n_a5bIP数据报格式

1、主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二5b-1IP 数据报格式verlength32 bitsdata (可变长度,一般为一个 TCP 或UDP 数据段)16-bit identifierInternet checksumtime tolive32 bit source IP addressIP 协议版本号首部长度 (bytes)余留步跳(在经过每个路由器后递减)用于分包/重装数据报长度 (bytes)用来递交有效负荷的上层协议head.lentype ofservice数据“类型” flgsfragment offsetupper layer32 bit destination I

2、P addressOptions (if any)E.g. 时间戳,纪录路由标记, 定义要访问的路由器主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二5b-2IP 分包 & 重组r网络链路具有 MTU (最大传输单位)属性 是有链路层最大帧的限制决定的.m不同类型的链路, 不同的 MTUsr较大的IP分组在网络中会被分割(“fragmented”)m一个分组就被分成了若干分组m分组只是在最终的信宿站点被重新“组装-reassembled”m在IP 分组的首部有些位标记用来确认和排序相关的组“片”fragmentation: in: one large datagramout: 3 smalle

3、r datagramsreassembly主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二5b-3IP 分片和重组ID=xoffset=0fragflag=0length=4000ID=xoffset=0fragflag=1length=1500ID=xoffset=1480fragflag=1length=1500ID=xoffset=2960fragflag=0length=1040一个大的分组被划为若干较小的分组主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二5b-4ICMP: 因特网控制报文协议(Internet Control Message Protocol)r用于主机、路由器、网

4、关之间交换网络层信息m报告错误: unreachable host, network, port, protocolm进行request/reply 应答(ping命令)r同处于网络层但“凌驾”于 IP之上:mICMP报文需要 IP分组来传输rICMP 报文: type, code plus first 8 bytes of IP datagram causing errorType Code description0 0 echo reply (ping)3 0 dest. network unreachable3 1 dest host unreachable3 2 dest protoc

5、ol unreachable3 3 dest port unreachable3 6 dest network unknown3 7 dest host unknown4 0 source quench (congestion control - not used)8 0 echo request (ping)9 0 route advertisement10 0 router discovery11 0 TTL expired12 0 bad IP header主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二5b-5因特网中的路由选择r全球因特网是由诸多 Autonomous Systems

6、 (AS)互联而成:m小型自治系统（小型自治系统（Stub AS）: 中小型企业m分区自治系统（分区自治系统（Multihomed AS）:大型企业 (非跨越的)m跨越式自治系统（跨越式自治系统（Transit AS）: NBP等r两层路由选择: mIntra-AS: 由网管决定mInter-AS: 唯一性的标准主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二5b-6因特网的AS层次Inter-AS 边界 (外部网关) 路由器Intra-AS 内部 (网关) 路由器主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二5b-7Intra-AS路由选择r也称为内部网关协议 Interior Gatew

7、ay Protocols (IGP)r最常用的 IGP有:mRIP: Routing Information Protocol(路由选择信息协议) mOSPF: Open Shortest Path First(开放式最短路径优先（协议）)mIGRP: Interior Gateway Routing Protocol (内部网关路由选择协议，Cisco产权)主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二5b-8RIP ( Routing Information Protocol)r距离向量算法(Distance vector algorithm)r含在BSD-UNIX 1982版中r距离的

8、度量单位: # of hops (max = 15 hops)mCan you guess why?r距离向量: 通过Response报文每隔30秒交换一次 (也称为 广告-advertisement)r每次广告: 发布最多为 25 信宿的路由主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二5b-9RIP (Routing Information Protocol) Destination Network Next Router Num. of hops to dest. wA2yB2 zB7x-1.wxyzACDB路由器D中的路由表主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-10

9、RIP: 链路失效和恢复链路失效和恢复 如果某条链路在180秒内没有被听到广告 - 相邻结点/链路被申明取消(declared dead)m经由该结点的路由被终止m新的广告送往所有其他相邻结点m其他相邻结点依次发出新的广告 (如果路由表发生变化)m这样链路失效的信息迅速传遍整个网络m使用抑毒措施来防止乒乓循环 (设置有限距离 = 16 hops)主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-11RIP路由表处理rRIP路由表通过应用层的进程 route-d (daemon-守护程序)来管理r由应用层进程管理的路由表为通过UDP的广告调用, 并周期性重复主讲人： 西安交通大学 程向前第

10、5讲 网络层之二 5b-12RIP 路由表举例Router: giroflee.eurocom.frr 连接3个 C 类网络 (LAN)r 路由器仅仅知道所连LAN的路由r 默认路由器(Default router)用于 “go up(上行)”r 组播地址路由(Route multicast address): r 回授接口(Loopback interface ,for debugging) Destination Gateway Flags Ref Use Interface - - - - - - UH 0 26492 lo0 1

11、92.168.2. U 2 13 fa0 193.55.114. U 3 58503 le0 192.168.3. U 2 25 qaa0 U 3 0 le0 default 29 UG 0 143454 主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-13OSPF (Open Shortest Path First) 开放式最短路径优先（协议）r“open-开放”: 向公众开放r使用链路状态算法(Link State algorithm) m

12、LS 分组传播m在每个结点存放网络的拓扑图m路由计算使用Dijkstra算法rOSPF 广告为每个相邻的路由器配置一个条目r广告弥散到 整个 AS (via flooding-泛洪法)主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-14OSPF “先进”性 (RIP所不具备的)r安全性: 所有的 OSPF 报文须经认证 (以防止各种可能的攻击); 使用TCP连接r多个等值路径允许同时存在 (而在RIP中只能存在一条)r对每条链路来说, 对不同的TOS (eg, 在卫星链路上将尽力而为的服务设成“低值”; 而将实时应用设成高值)可产生多种成本计算标准r多种成本计算标准可以支持集成化的单播

13、和组播(multicast) : m组播 OSPF (MOSPF)使用与 OSPF相同的拓扑数据库r在大型域中可以使用层次型OSPF主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-15层次型OSPF主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-16层次型OSPFr双层结构: 本地, 主干.m链路状态只是在本地范围内广告 m每个结点具有详细的本地拓扑; 对其他区域中的网络仅知在某个方向 (最短路径) .r区界路由器区界路由器(Area border routers): “汇总”了所在区域中到达各网络的距离,同时向其他区界路由器发广告.r主干路由器主干路由器(Backbone r

14、outers): 仅限于在主干上运行 OSPF 路由算法.r边界路由器边界路由器(Boundary routers): 连接其他的AS.主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-17IGRP (Interior Gateway Routing Protocol)内部网关路由选择协议rCISCO产权; RIP 的后继者之一(mid 80s)r路由向量算法, 类似 RIPr采用若干成本计算标准 (delay, bandwidth, reliability, load etc)r使用TCP交换路由更新信息r通过基于扩散计算的分布式更新算法(DUAL) 产生无循环的路由选择主讲人： 西安

15、交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-18Inter-AS路由选择主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-19因特网inter-AS路由选择: BGPrBGP (Border Gateway Protocol，边界网关协议): 事实上的标准r路径向量路径向量(Path Vector) 协议:m与距离向量协议类似m每个边界网关(Border Gateway)向其对等的相邻实体(peers)广播通往信宿的整条路经 (I.e, 一系列 ASs)mE.g., 网关 X可以发送从它通往信宿Z的路经: Path (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,Z主讲人： 西安交通大学 程向前第5

16、讲 网络层之二 5b-20因特网inter-AS路由选择: BGP假设: 网关X向对等网关W发送了它存有的路经 rW 可以选择或不选择X所提供的路经m成本, 策略 (不通过竞争对手的AS), 预防循环等缘由.r如果 W 选择了X广告的路经, 那么:Path (W,Z) = w, Path (X,Z)r注意: X 可以通过向其他对等实体发布路由信息来控制所进入的通信流量:me.g., 不让路由通过Z - 不要发布有关通向 Z的广告主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-21因特网inter-AS路由选择: BGPrBGP 使用 TCP交换报文.rBGP报文:mOPEN: 打开通往

17、对等实体的 TCP连接并对发送者进行认证mUPDATE: 刊出新的路经 (或撤销旧路经)mKEEPALIVE : 在不进行UPDATES时保持连接的激活; 也用来ACKs OPEN 请求mNOTIFICATION: 报告先前报文的错误;也用来关闭连接主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-22为什么 Intra- 和 Inter-AS路由选择不同 ? 策略: rInter-AS: 网管需要控制自己信息流通的路经, 还有谁能路经并通过其管辖的网络. rIntra-AS: 单一的管理体制, 无需选择策略规模:r层次型路由选择可以缩小路由表, 并减少更新流量性能性能: rIntra-

18、AS: 将注意力集中在性能上rInter-AS: 策略的考虑要超过对性能的要求主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-23路由器结构概述路由器的两个关键功能: r运行路由算法/协议 (RIP, OSPF, BGP)r交换分组于输入链路到输出链路之间 主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-24输入端口功能分散化的交换分散化的交换: r按照给出的分组信宿，使用输入端口的内存中存储的路由选择表，查找输出端口r目标: 以“线路速度”完成输入端口的处理r排队: 假如分组到达的数度快于转发到交换网络的（ switch fabric）速度时物理层:位流级的接收数据链路层:e

19、.g., Ethernet主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-25输入端口上的排队r交换网络的处理速度低于所有输入端口之和 - 导致分组在输入端口的队列中排队 r排头（Head-of-the-Line (HOL)）阻塞: 在队列的排头上的分组挡住了其他分组的前移r由于输入缓存的溢出导致了排队延迟和数据丢失!主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-26三类交换网络主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-27内存交换（Switching Via Memory）第一代路由器:r 分组通过系统的（单个）CPU拷贝r 速度受到内存带宽的限制 (每个分组

20、需2次穿越系统总线)InputPortOutputPortMemorySystem Bus现代路由器:r 输入端口处理器执行查询路由表、和拷贝的功能r Cisco Catalyst 8500主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-28总线交换（Switching Via Bus）r分组通过一条共享的总线从输入端口的内存传递到输出端口的内存r总线竞争: 交换速率受限于总线的带宽r1 Gb/s总线, Cisco 1900: 对访问接入和企业级的路由器已经足够 (但还不适应在区域或主干级线路上使用)主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-29通过内联网络交换（Swit

21、ching Via An Interconnection Network）r克服了总线带宽的限制rBanyan networks, 内联网络技术在发展初期是用来连接多处理器系统中的处理器的r设计先进: 把分组分割成固定长度的单元, 再把这些单元送入交换网络 rCisco 12000: 通过内联网络交换速度为若干Gb/s主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-30输出端口r缓存 当来自交换网络的分组到达速度高于传输速率时，需要进行缓存r调度原则 从队列中的分组中选择传输 主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-31输出端口的排队r当交换速度超过输出线路的速率时，需

22、要进行缓存r输出端口的溢出会造成排队（延迟）和数据丢失!主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-32IPv6r初始的动机: 32-bit 的地址空间预计在2008将全部分配出去. r其他动机:m改革首部格式帮助加速处理/转发m改革首部实现 QoS m新型 “任意播-anycast”地址的实现: 实现在若干备份服务器中寻求 “最佳”路由 rIPv6 分组格式: m固定长度的40 byte首部m不支持分组分割主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-33IPv6 首部Priority: 确定数据流中分组的优先级Flow Label: 确认同一“flow”中的分组 (“

23、flow” 的概念尚未定义完善).Next header: 定义用来传送数据的上层协议 主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-34其他不同于 IPv4的修改rChecksum: 完全取消，以减少每个步跳上的处理时间rOptions: 允许使用, 但不再是首部的内容, 而是由 “Next Header” 字段说明rICMPv6: ICMP的新版本m新增报文类型， e.g. “Packet Too Big”m组播管理功能主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-35由 IPv4 向IPv6的迁移r并不是所有的路由器都能够在同一时刻升级m不能采用 “易帜日”的办法m但

24、是网络如何能够在IPv4和 IPv6路由器共存的情况下运行? r两种建议的途径:m双栈(Dual Stack): 某些具有双栈 (v6, v4)的路由器 可以将两种地址格式进行 “翻译-translate” m隧道(Tunneling): IPv6可以作为IPv4的负荷(payload)通过IPv4的路由器主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-36双栈(Dual Stack)方式主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-37隧道(Tunneling)在必要时将IPv6藏入 IPv4主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-38网络层组播的路由选择r

25、因特网的TCP,IP协议实际上解决的是点对点的数据传输，也称为单播(unicast)r在网络中存在大量的应用需要解决一个或多个发送方须将数据发送到一组接收方m一个网络软件的升级m流媒体的发送（网上实况转播）mWWW的镜像站点的更新r此类应用的抽象称为多播或组播(Multicast) 主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-39网络层组播的路由选择r实现网络组播的两种基本途径m由发送端发送多个单播给不同的接受方 +不必修改因特网网络层的现行结构 -不可能改善网络的流量状况m在网络层增加对多播的技术支持 +可以更有效的利用网络带宽（只需在链路上发送一份拷贝） -实现具有多播功能的网

26、络层需要做大量的技术改进主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-40网络层的组播r在多播通信中，我们面临两个严重的问题，而在单播通信中这些问题是不存在的m如何确认多播分组的接受方m如何给多播分组编址r在单播通信中，IP分组中的地址指明了唯一的接受方，但在多播分组中是否可以通过增加接收方的地址来解决r即使这个方案可行，也只能满足少量的用户，如果有成千个接受方，IP的数据承载空间就会让地址蚕食掉主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-41网络层的组播r显式的定义接受方，发送方就需要接受方的身份和地址r因此，在因特网和ATM网络中，使用了地址间接（address in

27、direction）的方法，也就是一组用户使用唯一性的单一的标识。多播的分组使用该标识将分组传到所有加入该组的接收方r在因特网中，专门保留了一类地址（Class D）用来处理多播，称为多播组（multicast group）主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-42网络层组播的示意86030Mcast group97主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-43网络层组播的工程问题r这里要说明的是，多播地址和主机地址的“两张皮”的问题必须要解决r虽

28、然多播问题的抽象很简单，但会出现成堆的问题：m何时成组，何时撤销？m如何选择组地址？m无论作为发送方或者是接受方，新主机如何加入多播组？m入组是否来去自由，或由谁来控制？r在因特网中这些问题的解决需要由IGMP来完成主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-44IGMP, Internet Group Management Protocol v2 RFC 2236r该协议在主机和其直接连接的路由器之间进行交互rIGMP为需要加入多播的主机提供了一种手段，通过这种手段，主机可以申请加入多播组r当然还需要其他协议，来协调所有的路由器将多播分组穿越网络到达信宿r这些协议通过网络层多播路

29、由选择算法来完成相应的功能(PIM,DVMRP,MOSFP)主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-45IGMP的工作范围Wide areaMulticastroutingIGMP主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-46IGMP报文工作过程QueryreportIGMP报文类型Membership query: generalMembership query: specificMembership reportLeave group发送方路由器路由器主机主机目的查询加入多播组的主机查询加入多播组的特定主机报告申请或已经加入多播组报告推出特定的多播组主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-47组播的路由选择问题ABCDEF主讲人： 西安交通大学 程向前第5讲 网络层之二 5b-48组播的路由选择问题ABCDEFABCDEFA single,share tree多