通信网理论与应用PPT课件

第八章IP网 IP技术是一种无连接的分组交换技术 具有协议简单 开放的特性 具有成熟的标准应用接口和数量众多的应用开发人员 同时 基于IP实现网络互连的技术成熟 成本低 8 1概述8 2IP网络协议8 3路由器组网8 4IP电话网8 5IP技术与其他技术的融合 第八章IP网 8 1概述 IP网指的是使用IP协议的网络 IP网具有以下几大特点 1 分布式网络结构 2 端到端原则 所有增值功能都在网络之外由终端完成 3 IP网可以建立在任何传输通道上 可以保证异种网络的互通 即IPoverEverything 4 具有统一的寻址体系 网络可扩展性强 图8 1TCP IP参考模型 IP网络 国际上都采用TCP IP体系结构 8 1概述 8 1概述8 2IP网络协议8 3路由器组网8 4IP电话网8 5IP技术与其他技术的融合 第八章IP网 8 2 1IPv4协议8 2 2IPv6协议8 2 3IPv4向IPv6过渡 8 2IP网络协议 IPv4 是互联网协议的第四版 也是第一个被广泛使用 构成现今互联网技术基石的协议 1 IPv4的地址IPv4使用32位地址 因此最多可能有4 294 967 296个地址 一般的书写法为4个用小数点分开的十进制数 IPv4地址分为A B C D E 5类 把32位的地址分为两个部分 前面的部分代表网络地址 后面部分代表局域网地址 8 2 1IPv4协议 8 2 1IPv4协议 一些特别的IP地址段如下 1 127 x x x给本机地址使用 2 224 x x x为多播地址段 3 255 255 255 255为通用的广播地址 4 10 x x x 172 16 x x和192 168 x x供本地网使用 这些网络连到互连网上需要对这些本地网地址进行转换 8 2 1IPv4协议 2 IP包长IP包由首部和实际的数据部分组成 数据部分一般用来传送其它的协议 如TCP UDP ICMP等 数据部分最长可为65515字节 3 IP路由一个IP包从发送方出发 到接送方收到 往往要穿过通过路由器连接的许许多多不同的网络 每个路由器都拥有如何传递IP包的路由表 路由表中记录了到不同网络的路径 在这里每个网络都被看成一个目标网络 路由表中的记录由路由协议管理 记录可以是静态的记录 也有可能是由路由协议动态的获取的 8 2 1IPv4协议 常用的路由协议有 1 路由信息协议 RIP 2 开放式最短路径优先协议 OSPF 3 中介系统对中介系统协议 IS IS 4 边界网关协议 BGP 5 互联网控制消息协议 ICMP 8 2 1IPv4协议 4 IPv4存在问题 1 地址问题 随着IP网络规模的不断扩大 IP地址空间就非常紧张了 因此IPv4的一个主要问题就是要尽快拓展地址空间 2 IPv4选路 在互联网或内联网上传输的IPv4包必须从一个网络选路到另一个网络以到达其目的地 所有选路最终依赖于某个路由器查看不同路由的列表并确定正确的路由 路由表的长度将随着网络数量的增加而变长 选路就非常困难 8 2 1IPv4协议 3 划分子网 当本地网络媒体在网络大小或连接的主机数量上到达极限时 就需要划分子网 划分子网的问题在于它只适用于某种特定规模的机构 4 无类域间选路 类域间选路 CIDR 技术有时也被称为超网 它把划分子网的概念向相反的方向作了扩展 通过借用前三个字节的几位可以把多个连续的C类地址集聚在一起 到达某一块C类地址的数据都将被选路至某个路由器上 只是一种短期解决办法 8 2 1IPv4协议 5 网络地址翻译 网络地址翻译系统的功能在专用网络和公用网络之间的接口实现 该系统 了解专用网络上所有主机的地址 并将其翻译为可访问的公用网络地址 这样所有的内部主机就可以与外部主机通信 6 网络管理与配置 IPv4中地址管理和主机配置提出了至少两大问题 首先 如果配置主机很困难 将耗费钱财 其次 如果无论是否已连接 均为每个主机捆绑一个IP地址 这将浪费地址 8 2 1IPv4协议 7 服务类型有限 8 IP选项 尽管使用IPv4选项有很多好处 但由于它们对于性能的影响已使得它们很少使用 9 IPv4安全性差 8 2 1IPv4协议 8 2 1IPv4协议8 2 2IPv6协议8 2 3IPv4向IPv6过渡 8 2IP网络协议 8 2 2IPv6协议IPv6采用128位地址长度 几乎可以不受限制地提供地址 在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外 还考虑了在IPv4中解决不了的其它问题 主要有端到端IP连接 QoS 安全性 多播 移动性 即插即用等 8 2 2IPv6协议 IPv6与IPv4相比的优点 1 简化的报头和灵活的扩展报头 IPv6的报头由一个基本报头和多个扩展报头组成 基本报头的长度固定为40字节 用于放置所有路由器所需要处理的信息 IPv6还定义了多种扩展报头 这使得IPv6变得极其灵活 能提供对多种应用的强力支持 同时又为以后支持新的应用提供了可能 2 层次化的地址结构 IPv6的设计者把IPv6的地址空间按照不同的地址前缀来划分 并采用了层次化的结构 以利于骨干网路由器对数据包的快速转发 3 即插即用的连网方式 4 网络层的认证与加密 5 服务质量的满足 6 对移动通信更好的支持 8 2 2IPv6协议 2 IPv6的报头格式 IPv6的报头包括一个必需的基本报头和可选的扩展报头 3 IPv6的地址方案 8 2 2IPv6协议 8 2 2IPv6协议 在IPv6地址方案中 地址的具体表示方法包含如下两方面内容 1 地址表达方式 IPv6地址通常使用冒号十六进制形式表示 即x x x x x x x x的表现形式 其中x是一个4位十六进制整数段 每个x包含16位地址段的十六进制值 如FE56 BACD 9875 98EF BC34 5689 AACD 52AE 2 地址前缀的表示法 在IPv6中地址前缀的表示方式和IPv4地址前缀在CIDR中的表示方法类似 8 2 2IPv6协议 8 2 3IPv4向IPv6过渡在IPv4向IPv6过渡时 要解决两种场合下的通信问题 一是被现有IPv4路由体系相隔的局部IPv6网络之间该如何通信 称之为在IPv4海洋中的IPv6孤岛间的通信问题 二是如何使新配置的局部IPv6网络能够无缝地访问现有IPv4资源 反之亦然 针对以上两类问题 有三种技术可以分别予以解决 隧道技术和双栈技术作为第一个问题的解决方案 采用地址头翻译技术解决第二个问题 8 2 3IPv4向IPv6过渡 1 隧道技术 将IPv6的分组封装到IPv4的分组中 封装后的IPv4分组将通过IPv4的路由体系传输 分组报头的 协议域 设置为41 表示这个分组的负载是一个IPv6的分组 以便在适当的地方恢复出被封装的IPv6分组并传送给目的站点 这样就可以实现两个IPv6 孤岛 之间的连接 同时在IPv6变为主导后 可以反过来作为IPv4 孤岛 的连接方式 IPv6 IPv6 IPv4toIPv6 8 2 3IPv4向IPv6过渡 2 双协议栈 双栈技术是在路由器和交换机的内部让IPv4和IPv6协议栈同时存在 在机器内部实现两种地址的转化 具有双栈的设备可以和任何单一IP协议的设备通信 8 2 3IPv4向IPv6过渡 3 地址翻译与报头转换技术 NAT技术用于IPv6的演进时 只要将IPv4地址和IPv6地址分别当作NAT技术中内部地址和全局地址 并在网关做协议转换 PT 即可 对于IPv4和IPv6节点间的通信 采用直接对IPv4和IPv6报文进行语法和语义翻译的NAT PT技术 8 2 3IPv4向IPv6过渡 8 3路由器组网8 3 1路由器8 3 2路由器组网结构 8 3 1路由器路由器是一种用于连接多个网络或网段的网络设备 这些网络可以是几个使用不同协议和体系结构的网络 比如互联网与局域网 可以是几个不同网段的网络 比如大型互联网中不同部门的网络 1 路由器的功能 翻译功能 选择信息传送的线路 自动发现复杂网络 即第三层 的拓扑结构 并且根据数据帧或分组头信息中所包含的网络地址把帧或包选路到目的地 8 3 1路由器 2 路由器的组成要素输入端口 物理链路和输入包的进出口处输出端口 在包被发送到输出链路之前由输出端口存贮 输出端口可以实现复杂的调度算法以支持优先级等要求 交换开关 可以使用多种不同的技术来实现 路由处理器 计算转发表 实现路由协议 并运行对路由器进行配置和管理的软件 8 3 1路由器 8 3 2路由器组网结构组网时一般是通过路由器将多个局域网通过传输网连接起来 8 3 2路由器组网结构 8 4IP电话网8 4 1IP电话网概念8 4 2IP电话通信流程8 4 3IP电话网与PSTN的比较 1 IP电话的含义及实现原理IP电话指在IP网上传送的具有一定服务质量的语音业务 IP电话是通过IP网络以分组交换的方式传输信令数据和语音数据的 因此TCP IP协议是其所应遵守的基本协议 针对IP电话要求可以简化TCP IP协议 图8 11是一个简化了的TCP IP协议的分层结构示意图 8 4 1IP电话网概念 8 4 1IP电话网概念 根据IP电话实现的基本原理 可以将TCP IP协议固件分为以下4个模块来实现 1 ARP模块 该模块主要实现对电话的寻址功能 2 IP模块 该模块主要实现对电话信令和语音数据的传输 3 ICMP模块 该模块主要实现对电话信令的封装 4 UDP模块 该模块主要实现对语音数据的封装 8 4 1IP电话网概念 2 IP电话相关协议我国的IP电话网中大都采用H 323协议 它也是应用最广泛的一种IP电话协议 1 H 323协议 H 323协议是1996年提出一套在分组网上提供实时音频 视频和数据通信的标准 是ITU T制定的在各种网络上提供多媒体通信的系列协议H 32x的一部分 是目前在分组网上支持语音 图像和数据业务最成熟的协议 8 4 1IP电话网概念 H 323的体系结构H 323是一个框架性建议 它涉及到终端设备 视频 音频和数据传输 通信控制 网络接口方面的内容 还包括了组成多点会议的多点控制单元 MCU Multi pointControlUnit 多点控制器 MC Multi pointController 多点处理器 MP Multi pointProcessor 网关及网守等设备 它的基本组成单元是域 图8 13给出H 323的体系结构 8 4 1IP电话网概念 8 4 1IP电话网概念 H 323协议栈H 323协议栈是一个有机的整体 根据功能可以将其分为4类协议 包括 a H 323 系统的总体框架 b H 263 视频编解码 c H 723 1 音频编解码 d H 225 数据流的复用 8 4 1IP电话网概念 2 SIP协议 SIP SessionInitiationProtocol 是由IETF于1999年提出的一种在IP网络中 特别是在Internet环境中实现实时通信应用的信令协议 它也是一种多媒体通信系统框架 它独立于底层协议 是基于文本的应用层控制协议 这种会话包括互联网电话 数据 多媒体传输及多媒体会议等多种音频和视频服务 8 4 1IP电话网概念 SIP的功能主要包括下列功能 a 名字翻译和用户定位 b 会话参数协商 c 呼叫参与者管理 d 呼叫特征改变 e 会话属性调整 f 用户能力判断 8 4 1IP电话网概念 SIP的特点SIP协议借鉴了其他互联网标准和协议的设计思想 有优点如下 a 它是基于文本的协议 因而易于读取和调试 b SIP会话请求过程媒体协商过程是一起进行的 因此呼叫建立时间短 c SIP易于扩充 d SIP独立于传输层 且支持多设备功能调整和协商 底层传输可以是采用ATM的IP 8 4 1IP电话网概念 3 IP电话网IP电话网主要包括IP电话网关 IP承载网 IP电话网管理层面及电路交换网接入几个部分 8 4 1IP电话网概念 IP电话网络模型中各部分主要功能如下 1 IP承载网络 用于传送IP电话的承载网 它可以是公网 也可以是专网 2 IP电话网关 完成对来自PSTN的语音业务流的编解码功能 并将压缩编码后的语音业务流打成包 通过IP承载网传给目的网关 3 网守 网守是一个可选组件 其功能是向H 323节点提供呼叫控制服务 4 IP电话网络的管理层面 主要由网守和用户数据库 结算系统组成 负责用户的接入认证 地址解析 计费和结算等工作 5 传统电路交换网的接入部分 包括电话网 ISDN和数字移动通信网 它们构成了IP电话的主要接入部分 8 4 1IP电话网概念 8 4 2IP电话通信流程 8 4 2IP电话通信流程 IP电话业务按照通话方式可分为三种形式 电话到电话 PhonetoPhone 计算机到电话 PCtoPhone 和计算机到计算机 PCtoPC 下面以电话到电话使用H 323协议为例 简要说明IP电话通信流程 如图8 15所示 具体通信过程如下 1 用户A呼叫网关A 根据语音提示输入认证信息和被叫电话的号码 2 网关A向网守发送呼叫业务请求 将用户信息 业务类型和业务信息传递给网守 3 网守检查用户的授权情况 确定该用户是否有权使用此种业务 授权认证可以通过记账系统的认证组件来进行 也可以由网守内部的功能完成 并返回允许 不允许接通的应答 4 网守向记账系统发送消息 请求用户的记账信息 也包含呼叫的信息 网守收到返回的用户记账信息后 向网关A发送可供连接的目的网关的地址信息 8 4 2IP电话通信流程 5 网关A和网关B连接 初始化通信进程 网关B向电话B发送呼叫应答消息 通话进程开始 6 当网关A和网关B检测到通话进程真正开始以后 网关A向网守发送一个呼叫开始信息 并附带上唯一的记账标识ID 7 网守向记账系统发送呼叫开始信息 记账系统返回确认信息作为应答 应答消息传送给网关A 8 通话结束时 网关A或者网关B检测到呼叫的结束 向网关发呼叫结束消息 并发送关于该呼叫的相关信息 网守向记账系统发送呼叫结束消息 记账系统返回确认信息 确认信息送到网关A和网关B 8 4 2IP电话通信流程 8 4 3IP电话网与PSTN的比较IP电话网与PSTN有相同的地方 也有不同的地方 主要体现在下面三个方面 1 IP电话网的网络结构与PSTN有相同的地方 即均采用分级网络结构 我国的IP电话网为三级结构 顶级网守 一级网守和二级网守 一般的IP电话网采用两级网络结构 即顶级网守和一级网守 在业务量大的地区可根据需要再增加二级网守 如图8 16所示 这样网络可以具有良好的可扩展性 8 4 3IP电话网与PSTN的比较 8 4 3IP电话网与PSTN的比较 2 IP电话网的编号和寻址方式与传统电话网差别很大 由于IP电话网是一个面向无连接的网络 还要考虑和PSTN之间的互连问题 因此 要把目的地的地址信息封装进IP数据包内 IP网络根据该地址信息采用TCP IP的寻址规则和协议进行寻址 3 IP电话网中使用的信令种类比传统电话网复杂 其外部信令用于IP网与PSTN的互通 一般都使用PSTN的信令标准 内部信令用于IP网络内部的连接控制和呼叫处理 取决于承载传输网络的协议标准 对于IP网络 一般使用H 323等协议 8 4 3IP电话网与PSTN的比较 8 5IP技术与其他技术的融合8 5 1IPoverATM8 5 2IPoverSDH8 5 3IPoverDWDM 8 4 3IP电话网与PSTN的比较 IPoverATM IPOA 是IP技术与ATM技术的结合 是在IP路由器之间或路由器与交换机之间采用ATM网进行传输 通常有叠加模型和集成模型两种 叠加模型又有CIPOA ClassicalIPoverATM LANE LANEmulation MPOA Multi ProtocolOverATM 三种 集成模型有IP交换 CSR FANP FlowAttributeNotificationProtocol Tagswitching ARIS AggregateRoute BasedIPSwitching MPLS Multi ProtocolLabelSwitching 8 5 1IPoverATM IPoverATM网络结构如图8 17所示 8 5 1IPoverATM IPoverATM的主要优点如下 1 ATM技术本身能提供QoS保证 具有流量控制 带宽管理 拥塞控制功能及故障恢复能力 这些是IP所缺乏的 因而IP与ATM技术的融合 也使IP具有了上述功能 这既提高了IP业务的服务质量 又能保障网络的高可靠性 2 适应于多种业务 具有良好的网络可扩展能力 并能对其他网络协议提供支持 8 5 1IPoverATM IPoverATM的主要缺点如下 1 网络体系结构复杂 开销大 2 由于传统的IP只工作在IP子网内 ATM路由协议并不知道IP业务的实际传送需求 这样就不能保证ATM实现最佳的传送IP业务 在ATM网络中存在着扩展性和优化路由的问题 8 5 1IPoverATM IPoverSDH IPOS 是IP技术与SDH技术的结合 是在IP路由器之间或路由器与交换机之间采用SDH网进行传输 具体说 它利用SDH标准的帧结构 同时利用点对点传送等的封装技术把IP业务进行封装 然后在SDH网中传输 其网络结构如图8 18所示 8 5 2IPoverSDH IPoverSDH技术优点 1 IPoverSDH技术将IP分组通过点到点协议直接映射到SDH帧 省掉了中间的ATM层 简化了网络体系结构 降低了网络的成本和复杂性 2 保留了Internet的无连接