计算机网络与通信(4.2)(六)

1,计算机网络与通信,2,目录,第一章计算机网络综述第二章计算机网络体系结构第三章计算机局域网第四章TCP/IP协议第五章网络互连第六章网络新技术第七章计算机网络安全第八章数据压缩,3,第四章TCP/IP协议,4.1TCP/IP参考模型4.1.1TCP/IP协议分层4.1.2TCP/IP参考模型的特点4.1.3TCP/IP与ISO/OSI4.2IP协议4.2.1IP分组格式4.2.2IP地址4.2.3互联网络控制协议4.2.4互联网络的路由选择4.2.5IPv6,4,第四章TCP/IP协议,4.3TCP协议4.3.1传输协议的要素4.3.2TCP服务模型4.3.3TCP协议格式4.3.4TCP数据段头4.3.5TCP连接管理4.3.6TCP传输策略4.3.7TCP拥塞控制4.3.8UDP,5,4.2IP协议,4.2.1IP分组格式IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务不可靠(unreliable)：它不能保证IP数据报能成功地到达目的地。IP仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送ICMP消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供(如TCP)无连接(connectionless)：IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明，IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报(先是A，然后是B)，每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达,6,4.2IP协议,4.2.1IP分组格式,图4-5IP数据报格式及头部各字段,20字节,7,4.2IP协议,4.2.1IP分组格式版本号(VER,version)：目前的版本号是IPv4分组头长(IHL,InternetHeaderLength)：首部占32bit字的数目，包括任何选项，范围515。普通IP数据报(没有任何选择项)字段的值是5(20字节)服务类型(TOS,TypeofService)：包括一个3bit的优先权子字段(现已被忽略)，4bit的TOS子字段和1bit未用位但必须置0。4bit的TOS分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4bit中只能置其中1bit。如果所有4bit均为0，那么就意味着是一般服务总长度(TL,TotalLength)：指整个IP数据报的长度，以字节为单位。利用分组头长度字段和总长度字段，就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。尽管可以传送一个长达65535字节的IP数据报，但是大多数的链路层都会对它进行分片,8,4.2IP协议,4.2.1IP分组格式标识符(ID,Identification)：唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加1标志段(Flags)：3bit分别位0，DF(不可分)和MF(MoreFragments)分组段偏移(FO,FragmentOffset)：8字节为1单位，范围0-8191，缺省0。分组段偏移标明当前分组段在初始数据报中的位置，报宿按偏移重组IP数据报,未定义，必须是0,DF位0：可分片1：不可分片,MF0：最后的报片1：不是最后的报片,图4-6标志段的含义,9,4.2IP协议,4.2.1IP分组格式生存时间(TTL,time-to-live)：数据报可以经过的最多路由器数。TTL的初始值由源主机设置(通常为32或64)，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。当该字段的值为0时，数据报就被丢弃，并发送ICMP(InternetControlMessageProtocol)报文通知源主机协议(PROT,Protocol)：表示哪一个高层协议(ICMP,IGMP,TCP,EGP,UDP)将用于接收分组中的数据分组头检验和(HeaderChecksum)：根据IP首部计算的检验和计算：首先把检验和字段置为0；然后对首部中每16bit为1单位相加，若结果有进位，将和加1由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全1如果结果不是全1(即检验和错误)，那么IP就丢弃收到的数据报。但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传任选项和填充段：任选项为保留字段；填充段用0填充,10,4.2IP协议,4.2.2IP地址,图4-75类IP地址及其范围,224.0.0.0239.255.255.255,128.0.0.0191.255.255.255,192.0.0.0223.255.255.255,0.0.0.0127.255.255.255,240.0.0.0247.255.255.255,11,4.2IP协议,4.2.2IP地址网络号部分的二进制编码全为0时，为本地网主机号部分的二进制编码全为1时，为本地网络内的广播地址由于IP地址既对一个网络编码，也对该网络上的一台主机编码，所以他们不是确定单个主机，而是确定对一个网络的一个连接主机号部分等于0的IP地址从不分配给单个主机，而是指网络本身多接口主机具有多个IP地址，其中每个接口都对应一个IP地址,12,4.2IP协议,4.2.2IP地址0表示所有的比特位全为0；-1表示所有的比特位全为1；netid、subnetid和hostid分别表示不为全0或全1的对应字段。子网号栏为空表示该地址没有进行子网划分地址,图4-8特殊情况的IP地址,13,4.2IP协议,4.2.2IP地址组播(Multicast)：在Internet网上对一组IP站点进行数据传送，这一组IP站点是动态形成的，每一个IP站点都可以动态地加入或者退出这个组D类地址是从224.0.0.0到239.255.255.255之间的IP地址。其中224.0.0.0到224.0.0.255是被保留的地址，224.0.0.1表示子网中所有的组播组，224.0.0.2表示子网中的所有网关D类地址是动态分配和恢复的瞬态地址。每一个组播组对应于动态分配的一个D类地址；当组播组结束组播时，相对应的D类地址将被回收，用于以后的组播。在D类地址的分配中，IETF建议遵循以下的原则：全球范围：224.0.1.0238.255.255.255有限范围：239.0.0.0239.255.255.255本地站点范围：239.253.0.0239.253.0.16本地机构范围：239.192.0.0239.192.0.14,14,4.2IP协议,4.2.2IP地址子网寻址：现在所有的主机都要求支持子网编址(RFC950MogulandPostel1985)。不是把IP地址看成由单纯的一个网络号和一个主机号组成，而是把主机号再分成一个子网号和一个主机号划分子网的目的是为了使本地网络节点的管理具有更大的灵活性=(网络地址段)(子网地址段)(主机地址段)子网对外部路由器来说隐藏了内部网络组织(一个校园或公司内部)的细节子网的自然划分方法：即把B类地址中留给主机的16bit中的前8bit作为子网地址，后8bit作为主机号。这样用点分十进制方法表示的IP地址就可以比较容易确定子网号。但是，并不要求A类或B类地址的子网划分都要以字节为划分界限,15,4.2IP协议,4.2.2IP地址子网掩码：说明IP地址重的主机地址如何被划分成子网地址和本地主机地址两部分。掩码是一个32bit的值，其中值为1的比特留给网络号和子网号，为0的比特留给主机号给定IP地址和子网掩码以后，主机就可以确定IP数据报的目的：1.本子网上的主机2.本网络中其他子网中的主机3.其他网络上的主机如果知道本机的IP地址，那么就知道它是否为A类、B类或C类地址(从IP地址的高位可以得知)网络号和子网号之间的分界线根据子网掩码就可知道子网号与主机号之间的分界线,16,4.2IP协议,4.2.2IP地址子网掩码=255.255.240.0=0XFF.0XFF.0XF0.0X00,图4-9使用子网掩码的两个B类地址,子网地址,17,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议除了传输数据的IP协议外，互联网络用于网络层控制的协议包括：ICMP：互联网络控制信息协议(InternetControlMessageProtocol)ARP：地址解析协议(AddressResolutionProtocol)RARP：逆向地址解析协议(ReverseAddressResolutionProtocol)BOOTP：引导协议(bootstrap),18,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议ICMPICMP是一种差错报告机制，它将路由器和目标主机遇到的差错报告给源主机ICMP提供以下服务：测试主机的可达性和状态报告不可达目的主机给源主机数据报流量控制路由改变请求获取网络地址及子网掩码,19,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议ICMP与IP数据报一样，ICMP也是不可靠传输，但ICMP的传输问题不能再使用ICMP传达对于被划分为的IP分组，只有偏置为0的分组段才能使用ICMPICMP报文是在IP数据报内部被传输的，如图4-10所示,IP数据报,图4-10ICMP封装在IP数据报内部,20,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议ICMP所有报文的前4个字节都是一样的类型字段可以有15个不同值，以描述特定类型的ICMP报文检验和字段是ICMP分组的简单的1的补码和,图4-11ICMP报文,21,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议ICMP,图4-12ICMP报文类型,22,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议ARPARP为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。这个过程是自动完成的RARP是被那些没有磁盘驱动器的系统使用(一般是无盘工作站或X终端)，它需要系统管理员进行手工设置,32位Internet地址,48位以太网地址,主机名,图4-13TCP/IP网际寻址,ARP,RARP,DNS,23,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议ARPARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机，这个过程称作广播。ARP请求数据帧中包含目的主机的IP地址，其意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址。”目的主机的ARP层收到这份广播报文后，识别出这是发送端在寻问它的IP地址，于是发送一个ARP应答。这个ARP应答包含IP地址及对应的硬件地址使用ARP的优点不必预先知道主机或路由器的物理地址就能发送数据动态反映物理地址和IP地址的变化,24,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议ARP,图4-14ARP请求或应答分组格式,以太网首部,28字节ARP请求/应答,全为1,ARP:0X0806,以太网:1,IP地址:0X0800,6,4,1：ARP请求2：ARP应答3：RARP请求4：RARP应答,25,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议RARP具有本地磁盘的系统引导时，一般是从磁盘上的配置文件中读取IP地址网络上的每个系统都具有唯一的硬件地址，它是由网络接口生产厂家配置的无盘系统的RARP实现过程是：从接口卡上读取唯一的硬件地址，然后发送一份RARP请求(一帧在网络上广播的数据)，请求某个主机响应该无盘系统的IP地址(在RARP应答中)RARP分组的格式与ARP分组基本一致。它们之间主要的差别是RARP请求或应答的帧类型代码为0X8035RARP请求的操作代码为3，应答操作代码为4RARP请求以广播方式传送，而应答一般是单播(unicast)传送,26,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议RARPRARP服务器：被授权提供RARP服务为了运行无盘工作站，每个以太网上必须至少有一个RARP服务器广播帧不能通过IP路由器转发,27,4.2IP协议,4.2.3互联网络控制协议BOOTP设计BOOTP协议的目的是用作远端引导BOOTP限制在一定功能和范围内BOOTP主要是告诉连接客户机引导文件的位置DHCP(动态主机配置协议)是BOOTP的改进DHCP为移动工作组而设计，这个工作组时而与网络连接时而和网络断开DHCP是动态可配置的DHCP有一个动态IP分配策略，这个策略在整个子网掩码范围内汇集永久和短期租借的地址,28,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择路由是发现、比较、选择通过网络到达任何目的IP地址的路径的过程在典型情况下，路由功能嵌入到称为路由器的专用设备中。然而技术的发展很快使得传统路由器、局域网交换机，甚至于和网络相连的主机之间的差别变得越来越模糊。今天，这三种设备都能发现、比较、选择路由。因此，路由必须被看作功能而不是物理设备路由器的功能包括共享局部相连主机和网络的信息比较冗余的潜在路径汇聚网络拓扑信息,29,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择路由器的两种基本路由方式静态路由静态编程的路由器不能发现路由，它们缺少与其他路由器交换路由信息的任何机制。静态编程的路由器只能使用网络管理员定义的路由来转发报文动态路由路由器使用动态路由协议发现路由，之后，路由器通过这些路由来转发报文(或数据报),30,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择静态路由静态路由编程的路由器把报文转发至预定的端口。在目的地址和路由器端口之间的关系配置之后，就不再需要路由器来试图发现路由甚至和其他的路由器来交换通向目的地的路由信息缺点在网络发生问题或拓扑结构发生变化时，缺乏动态机制来适应这种变化优点使网络更安全：只有一条流进和流出网络的路径(除非定义多条静态路由)更有效地利用资源：使用少得多的传输带宽，不使用路由器上的CPU来计算路由，需要更少的存储器使用IP建造外部网到其他公司(公司的雇员在其中做大量的工作)的连接，此时，静态路由非常有用静态路由是把小的stub(小的、隔离的网络)网络和广域网连接的最好方式,31,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择静态路由,图4-15静态编程的互联网络中链路中断会使通信崩溃,32,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择两种基本的动态路由协议类型距离-向量链路-状态这两种动态路由协议类型的基本区别在于二者发现和计算到目的地新路由的方式不同,33,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择距离-向量路由(Bellman-Ford)算法会周期性地把自己的路由表拷贝传给与其直接相连的网络邻居。每一个接收者加上一个距离向量，并把它转发给它的直接邻居这个一步一步的过程导致每一个路由器得到了其他路由器的信息，最终形成一个网络“距离”的积累视图积累表用于更新每个路由器的路由表。当这个过程完成时，每个路由器就学习到了到网络资源的“距离”的模糊信息缺点当网络失败或发生其他变化时，路由器需要一些时间才能收敛到对网络拓扑的重新认识。在收敛过程中，网络可能是脆弱的，产生不一致的路由，甚至路由环优点距离-向量协议是非常简单的协议，容易配置、维护和使用。因此，它对于非常小的、几乎没有冗余路径且无严格性能要求的网络非常有用距离-向量路由协议集中体现在路由信息协议(RIP)中。RIP使用单一的距离标准耗费来决定一个报文要选择的最好路径,34,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择链路-状态路由链路-状态协议形成和维护网络路由器的全部信息，以及它们是如何互联的。可以通过和网络中的其他路由器交换链路-状态通告(LSA)来实现这一点缺点在初始发现过程中，链路-状态路由协议会在网络传输线路上进行洪泛(flood)，因此会大大削弱网络传输数据的能力链路-状态路由对存储器和处理器敏感优点链路-状态路由作为动态路由可以适合任何大小的网络链路-状态路由协议能更好地利用带宽带来的另一个好处是，使网络比使用静态路由或距离向量协议的网络具有更好的可扩展性,35,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择IP网络中的收敛一旦网络拓扑或形状发生变化，网络中所有的路由器必须得到对网络拓扑新的理解这个过程既是协作的又是独立的；路由器彼此共享信息，但它们必须独立地计算由于拓扑变化对自己路由的影响收敛到一致：路由器必须独立地从不同的角度共同来完成对新拓扑结构的一致看法收敛的必要性：路由器是能自己做出路由决定的智能设备。这使其既具有健壮性又具有脆弱性在一般操作环境下，这种独立和分布式的智能会带来很大好处在网络拓扑发生变化时，形成对网络形状新的一致性看法的收敛过程可能会引入不稳定和路由问题,36,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择路由选择协议RIP：路由信息协议(RoutingInformationProtocol)OSPF：开放式最短路径优先(OpenShortestPathFirst)网关协议GGP：网关-网关协议(Gateway-GatewayProtocol)IGP：内部网关协议(InteriorGatewayProtocol)EGP：外部网关协议(ExteriorGatewayProtocol),37,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择路由信息协议(RIP)1998年6月，RFC1058发布，描述了一个新的、真正开放的距离-向量形式的路由协议：开放式标准RIPRIP是一个简单的距离-向量路由协议，它是专门为小型简单网络而设计的内部网关协议(IGP)RIP使用跨度计量标准，15个跨度是最大极限。路由计算时，路由器用跨度来表示到达目的网络的距离使用RIP的每个设备至少要有一个网络接口。假设这个网络是一种局域网体系结构(如以太网、令牌环和FDDI)，RIP只需为不与这个局域网直接相连的设备计算路由,38,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择路由信息协议(RIP)操作机制：使用距离-向量路由协议的路由器必须周期性地把路由表的内容发送给它的直接相邻路由器。路由表中含有路由器与所知目的地之间的距离信息每个接收者给表加上一个距离向量：它自己的距离“值”，然后把改变了的表转发给它的直接相邻路由器,图4-16每个RIP节点把它的路由表内容广播给它的直接相邻者,39,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择路由信息协议(RIP)更新路由表：RIP为每个目的地只记录一条路由的事实要求RIP积极地维护路由表的完整性通过要求所有活跃的RIP路由器在固定时间间隔广播其路由表内容至相邻的RIP路由器来做到这一点所有收到的更新自动代替已经存储在路由表中的信息RIP依赖3个计时器来维护路由表更新计时器路由超时计时器路由刷新计时器RIP路由器每隔30秒触发一次表更新。更新计时器用于记录时间量,40,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择路由信息协议(RIP)寻址：RIP报文中的地址标识域可以包含主机地址子网号网络号0,指示缺省路由RIP允许计算至单独主机的路由，也允许计算至包含大量主机的网络的路由当RIP路由器收到一个IP报文时，必须查看目的地址。它试图把这个地址与路由表中的目的地址作匹配如果它不能找到那个目的地主机地址，就会检查目的地址是否能和一个已知的子网或网络号进行匹配如果在这一级也不能进行匹配，RIP路由器会使用缺省路由来转发报文,41,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择路由信息协议(RIP)收敛：RIP互联网络中拓扑变化带来的最重要可能是它会改变相邻节点集，这种变化会导致下一次计算距离向量时得到不同的结果新的相邻节点集必须得到汇聚，从不同的起始点汇聚到新拓扑结构的一致看法，得到一致性拓扑视图的过程称为收敛(convergence)简单地讲，收敛就是路由器独立地获得对网络结构的共同看法,42,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择路由信息协议(RIP)RIP的限制不能支持长于15跳的路径强制规定了一个严格的跳数限制为15跳依赖于固定的度量来计算路由不能实时地更新固定耗费度量以适应网络中遇到的变化对路由更新反应强烈RIP节点会每隔30秒钟无向地广播其路由表，消耗掉相当数量的带宽相对慢的收敛可能需要重复更新才能完全收敛于新拓扑缺乏动态负均衡支持缺乏负载均衡的能力使其使用限制在小型网络中,43,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择开放式最短路径优先(OSPF)在20世纪80年代即将结束时，距离-向量路由协议的不足变得越来越明显。一种试图改善网络可扩展性的努力是使用基于链路-状态来计算路由，而不是靠跳步数或其他的距离向量链路：网络中两个路由器之间的连接链路状态：包括传输速度和延迟级等属性包括OSPF在内，所有的SPF路由协议基于一个数学算法Dijkstra算法。这个算法能使路由选择基于链路-状态，而不是距离向量,44,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择开放式最短路径优先(OSPF)IETF使用OSPF想达到的两个主要目标改善网络的可扩展性快速收敛OSPF快速收敛的一个关键原因是它使用了区一个区是一些网络端系统、路由器以及传输线路的集合体。每个区由一个惟一的区号定义，这个区号配置在每一个路由器内OSPF网络中能支持的区数量受限于区ID的大小。这个域是32位的二进制数，其对应的最大十进制数为4,294,967,295,45,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择开放式最短路径优先(OSPF),图4-17具有3个区的小型OSPF网络,46,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择开放式最短路径优先(OSPF)路由器类型内部路由器区边界路由器骨干路由器,图4-18OSPF网络中的3种路由器,47,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择开放式最短路径优先(OSPF)路由类型区内路由只限于一个区内部的路由器之间的路由区间路由区间路由需要在不同的区之间交换数据。所有的区间路由必须经过区0传输，不允许非0区直接和其他区通信这个层次限制确保了OSPF具有良好的可扩展性，而不会导致链路和路由器的混乱,48,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择开放式最短路径优先(OSPF)路由类型,图4-19OSPF网络中的路由,(a)区内通信,(b)区间路由,49,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择开放式最短路径优先(OSPF)OSPF数据结构所有数据结构共享一个通用头，称为OSPF头OSPF头长度为24字节：版本号(目前的版本是2)、类型、报文长度、路由器ID、区ID、校验和、认证类型、认证OSPF使用5种类型HELLO报文(类型1)数据库描述报文(类型)链路-状态请求报文(类型3)链路-状态更新报文(类型4)链路-状态应答报文(类型5),50,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择开放式最短路径优先(OSPF)路由计算OSPF虽然很复杂，却使用下面两种相当简单的方法之一计算路由耗费非带宽敏感的缺省值可以用于每一个OSPF接口OSPF能自动计算使用每个路由接口的耗费不管使用哪种方法，任何一条路由的耗费可以通过把路由上遇到的每个路由器接口耗费加起来得到在OSPF的最短路径树中记录了每一个已知目的地的和耗费,51,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择网关协议网关协议在网关之间交换路由和状态信息网关分为核心网关与非核心网关核心网关是由Internet网络操作中心(InternetNetworkOperationsCenter,INDC)管理的机器，这些机器形成Internet骨干的一部分非核心网关由Internet组织之外的组管理，虽然这些网络连接到Internet，但管理权由公司或组织自身拥有,52,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择网关协议网关-网关协议(GGP)Internet结构的变化以及核心网关数量的增加要求开发一个协议使核心网关之间能彼此通信。这就是网关-网关协议(Gateway-to-GatewayProtocol,GGP)GGP协议通常只用于核心网关之间。GGP主要用于散布关于和每个核心网关相连的非核心网关的信息，使每个核心网关能更新自身的路由表GGP被称为向量-距离协议。要想有效工作，网关必须含有互联网络上有关所有网关的完整信息。否则，计算到一个目的地的有效路由将是不可能的,53,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择网关协议外部网关协议(EGP)外部网关协议用于在非核心的相邻网关之间传输信息对绝大多数EGP而言，只限制维护其服务的局域网或广域网信息。这样可以防止过多的路由信息在局域网或广域网之间传输和GGP一样，EGP使用一个查询过程来让网关清楚它的相邻网关并不断地与其相邻者交换路由和状态信息。EGP是状态驱动的协议,54,4.2IP协议,4.2.4互联网的路由选择网关协议内部网关协议(IGP)最流行的IGP包括RIP、HELLO(基于时延而不是跨度的距