月1日 CCITT被重组并更名为ITU T 4 3 IEEE802局域网络标准委员会美国电气与电子工程师协会IEEE InstiuleofElectricalandElectronidEngineers 于1980年2月成立了局域网络标准委员会 它是目前最有影响的局域网标准机构之一 IEEE802现已制定了一系列局域网络标准 其中大部分已被列入ISO标准 4 美国国家标准协会 ANSI 美国国家标准协会ANSI AmericanNationalStandardsInstitute 是美国指定的ISO投票成员 其研究范围与ISO相对应 FDDI FDDI 等有影响的标准正是由ANSI完成的 5 5 美国国家标准与技术协会 NIST 美国国家标准与技术协会NIST的前身是美国国际标准局 NBS 该组织已为计算机网络及通信协议制定了一系列有影响的标准 6 欧洲计算机制造商协会 ECMA 欧洲计算机制造商协会ECMA主要制定有关计算机技术标准 它是CCITT和ISO的无表决权成员 其标准化工作对ISO也有较大的影响 7 Internet标准化组织Internets标准化组织与ISO ITU T有较大的区别 它比较强调开放 有一种说法能形象地说明其间的区别 参加ISO或ITU T标准化会议的人衣冠整齐 而参加Internet标准化会议的人则穿休闲牛仔服或军装 6 在ARPA网初建时 美国国防部 DOD 设立了一个非正式的委员会对ARPA网的建设进行监督 1983年 该委员会更名为Internet活动委员会IAB InternetActivitBoard 随后 IAB又演变成Internet体系结构委员会 InternetArchitectureBoard IAB成员的研究成果是通过在线的技术报告进行交流的 这种技术报告通常被称为 请求评论 RFC RequestForComments 这类RFC经过一定的程序 有可能升级成正式的标准 7 3 2网络的层次结构 3 2 1概述计算机网络的体系结构 Architecture 是其分层 各层协议及层间接口等的集合体 不同网络的体系结构 其层次的数量 层次字 层功能等都不尽相同 如IBM公司的系统网络体系结构SNA分为7层 DEC公司的数字网络体系结构DNA分为9层 TCP IP则分为4层 它们的层名字及功能都不一样 8 网络体系结构的基本原理是 将一个复杂的物理系统分解成一些相对独立的逻辑功能层 以利于研究分析现存系统或设计和实现新系统 每一层利用其下一层提供的服务来实现本层功能 并进而为其上一层提供服务 即低层支持高层 高层调用低层 低层断开连接 高层连接也随之断开 而高层断开连接则不影响低层 相邻层之间有层间接口 接口上存在一个或多个服务访问点 SAP 下一层 服务提供者 可通过该SAP给其上一层通信协议提供服务 而上层 服务用户 通信协议则利用SAP及约定一规范方式来要求下一层如何予以服务 不同实体 如一对工作站之间 的对等层之间的通信 需借助该层通信协议来实现 9 1 实体 Entity 是每一层中的活动元素 实体可以是软件实体 如一个进程 也可以是硬件实体 如I O芯片 不同机器上同一层的实体叫做对等 Peer 实体 2 服务访问点SAP是上层访问本层服务的唯一地址 也可看做相邻层交互的逻辑接口 3 接口数据单元IDU由服务数据单元SDU和一些控制信息组成 它主要用于相邻层交换信息的场合 4 服务数据单元SDU是将要跨过网络传送给对等实体 然后交付给其上一层的信息 5 协议数据单元PDU即在对等层上传送的数据 它可由SDU分成几段 每段加上一个报头而形成 10 3 2 2服务与协议通信协议 简称协议 CP CommunicationProtocols 是网络中相互通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合 服务在形式上是由一组原语 Primitive 或操作 来描述的 这些原语可供用户和其他实体访问该服务 服务原语即为上层使用下层服务时所交换的一些命令 服务中 有证实 Confirmed 和 无证实 Unconfirmed 之分 有证实服务一般包括4个服务原语 请求 指示 响应和证实 下层可向上层提供两种服务形式 即面向连接的服务和无连接服务 服务协议完全不同的概念 服务是各层向其上层提供的一组原语 操作 协议则是定义同层对等实体之间交换的帧 分组和报文的格式及意义的一组规则 服务就像程序设计语言中的抽象数据类型 抽象数据类型定义了能在一个目标上执行的操作 但并不说明这些操作如何实现 协议关系到服务的实现 但对服务的用户来说是不可见的 11 例3 1假设某网络体系结构包含5个层次 它们依次是 物理层 数据链路层 网络层 运输层和应用层 现有两台直接连接的主机要传送数据 试描述其通信过程 假设主机1的应用进程AP1向主机2的应用进程AP2发送数据 见图3 1 AP1先将其数据交给第5层 第5层加上必要的控制信息H5就变成了下一层的数据单元 第4层收到该数据单元后 加上本层的控制信息H4 再交给第3层 成为第3层的数据单元 依此类推 不过到了第2层 数据链路层 后 控制信息分成两部分 分别加到本层数数据单元的首部 H2 和尾部 T2 而第1层 物理层 由于是比特流的传送 所以不再加上控制信息 12 图3 1应用进程之间的通信过程 13 3 3ISO OSI体系结构 3 3 1ISO OSI参考模型ISO OSI体系结构主要由ISO OSI参考模型来体现 ISO开放系统互连参考模型 OpenSystemInterconnectReferenceModel 是ISO于20世纪80年代提出的一种参考模型 图3 2给出了该参考模型的示意图 14 图3 2ISO OSI参考模型 15 1 物理层 PhysicalLayer 它提供通信介质及连接的机械 电气的功能及其规程特性 该层涉及及介质的机 电特性参数及规格 其中包括介质的直径 数据传输速率及特性阻抗 连接器的引脚数目及功能分配 信号的约定 信号允许传输的最大距离及其调制或编码方式等 2 数据链路层 DataLinkLayer 确定信息怎样在链路中传输 信息的格式 成帧和拆帧 产生校验码 差错控制 数据流量控制及链路管理等 面向字符的数据路控制协议和面向比特的数据链路控制协议 BSC DDCMP ADCCP HDLC 3 网络层 NetworkLayer 网络层也叫通信子网层 提供数据交换 流控 拥控 拥塞控制 差错控制恢复 路由选择 网络层的典型协议可包括CCITT的X 25建议 16 4 运输层 TransportLayer 也叫主机 主机层关键的一层 该层位于面向通信业务的通信子网和面向网络应用的资源子网之间 同时也是主机与通信处理机 网卡 的界面 5 会话层 SessionLayer 两个用户进程之间为完成一次完整的通信而建立的会晤连接 6 表示层 PresentationLayer 处理有关信息的表示问题 它是异种机 异种操作系统连网的关键局 7 应用层 ApplicationLayer 应用层是OSI参考模型的最高层 它给应用进程提供访问OSI环境的手段 它是用户使用网络的唯一窗口 17 3 3 2经典数据链路协议连续ARO协议基本思想 停一停可以连续再发若干个帧 如果此时收到了接收回送的确认帧 则还可继续接着发送 应答帧编号问题是 已正确传送过的帧都要进行重传降低系统的吐量 选择重传ARO协议选择重传ARO协议设法只重传有差错的帧或计时器超时的帧 滑动窗口 SlideWindow 协议发送窗口和接收窗口发送窗口用来对发送端进行流量控制 而发送窗口的大小WT就代表在还没有收到对方确认信息的情况下 发送端最多可以发送多少个帧 18 当收到0号帧的确认信息后 发送窗口就可以向前滑动1个号 图3 3 b 设以后又有3帧 1 3号帧 的确认帧陆续到达发送端 移动3个号 见图3 3 c 图3 3发送窗口控制发送端的发送速率 a 允许发送0 4号帧 b 允许发送1 5号帧 c 允许发送4 0号帧 19 接收窗口接收窗口内只有当收到帧的发送序号 才允许接收该帧 图3 4 a 滑动一个号 见图3 4 b 准备接收1号帧如图3 4 c 所示 图3 4接收窗口WR的意义 a 准备接收0号帧 b 准备接收1号帧 c 准备接收4号帧 20 HDLC协议面向比特ISOHDLC HignLevelDataLinkControl 协议 CCITTLAPHDLC的新版本又把LAP修改为LAPB 1 HDLC的平衡型和非平衡型的配置HDLC链路有两种配置 即非平衡式和平衡式 非平衡式链种又分为点对点和多点工作方式 共形成两种链路配置和三种数据传送方式 通信站类型 HDLC规程允许三种类型的通信站 即主站 次站和复合站 主站的主要功能是发送命令 包括的主要功能是接收主站命令帧 并负责整个链路控制 如初始设定 流量 控制 差错控制和校正等 次站的主要功能是接收主站命令帧 发送响应帧 并且配合主站参与差错校正等链路控制 复合站的主要功能是既能发送又能接收命令帧和响应帧 即同时具有主站和次站的功能 并负责整个链路控制等 21 HDLC数据链路控制的非平衡配置 非平衡配置如图3 5所示 其中 一个站指定为主站 由它向外发送命令 其他各站者是次站 由次站送往主站的叫做响应 这种非平衡操作系统适用于点对点通信 如图3 5中的左图所示 或多点通信 如图3 5中的右所示 它可以用于两个方向同时传送 全双工 或者双向交替传送 半双工 在传送时 有两种工作方式 一种是正常响应方式 NRM 即由主站轮询次站 另一种是异步响应方式 ARM 即次站可以随时发送 属于点对点通信 但只有一个次站起作用 22 图3 5非平衡配置 23 HDLC数据链路控制的平衡配置 平衡配置如图3 6所示 每一个站都可以看成是一个复合站 兼有主 次站的功能 它们之间可以实现点对点通信 双向同时传送或交互传送 但只能工作于异步平衡方式 ABM 任何一个站都可以在任何时候向外发送信息 图3 6平衡配置 24 PPP概述点对点协议PPP PointtoPointProtocol 和SLIP都是串行线上最常用的两个链路的层通信协议 它们为在点对点链路上直接相连的两个设备之间提供一种传送数据报的方法 互连两端设备可以是主机与主机 路由器和路由器 主机和路由器 互连的物理链路可以是专线或电话拨号线 PPP协议是由IETF定义的 用来取代SLIP 下面给出PPP应用的两个例子 25 例3 7普通PC机运行PPP通过拨号方式上Internet网 其连接方法 普通PC机串行通信口经RS 232连入异步调制解调器 Modem 该Modem另一端接电话线 经PSTN再与Internet服务提供者ISP InternetServiceProvider 如有关电信部门 的Modem连接 该Modem又进一步与一路由器连接 此路由器一般采用专线接入Internet 见图3 7 在普通PC机上网时 ISP会给该用户分配一个临时的IP地址 当用户结束通信时 ISP将其使用过的IP地址收回 以便下次分配给新拨号上网的其他用户 上网的电话线可以是拨号电话线 也可以是专线 26 图3 7普通PC机拨号上网 27 例3 8采用拨号PPP链路作为系统的备份线路 图3 8采用PPP链路作为备份线 28 传输控制协议 网际协议TCP IP TransmissionControlProtocol InternetProtocol 网络体系源于美国ARPA网 以及它的两个主要协议TCP和IP 实际上 TCP IP框架包含了大量的协议和应用 TCP IP是多个独立定义的协议的集合 简称为TCP IP协议集 簇 虽然TCP IP不是ISO标准 但其应用已经越来越广泛 可以说 TCP IP是一种 事实上的标准 它参考了ISO OSI参考模型及其分层体系结构的思想 由于Internet已经在全世界都得到广泛应用 因此 Internet所采用的TCP IP体系在网络领域中具有非常重要的意义 3 4TCP IP体系结构 29 3 4 1TCP IP参考模型TCP IP参考模型包含4个层次 它没有ISO OSI参考模型中的会话层和表示层 见图3 9 图3 9TCP IP与ISO OSI参考模型 30 1 网络接口层相当于OSI中的最低两层 也可看做TCP IP得用OSI的低两层 它可泛指任何一个能传输数据的通信系统 这些系统大到广域网 小到局域网甚至点对点连接 正是由于这一点 使得TCP IP具有相当的灵活性 与网络的物理特性无关 2 网际层网际层的功能是使主机可以将IP数据报发往任何网络 并能独立地传向目的地 可能经由不同的网络 该层定义了正式的IP数据报格式和协议 即IP协议 网际层包含多种协议 其中主要有 IP协议 网际控制报文协议ICMP 网际组管理协议 地址解析协议ARP 反向地址解析协议RARP等等 其中最重要的是IP协议 31 3 运输层运输层 TCP层 可提供可靠的端到端的数据传输 它确保源主机将数据报正确传送到目标主机 本层定义了两个端到端协议 TCP和UDP 1 传输控制协议TCP 它是一个面向连接的协议 允许一台机器发出的报文流无差错地发冬天网络上的其他机器 它把输入的报文流分成报文段 并传给网际层 在接收端 TCP接收进程把收到的报文再组装成报文流输出 TCP还要处理流量控制 以避免快速发送方向低速接收方发送过多的报文而使接收无法处理 2 用户数据报协议UDP 它是一个不可靠的 无连接协议 用于不需要TCP的排序和流量控制功能的应用场合 它主要应用于递交速度比准确性更重要的报文分组 业务 如传输话音或影像报文等 32 4 应用层应用层向用户提供一组常用的应用程序 如电子邮件等 它包含TCP IP协议集中的所有高层协议 如 虚拟终端协议 Telnet 文件传输协议 FTP 电子邮件传输协议 SMTP 域名系统服务DNS DomainNameService 网络新闻传输协议 NNTP 超文本传输协议 HTTP 等等 33 34 3 4 2IP数据报格式IP协议是网际层的主要协议 它的主要功能有 无连接数据报传送 数据报路由选择和差错控制 在IP协议中传输的数据单元称为IP数据报 IP协议的数据报由报头和数据两部分组成 报头由一个20字节的固定长度部分和一个可选任意长度部分组成 数据报概念类似于物理网络中的 帧 但又与帧不同 帧 由硬件识别 而数据报由软件识别 IP支持的最长数据报为65535字节 将数据报包装成符合物理网络要求的帧的格式的过程称为封装 35 表3 4IP数据报格式 IP报头 0 3 15 7 24 19 31 36 1 版本号字段指示每个IP协议数据报的IP协议版本 点4bit 若版本号不同 则需进行转换 2 报头长度字段点4bit 指示报头的长度 以32字节为一个基本单位 它的最小值是5 也就是说报头长度最小为5个32位长 20字节 不包括选项和填充字段 这个4位字段的最大值为15 字限制了报头最大长度为60字节 因此选项最大为40字节 对于某些选项 如记录分组所经过的路由 40字节往往不够 在这种情况下 这些选项也应变得毫无用处 3 服务类型字段占8bit 指示如何处理数据报 例如 指示数据报的优先级及所需的服务类型 该字段前3位 从左到右 指示优无关系 共可设置八级 7 表示最高优先级 0 表示最低优先级 接下来的4 5 6位分别指示低延迟 高吞吐量和高可靠性 取值为1时 数据报所期望的服务类型有效 若是数字化话音传输 更希望速度要求高于准确性要求 余下的两位未用 37 4 数据报长度字段占16位 指示整个IP数据报的长度 包括报头和数据 最大取值为65535 即是最大IP层还需将其分片传输 每片中都由报送和数据片组成 5 标识字段占16位 用来控制分片重装 每个数据报不管分成多少片都具有相同的标识号 用来确定该分片属于哪个数据报 分片到达时 目标主机根据标识号 片偏移和源地址进行重装 每个数据报都有唯一的标识 分片是为了满足物理网络所能传输的帧长度的上限 6 生存时间TTL TimeToLive 占8位 用来确定数据报被允许在网络系统中传输最多可用多少秒 其作用是避免因网络中出现循环路由而长期存在 即防止数据报在网络中无限制循环 其最大值为255s 随着数据报的传输 此值不断减少 以秒为单位 当减少到0时 将丢弃此数据报 38 7 协议字段占8位 1个字节 用来指示传输协议类型 如 6 代表TCP协议 7 代表UDP协议 等等 协议的编号在整个Internet上是全球通用的 它定义于RFC1700中 8 报送校验和占16位 用来确保数据报头的无差错传输 但它并不对整个数据报进行校验 9 源IP地址和目标IP地址指明了网络号和主机号 网络上的每个收发数据报的设备都必须拥独一无二的IP地址 10 选项字段主要用于网络控制 测试和调试 39 3 4 3IP地址1 IP地址分类TCP IP用IP地址来标识源地址和目标地址 但源和目标主机却位于某个网络中 故源和目标地址都由网络号和主机号组成 但这种标号只是一种逻辑编号 而不是路由器和计算机网卡的MAC地址 若局域网不与Internet相连 则可自定义其IP地址 但如要将局域网连到Internet中 则必须向网络信息中心 NIC 申请IP地址 Internet上的每个主机和路由器都有一个IP地址 IP地址具有全球唯一性 典型的IP地址为32位 常用带点的十进制标记法书写 在这种标记法中 每字节用十进制表示 其范围是0 255 例如 设有IP地址01010010101010101010101011101010 则记为82 123 123 234 40 例3 9设一IP地址为01010010010101011010101011101010 则其对应的带点的十进制表示为82 85 123 232 Internet指导委员会将IP地址划分为5类 适用于不同规模的网络 IP地址和格式如图3 10所示 41 图3 10IP地址格式 42 其中A B C类地址为单播 Unicast 地址 而D类地址为多播 Multicast 地址 E类地址保留 以备将来的特殊用途 A B C3类IP地址均分成两个部分 网络地址和主机地址 它们的长度各不相同 亦即各类IP地址可容纳的网络数目及每个网络可容纳的主机数目区别较大 43 2 子网IP协议为每一个网络接口分配一个IP地址 如果一台主机有多个网络接口 则要为它分配多个IP地址 这种具有多个接口的主机称不多穴主机 IP地址并不同标识一台机器 而是标识一个主机与网络的一个连接 在一个网络中的主机接口的IP地址中网络部分地址应该是一样的 据预计 过若干年 IP地址就将耗尽 为了减缓这种趋势 人们提出了地址掩码 Mask 和子网 Subnet 的概念 44 掩码是一个IP地址对应的32位数字 掩码的一些位为1 另一些位为0 掩码可以把IP地址分为两部分 子网地址和主机地址 把掩码开始连续的几位设为1 IP地址与掩码中为1的位相对应的部分为子网地址 其他的位则是主机地址 使用掩码把一个可以包括1600万台主机的A类网络或6万多台主机的B类网络分割成许多小的网络 每一个小的网络称为子网 接口的IP地址该接口上的掩码相比 就得到该接口所在网络的子网地址 而把地址和掩码的反码进行与运算 则可得到主机地址 45 例3 11如果一个网络接口的地址为166 111 69 12 掩码为255 255 254 0 则其子网地址为166 111 68 0 而主机地址为0 0 1 12 这样 在IP协议中 主机或路由器的每个网络接口都要为之分配一个地址 对应每个地址有相应的掩码 在同一个网络上的网络接口的IP地址的掩码应该是一样的 以保证通过掩码计算的子网地址是相同的 46 3 广播和多播地址广播 Broadcast 地址和多播 Multicast 地址不是某一台具体的机器 而是指满足一定条件的一组机器 广播地址和多播地址都只能作为IP报文的目的地址 32bit全为1的IP地址255 255 255 255用于本网广播 该地址称为有限广播地址 多播地址则指定一个主机组 它和广播地址的区别在于 广播地址上按主机的物理位置来划分各组的 而多播地址指定一个逻辑组 参与该组的机器可能遍布整个Internet网 多播地址可用于电视会议等应用 47 4 IP地址转换 1 地址解析协议 ARP 一般而言 以太网上使用的是6字节的MAC地址 每一个网卡上使用的MAC地址是由网卡的生产厂家设置的 它与接口上的IP地址没有对应的关系 IP层协议只知道要发送的下一站的主机和路由器的IP地址 那么链路层如何决定下一站主机的MAC地址呢 在以太网等局域网上 使用了ARP协议 来实现IP地址到MAC地址的动态转换 每台主机都要维护一个IP地址到MAC的转换表 该表即为ARP表 48 把以太帧的目的地址设置为FF FF FF FF FF FF 由于是以广播方式发送 所以所有网上的计算机都可以接收到 不过仅被请求的主机 即B 处理 2 反向地址解析协议 RARP RARP协议可以实现MAC地址到IP地址的转换 无盘工作站在启动时 只知道自己的网络接口的MAC地址 49 3 4 4IP路由表1 路由表的格式在同一个子网上的两台计算机使用IP协议通信时的过程很简单 首先利用ARP协议得到对方的MAC地址 然后利用MAC地址把传输的IP数据包进行封装交给数据链路层发送即可 如果源端和目的端在不同的子网上 则数据必须经过路由器的转发 路由表具体的格式随操作系统不同而有所差异 但是在在每个路由表中 至少应有如下几项 目的地址 掩码 网关及接口名称 目的地址和掩码是整个表的关键字 标志H表示该路由上主机路由 即该路由项指明到一台具体的主机的路由 G则表示网关字段中的地址是一个有效的路由器的地址 50 路由项中的G标志位有效 表示到达该网络应该经过路由器202 1 1 2 如果目的地址和路由项中的其他项都不能匹配 则使用该项作为其路由 路由项中的网字段是有效的路由器地址2 路由表的查找如何确定一条路由是否符合要求呢 办法很简单 即将IP报文中的目的地址和路由项中的掩码做与运算 看结果是否与相应的路由项中的目的子网地址相等即可 缺少路由的掩码长度为0 所以应该最后进行比较 51 图3 12路由表的查找 52 3 4 5IP报文转发及分段1 报文转发以太网类型确定帧中的数据是一个IP报文 于是交给IP协议处理 下一站的物理地址 进行帧封装 然后发送出去 2 报文分段IP报文要交给数据链路层封装之后才能发送 每一个IP报文正好放在一个物理帧中发送 为了能把一个IP报文放在不同的物理帧中 最大IP报文长度就只能等于所有物理网络的MTU的最小值 这在很多情况下会导致很低的传输效率 53 IP协议采取了另外一种方法 在发送IP报文时 一般选择一个合适的初始长度 如果这个报文要经历MTU比IP报文长度小的网络 则IP协议把这个报文的数据部分分割成较小的数据片 组成较小的报文 然后放到物理帧中去 路由器从一个网络接口收到了一个IP报文 MTU比IP报文长度小的网络发送 图3 14是一个包含有1400字节数据的IP报文经过图3 13所示网络环境中路由器R1后报文的分段情况 重装是分段的逆过程 54 图3 13网络中的IP报文分段 55 3 4 6ICMP因特网控制报文协议ICMP InternetControlMessageProtocol 被认为是IP协议中一个不可缺少的组成部分 通常用于由路由问题而引起的差错报告和控制 ICMP实际上是IP协议中的一个模块 当IP软件收到ICMP报文后 交由ICMP模块来处理 ICMP协议所需要的数据 称为ICMP报文 来取代 56 ICMP报文格式 57 例3 15试举例说明ICMP改变路由报文的应作 ICMP改变路由报文的应用可通过图3 15来加以说明 在一般情况下 主机A向主机B发送IP数据报应经由路由器R1 主机A向主机C发送住处就经由路由器R2 现在假设主机A启动后 其路由表只有一个默认路由器R1 当路由表中查不到应将信息送至哪个路由器时 由将此信息送至默认路由器 当主机A向主机C发送信息时 信息被送至默认路由器R1 从路由器R1的路由表可查出 发往主机C的信息应经过路由器R2 这样 信息将从R1转至R2 再传至C 显然 这不是最短路由 应改变或重定向 于是 路由器R1向主机A将更新其路由表 以后 主机A发给主机C的信息 根据更新的路由表 均将这类信息直接传给路由器R2 58 图3 15ICMP改变路由 59 3 4 7IGMPInternet组管理协议IGMP InternetGroupManagementProtocol 是用来进行多播的 多播与同时向多个目的站发送数据是有区别的 前者的数据仅在传送路径必须分岔时 才将数据报复制后继续转发 后者则在一开始 源站就要发送多个数据报 分别传送给多个目的站 这样看来 多播可明显节约网络的资源 IP多播实际上只是硬件多播的一种抽象 通常将能够运行多播协议的路由器称为多播路由路 IP使用D类地址支持多播 D类地址分成两类 永久组地址和临时组地址 IP协议对多播数据尽力发送 60 如果一个组的成员处于不同的子网上 则多播需要路由器的转发 多播的数据 沿着从源端到各个组员的最短路径树传播 IP主机在加入某一个组之后 要向其相邻的路由器进行报告 这样路由器才能把所有属于该组的信息往主机发送 IP主机使用IGMP协议向其直接相连的路由器报告其所属的组的地址 IGMP和ICMP协议相似 也是IP协议的一部分 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纯利润 那么就要采用一种隧道技术 Tunnelling 61 例3 16图3 16表示隧道技术在多播中的应用 网A中的主机A向网B中的B C D E目的主机进行多播 但路由器R1和R2并不运行多播软件 因而不能按多播地址转发数据报 为了解决这个矛盾 路由器R1就对多播数据报进行再次封装 即再加上一个普通数据报的首部 使之成为一个向单一目的站发送的单播数据报 然后通过 隧道 从R1发送到R2 单播数据报到路由器R2后 再由路由器R2剥去其首部 使它又恢复成原来的多播数据报 继续向B C D E目的主机转发 62 图3 16基于隧道技术的多播 63 3 4 8IPv6概述20世纪90年代 随Internet的发展 出现了一些新的问题 它们主要表现在以下几个方面 1 原来的32位IP地址不够用 2 难以支持实时多媒体信息及DoS 3 移动上网的需求日趋高涨 为此 IEIF于1992年6月提出了制定下一代IP Ipng IPNextGeneration 的计划 1994年7月制定了IPv6作为IPng标准 64 IPv6来源于SIPP SimpleInternetProtocolPlus 它删除了IPv4中一些不常用的功能 并对地址进行了一系列扩充后形成了IPv6 IPv6作了如下改进 1 地址扩展2 报文头的简化3 可扩展性4 流标号5 安全性 65 3 4 9IPv6的报文头IPv6报文头由版本号Ver 4bit 优先级Pri 4bit 流标号 24bit 净负荷长度 16bit 下一个报文头号 8bit 和跳数 Hop 限制以及源地址和目的地址组成 IPv6规范了5种扩展报文头 1 路由头2 分段头3 认证头4 接收方操作头5 逐跳操作头 66 3 4 10IPv6的地址结构IPv6上有3种寻址方式 1 单播 Unicast 一个接口界面只拥有一个唯一地址 如果报文的目的地址为单一地址 则该报文被转发至具有相应地址的界面 2 任播 Anycast 接口界面集合的地址 如果报文的目的地址为任意通信地址 则该报文被转发给距报文发送源最近的一个接口界面 3 多播 Multicast 接口界面集合的地址 如果报文的目的地址为多播通信地址 则具有该地址的所有接口界面将收到相应的报文 67 1 IPv6地址表示形式与标识符IPv6有以下3种地址表示形式 1 基本表示形式在基本表示形式中 128位地址被划分为8个16位的部分 每个部分分别用十六进制表示 2 简略形式IPv6的简略表现形式仍然将128位地址划分为8个16位部分 每个部分分别用十六进制表示 不过 与基本表现形式相比 如果一个部分的地址段为0的话 则用符号 表示 68 例3 17若地址为0 0 0 0 0 0 0 0 则可表示 例3 18若地址为AA03 0 0 0 0 7 18 5 则可表示为AA03 7 18 5 3 混合表示形式混合表示形式中 高位的96位被划分为6个16位部分 每个部分用十进制表示 对于低位的32位地址来说 则采用与原IPv4相同的表示方法 IPv6地址的最高8个比特被用来定义地址的标识符 2 任播地址它的通信接收方是不固定的 它是具有同一任意通信地址的多个接口界面集合中的一个元素 69 3 4 11IPv6的过渡为了实现IPv4向IPv6的过渡 IETF于1997年启动了一个国际IPv6试验床6BONE的研究项目 6BONE的目的是测试兼容性和发现运行中的问题 它是一种提供IPv6传输环境的虚拟网络 例3 19图3 19可说明隧道技术在IPv4向IPv6平稳过渡中的作用 70 如图3 19所示 在IPv6的报文头部加上IPv4的报文头后再穿越IPv4网络 像穿过隧道一样 即可将IPv6报文传送给IPv6目的网络 这样 当IPv6报文通过IPv4的Internet时 网络可以识别和处理IPv6报文 由于IPv6报文兼容IPv4 所以IPv4报文不会在IPv6协议的网络中产生混乱 71 图3 19IPv4通过隧道向IPv6过渡 72 中国教育与科研网CERNET于1998年12月加入了6BONE主干网 并于1999年初成为6REN计划的成员 3 4 12TCP概述传输控制协议TCP TransmissionControlProtocol 对应用提供面向连接的端对端的可靠通信服务 进行通信的双方在传输数据之前 首先必须建立连接 数据传输完成之后 任何一方都可以断开连接 TCP建立的是点对点的全双工连接 也就是说 在连接建立后 在两个方向上可以同时传输数据 需要说明的是 TCP本身不提供多播功能 73 TCP假设其下层提供简单的报文服务 其传输过程中可能出现各种差错 所以TCP要实现差错恢复 排序等功能 TCP使用滑动窗口机制来实现差错控制 TCP还可动态地改变滑动窗口的大小 以实现流控 TCP提供流 Strean 式服务 TCP定义了PUSH功能 通过在TCP包中设置一个PUSH标志位 可使TCP立即发送数据 TCP还提供了另外一种机制 即可让用户发送紧急数据 74 3 4 13接口和套接字在一台主机上 常常有多个应用程序运行 它们都可能使用TCP或用户数据报协议UDP进行通信 在TCP协议中引入了端口 Port 和套接字 Socket 的概念 每个端口有一个16位的标识符 称为端口号 标识运输层协议和应用程序之间的数据接口 端口号是由不同的主机上的TCP协议独立分配的 所以不可能全局唯一 端口号和IP地址合起来 称为套接字 就可以在全网范围内唯一标识一个端口了 75 在TCP协议中 一条连接两端的套接字就可以唯一标识该连接了 网络应用程序分为两类 一类应用程序为其他主机提供服务 这类应用程序称为服务程序 另一类应用程序使用服务程序提供的服务 他们的主动向服务程序发送连接请求 这些称为客户程序 76 3 4 14TCP包头格式TCP包头的前20个字节是固定的 后