《现代通信网》第六章互联网2

现代通信网2022/4/31第六章Internet6.1Internet概述6.2协议与互连的原理6.3IP层6.4传输层6.5应用层6.6IPv62022/4/32一网络层的服务和协议传输层:TCP,UDP一般网络层的主要功能是实现主机到主机间的逻辑通信：1）选路功能2）转发功能3）差错报告Rtocols•路径选择•RIP,OSPF,BGPIPprotocol•地址格式•数据报格式•分组处理规则网络层forwardingtableICMPprotocol•差错报告•router“signaling”ARPprotocol地址映射数链层物理层2022/4/33网络层的服务模式：besteffort

网络层的服务模式：是指网络在从源端到目的端转发分组时，所提供信道的方式和服务模式的定义：

带宽是否有保证？时延抖动是否限制？是否控制拥塞？是否保证有序传输？是否保证可靠传输？

IP采用尽力而为的服务模式

尽力而为的服务模式不保障

最大时延，重复，丢失，错序。2022/4/34网络层服务模式：比较

下表是Internet、电路交换，ATMABR服务模型的比较。网络体系服务带宽保丢失排序定时拥塞指示结构Internet模型尽力而为CBR证无保证无无不维持维持无电路交换恒定速率最小速率是有无拥塞ATMABR是有维持提供拥塞指示2022/4/35二IPv4数据报的格式048121619242831versioHLenTOSTotalLengthnIdentifierFlagOffsetTTLProtocolHeaderChecksum20字节SourceAddressDestinationAddressOptions(ifany)Data采用无连接的数据报服务模式：每一个数据报都包含选路转发需要的全部信息。2022/4/36参数的含义版本号：指明数据报的IP协议版本，典型值4。头部长度：以32bit为单位的数据报头部长度，通过它可知数据报中的数据部分从哪开始，典型值5。服务类型：提供优先级信息（时延，可靠性）。总长度：以字节为单位的数据报总长度（含头部）。实际很少超过1500字节，经常被限制在576字节以内。标识符，标志，分片偏移量主要用于分片标识符：它是一个序号，与源地址，目的地址以及用户协议一起唯一识别一个数据报。标志：目前只定义了2个bit，DF（Don’tFragment）为真，则禁止分片；MF（morefragment)为假表示为原数据报中最后的一个数据报片。分片偏移量：以64bit为单位，指出该片在原数据报中的位置。DFMF2022/4/37参数的含义

生存期TTL：路由器每处理一个数据报，必须将其TTL值减1，当TTL＝0时则丢弃分组。协议：指明目的端传送层的协议类别。TCP=6,ICMP=1,UDP=17…头部校验和：该值在每一个路由器上都要进行从新计算和生成。源和目地地址：32bit的地址，指明主机和其所在网络的位置。可选项：允许IP头部被扩展，但出于性能上的考虑，目前很少使用，IPV6中则完全取消。

2022/4/38三IP分组的分片:FragmentationMTU=2000hostrouterhostrouterMTU=1500MTU=4000

每个网络都有自己的MTU（MaximumTransmissionUnit）。

IP解决方案：分片信源无法预先获知所有中间网络的MTU。

2022/4/39Reassembly

在哪儿重装？

目的节点还是路由器？

目的节点

避免大分组被重复多次分片假如丢失了一片，则丢弃整个分组

中间节点重装的潜在问题

很难确定需要多少重装缓冲区数据报网络路径改变带来的风险

多条路径的并存

网络状态的变化2022/4/310与分片相关的字段

Length

IP分片的长度

Identification

与其它分片进行匹配

Flags

Don’tfragmentflag

Morefragmentsflag

Fragmentoffset

本分片在整个分组中的位置

以64bit为计数单位(13bit长)2022/4/311IP分片例1hostrouterMTU=4000Length=3820,M=0IPIPHeaderData2022/4/312IP分片例2MTU=2000routerrouterLength=1940,M=1,Offset=0Length=3820,M=0IPIPIPIPHeaderDataHeaderData1920bytes3800bytesLength=1900,M=0,Offset=240IPIPHeaderData1880bytes2022/4/313IP分片例3Length=1460,M=1,Offset=0routerhostIPIPMTU=1500HeaderDataLength=1940,M=1,Offset=01440bytesIPIPLength=480,M=1,Offset=180HeaderDataIPIPHeaderData1920bytesLength=1460,M=1,Offset=240Length=1900,M=0,Offset=240IPIP460bytesHeaderDataLength=460,M=0,Offset=420IPIPIPIPHeaderDataHeaderData1440bytes1880bytes440bytes2022/4/314IP重装-目的端Length=1460,M=1,Offset=0IPIP由于分片到达的顺序可能是乱的HeaderData

因此最后一个分片到达前，很难确分组的实际长度。Length=480,M=1,Offset=180有些分片可能重复IPIP

只保留一个拷贝HeaderData某些分片可能丢失Length=1460,M=1,Offset=240

丢弃整个分组IPIPHeaderDataLength=460,M=0,Offset=420IPIPHeaderDataIPIPIPIPDataDataDataData2022/4/315分片和重装的背后

展示了许多Internet设计的基本原则

Decentralized

每个网络独立选择MTU

Connectionless

每个(fragmentof)分组包含全部的选路信息。每个分片在网中独立地选路和处理

Besteffort

目的地可以放弃重装假如重装失败，无需通知发送方

Complexendpointsandsimplerouters

在目的地重装。2022/4/316思考：

当前Internet如何控制分片的有害性？2022/4/317四IPv4编址方式

IP地址在网络层上屏蔽了异种网络之间物理地址的差异，利于网间通信的实现。IP地址：32bit,由网络部分和主机部分组成，其中高阶bit标识网络部分（网络前缀），低阶bit标识主机部分。接口（Interface）：主机/路由器与物理链路连接器。

典型的一个路由器有多个接口，主机通常有一个接口，而一个IP地址只能用来唯一地标识一个接口。“全0”代表“本”，“全1”代表“全部”。点分十进制表示法：

=110111110000000100000001000000012231112022/4/318IP子网Fei_1/20Fei_1/11218路由器每个端口连接一个IP子网，172.16.12.12同一个子网要求接口具备相同网络前缀。NetworkHost2022/4/319IPv4分类编址NetworkIDHostID8162432ClassA0NetworkIDHostIDClassB10ClassC110ClassD1110MulticastAddressesClassE1111Reservedforexperiments•总共lIP地址空间:4billion•ClassA:128networks,16Mhosts，～55•ClassB:16Knetworks,64Khosts，～55•ClassC:2Mnetworks,256hosts，2022/4/3～5520特殊IP地址与专用IP地址地址用途网络指本地节点(一般为)，用于测试网卡及TCP/IP软件主机地址全0用于指定网络本身，称之为网络地址或者网络号主机地址全1用于广播，也称定向广播，需要指定目标网络RFC1918中规定如下地址是私有地址：•••一个A类地址，16个B类地址－，256个C类地址－2022/4/321如何获取网络地址？

机构通常从其ISP处获取IP地址。ISP会从已分配给他的更大的地址块中为用户提供一块地址空间.ISP本身则从全球型的权威地址管理机构ICANN获取地址（InternetCorporationforAssignNamesandNumbers).

RegionalInternetRegistries(RIRs)

ARIN(NorthAmerica,SouthernAfrica),APNIC(Asia-Pacific),RIPE(Europe,NorthernAfrica),LACNIC(SouthAmerica)

ICANN同时负责管理DNS根服务器，分配域名，解决域名纷争问题。

主机如何获取IP地址?

Hard-codedbysystemadmininafileDHCP:DynamicHostConfigurationProtocol

2022/4/322Subnet编址RFC917(1984)

原始分类地址优缺点

地址的前缀部分说明的地址的类型，也就说明的地址的网络部分长度。

选路只需要根据地址前缀部分进行即可。

例如3，代表一个B类地址，因此可确定网络前缀为128.2，路由器只需要根据128.2选路转发分组即可。

网络前缀的长度固定（8/16/24).

路由表过大

C类地址有2百万之多。2022/4/323Subnet编址RFC917(1984)

子网地址的需求背景

ClassA&B网太大

几乎没有一个LAN的主机数接近64k

原因既有物理电气方面的约束，也有性能管理方面的约束。

地址分配不够灵活，导致地址使用效率低，地址空间消耗速度快。

实际中需要一种简单的方法将一个大的分类地址空间划分为多个小的子网，提高地址使用效率，满足单位的组网需要。2022/4/324子网编址

在原有的两层地址结构中增加了一个新层：子网ID。通过子网ID，可以将一个分类地址划分成几个子网。为识别网络部分的实际长度，引入子网掩码机制来确定主机和网络部分的长度。子网掩码的长度根据实际需要确定－意味着网络前缀的长度此时已经可变了。

NetworkHostNetworkSubnetHost11111111111111111111111100000000SubnetMask2022/4/325网络Prefixes和Masks6与网络前缀/15匹配610001100000001010000100100010000/15100011000000010000000000000000000000000000000000掩码11111111111111106100011000000011100001001000100006与网络前缀/15不匹配2022/4/326子网划分的例子

假设某公司有一B类地址/16，有4个部门A，B，C，D，每个部门250台机器。/24/16AInternet网关路由器/24B/24C/24D2022/4/327ClasslessInter-domainRouting(CIDR)

传统分类IP地址的缺点不够灵活，A，B类地址对大多数机构太大，但C地址又太小。举例如下：某机构拥有约2000台主机，要构建一个网络，采用分类地址方案，则一个C类网络地址太小，而分配一个B可解决问题，但地址空间的利用率又太低。

实际建网面临的问题

Internet规模激增，A,B类IP地址资源紧张（如何有效使用现有IP地址的问题）

允许一个机构内部网络结构任意复杂，但对外整个网络能够拥有一个共同的网络号。（控制由于网络规模和结构的复杂对性能的影响）2022/4/328CIDR型地址的特点

IETF在1993【rfc1519】将其标准化,对子网概念的进一步扩展。

CIDR型IP地址的网络部分可以任意长：

不使用类型标识来确定网络部分的长度。使用地址块的公共部分做为网络前缀。

CIDR型的网络地址必须采用形式a.b.c.d/x表示,其中x表示32bit的地址中，前xbit为网络部分。

分配给同一机构的地址空间必须保持连续（2的幂次）以实现地址聚集。2022/4/329C类地址的分区

~55欧洲

~55北美

~55中南美

~55亚太

示例：在某路由器中，去往欧洲地区的路由项可聚集为一项/7,相应的网络掩码可写为

对于本节开头的例子，我们可为该机构分配一块连续C类地址202.4.16.X-202.4.23.X分则为11位，最多标识2048台，满足设计要求。，这样地址的公共部分为21位，主机部2022/4/330实例1例如：假设某机构已分配了地址块202.23.0.X～202.23.7.X(8个连续的C类地址）.其下有八个机构，ISP可将该块地址均分为八份，如下图所示：ISP地址块11001010000101110000000000000000/21机构011001010000101110000000000000000/24机构111001010000101110000000100000000/24机构211001010000101110000001000000000/24...…..….….机构711001010000101110000011100000000/24子网地址扩展占3bit,主机部分剩余8bit2022/4/331CIDR下的分层选路与地址聚集ISP…...…….routerInternet…...……./24/24/24ISP…...……./24/21Internetrouter使用和不使用CIDR的域间选路区别2022/4/332CIDR的最长前缀匹配Destination=6-------------------------------payloadPrefixNextHopInterfaceOK/03ATM5/0/9better/89ATM5/0/8/157Ethernet0/1/3best!/23attachedSerial1/0/7IPForwardingTable2022/4/333变长子网掩码－VariableLengthSubnetMasking(VLSM)2/27A172.16.14.64/27Bcenter6/27C

当一个网络包含多个子网，且子网的大小不同，则可以使用VLSM。

这样避免了IP地址的浪费，但需要路由协议支持2022/4/334五路由器的一般结构－控制平面

路由功能：执行路由协议，生成、更新和维护路由表。

其它功能：拥塞控制，QoSProtocolsControlForwarding等。Table

路由表的基本信息erfaceerface

目的网络地址。路由信息的来源。下一跳的IP地址转发端口

Inter-

connection

Medium(Backplane)2022/4/335控制平面：路由表GAR#showiprouteIPv4RoutingTable:DestMaskGwInterfaceOwnerprimetricfei_1/1bgp20005355fei_1/1ospf110145455fei_1/1ospf1101348gei_5/2.1direct0055gei_5/2.1address004486gei_5/2.4direct0052fei_1/1direct0055fei_1/1address002022/4/336五路由器的一般结构-转发平面

Ierfaces:Control

必须执行分组转发－确定转发到哪一个出接口。执行分组排队，分类，标记ProtocolsForwardingTable

erfaceerface

Oerfaces:

执行分组排队和分组调度。connectionInter-

Backplane：互连出口与Medium入口。(Backplane)2022/4/337源端主机IP分组转发流程获取目的IP地址判断YES检查YES做数据链路层封装与目的端是否处于同一ARP表是否有目的端网段MAC地址（目的MACMAC地址为）目的端NONO通过ARP获得通过物理层目的端MAC地址发送数据是否配置了缺省网关？YES检查YES做数据链路层封装ARP表是否有网关MAC地址（目的关MACMAC地址）为网NONOEnd发送错误信息通过ARP获得网关MAC地址2022/4/338同一网段通信过程图示AB网络情况IP地址：MAC地址：00:20:AF:00:00:01IP地址：MAC地址：00:20:AF:00:00:02协议层次IP层包发往封装IPIP包地址拆封IP包收到IP包IP层ARP以太网封装MAC帧封装MAC帧收到MAC帧以太网帧发往MAC地址00:20:AF:00:00:022022/4/339不同网段的通信过程网络情况PPPEthernetEthernetHOSTAfei-1/1e1_2/1e1_2/1fei-1/1HOSTB协议层次IP层IP包IP包IP层IP包IP包IP层IP包IP包IP层以太网串行接口串行接口以太网以太网MAC帧接口PPP帧接口MAC帧以太网发送端路由器路由器接收端主机A主机BPPP分组2022/4/340ARP工作机制我需要IP地址为主机的物理地址IP:=???

作用：隐藏底层网络物理地址，以允许给每台主机分配任意IP地址

组成：1)发送数据时，实现IP地址向MAC地址的映射2)回答其它机器的ARP请求。2022/4/341ARP工作过程我需要IP地址为主机的物理地址我听到广播包了，这条消息是给我的这是我的物理地址.，IP:=???IP:Ethernet:0800.0020.11112022/4/342你发现了什么？回忆异构网互联的原理每个host/Router上两张表报文路由表ARP表根据目的－IP确根据下一跳路由TCPUDP定：器IP地址确定：段Routing1）下一跳路由1）下一跳路由器TableIP器得IP地址。得数链层地址。数据报ARPTable2）输出端口号EthernetDriverdatagraminDatagramout以太帧路由表ARP表节点2022/4/343IP地址与转发的总结

IP地址

IP地址实际对应的是一个网络Interface。

分类IP地址(A,B,C)的地址分配效率很低，运营商和大型园区网都不使用。

CIDR(Supernet)主要用途是将一组连续的C类地址进行聚集，而子网的用途则是将一个分类地址进行细分。

转发：

路由器总是基于IP地址选路，然后用物理地址完成封装的转发。

路由器和主机上总是运行了两个网络层协议，IP扮演逻辑网络协议，物理网络协议则扮演了数链层的角色。2022/4/344六选路算法：原理

关于Internet，我们已知…

IP地址的结构反映了Internet的结构

IP分组头负责运载IP地址信息

当分组到达路由器：Router

检查头部寻找分组中携带目的地IP地址

查路由表确定到目的地的下一跳地址

通过指定的端口转发分组

问题：

路由器如何产生、维护路由表？

如何确保不同路由器上路由表数据的一致性？

运营商如何控制链路上的负载？2022/4/345原理：网络的建模网络中的每台router用一个节点来表示。路由器之间的直连链路用边表示。

Symmetriclinksundirectedgraph边的“cost”c(x,y)表示链路的成本度量值

delay,$cost,orcongestion级别任务

计算每一个顶点到任意其它顶点的最小成本路径

Pathcostd(x,y)=路径上所有链路成本之和E31C2F161A43D2022/4/3B46节点A的路由表ForwardingTableforAE31CDestCostNext1Hop2FABCDEF046725ABEBEE61A43DB特点

最短路径集合构成了一棵树

最短路径生成树

方案不唯一

E.g.,A-E-F-C-D的cost也是72022/4/3472计算最短路径的方法选路算法要解决的主要问题包括：路由器之间交换哪那些信息？路由器之间如何交换信息，更新策略完成信息交换后，如何计算最佳路由？2022/4/348计算最短路径的方法

Link-state

路由器之间交换链路状态信息。链路状态信息在网络中Flooding每个节点搜集完整的网络拓扑信息，依据该信息，每个节点独立计算最短路径，生成路由表。触发更新。

Distance-vector

相邻路由器之间直接交换整个路由表信息。每个节点采用迭代方式构造自己的路由表。定期更新和触发更新相结合。2022/4/349链路状态选路算法（LS）

原理

每个节点必须知道完整的网络拓扑和链路费用

每个节点通过链路状态广播（Flooding）告知所有其它节点他的身份和与他相连的链路的费用。

每个节点根据接收到网络拓扑和链路费用，各自独立计算到其它节点最小费用路由集

使用Dijkstra算法。

在初始态，每个节点仅需知道其直接相连的的邻居身份和链路费用，即可进行链路状态广播，然后通过接收其它节点的链路状态广播，最终获得全部的网络拓扑。

链路状态变化时更新链路状态信息2022/4/350Flooding：链路状态的广播X想发送信息XAXA

则向所有输出链路发CBDCBD送(a)(b)Y收到来自Z的信息时

向除Z外的其它所有链XAXA路转发CBDCBD(c)(d)2022/4/351Dijkstra’算法

初始条件

给定图的源节点s和边的费用costsc(u,v)

确定s到每一个点v的最短路径

ShortestPathFirstAlgorithm

从s点开始遍历整个图，按照路径长度增加的顺序寻找到其它点的最短路径，算法是迭代执行的。经过k步，找到源节点到所有k个节点的最短路径。2022/4/352Dijkstra算法:原理2EC

3512红色表示当前Path费用2F6SourceNode01

A333DDoneBUnseenHorizon

Node集

Done

符号

最短路径已经计算出来的节点

d(v)=路径费用

Horizon:

从s到v

从Done集中的节点可直达的节点

P（v）

Unseen:

记录路径上的最后一条链路

从Done集中不能直达的节点2022/4/353Dijkstra算法:初始步

EC

3

12红色表示当前Path费用2F6SourceNode01

A3

3DHorizonBDoneUnseen

Done集中无节点

源节点在horizon集2022/4/354Dijkstra’算法:初始步2EC

3612红色表示当前Path费用2F6SourceNode01

A333DDoneBHorizonUnseen

d(v)：到节点A的d(v)用红色标识

只考虑从Done集中节点出发的链路。2022/4/355Dijkstra集2EC

35612红色表示当前Path费用2F6SourceNode01

A333DDoneBUnseenHorizon

从horizon集中选择一个节点v，满足d(v)最小。

将该节点最短路径使用的最后一条链路加入到SPT中。

更新d(v)信息。2022/4/356Dijkstra算法2EHorizonC

3512红色表示当前Path费用2F6SourceNode01

A333DDoneBUnseen

重复……2022/4/357Dijkstra算法

Unseen2E341C2红色表示当前Path费用2F6SourceNode016A333DBHorizonDone

节点的增加会将新的节点加进horizon集2022/4/358Dijkstra’sAlgorithm2EC53412F26SourceNode016A333DB

最终的SPT用绿色表示2022/4/3594分层选路：

LS和DV算法的假设：

网络被抽象成一个互连路由器的集合，扁平化。

所有的路由器地位平等，使用相同的选路算法。

实际中的难题

如何管理大规模的网络？

超过200百万的目的地地址，很难管理路由表

路由信息可能压垮网络

如何实现各个网络的管理上的独立自治？

Internet本身是一个网络的网络

各机构都希望能够保持自己网络的独立性2022/4/360Internet解决方案：分层选路

Internet：AS的集合.

AS内部使用InteriorGatewayProtocols(IGPs).

路由器之间可以共享路由信息

路由器使用相同的路由协议Eg:RIP,OSPF，IS－IS，PNNI等

AS之间使用ExteriorGatewayProtocols(EGPs)

路由器之间不能共享全部的路由信息

网络之间可能配置不同的路由协议，相互之间有访问限制等.Eg:EGP,BGP-4

AS之间通过网关路由器相连2022/4/361Intra-AS选路的要求

灵活适应不同的AS规模.

Lowend:10台以下路由器的网络(小企业)Highend:超过1000路由器(大型ISP)

网络拓扑变化时路由的收敛速度Lowend:能够容忍某些连接的中断

Highend:要求尽可能快的路由收敛速度

Operational/Admin/Management(OAM)Complexity

Lowend:简单,人工Highend:人工/自动配置.

流量工程能力:仅大型网络需要2022/4/362Inter-AS选路的要求

能够适应不同Internet的规模

强调可达性，而不是选路的最优性

采用地址聚集技术控制核心路由器的路由表规模，支持流量控制

允许AS之间使用policy-based选路

Policy：指可选项

在选路中,可选项包括优先级、地址前缀，AS的级别

可扩展：能够满足基于新策略的选路需求.2022/4/363Intra-AS和Inter-AS选路C.b网关:B.a•执行inter-AS间的选路•执行intra-AS内路由器间的选路A.abA.ccaCabaBdcAb网络层网关A.c中的inter-AS,和intra-AS选路链路层物理层2022/4/364Intra-AS和Inter-AS选路:实例A和B间C.bInter-AS选路B.aA.a主机h2bA.ccaCabaB主机h1dc在ASB内Intra-AS选路Ab在ASA内Intra-AS选路问题：在一个AS中的路由器如何将分组转发到位于另外一个AS中的路由器？2022/4/365总结:Internet选路结构

划分AutonomousSystems

不同的AS由不同的机构运行管理每个路由器和链路都属于单一机构Svider,company,university,…

AS的层次

大型第一层ISP运行骨干网（backbone）中等规模的ISP运行地区级的Backbone小型网络由大学、公司等运行

AS间的交互

AS间彼此不共享内部网络拓扑结构…但是,相邻的AS间会交换路由信息协调选路。

2022/4/366七Internet的路由协议

内部路由协议Intra-domain

RIP:RoutingInformationProtocol（DV)OSPFv2:OpenShortestPathFirst(LS)（RFC2328）

IS-IS（ISO）PNNI（ATMForum）

域间路由协议Inter-domain

BGP(BorderGatewayProtocol):2022/4/3671内部路由协议：OSPF

OSPF的构成

由基于Flooding的LSA协议和Dijkstra算法组成

链路权值由管理员配置(面向费用最优）

主要特点

路由器要向域内所有的其它路由器广播路由信息。

广播分：周期广播（30分钟）/链路状态变更广播两种

OSPF报文直接由IP分组承载（协议号＝89）。

支持分层选路。2022/4/368OSPFFlooding操作传送linkstateadvertisements（LSA）

LinkID

由在链路另一端的路由器ID标识

Metric

链路费用

链路状态的年龄

每秒递增

达到3600，OSPF分组过期

顺序号（sequencenumber）

每发送一次新的LSA，递增一次。2022/4/369OSPFFlooding操作节点X收到来自Y的LSA信息

该分组的SequenceNumber＝q在当前链路状态数据库中查找有相同origin/linkID的项。

处理流程

数据库中没有该信息

增加一项,将该信息广播到除Y以外的其它邻居。

该项数据库中有，但sequencenumberp<q

更新项,将该信息广播到除Y以外的其它邻居。

该项数据库中有，但sequencenumberp>q

将该项发送给Y

通知Y信息过时

该项数据库中有，但sequencenumberp=q

忽略2022/4/370OSPF的分层

支持两层选路结构区域边界路由器：将本区域的选路信息告知其它区域边界路由器。

边界路由器：负责连接其它AS。执行OSPF主干部分的选路。

2022/4/3712BGPBorderGatewayProtocol

BGPv4（RFC1771）：跨越多个AS的源和目的之间如何选路。

BGP为每个AS提供如下功能：

从相邻AS获取子网可达性信息向AS内所有路由器广播这些可达性信息基于这些可达性信息和AS路由策略，决定到达其它子网的路由。

允许一个子网向Internet的其余部分通告它的存在：“Iamhere”.

通过BGP，隔离的子网最终互联在一起2022/4/372BGP基础

两个BGP对等方路由器之间通过TCP连接179交换交换路由信息:BGPsessions

假如AS2向AS1广播一个网络前缀,则AS2一定会确保转发任何到该前缀的数据报.

AS2可以将前缀先聚集，再转发给AS1。3c3a2c3bAS32a2b1cAS21a1bAS11deBGPsession2022/4/3iBGPsession73BGP基础

路由器