第3讲因特网工程基础

第3讲因特网工程基础《网络应用基础》传输层与网络层的关系因特网中的传输层充当“收发室”的角色因特网中的网络层充当“邮递业务”的角色两个层次之间的任务可以互换，但是在实现成本上可能存在巨大差别传输服务和协议提供运行在不同主机中进程间的逻辑通信

传输协议仅运行在端系统中传输vs.网络层服务:网络层:

在端系统间进行通信传输层:

在进程间进行通信依赖并加强了网络层的服务applicationtransportnetworkdatalinkphysicalapplicationtransportnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicallogicalend-endtransport传输层协议Internet传输服务:可靠,按序点对点递交(TCP)拥塞控制流量控制连接建立不可靠的(“尽力而为”),无序的点对点或广播递交:UDP不能提供的服务:实时性带宽承诺可靠的广播通信applicationtransportnetworkdatalinkphysicalapplicationtransportnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicallogicalend-endtransportapplicationtransportnetworkMP2applicationtransportnetwork应用层对传输协议的复用/分用segment（段）-传输层实体间交换数据的单位TPDU:传输层数据单元receiverHtHn分用:

将接收到的段传递给正确的应用层进程segmentsegmentMapplicationtransportnetworkP1MMMP3P4segmentheaderapplication-layerdata应用层对传输协议的复用/分用复用/分用:基于发送方,接收方的端口号,IP地址源,目的端口#s存在于每个段中用于特定应用的常用端口号（well-knownportnumber）：0～1023从多个应用进程获取数据,用首部(便于随后的分用)封装数据源端口

#宿端口

#32bits应用层数据(报文)其他首部字段TCP/UDP段格式复用:复用/分用:举例主机A服务器Bsourceport:xdest.port:23sourceport:23dest.port:x端口的使用:简单的telnet应用Web客户端主机AWeb服务器BWeb客户端主机CSourceIP:CDestIP:Bsourceport:xdest.port:80SourceIP:CDestIP:Bsourceport:ydest.port:80端口的使用:Web服务器SourceIP:ADestIP:Bsourceport:xdest.port:80路由器在因特网中的地位局域网（LAN）和拨号用户需要通过路由器接入因特网因特网的通信子网由各种路由器互连而成路由器是上网的“必由之路”路由器结构概述路由器的两个关键功能:运行路由算法/协议(RIP,OSPF,BGP)交换分组于输入链路到输出链路之间输入端口功能分散化的交换:

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，查找输出端口目标:以“线路速度”完成输入端口的处理排队:假如分组到达的数度快于转发到交换网络的（switchfabric）速度时物理层:位流级的接收数据链路层:e.g.,Ethernet输入端口上的排队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由于输入缓存的溢出导致了排队延迟和数据丢失!三类交换网络内存交换（SwitchingViaMemory）第一代路由器:

分组通过系统的（单个）CPU拷贝速度受到内存带宽的限制(每个分组需2次穿越系统总线)InputPortOutputPortMemorySystemBus现代路由器:

输入端口处理器执行查询路由表、和拷贝的功能

CiscoCatalyst8500总线交换（SwitchingViaBus）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总线竞争:

交换速率受限于总线的带宽1Gb/s总线,Cisco1900: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)通过内联网络交换（SwitchingViaAnInterconnectionNetwork）克服了总线带宽的限制Banyannetworks,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Cisco12000:通过内联网络交换速度可达若干Gb/s输出端口缓存当来自交换网络的分组到达速度高于传输速率时，需要进行缓存调度原则从队列中的分组中选择传输输出端口的排队当交换速度超过输出线路的速率时，需要进行缓存输出端口的溢出会造成排队（延迟）和数据丢失!因特网网络层的功能在通信主机之间传输分组网络层协议必须在每一台主机和路由器上实现两项重要功能:路径决策:

为分组在收发双方之间确定路径，路由选择算法交换:

在路由器的输入、输出端口传递分组networkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalnetworkdatalinkphysicalapplicationtransportnetworkdatalinkphysicalapplicationtransportnetworkdatalinkphysical因特网模型:数据报（Datagram）网络在网络层没有联接建立过程路由器:没有端对端的连接状态在网络层不存在“连接”的概念一般分组使用信宿主机的ID进行路由选择同样收发双方的不同分组可能经由的路径可能不同applicationtransportnetworkdatalinkphysicalapplicationtransportnetworkdatalinkphysical1.Senddata2.Receivedata数据报vs.虚电路网络因特网数据交换在计算机之间进行“弹性”服务,没有严格的实时性要求“聪明”的端系统(计算机)可进行自适应,执行控制,出错恢复网络内部比较简单,“边缘上”比较复杂利用了许多链路类型各具有不同的特性统一服务标准十分困难ATM电话网络演化而来人们的交流:严格要求实时性,和可靠需要服务承诺“傻瓜式”的端系统电话机复杂性在网络内部因特网网络层routingtable主机,路由器的网络层功能:RoutingprotocolspathselectionRIP,OSPF,BGPIPprotocoladdressingconventionsdatagramformatpackethandlingconventionsICMPprotocolerrorreportingrouter“signaling”Transportlayer:TCP,UDPLinklayerphysicallayerNetworklayer路由选择路由选择算法抽象:图中的结点是路由器图中的线条为物理链路链路成本:延迟,￥费用,或拥塞的程度目标:

在收发双方的通信过程中为分组（所经由的一系列路由器中）确定一条“好”的路径路由选择协议AEDCBF2213112535“好”路:一般为费用最低的路径也可以另行定义路由算法分类全局或分散的信息?全局:所有路由器都有完整的拓扑逻辑,链路成本信息“linkstate”

算法分散:路由器只了解物理上邻接的路由器，了解到达这些路由器的链路成本通过迭代计算处理,可与相邻路由器交换信息“distancevector”

算法静态或动态的?静态:

路由变化较少的情况动态:路由变化较快的情况定期更新为了响应链路成本的变化IP寻址IP地址:32-bit用来定义主机,路由器的接口接口:

连接主机,路由器之间的物理链路路由器一般有多个接口主机也可能有多个网络接口IP地址只和接口有关,而与主机,路由器却没有太多关联223.1.1.1223.1.1.2223.1.1.3223.1.1.4223.1.2.9223.1.2.2223.1.2.1223.1.3.2223.1.3.1223.1.3.27223.1.1.1=11011111000000010000000100000001223111IP寻址IP地址:网络部分(高序位)主机部分(低序位)网络是什么?

(从IP地址的视角)IP地址中网络部分相同的设备接口不经过路由器就可以物理上相互通达的设备223.1.1.1223.1.1.2223.1.1.3223.1.1.4223.1.2.9223.1.2.2223.1.2.1223.1.3.2223.1.3.1223.1.3.27由3个IP网络组成的网络(对于以223开头的IP地址,前24位

为网络地址)LANIP地址0networkhost10networkhost110networkhost1110multicastaddressABCDclass1.0.0.0to126.255.255.255128.0.0.0to191.255.255.255192.0.0.0to223.255.255.255224.0.0.0to239.255.255.25532bits为讨论“网络”的说法,重新审视IP地址:“分类”编址:IP寻址如何找到网络?先断开路由器,主机间的接口连接建立一个“被隔离的网络孤岛”223.1.1.1223.1.1.3223.1.1.4223.1.2.2223.1.2.1223.1.2.6223.1.3.2223.1.3.1223.1.3.27223.1.1.2223.1.7.0223.1.7.1223.1.8.0223.1.8.1223.1.9.1223.1.9.2由6个网络组成的互联系统IP编址:CIDR分类编址:地址空间的利用率低,地址空间面临耗尽e.g.,一个B类网址可以容纳65K台主机,但可能被一个只有2K台主机的单位占据CIDR:

ClasslessInterDomainRouting地址的网络部分长度任意地址格式:a.b.c.d/x,这里的x表示地址中网络部分的位数#1100100000010111

0001000000000000networkparthostpart200.23.16.0/23IP地址:如何获取?主机地址(主机部分):由系统管理员编制和分配DHCP:

DynamicHostConfigurationProtocol:动态获取:“plug-and-play”主机广播“DHCPdiscover”

报文DHCP服务器用“DHCPoffer”报文响应主机请求IP地址：“DHCPrequest”

报文DHCP服务器发送地址:“DHCPack”

报文链路层:工作环境链路层:工作环境两个物理上连接的设备:主机-路由器,路由器-路由器,主机-主机协议数据单元:frame（帧）applicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysicalMMMMHtHtHnHtHnHlMHtHnHlframe物理链路数据链路协议接口卡链路层的服务成帧,链路访问:

将分组封装入帧,加上帧头,帧尾如果是共享介质，则需实现信道的访问,‘物理地址’放在帧首用来确定信源、信宿物理地址≠IP地址在两台物理上连接的设备之间实现可靠传递:

不太用在误码率低的场合(光纤,某些双绞线)无线链路:误码率相当高Q:为什么在链路层和端到端之间都要做可靠性的校验?链路层的服务(续)流量控制:

保持收发双方的同步错误检测:

信号衰减和噪声会导致出错.接收端检测到错误时:给发送端信号要求重发或丢弃出错帧错误校正:

接受端检测多个位错并加以校正而无需要求发送端重发链路层:实现通过“adapter（网卡或适配器）”实现e.g.,PCMCIA卡,以太网卡一般适配器都含有:RAM,DSP芯片,主机的总线接口,和链路接口applicationtransportnetworklinkphysicalnetworklinkphysicalMMMMHtHtHnHtHnHlMHtHnHlframephys.linkdatalinkprotocoladaptercard链路类型有三种类型的“链路”:点对点(e.g.PPP,SLIP)广播式

(共享线路或介质;e.g,以太网,无线网,etc.)交换式(e.g.,交换式以太网,ATMetc)多点访问协议一条共享的通信信道两个或多个结点可同时发送信号:相互干扰在某一时刻只有一个结点可以成功地发送信号多点访问协议:分布式的算法来决定如何共享信道,i.e.,决定工作站何时可以发送注意：有关共享通道的通信（协商）也必须在该通道自身上解决!多点访问协议我们希望多点访问协议能够解决什么问题:同步还是异步了解其他站点的信息健壮性(e.g.如何对待信道错误)性能局域网与802协议组LLC与MACLLC(LogicLinkControl)统一局域网对网络层的交互界面MAC(MediaAccessControl)对不同的物理链路采用不同的访问控制策略MAC协议:分类通道分割将信道分割成较小的“片”

(时隙,频率)将小片分给各站点使用随机访问允许冲突从冲突中“恢复”“排队”严格协调访问来避免冲突目标:

高效,公平,简单,分散控制随机访问协议当结点有数据要发送时：使用信道全部的传输速率R.在诸多结点中不存在“预先”协商的机制可能发生两个以上结点同时传输->“冲突”随机访问的MAC协议定义了:如何检测冲突如何从冲突中恢复(e.g.,通过延迟重发)随机访问MAC协议的实例:ALOHACSMAandCSMA/CDCSMA:CarrierSenseMultipleAccessCSMA:

（载波检测多路访问）发送前侦听:如果信道闲置:发送整个分组如果信道忙,推迟发送坚持性CSMA:

当信道闲置时，以p的概率立即重试(可能导致不稳定)非坚持性CSMA:

在某个随机间隔以后再试为人处事的规则之一:不要打断别人的发言!CSMA的冲突冲突可能发生在:由于传播延迟两个节点可能听不到对方的发送冲突:整个分组的传输时间被浪费以太网结点间的时空图注意:这里的冲突概率是由距离和传播延迟来决定的CSMA/CD

(CollisionDetection，冲突检测)在冲突发生后，短时间内可探测到立即中断传输,减少信道的时间浪费坚持性或非坚持性重传冲突检测:

在有线LAN中简便易行:检测信号强度,比较收、发的信号在无线LAN比较困难:传输时接收器是关闭的人类社会的范例:彬彬有礼的交谈者CSMA/CD冲突检测LAN技术已经提到的数据链路层的内容有:服务,错误检测/校正,多点访问下面:讨论LAN技术编址以太网（Ethernet）集线器、网桥、交换机802.11无线LAN协议PPP（点对点协议）LAN地址和ARP32位的IP地址:

网络层地址用于从目的网络获取分组(参见IP地址定义，p171)LAN(或MAC或物理)地址:用来(在同一网络中)物理上互相连接的接口之间获取分组（或帧）48位MAC地址(绝大部分LANs)

烧制在适配器的ROM中LAN地址和ARP每个LAN上的网卡都有具唯一性的LAN地址LAN地址(续)MAC分配由IEEE管理制造商购买部分MAC地址空间(以保证唯一性)比方:(a)MAC地址:美国人的社会保险号

(b)IP地址:类似邮政地址

MAC平面地址=>可以迁移可以将LAN卡从一个LAN换到另一个IP层次性地址不可迁移取决于某个站点接入的网络有关路由选择的讨论223.1.1.1223.1.1.2223.1.1.3223.1.1.4223.1.2.9223.1.2.2223.1.2.1223.1.3.2223.1.3.1223.1.3.27ABEA站点给B站点发送IP分组：查找B站点的网络地址,发现B站点与其在同一网络中给B站点发送的分组是通过链路层的帧来传送的

B’sMACaddrA’sMACaddrA’sIPaddrB’sIPaddrIPpayload分组帧帧的源、宿地址分组的源、宿地址ARP:地址解析协议（AddressResolutionProtocol）每个LAN上的IP结点(主机,路由器)都有ARP模块,和表ARP表:是某些LAN结点的IP/MAC地址映射

<IP地址;MAC地址;TTL><…………..>TTL(TimeToLive):超过TTL的地址映射会被删除(一般为20分钟)Q:

若已知B站点的IP地址，

如何确定其MAC地址?ARP协议A知道B的IP地址,需要了解B的物理地址A广播

ARP查询帧,包含了B的IP地址所有LAN的主机都收到ARP查询B接收到ARP帧,将其物理地址返回给AA对收到的IP/MAC地址对进行缓存直到信息过期(超时)软状态:除非定期刷新，否则超时信息将被删除LAN之间的路由选择穿越:经由R将A的数据传输到BARB以太网（Ethernet）“统治”

LAN的技术:便宜，￥50for100Mbs!最早被广泛应用的LAN技术较为简单,比tokenLANs和ATM便宜赶上了速率竞赛的步伐:10,100,1000MbpsMetcalfe’sEtheretsketch以太网:应用CSMA/CDA:检测信道,if

闲置then{

发送并检测信道;If

检测到了其他站点传输

then{

中止传输并发送冲突信号;更新冲突#;按指数退避算法延迟发送;gotoA}else

{帧发送结束;将冲突次数置0}}else{等待正在进行的传输结束并gotoA}以太网的CSMA/CD(续)冲突信号（JamSignal）:

保证所有其他的收发器能够意识到发生的冲突;48bits;指数退避（ExponentialBackoff）:

目的:使得重发的企图能够与推测出的当前负载相适应在重负荷下:随机等待的时间将更长些首次冲突:从{0,1}中选择K；延迟的时长为Kx512bit传输时间第二次冲突后:从{0,1,2,3}选择K…在10次或更多的冲突发生后：从{0,1,2,3,4,…,1023}选择K以太网技术规范举例:10Base210:10Mb/s;Base:

基带传输2:

最大电缆长度在200米以下在总线拓扑结构中使用细同轴电缆中继器用来连接多个网段(4中继器，5个网段)中继器为物理层设备：将其在一个接口上收到的位流复制到所有其他接口上发送!以太网技术:10Base2细同轴电缆，可靠性稍差BNCT型接头连接总线型拓扑用于办公室LAN细缆BNC接头NIC每段最大长度185m每段最多站点数30两站点间最短距离0.5m网络最大跨度925m

网络最多5个段以太网技术:10BaseTNICHUB段最大长度100m双绞线介质（UTP）以Hub（集线器）为中心节点。Hub－多端口转发器。拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。转发器/中继器/HUB——物理层设备(工作在物理层)。用于小型LAN。10BaseT/100BaseT自适应网络10/100Mb/s传输速率;后者被称为“快速以太网”T:

代表双绞线（TwistedPair）所有结点通过双绞线连接到集线器（Hub）,物理上呈现出“星型拓扑”CSMA/CD算法在集线器（Hub）中实现从结点到集线器的最长距离为100米集线器可以与发生故障的适配器断开而不影响其他100BaseT保持以太网最短帧格式不变，但是一个网段的最大缆长减小到100米需要注意：网卡、网线规格、集线器技术参数的匹配局域网的扩展：集线器（Hubs）物理层设备:本质上是中继器:将接收到的位流在所有其他接口上复制发送集线器可以按照层次结构“级联”

,把骨干（backbone

）集线器置顶端集线器的局限单一的冲突域导致了最大吞吐量不可能增加多层结构的吞吐量实际与单个网段相同对单个LAN中同样的冲突域的限制也强加到了所有新近加入到这个互联LAN的结点上不能连接不同类型的以太网(e.g.,10BaseT和100baseT)

扩展的局域网：网桥(Bridge)链路层设备:

使用以太网帧工作,检查帧的首部的信宿地址后，选择性的进行转发由于网桥可以缓存帧，网桥可以隔离碰撞域

当在网段间转发帧时,网桥使用CSMA/CD方式访问网段并进行传输扩展的局域网：网桥(续)网桥优点:隔离冲突域使得网络的最大总吞吐量提高,对接入的结点数和地理覆盖的范围没有限制由于是存储转发设备，所以可以连接不同的以太网透明:不需要改变主机的LAN网络接口适配器网桥:帧的过滤,转发网桥过滤帧同LAN网段内传输的帧不转发到其他的LAN网段转发:如何知道那个LAN网段在哪，如何转发?看起来好像是路由选择问题(只不过距离短一点!)主干网桥（BackboneBridge）网桥过滤网桥可以通过自学了解某台主机可以从哪个接口到达:维护过滤表当帧到达时,网桥“得知”发送方的位置:信号进入的LAN网段在过滤表中记录发送方的位置过滤表的条目:(结点的LAN地址,网桥的接口,时间戳-TimeStamp)过滤表中过期的条目会被丢弃(TTL可以为60分钟)过滤filteringprocedure:If

信宿LAN地址与接收到的帧处于同一网段then

丢弃该帧；else{

查询过滤表

if发现了信宿的条目then

按条目所指的接口进行转发;else

泛洪（flood）;/*在除了接收该帧的接口以外的所有接口上进行转发*/}

网桥自学过程:举例假设C给D发送帧，D再用帧对C进行应答C发送帧,网桥没有D的资