计算机网络技术第5章因特网基础

第5章因特网基础,5.1因特网的构成5.2因特网的接入5.3IP协议与互联层服务5.4IP地址5.5IP数据报5.6差错与控制报文5.7路由器与路由选择5.8IPv6协议5.9TCP协议与UDP,5.1因特网的构成,5.1.1因特网的构成5.1.2因特网的主要组成部分,5.1.1因特网的构成,因特网也称为“国际互联网”，是全球性的、最具影响力的计算机互联网，同时也是世界范围的信息资源宝库。从网络设计者的角度考虑，因特网是计算机互联网。它由世界各地数以万计、各种规模的计算机网络，借助路由器，相互连接而成的全球性的互联网。目前，美国高级网络和服务公司（ANS）所建设的ANSNET为因特网的主干网。从因特网使用者角度考虑，因特网是一个信息资源网。接入因特网的主机既可是信息资源及服务的提供者（服务器），也可以是信息资源和服务的消费者（客户机）。因特网使用者不必关心Internet的内部结构，面对的和关心的只是网上的信息资源和服务。,什么是Internet？,简单地讲，Internet是一个计算机交互网络，又称网间网。它是一个全球性的巨大的计算机网络体系，它把全球不同地理位置的计算机网络进行互联，蕴藏了难以计数的信息资源，向全世界提供信息服务。Internet的出现，是世界由工业化走向信息化的必然和象征。可以将Internet概括地定义为：Internet是一个全球信息系统，具有全球性、开放性与平等性等特点，连在Internet上的每一台计算机具有全球惟一的地址，与网上其他主机通信时使用TCP/IP协议，Internet可以为网上用户提供各类信息服务。,Internet定义的含义,从网络通信的角度来看，Internet是一个以TCP/IP通信协议连接各个国家、各个地区、各个机构的计算机网络的数据通信网。从信息资源的角度来看，Internet是一个集各个部门、各个领域的各种信息资源为一体，供网上用户共享的信息资源网。一般认为，Internet的定义至少包含以下三个方面的内容：Internet是一个基于TCP/IP协议栈的国际互联网络。Internet是一个网络用户的集合，用户使用网络资源，同时也为该网络提供各类资源，以丰富网络的内容。Internet是所有可被访问和利用的信息资源的集合。,Internet的产生和发展,Internet起源于美国国防部高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）的前身ARPA建立的ARPAnet，该网于1969年投入使用。当时该网络是由四个节点组成的包交换网络，其主要目的是为了验证远程分组交换网的可行性。ARPA于20世纪70年代中期开始互联网技术研究，其体系结构和协议在19771979年间得到迅速发展并逐渐完善，成为现代Internet的雏形，使ARPAnet从一个实验性网络发展成为一个可运行的网络。最初，ARPAnet主要用于军事研究目的，它有五大特点：支持资源共享。采用分布式控制技术。采用分组交换技术。使用通信控制处理机。采用分层的网络通信协议。,Internet的产生和发展,1972年，ARPAnet在首届计算机网络通信国际会议上首次与公众见面，并验证了分组交换技术的可行性，由此ARPAnet成了现代计算机网络诞生的标志。1983年，ARPAnet分裂为两部分：一个仍然采用ARPAnet这个名字，继续用于研究目的；另一个则变成专用于军事通信的军用网（MILnet）。与此同时，局域网和其他广域网的产生和蓬勃发展对Internet的进一步发展起了重要的作用。其中，最为引人注目的就是美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation，NSF）建立的美国国家科学基金网NSFnet。1986年，NSF建立起了六大超级计算机中心，为了使全国的科学家、工程师能够共享这些超级计算机设施，NSF建立了自己的基于TCP/IP协议栈的计算机网络NSFnet。NSF在全国建立了按地区划分的计算机广域网，并将这些地区网络和超级计算中心互连。于是，NSFnet于1990年6月彻底取代了ARPAnet成为Internet的主干网。,Internet的产生和发展,1990年9月，由Merit公司、IBM公司和MCI公司联合建立了一个非赢利性的组织先进网络和科学公司（AdvancedNetworkif无匹配表项then路由选择错误；,2.路由表的建立与刷新,在实际应用中，路由表的创建有两种基本方法：静态路由表和动态路由表。静态路由表由手工建立，一旦形成，互达某一目的网络的路由便固定下来。静态路由表安全可靠、简单直观，同时避免了动态路由选择的开销。实际上，Internet上的许多互连都使用了静态路由。它适用网络结构不复杂的情况。但其不能适应互联网结构的变化。另外，静态路由设置好后，去往某网络的IP数据报将沿着固定路径传递。一旦该路径出现故障，即使存在另一条备份路径，目的地址也会无法达到。动态路由表是由网络中的路由器相互自动发送路由信息而动态建立的，路由器通过自身的学习，自动修改和刷新路由表。它有更多的自主性和灵活性。适用于结构复杂且经常变化的互联网络。,动态路由的度量值,当路由器自动刷新和修改路由表时，其首要目标是保证路由表中包含有最佳的路径信息。为了区分速度的快慢、带宽的宽窄、延迟的长短，刷新和修改路由时需要给每条路径生成一个度量值（Metric），其数值越小说明这条路径越好。它也保存在路由表中。计算中常用的特征值如下：跳数（HopCount）：IP数据报到达目的地必经的路由器个数。带宽（Bandwidth）：通信链路在单位时间里传输数据的数量。延迟（Delay）：将数据从源送到目的地所需要的时间。负载（Load）：在网络中（如路由器中或链路中）信息刘的活动数量。可靠性（Reliability）：数据传输过程中的差错率。开销（Cost）：根据带宽、建设费用、维护费用、使用费用等因素由管理员指定的数值。,路由协议,为了实现动态路由，互联网中的路由器必须运行相同的路由选择协议，执行相同的路由选择算法。路由器之间需要经常地交换陆游信息，这势必占用网络的带宽。若设计的不合理，大量路由信息的交换将影响正常数据传送。另外，路由表的动态修改和刷新也需要通过计算来实现，这也需要占用路由器的内存和CPU时间。所以，路由器采用何种选择协议和算法是非常重要的。目前，应用最广泛的路由选择协议有两种：路由信息协议（RoutingInformationProtocol,RIP）和开放式最短路径优先协议（OpenShortestPathFirst,OSPF）。RIP利用向量距离算法，OSPF则使用链路状态算法。不管采用何种路由选择协议和算法，路由信息都应以精确的、一直的观点反映新的互联网拓扑结构。,RIP协议与向量距离算法,RIP协议是互联网中使用较早的一种动态路由选择协议,由于其算法简单,得到了广泛应用。向量-距离路由选择算法的基本思想是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。首先，在路由器启动时对路由表初始化，它包含所有去往与本路由器直接相连的网络路径。因为这些网络不经过中间路由器，所以初始化的路由表中各路径的距离均为0。如下图所示的路由器R1附近的互联网拓扑结构和其初始路由表。,R1,10.0.0.0,R2,20.0.0.0,30.0.0.0,40.0.0.0,路由器R1附近的网络拓扑,RIP协议,RIP协议是向量-距离路由选择算法在局域网上的直接实现。它规定了路由器之间交换路由信息的时间、格式和错误的处理等。RIP协议规定路由器每30秒与其相邻的路由器交换一次路由信息，该信息来源于本地的路由表。其中，路由器到达目的网络的距离以“跳数”计算。RIP协议除严格遵守向量-距离路由选择算法进行路由广播与刷新外,坏进行了一些改进,包括:对相同开销路由的处理:对有若干距离相同的路径可以到达同一网络的情况，按照先入为主的原则解决。如图：,R1,R2,R3,网络1,网络2,网络3,路由器R1和R2都与网络1直接相连，都向相邻路由器R3发送到网络1距离为0的路由信息。R3按照先入为主的原则，先接受到哪个路由器的路由信息报文（如R1），就将去往网络1的路径定为哪个路由器。,RIP协议对过时路由的处理,对过时路由的处理：上图中，若R3到达网络1经过R1，R1发生故障后不能向R3发送任何信息。但是，R3到达网络1需要经过R1的路由信息一直保留着经管R1已坏。为此，RIP规定，参与RIP路由选择的所有机器要为其路由表的每个表项增加一个定时器，在收到相邻路由器发送的路由信息中若包含此路径的表项，则定时器清0，重新开始计时。若在规定时间内一直没有该路径的刷新信息，定时器溢出，说明该路径已经坏了，则要从路由表中删除该项。RIP协议规定路径的超时时间为180秒，相当于6个RIP刷新周期。RIP协议最大优点是配置和部署非常简单。但是其第一个版本是以标准的互联网为基础的，它使用标准的IP地址，不支持子网路由。RIP第二个版本才支持子网路由，还具有身份认证，支持多播等特性。,OSPF协议与链路状态算法,OSPF是另一种在互联网中被广泛使用的路由选择协议，适合于在大规模网络中使用，它比RIP协议复杂得多。链路状态（Link-Status）路由选择算法，也称为最短路径优先（ShortestPathFirst,SPF）算法。其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，以使各个路由器都可以画出一张互联网拓扑结构图。利用此图和短路径优先算法，路由器可以计算出自己到达各个网络的最短时间。如下图所示，路由器R1、R2、R3首先向互联网上的其他路由器（例如R1向R2、R3）广播报文，通知其他路由器自己与相邻路由器的关系（例如，R3向R1和R2广播自己通过网络1和网络3与路由器R1相连）。利用其他路由器广播的信息，互联网上的每个路由器都可以形成一张由点和线相互连接而成的抽象拓扑结构图。,链路状态路由选择算法的基本思想,互联网上的每个路由器向其他路由器广播自己与相邻路由器的关系,R1,网络1,网络4,网络3,网络2,R3,R2,R1,R3,R2,网络1,网络3,网络2,网络4,R1,网络1,网络3,网络2,R1,网络4,路由器R1利用形成的互联网拓扑图计算路由,部署和选择路由协议,静态路由、RIP路由选择协议、OSPF路由选择协议各有自己的特点，可以适应于不同的互联网环境。静态路由：适合于小型、单路径、静态IP互联网环境。其中：小型互联网可以包含210个网络。单路径表示互联网上任意两个结点之间的数据传输只有一条路径。静态表示互联网的拓扑结构不随时间而变化。RIP路由选择协议：适合于中小型、多路径、动态IP互联网环境。其中：中小型互联网可以包含1050个网络。多路径表示互联网上任意两个结点之间有多条路径可以传输数据。动态表示互联网的拓扑结构随时会变化。（通常由于网络和路由器的改变造成的）OSPF路由选择协议：适合于大型、多路径、动态IP互联网环境。其中：大型互联网可以包含50个以上的网络。多路径表示互联网上任意两个结点之间有多条路径可以传输数据。动态表示互联网的拓扑结构随时会变化。（通常由于网络和路由器的改变造成的）,5.8IPv6协议,在Internet发展的20多年中，充分验证了IP协议的基本设计思想是正确的，但IPv4仍存在很多局限性，主要包括：地址空间的局限性，随Internet呈指数增长IP地址空间要耗尽IP协议的性能问题，IP报头的设计影响了传输效率。IP协议的安全性问题。IP地址的自动配置问题。服务质量保证（QoS）。针对IPv4存在的局限性，IETF从1993年开始研究下一代IP协议标准（IPv6），1995年完成。由于IPv4在过去20多年的成功运行，IPv6仍然沿用了IPv4的核心设计思想，但在协议格式、地址表示等方面进行了重新设计。,IPv6地址,IPv6采用128位二进制地址，可提供超过3.4*1038个IP地址。IPv6的128地址按每16位划分为一个位段，每个位段被转换为一个4位的16进制数，用冒号隔开，这种表示法称为冒号16进制表示法。例如，把用二进制格式表示的一个IPv6地址按每16位划分为8个位段：00100001110110100000000000000000000000000000000000101111001110110000001010101010000000000000111111111110000010001001110001011010用冒号16进制表示法表示成：21DA：0000：0000：0000：02AA：000F：FE08：9C5A为了简化IPv6地址的表示，在有多个0出现时，可以采用0压缩法，例如，对上面的IPv6地址进行压缩后表示为：21DA：0：0：0：2AA：F：FE08：9C5A为进一步简化IPv6地址的表示，在一个以冒号16进制表示法表示的IPv6地址中，如果几个连续位段的值都为0，则这些0可以简写为:。故上面的地址可以进一步简写为：21DA：2AA：F：FE08：9C5A,IPv6地址的类型,IPv6地址分为单播地址、组播地址、任播地址和特殊地址。单播地址：标识IPv6网络的一个区域中单个网络接口。在该区域中，该单播地址是唯一的。组播地址：也称多播地址，用于表示一组网络接口。发送到该地址的数据报会被送到由该地址标识的所有网络接口。任播地址：也称泛播地址，也用于表示一组网络接口。发送到该地址的数据报会被送到由该地址标识的所有网络接口的任意一个接口，通常是最近的一个。任播地址从单播地址空间中分配。特殊地址：包括全零地址（表示地址不存在）、回送地址（0:0:0:0:0:0:0:1）、IPv4兼容的IPv6地址、映射到IPv4的IPv6地址等。,IPv6数据报,IPv6采用了新的协议头格式，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，一些可选的内容放在扩展头部分实现。这种设计使路由器在转发IP数据报时具有较高的处理效率。IPv6数据报格式对IPv4不向下兼容。IPv6数据报格式如下图所示。,扩展头与数据,目的IP地址,源IP地址,载荷长度,下一个报头,跳数限制,版本,通信类型,流标记,0,4,12,16,31,IPv6扩展头,IPv6协议中，基本头包含固定的40字节长，一些可选头信息由IPv6扩展头实现。IPv6基本头中的“下一个报头”字段指出第一个扩展头类型，后继的每个扩展头中也都包含了“下一个报头”字段用以指出后继扩展头类型。最后一个扩展头中的”下一个报头“字段指出高层协议的类型。绝大多数扩展头信息由目的结点处理，只有少量如逐跳选项等扩展头信息由路由器处理，这样可以提高路由器处理IPv6数据报的速度。IPv6扩展头包括：逐跳选项头：类型为0。目的选项头：类型为60。路由头：类型为43。分片头：类型为44。认证头：类型51。封装安全有效载荷头：类型为52。,5.9TCP与UDP,网络用户希望互联网能够提供迅速、准确、可靠的通信功能，保证不发生丢失、重复、错序等可靠性问题。传输层是TCP/IP网络体系结构中最重要的一层，其主要作用就是保证端对端数据传输的可靠性。在IP互联网中，传输控制协议（TransportControlProtocol,TCP）和用户数据报协议（UserDatagramProtocol,UDP）是传输层最重要的两种协议，为上层用户提供不同级别的通信可靠性。,端对端通信,利用互联层，互联网提供了一个虚拟的通信平台，数据报从一站转发到另一站，其主要的控制是在相邻两个结点之间进行的。与此不同的是传输层需要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。传输层利用互联层发送数据，每一传输层数据都需要封装在一个互联层的数据报中通过互联网。当数据报到达目的主机后，互联层再将数据提交给传输层。尽管传输层使用互联层来携带报文，但互联层并不阅读或干预这些报文。因此，传输层只是把互联层看作一个包通信系统，它负责连接两端的主机。下图显示了一个具有两台主机和一台路由器的互联网。由于主机A、B需要进行端到端的通信控制，所以都要安装传输层软件，而中间的路由器不需要安装。,端对端通信与虚拟通信平台,从传输层的角度看，整个互联网是一个通信系统，这个系统能够接受