网络互连及因特网基础.ppt

第七章网络互连及因特网基础 Leiyu 网络互连的基本概念 目的将不同的网络或相同的网络用互连设备连接在一起形成一个范围更大的网络为增加网络性能以及安全和管理方面的考虑将原来一个很大的网络划分为几个网段或逻辑上的子网实现异种网之间的服务和资源共享 网络互连的层次 物理层数据链路层网络层传输层及其以上高层 网络互连的类型 LAN LAN同种LAN异种LANLAN WANWAN WAN 因特网概述 因特网 Internet 是由成千上万个不同类型 不同规模的计算机网络和成千上万个一同工作 共享信息的计算机主机组成的世界范围的巨大的计算机网络 也称为国际互连网 使用的协议是TCP IP Internet的发展历史 1968年 DARPA资助开发ARPAnet 要求该网络在一部分被迫停止运行时 网络仍然可以工作 其它厂商也在致力联网技术的研究和应用 80年代初 DARPA开始 TheInternetingProject 推出TCP IP协议集 嵌入UNIX操作系统 政府资助 商业支持 缺乏更多的选择余地等促进了TCP IP技术和因特网的普及 目前 因特网几乎渗透到世界各地 各行各业 Internet发展总趋势 带宽越来越宽网络将更加安全Internet应用将进一步拓宽 普及Internet将进一步改变人们的生活方式和习惯 Internet2 Internet2是由美国170多个大学主持实施的新一代国际互联网 目前尚处于实验阶段 主要研究并试验新的网络技术 目的是建立更加快速的国际互联网 为实现网络的进一步应用 1998年下半年 一个试验性的Internet2模拟网络正式开通 带宽达到4G左右 为目前Internet带宽的几十倍Internet2官方网址http www internet2 edu 使用Internet可以干什么 与世界范围的朋友 亲属和同事保持联系网上视频会议可以与世界成千上万个信息库或图书馆连接并使用他们可以和任何人讨论感兴趣的问题或热门话题可以及时看到世界各地的新闻报道可以网上购物和销售远程医疗看电影 电视节目的点播作家可以写作 学生可以查阅资料 Internet资源 Internet是人类历史上第一个全球性的图书馆 是一个巨大的知识宝库提供的信息资源五花八门 无所不包http www gll Internet怎样工作 主要是使用TCP IP网络通信协议分组交换是Internet的基本工作原理 交换的数据不是连续传输 而是将它分割成一定大小的信息包分时进行传输 每台计算机每次只能传送一定的数据量 不会独占通信线路 每个分割的包都包含该包的来源及传输的目的 即使某些通信线路中断时 包仍可通过迂回的线路进行传输 因特网 一个非常奇特的网络 一无所有的网络 因特网不属于任何个人 企业和部门 因特网没有任何固定的设备和传输媒体 无所不在的网络 覆盖世界各地 各行各业 来去自由的网络 因特网的成员可以自由地 接入 和 退出 因特网 包罗万象的网络 蕴含的内容异常丰富 天文地理 政治时事 人文喜好等 蕴含无穷资源的 赛伯 SPACE 空间 Internet的管理者 实际上是一个既自治又合作的团体少数组织对Internet具有主导作用 决定他的发展WWW会社Internet工程任务组Internet工程程序组Internet研究工作组Internet结构委员会Internet社会 Internet在中国 两个阶段1987 1993通过x 25线路实现和电子邮件系统的互连1994开始通过与TCP IP连接 实现了Internet的全功能服务 中国的因特网记事 1986年 国家 七五 项目 OSI标准的制定和验证 电科院 15所 清华 复旦 上海交大 南京工学院等9所科研院所 遵循OSI标准 实现上海和北京的机器互连通信 服务 MHS FTAM和VT 1988年 中国科研网 CRN 启动 1989年5月 CRN通过德国研究网 DFN 的网关与Internet沟通 开通电子邮件和文件传输服务 成员单位包括 15所 电科院 清华大学 30所 54所 复旦大学和上海交大 东南大学等单位 1990年10月 中国注册登记顶级域名CN 因中国尚未正式接入因特网 德国卡尔斯鲁厄大学运行CN域名服务器 中国的因特网记事 1993年12月 中关村地区教育 科研示范网络 NCFC 完工1989年9月启动 覆盖北大 清华和中科院 高速互联网和超级计算中心 1994年4月 中国正式接入因特网 1992年6月 首次提出接入因特网 美国政府机构 存在政治障碍 1994年4月 通过美国Sprint公司连入因特网的64K国际专线开通 实现了与因特网的全功能连接 中国成为具有因特网的国家 1994年5月21日 中国科学院计算机网络信息中心接管中国国家顶级域名 CN 中国的因特网记事 1994年9月 电信启动中国公用计算机互联网 CHINANET 通过美国Sprint公司 开通2条64K专线 北京和上海 95年1月社会服务 1994年10月 启动中国教育和科研计算机网 CERNET 连接全国大部分高校和中学 推动我国教育和科研事业的发展 1995年4月 中科院启动 百所联网 工程 1995年12月开通 中国科技网 CSTNet 1996年9月6日 中国金桥信息网 CHINAGBN 连入美国的256K专线正式开通 1997年6月3日 国务院信息化工作领导小组办公室宣布成立中国互联网络信息中心 CNNIC 工作委员会 在中国科学院计算机网络信息中心组建中国互联网络信息中心 CNNIC 行使国家互联网络信息中心的职责 同时发布中国因特网的统计信息 中国因特网统计数据 来源 CNNIC报告 上网人数剧增 因特网在中国逐渐普及 站点数剧增 通过因特网对外宣传 网络市场意识增强 国际容量剧增 中国进入国际市场的步伐加快 因特网普及的原因 社会需求 用户支持 协议简洁 网络服务提供商 ISP ISP 网络服务提供商ISP是英文InternetServiceProvider的缩写 意思是国际互连网服务提供商 也即是能够为用户提供Internet接入服务的公司 ISP是用户与Internet之间的桥梁 也即是说 您上网的时候 您的计算机首先是跟ISP连接 再通过ISP连接到Internet上 中国现在有很多ISP 其中最常见的ISP应该是各地的电信局 邮电局或其属下的数据局 还有其它的ISP 他们往往会推出一些优惠措施去吸引客户 中国的主干网络 中国科研教育网中国公用因特网中国教育与科研计算机网络中国金桥信息网 金 字工程 金 字工程全部由国家主导 目的是实现电子化政府 目前有金税工程 金财工程 金贸工程 金关工程 金审工程 金卡工程 金农工程 金水工程 金盾工程 金桥工程 金旅工程 金智工程和金卫工程 中国的Internet出口 Internet的体系结构 物理层 网络层IPICMPAPRRAPRIGMP 数据链路层PPPHDLC以太网 传输层TCPUDP 应用层FTPTelnetSMTRHTTPDNSSNMP 因特网的结构 层次结构 逐级覆盖 主干网 由代表国家或者行业的有限个中心结点通过专线连接形成 覆盖到国家一级 连接各个国家的因特网互连中心 如中国互联网信息中心 CNNIC 次级网 区域网 若干个作为中心结点的代理的次中心结点组成园区网 校园网 企业网 直接面向用户的网络 Internet接入技术 住宅接入网络ISDNADSL机构接入路由器移动接入 Internet的链路层和网络层 点对点协议分组的成帧支持多种网络层协议多种类型链路错误检测连接状态的检测网络层地址协商简单化 Internet的网络层与IP协议 Internet的网络层仅提供无连接的数据报服务因特网的协议分为4部分网络协议路径选择协议网络信息协议组播协议 因特网地址 IAB的重要工作之一是定义因特网的地址结构 确保入网设备可以被识别和区分 1 因特网地址之一 IP地址IP地址唯一地标识因特网上的一个设备上网的每个设备应至少获得一个IP地址 IP地址 IPv4 32位 4个字节 一般格式 类别 Netid 网络标识 Hostid 主机标识 点分十进制表示 X1 X2 X3 X4例 202 119 11 1 IP地址分类 1 A类地址 X1取值 1 126 2 B类地址 X1取值 128 1913 C类地址 X1取值 192 223 4 D类地址 用于多址投递系统 X1取值 224 239 5 E类地址 保留备用 一般结构为 11110 保留给以后使用 特殊的地址 Hostid为全 0 不分配给任何主机 表示某个网络的网络地址 Hostid为全 1 不分配给任何主机 用作广播地址 对应分组传递给该网络中的所有结点 32位为全 1 本网的广播地址32位为全 0 本身本机地址 127 0 0 0 为回送地址 lookbackaddress 用于网络软件测试及本机进程间通信 127 0 0 1LocalHost IP地址 网际地址主要有三种格式或类别 A类地址 最高位是0 随后的7位是网络地址 最后24位是本地地址 B类地址 最高两位分别是1和0 随后的14位是网络地址 最后16位是本地地址 C类地址 最高的三位是110 随后的21位是网络地址 最后8位是本地地址 IP地址 IPv4使用点分十进制数来描述地址 例如 用二进制描述的32位地址如下 01111110100010000000000100101111为了容易阅读 将32位地址进行分组 8位为一组 01111110 10001000 00000001 00101111最后 将每个8位数据转换成十进制 并用小数点隔开 IPv4点分十进制描述的地址如下 126 136 1 47与记忆二进制位串 如01111110100010000000000100101111 相比 记忆IP地址126 136 1 47更加容易 A类地址 最大的地址组是A类地址组 可通过32位地址中的唯一的一位 即最高位来识别A类网络地址 0nnnnnnnllllllllllllllllllllllllA类地址的前8位代表网络号 剩余的24位可由管理网络地址的管理用户来修改 这24位地址代表在 本地 主机上的地址 由于A类地址的第一位总为0 所以A类地址的网络号从1开始 到126结束 由于本地可管理的空间是由24位组成的 所以在A类地址中 本地地址的数量为224或16777216个 下面是一些A类地址网络号 10 0 0 0 44 0 0 0 101 0 0 0 126 0 0 0 B类地址 B类地址也是用32位地址中的唯一的位模式来识别 10nnnnnnnnnnnnnnllllllllllllllll在这个例子中 用32位数表示B类地址 B类地址的前16位代表网络号 剩余的16位可由管理网络地址的用户来修改 这16位地址代表在 本地 主机上的地址 B类网络地址是由最高两位10来标识的 由于B类地址的前两位为10 所以B类地址的网络号是从128开始 到191结束 在B类地址中 第2个点分十进制也是网络号的一部分 每个B类地址网络在本地所管理的16位地址空间大小为216或65536 可管理的B类网络个数为16384个 下面是一些B类网络号 137 55 0 0 129 33 0 0190 254 0 0 150 0 0 0 168 30 0 0 C类地址 C类地址也是由32位地址中的唯一的位模式来识别 110nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn11111111在这个例子中 可以看到一个32位数表示的C类地址 C类地址的前24位代表网络号 剩余的8位可由管理网络地址的用户来修改 这8位地址代表在 本地 主机上的地址 C类网络地址是由最高三位110来标识的 由于C类地址的前三位为110 所以C类地址的网络号是从192开始 到223结束 在C类地址中 第2个和第3个点分十进制数也是网络号的一部分 每个C类地址网络在本地所管理的8位地址空间大小为28 或256 可以管理的C类网络个数为2097152 下面是一些C类网络号 204 238 7 0 192 153 186 0 199 0 44 0 191 0 0 0可以看到 这些网号从192 0 0 0 最小地址 到223 255 255 0 最大地址 由于C类地址的网络号长度为24位 所以前三个点分十进制数表示网络号 三类地址的一些特性 子网掩码 子网掩码的主要功能是告知网络设备 一个特定的IP地址的哪一部分是包含网络地址与子网地址 哪一部分是主机地址 网络的路由设备只要识别出目的地址的网络号与子网号即可作出路由寻址决策 IP地址的主机部分不参与路由器的路由寻址操作 只用于在网段中唯一标识一个网络设备的接口 子网掩码 掩码是一个32位二进制数字 用点分十进制来描述 缺省情况下 掩码包含两个域 网络域和主机域 通过使用掩码可将本地可管理的网络地址部分划分成多个子网 掩码用来说明子网域的位置 我们给子网域分配一些特定的位数后 剩下的位数就是新的主机域了 子网掩码 例如 在下面的地址和掩码中 网络地址由前两个255来说明 而主机域是由后面的0 0来说明 153 88 4 240 255 255 0 0此时网络号是153 88 主机号是4 240 换句话说 前16位代表着网络号 而后面剩余的16位代表着主机号 子网掩码 将子网掩码和IP地址作 与 操作后 IP地址的主机部分将被丢弃 剩余的是网络地址和子网地址 例如 一个IP分组的目的IP地址为 10 2 2 1 若子网掩码为 255 255 255 0 与之作 与 运算得 10 2 2 0 则网络设备认为该IP地址的网络号与子网号为 10 2 2 0 子网掩码是用来判断任意两台计算机的IP地址是否属于同一子网络的根据 子网掩码 运算演示之一 aaIP地址192 168 0 1子网掩码255 255 255 0AND运算转化为二进制进行运算 IP地址11000000 10101000 00000000 00000001子网掩码11111111 11111111 11111111 00000000AND运算11000000 10101000 00000000 00000000转化为十进制后为 192 168 0 0 子网掩码 运算演示之二 IP地址192 168 0 254子网掩码255 255 255 0AND运算转化为二进制进行运算 IP地址11000000 10101000 00000000 11111110子网掩码11111111 11111111 11111111 00000000AND运算11000000 10101000 00000000 00000000转化为十进制后为 192 168 0 0 子网掩码 运算演示之三 IP地址192 168 0 4子网掩码255 255 255 0AND运算转化为二进制进行运算 IP地址11000000 10101000 00000000 00000100子网掩码11111111 11111111 11111111 00000000AND运算11000000 10101000 00000000 00000000转化为十进制后为 192 168 0 0 子网掩码 如果我们将网络划分成几个子网 则网络的层次将增加 从网络到主机的结构转换成了从网络到子网再到主机的结构 如果我们使用子网掩码为255 255 255 0对网络153 88 4 240进行子网划分 153 88还是网络号 当使用掩码255 255 255 0时 则说明子网号被定位在第三个8位位组 子网号是 4 主机号是240 子网掩码 例如在设计中应有73个子网 并使用一个B类地址 为了确定子网掩码 我们需要知道子网域的大小 本地可管理的B类地址部分只有16位 记住 子网域是这16位中的一部分 现在的问题是要确定存储十进制数73需要多少位 一旦能够知道存放十进制数73所需位数 我们就能够确定使用哪些掩码 十进制数73 二进制数1001001此时我们需要保留本地管理的子网掩码部分中的前7位作为子网域 剩余部分将为主机域 在下面的例子中 我们为子网域保留前7位 每一位用1来表示 剩余的位数为主机域 由0表示 1111111000000000将上面子网的二进制信息转换成十进制 然后把它作为掩码的一部分加入到整个掩码中 子网掩码 此时我们就能够得到一个完整的子网掩码 11111110 254十进制00000000 0十进制完整的掩码内容是 255 255 254 0记住 B类地址的缺省掩码是255 255 0 0 现在我们已经将本地的可管理掩码部分 0 0转换成254 0 这个过程描述了子网划分的策略 软件通过254 0这部分就会知道本地可管理地址部分的前7位是子网域 剩余部分是主机域 当然 如果子网掩码的个数发生变化 对子网域的解释也将变化 A类子网表 B类子网表 C类子网表 IP地址实例1 当你想将一个数据报从源地址发送到目的地址时 IP协议要进行路由判断 请看下面的例子 注意 它们在不同的网络中 尽管它们都是B类地址 但它们的前16位并不相同 由于它们的不同 则从IP协议的观点来看 它们应该在不同的物理网络上 发送的数据报应先到达路由器 然后路由器再将这个数据报转发给目标设备 如果两个地址的网络号相同 则IP协议仅关心子网划分情况 IP地址实例2 子网掩码有助于我们确定子网号 请看下面的例子 由于使用的是B类地址 所以掩码中的前两个255指向地址的网络部分 第三个255用于定位子网域 它是本地可管理地址的一部分 掩码中的1指向子网位 这两个设备是在同一个子网中吗 请看每个地址中第3个8位位组中的每一位 源地址的二进制子网域中的内容是00000100 目标地址的二进制子网域中的内容是01100010 因为这两个二进制数字不同 所以这两个设备不在同一个子网中 此时 源设备首先要将数据报发送给路由器 路由器再将数据报发送给在目标网络中的目标设备 IP地址实例3 问题 在B类网络中 能使用掩码255 255 255 139吗 解答 在进行IP子网划分时 原则上不限制使用任何位序列来表示一个子网掩码 在前面讲到掩码的子网域中 所有带1的位应该在最后两个8位位组中 最后两个8位位组中的值为1的位不一定连续 它们并不需要1位接着1位存放 2551391111111110001011但这需要地址管理员单独计算每个地址 并且在每个子网中地址序列也不连续 使用上面这种陌生的掩码将很容易引起子网划分的混淆和困难 IP地址实例4 问题 我们经常混淆地址和掩码 如何知道它们的不同 解答 掩码的第一个8位位组是255 而地址中的第一个8位位组永远不会是255 问题 我如何确认我为网络选择的掩码是正确的 解答 这是一个很好的问题 解答是 你不能 尽管你做了正确的调查研究 并且用当前信息建立了可能是最好的掩码 但当你的网络设计和网络管理发生变化时 如果你不得不要修改地址管理结构 这就说明你选择的掩码是不适当的 当你选择掩码并建立你的地址管理规划时 最好的建议是有足够的空间以满足未来子网的增加和每个子网中主机的增加 IP地址实例5 给定的IP地址为192 55 12 120 子网掩码是 255 255 255 240 问 1 子网络号 2 主机号 3 直接的广播地址 4 如果主机地址的头十位用于子网 那么184 231 138 239的子网掩码是 5 如果子网掩码是255 255 192 0 那么下面那个主机必须通过路由器才能与主机129 23 144 16通信 1 A 0 0 0 112B 0 0 0 120C 0 0 12 120D 0 0 12 02 A 0 0 0 120B 0 0 12 8C 0 0 0 8D 0 0 0 1273 A 255 255 255 255B 192 55 12 127C 192 55 12 120D 192 55 12 1124 A 255 255 192 0B 255 255 224 0C 255 255 255 224D 255 255 255 1925 A 129 23 191 21B 129 23 127 222C 129 23 130 33D 129 23 148 127 IP地址实例5 续 解答 1 192 55 12 120是一个C类地址 240 11110000 120 01111000 则子网号为 01110000 112 2 主机号为 00001000 8 3 直接广播地址为主机号为1 则广播地址为192 55 12 127 4 184 231 138 239为B类地址 主机地址占6位 则子网掩码为 255 255 255 192 5 129 23 144 16为B类 主机地址占14位 则 地址映射 因特网用户之间的数据交换 IP地址数据传输通过物理网络实现 物理地址以太网 网卡MAC地址X 25网 X 25地址人们识别因特网中的主机 域名地址 IP地址向物理地址的映射 ARP 地址解析协议 具有广播能力的网络 如 各种类型的局域网 主机A与主机B进行数据通信 1 A发ARP请求广播帧 带接收方IP地址 本机IP地址和物理地址 2 B收到A发来的ARP请求 予以响应 发ARP响应帧 返回自己的物理地址 3 双方用物理地址在物理网中进行数据通信 地址映射 无广播能力的网络 例如 X 25网络 由因特网网关 路由器 实现 网1 X 25网 网n 路由1 路由2 路由n 跨网段投递 利用ARP获得路由器的IP地址对应的物理地址 将数据直接发给该路由器 由路由器转发 地址解析是一个物理网络的局部过程 物理地址向IP地址的映射 物理地址向IP地址的映射 RARP 反向地址解析协议 无盘工作站 网卡上增加了特殊的ROM模块启动时通过网络由服务器引导 BOOTP 其IP地址保留在服务器上 当主机加电时 ROM模块中驻留的软件 以广播的方式 发出携带本结点物理地址的RARP请求 服务器给于响应 返回该结点的IP地址 保存在内存中 动态主机配置协议 动态主机配置协议 DHCP DynamicHostConfigurationProtocol 提高IP地址的利用率借助于地址服务器动态获取IP地址客户端IP地址设为自动获取IP地址启动时 向DHCP服务器发出请求IP地址的DHCP请求 DHCP服务器接到DHCP请求时 分配一个空闲的IP地址 IP地址的分配和回收策略 租用期 最新使用 DHCPServer 主机 因特网控制报文协议 ICMP 用于网络设备和结点之间的控制和差错报告报文的传输 IP协议本身没有内在的机制获取差错信息并进行相应的控制 而基于网络的差错可能性很多 如 通信线路出错 网关或主机出错 信宿主机不可到达 数据报生存期 TTL时间 到 系统拥塞等等 ICMP补充了部分差错报告的功能 ICMP协议 当中间网关 路由器 发现传输错误时 IP模块丢弃该IP数据报 ICMP实体则向信源主机返回ICMP报文 报告出错情况 以便信源主机采取相应的措施 新型IP协议 IPv6 IPv4的局限性 32位的IP地址空间不足 地址资源耗尽 不定长的数据报头域处理影响了路由器的性能提高 安全性考虑较差 分段 组装功能影响了路由器处理的效率新型IP协议 IPv6或IPng 的主要特点 扩展了IP地址空间 128位 简化了IP报头格式支持扩展选项功能 报头长度固定 路由器对扩展项不作处理 支持对数据的确认和加密 增加了安全性措施支持IP地址的自动配置功能支持源路由选项 提高中间路由器的处理效率 定义服务质量的能力 优先级支持IPv4的平滑过渡和升级 传输控制协议 TCP 在IP协议软件提供的服务的基础上 支持面向连接的 可靠的 面向流的投递服务 确认 重发 滑动窗口 复用 解复用等机制 功能类似OSI的IP4 特性 1 面向流的投递服务 支持数据流的传输 2 面向连接的投递服务3 可靠传输服务 累计核对 超时重发4 缓冲传输 允许将应用程序的数据流积累到一定的体积 形成报文 再进行传输5 全双工传输6 流量控制 滑动窗口机制 用户数据报协议 UDP UDP直接利用IP协议进行UDP数据报的传输 UDP提供的是无连接 不可靠的数据报投递服务 UDP常用于数据量较少的数据传输 例如 域名系统中域名地址 IP地址的映射请求和应答 Named Ping BOOTP TFTP以减少TCP连接的过程 提高工作效率 当使用UDP协议传输信息流时 用户应用程序负责解决排序 差错确认等问题 在多媒体应用中 常用TCP支持数据传输 UDP支持音频 视频传输 因特网应用层协议 域名系统DNS电子邮件E mail远程登录TELNET文件传输服务FTP万维网www多媒体应用 域名系统DNS IP地址的问题 标识网络中的每台主机用数字表示 没有规律 不易记忆改善的方法 采用一套有助于记忆的符号名 域名地址 域名 表示的是一个范围 采用层次命名结构 域 子域 子域 子域 体现一种隶属关系例 中国 教育科研网中国 教育科研网 东南大学主机名 域名 域名地址唯一标识因特网中的一台设备例 域名地址的维护 域名系统 DNS 实现域名地址与IP地址的对应 保证域名地址在因特网中唯一性 etc hosts文件 Unix系统 IP地址主机名 127 0 0 1Localhost202 119 83 1route1202 119 83 5wwwserver202 119 83 29ftpserver202 119 83 135mailserver 因特网域名的取值 因特网定义了域名的格式和主要域名的取值 任何组织均可根据域名语法构造本组织内部的域名 一级域名 因特网规定了一些国际通用的域名 org int国家名 cn ca 域名注册 CNNIC 中国域名注册管理机构 结点主机 因特网上的一台计算机用户可以访问到 主机名 域名 主机所在域 因特网用户名 结点主机上的用户 帐号 用户名 结点主机leiyu 域名结构 root com gov cn edu com ptt edu ibm sun zknu pku tsinghua DNS域名系统 域名地址和IP地址的映射 域名系统因特网中设置一系列的域名服务器 记录本域内的主机和IP地址的映射信息 以及上一级域名服务器的IP地址等 并以C S模式响应客户机的请求 为保证用户主机可以访问因特网 主机应保存域名服务器的信息 电子邮件 SMTP 提供简单的电子邮件服务使用TCP连接 端口号为25邮件地址 用户名 主机名SMTP的基本模型 远程登录TELNET 是指在网络通信协议TELNET的支持下 用户的计算机通过Internet网暂时成为远程计算机终端的过程 是TCP IP协议组中的一个使用客户端 服务器方式运行 文件传输服务FTP FTP FileTransferProtocol 是文件传输协议的简称FTP的主要作用 就是让用户连接上一个远程计算机 这些计算机上运行着FTP服务器程序 察看远程计算机有哪些文件 然后把文件从远程计算机上拷到本地计算机 或把本地计算机的文件送到远程计算机去