数据通信笫十八讲 路由协议和IP协议.ppt

1、1,数据通信与计算机网络（第二版）电子教案,笫十八讲 路由协议和IP协议,2,本讲内容,第七章 网络层 7.3 路由协议 7.3.1 路由信息协议RIP，RIP收敛问题 7.3.2 开放最短路径优先协议OSPF* 7.3.3 边界网关协议BGP* 7.4 IP协议 7.4.1 IP地址 7.4.2 IP子网和IP转发 7.4.3 IP协议格式 7.4.4 其它网络层协议 *是要求同学了解的，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。,3,7.3.1 路由信息协议RIP,路由器（Router）/网关（Gateway） 网络层的网络互连设备 主要功能是进行路由选择 互连的网络中的路由

2、选择和单个网络中的路由选择类似，只是要复杂得多。 当一个网络中的主机要给另外一个网络中的主机发送分组时，它首先把分组送给同一网络中用于网间连接的路由器，路由器根据目的地址信息，选择合适的路由，把该分组传递到目的网络用于网间连接的路由器中，然后通过目的网络中内部使用的路由协议，该分组最后被递交给目的主机。,4,7.3.1 路由信息协议RIP,路由信息协议RIP（Routing Information Protocol）是一个简单的距离向量路由协议。 RIP有两种工作模式 主机采用被动（passive）模式，只接收RIP消息 不会传递自己的路由表中的信息给别的路由器，只是静静地倾听其它RIP路由器

3、广播的路由信息，并且根据收到的路由信息更新自己的路由表。 路由器采用主动（active）模式，发送和接收RIP消息 定期把路由信息传递给其它RIP路由器，并且根据收到的RIP消息来更新自己的路由表。,5,RIP路由器上的路由表项 目的地的IP地址 到目的地的路径的距离的度量 到目的地的路径的下一个路由器的IP地址（如果目的地是直接连接的，不需要这个字段） 路由改变标志（指示这条路由信息是否最近被改变过） 和这条路由有关的一些计时器,7.3.1 路由信息协议RIP,6,RIP采用的距离度量是一种非常简单的测量到目的地的距离的方式：站点计数度量（或称站跳数、段跳数，hop）。 路由器把到它直接连接

4、的网络的距离定义为1，如果距离为n，表示它到达目的地途中要经过n个路由器，即：距离给出了该路由要经过的路由器的个数。 RIP在具体实现时常常允许管理人员对这些慢速的网络指定一个更大的距离度量值（1）。,7.3.1 路由信息协议RIP,7,RIP工作过程 RIP路由器初始化时，会把那些到达它所直接连接的网络的路由加载进来（距离一般被设置为1）。 一般RIP的具体实现也允许管理人员增加新的路由，比如说不是通过RIP协议了解到的路由。 每个RIP路由器每隔30秒广播一个路由消息。 RIP路由器也可能通过发送Request消息来询问别的路由器有关某些路由或者所有路由的信息，比如当一个主机启动后，可能要

5、求相邻的RIP路由器传递路由表中的所有信息。,7.3.1 路由信息协议RIP,8,当RIP路由器R从路由器G收到一个路由消息时，它检查该消息中包含的每一条到目的地D的路由，其中距离为cost(G,D)，把该路由与自己路由表中到同一目的地D的路由相比较。 如果路由表中不存在，在路由表中增加一条路由：到目的地D的下一个路由器跳段的地址为G，距离为cost(R,G)+cost(G,D)，其中cost(R,G)为本地网络的花费（经常为1）。 如果路由表中的路由把G作为下一个跳段，更新该路由的距离为cost(R,G)+cost(G,D)。,7.3.1 路由信息协议RIP,9,否则比较是否路由消息中指出的

6、到目的地D的路由的距离更短：cost(R,G)+cost(G,D)cost(R,D)？其中cost(R,D)为路由表中原有的到目的地D的路由。如果满足上述式子，说明找到一条更短的路由，更新路由表中那条到目的地D的路由：下一个跳段路由器为G，距离为cost(R,G)+cost(G,D)。 如果路由消息中新通知的路由和原来的路由的距离是一样的，RIP仍然选择使用老的路由，这有助于保持路由的稳定。,7.3.1 路由信息协议RIP,10,RIP路由失效 RIP在路由表中对每条路由都有一个计时器，当收到新的有关这条路由的消息时，该计时器被重新设置，如果计时器超时（超过180秒，即连续6次没有收到路由消息

7、，是一种n次有k次机制），这条路由就被宣告为失效，即目的地不可达。 失效路由并不马上从路由表中删去，因为这条失效的路由还应该向邻居路由器报告，经过一段超时（garbage-collection timer，90秒）后，该路由最终被从路由器中去掉。 RIP把距离在16 hops以上的路由作为不可达（“无穷大”）。 不可达的取值考虑到了网络的规模和收敛的速度两者之间的平衡。,7.3.1 路由信息协议RIP,11,和其它别的距离向量路由协议，RIP协议也会遇到无穷计数问题。 如图例：假设B、D之间的链 路现在出现故障，考虑到连 在D上的目的网络的路由。,7.3.1 RIP的问题,12,水平分割（Sp

8、lit-Horizon） 一种解决无穷计数问题的方法。 不要把从某个接口了解到的路由信息再通过该接口传递给其他路由器，以避免形成路由回路。例：如果A到某个目的地D的路由要经过邻居B，则A向B发送的更新消息不应包含到D的路由。 毒性反转（Poisoned reverse）水平分割 路由信息的距离被置为无穷大 能比水平分割方法更快地解除路由回路。 使用更多的网络带宽,7.3.1 RIP问题的解决,13,触发更新 水平分割解决了两个节点间的路由回路，但是考虑三个或者更多节点间的路由回路： C-D链路断开 A认为经B可以到达D C收到该消息，认为经A可到D C告诉B经A可到D 当路由器了解到到某个目的

9、地的路由有变化时，马上发送更新消息，从而加快收敛过程。 Hold-Down Timer 触发更新并不是万能的，可能在触发更新传遍整个网络前有一个节点发送了定时更新消息，无效路由会再次传播。 在发生触发更新时开始一个hold-down timer随机计时，忽略来自于邻居路由器的有关到该目的地的消息。同时可以防止触发更新消息产生过多的网络负载，而形成广播风暴。,7.3.1 路由信息协议RIP,14,7.3.1 RIP消息,RIP基于UDP，使用UDP端口号520。 RIP消息可以分为两类： 请求路由信息消息（RIP消息的COMMAND字段为1） 路由信息消息（RIP消息的COMMAND字段为2）

10、RIP消息都具有一个统一的格式 命令（COMMAND）字段指示RIP消息的类型（request或response） 地址家族标识（address family identifier）字段，使得RIP协议也可以在别的网络层协议下使用，而不是局限在TCP/IP环境中。 没有长度字段，这是因为下层的UDP有封装功能，从而可以知道消息的边界。,15,RIP消息格式,7.3.1 路由信息协议RIP,16,RIP协议局限性 因为RIP选择16作为无穷大，不能用在网络直径大于15的网络中。 RIP使用的距离度量非常简单，不能采取一种动态的方法（比如根据网络延迟或负载）来选择路由。 尽管RIP采用了很多措施（

11、比如毒性反转的水平分割和触发更新等）来解决无穷计数问题，但是这种可能性仍然存在，因此RIP一般用在网络规模不是很大的场合。 但RIP实现简单。目前的版本是RIPv2，它比RIPv1改进了许多。,7.3.1 路由信息协议RIP,17,自学,7.3.2 开放最短路径优先协议OSPF 7.3.3 边界网关协议BGP,18,7.4 IP协议,TCP/IP网络层的主体是IP，IP分组是真正应用数据的承载体。 IP提供一种无连接的、不可靠的网络服务。 IP协议（Internet Protocol，网际互连协议）给出了IP协议头部的格式、各个字段的含义以及主机和路由器如何处理IP分组。 路由选择 分组分段和

12、重组 流量控制（IP协议本身不处理）：ICMP Source Quench 主机编址和地址解析,19,7.4.1 IP地址,主要内容 IP地址的概述 什么是IP? IP地址的组成 IP地址的分类 特殊的IP 超网掩码与子网掩码（重点）,20,7.4.1 IP地址概述,1. Internet名字和地址 MAC地址08:00:20:72:93:18flat，不变 IP地址5topological(mostly) 主机名层次 主机名多对多IP地址多对一MAC地址 2. Internet中的每个主机或路由器有一个或者多个全局唯一的32位（bit）IP地址。

13、（IPv4） 一个IP地址标识主机的一个接口，而不是一个主机。 一个主机可能有两个以上地址。 3. IP地址包括网络号和主机号，其中网络号标识该网络，而主机号标识该网络中的主机。 路由时，只需要了解其他网络的位置，而不必了解每一台主机在互连网中的位置,21,4. IP地址分类,7.4.1 IP地址概述,22,7.4.1 IP地址概述,地址类：A/B/C/D/E类地址 两层的层次结构：网络ID主机ID 路由的方便不同的组织网络规模不同 IP地址根据前面4个比特属于不同的类 A类地址 0 xxx 0126 7位网络+ 24位主机 B类地址 10 xx 128191 14位网络+16位主机 C类地址

14、 110 x 192223 21位网络+8位主机 D类地址 1110 224239 组播地址 E类地址 1111 240254 保留/实验网络,23,5.IP地址的书写 IP地址通常用带点十进制标记法来书写，这时IP地址写成4个十进制数，相互之间用小数点（dot）隔开，每个十进制数（从0到255）表示IP地址的一个字节。 例：32位十六进制地址0 x0102FF04可以写成，这是一个A类地址，网络号为1。是B类地址，0是C类地址。 十进制标记法通常用于记忆，用于计算时常用二进制标记法。如：00000001.00000010. 111111

15、11.00000100。,24,网络号或主机号各比特位为全0或全1的地址有特殊的意义，必须保留而不能分配给主机使用。 全1的意义为“全部”（all）。 全0的意义为“这个”（this）。,25,内部地址 被预留并建议给内部网络使用，这些地址永远不出现在Internet中, RFC 1918 A类网络/8 B类网络/12 C类网络/16这些 内部网络和外部的Internet之间通过网络地址转换机制或者代理机制相连。 Internet中的路由器不会转发那些目的地址为内部IP地址的分组，即内部IP地址不能穿越一个机构的边界。 内部地址的分配

16、静态分配 动态分配,6.特殊的地址,26,7.4.2 超网掩码与子网掩码,网络上通信的主机双方需要保证各自IP地址的唯一性。 公网（如Internet）的IP地址有统一的管理机构来管理和分配IP地址。 IPv4地址及分类法的问题 总的地址空间不够。 A类网络主机数太多（地址浪费），C类网络主机数太少（增加路由负担，需要合并）。 如何充分利用IPv4地址资源？,27,1、超网掩码,实际应用中使用CIDR技术（Classless Inter-Domain Routing，无类域间路由） CIDR抛弃了IP地址类的边界（不再指定网络号或主机号的比特位数），从而形成无类或者超类。 即CIDR可以将一个

17、A类或B类网络分解成多个子网络，也可以将多个连续的C类网络合并成一个超网（supernetting）。 超网只承认网络位和主机位标识地址，不承认网络地址类概念。 超网描述格式：x.x.x.x/y，前面的x.x.x.x表示超网地址，后面的y表示IP地址的前y个比特为网络部分。,28,超网例：需要1000个IP地址，分配4个C类 (11000000.00111100.10000000.00000000) Class C subnet address (11000000.00111100.10000001.00000000) Class C sub

18、net address (11000000.00111100.10000010.00000000) Class C subnet address (11000000.00111100.10000011.00000000) Class C subnet address - (11000000.00111100.10000000.00000000) Supernetted subnet address (11111111.11111111.11111100.00000000) Subnet m

19、ask 55(11000000.00111100.10000011.11111111) Broadcast address 4个C类地址组成超网，可标识为： network , netmask 或 /22,29,2 、 IP子网和IP转发,IP子网(subnetting) 多个物理网络（子网）共享一个IP网络地址空间（常常为B类） IP地址主机部分的一些比特作为子网号 只有本地路由器知道子网的存在，外部路由器仍然认为这些子网是一个统一的网络。 本地路由器通过子网掩码来截取子网号 三层层次结构：网

20、络ID子网ID主机ID,30,网络（子网）掩码（netmask） 标识哪些地址属于网络部分，哪些地址属于主机部分。 由前面（左边）连续的1和后面（右边）连续的0组成：连续的1标识网络部分的位数，连续的0标识主机部分的位数。 如A类地址：，B类地址，C类地址 IP地址与子网掩码的“与”运算可以得到该主机所属的网络地址。,例：10001100.10110011.11011100.11001000 00 IP地址 11111111.11111111.11100000.00000000 255.255.224.

21、000 子网掩码 - 10001100.10110011.11000000.00000000 00 子网地址 10001100.10110011.11011111.11111111 55 广播地址,31,IP转发（路由） 直接路由（同一网络内）：目的节点在同一个子网中（源、目的IP地址和子网掩码进行与运算的结果相同）。 间接路由（不同网络间）：目的节点不在同一个子网（与运算的结果不同），必须经过路由器，且路由表中记录有目的网络的路由项。 缺省路由（不同网络间）：目的网络不在路由表中。,例：Destination Gateway interfa

22、ce default 93 rl0 lo0 92/26 link#1 rl0 /2494rl0,32,7.4.3 IP协议格式,IP分组作为高层数据传输承载体，将运输层PDU作为IP分组的有效载荷。 IP分组和TCP报文的关系,33,IP分组格式 和一般的协议格式类似，IP协议分组由IP头部和正文数据部分组成，协议的内容在头部表达。,7.4.3 IP协议格式,34,版本：IPv4 IHL：头部长度 以32位组为单位的分组头部长度（也即数据的起始位置）。

23、 IP头部最长60字节，最小20字节。 TOS：服务类型 用来让主机告诉子网它想要什么样的服务，它包括优先级、延迟、吞吐量和可靠性的要求。 现在的路由器产品都忽略TOS字段。 总长度 包括头部和用户数据的分组的字节数。 IP分组最长65535字节，实践中很少会超过1500字节，常限制为576字节。,7.4.3 IP协议格式,35,标识 用来让目的主机判断新来的分段属于哪个分组以便进行分段组装。 DF、MF：标志 用于分段和重组控制。 分段偏移 说明分段在原来分组中所处位置的偏移量，单位为8个字节。 TTL：生命期、步计数 分组经过一个路由器时，TTL字段减1；当TTL字段为0时，路由器丢弃该分组。 协议 指示高层协议（如TCP：6，UDP：17）。,7.4.3 IP协议格式,36,头部检验和 用来确保头部的完整性。 通过将头部所有16位整数按二的补码运算累加起来，然后取其结果的补码。 源地址、目的地址 分组的发送者和接受者的IP地址。 IP选项 分组的控制选项。 填充 填充以保证32比特边界。 用户数据 分组的有效载荷。,7.4.3