Internet与宽带IP城域网.ppt

1、第6章 Internet与宽带IP城域网,6.1 Internet基本概念及特点,Internet的基本概念Internet又称互连网，其本质就是网络的互连，或者说是网络的网络。 Internet是由许多分布在世界各地共享数据信息的计算机组成的一个大型网络，这些计算机通过电缆、光纤、卫星等连接在一起，包括了全球大多数已有的局域网(LAN)、城域网(MAN)和广域网(WAN)。,6.1.1 Internet的基本概念,6.1.2 Internet的特点,Internet的主要特点是TCP/IP是它的基础与核心。,6.2 Internet网络标准：TCP/IP,6.2.1概述,TCP/IP 是当今

2、计算机网络最成熟、应用最广泛的互连技术，其拥有一套完整而系统的协议标准。它采用了TCP/IP 协议集，TCP和IP是其中最重要的两个协议。, TCP/IP模型,6.2.2 TCP/IP分层模式,TCP/IP 共分五层。与OSI 七层模型相比，TCP/IP 没有表示层和会话层，这两层的功能由最高层应用层提供。同时，TCP/IP 分层协议模型在各层名称定义及功能定义等方面与OSI模型也存在着差异。如表6.所示。,表6.TCP/IP分层模型与OSI模型比较,图6.2 TCP/IP协议簇,TCP/IP 是由许多协议组成的协议簇，其详细的协议分类如图6.2所示。,TCP/IP的主要特点如下： 高可靠性。

3、 安全性。 灵活性。 互操作性。,TCP/IP模型各层功能, 应用层 TCP/IP 应用层为用户提供访问Internet 的一组应用高层协议，即一组应用程序，例如FTP、Telnet等。 应用层的作用是对数据进行格式化，并完成应用所要求的服务。数据格式化的目的是便于传输与接收。,运输层 TCP/IP运输层的作用是提供应用程序间（端到端）的通信服务。该层提供了两个协议： 传输控制协议TCP：负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于一次传送大量报文，如文件传送等。 用户数据报协议UDP：负责提供高效率的服务，用于一次传送少量的报文，如数据查询等。,网络层 网络层的主要功能有三点： 处理来自运输层的分

4、组发送请求：收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择路由，然后将数据报发往适当的网络接口。, 处理输入数据报：首先检查输入的合法性，然后进行路由选择。假如该数据报已到达目的地（本机），则去掉报头，将剩下的部分(即运输层分组)交给适当的传输协议；假如该数据报未到达目的地，则转发该数据报。, 处理差错与控制报文：处理路由、流量控制、拥塞控制等问题。 Internet 报文控制协议ICMP：用于报告差错和传送控制信息，其控制功能包括：差错控制、拥塞控制和路由控制等。,Ping实用程序允许你验证与远程计算机的连接。 测试对方计算机在不在，若存在会返回信息 用ping命令可对当前的网络配置进行检

5、验：开始运行输入（附件c:命令提示符）以下命令可做相应的检查： Ping ：如果通表示TCP/IP协议安装正确或正在工作。 Ping 自己IP地址：若正确表明网络配置正确 Ping 网关：表局域网正常 Ping 路由外地址表示完全正常 若正常显示：Reply from 6 若不通显示：Request timed out, 网络接口层 网络接口层是TCP/IP协议软件的最低一层，主要功能是负责接收IP数据报，并且通过特定的网络进行传输；或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，上交给IP层。,Internet的地址结构,6.2.3 编址与域名系统,TCP

6、/IP 协议规定，Internet 地址同样采用分层结构，由网络地址和主机地址组成，用以标识特定主机的位置信息，如图6.3所示。,图6.3 TCP/IP地址结构,IP地址 IP网络中每台主机都必须有一个唯一的IP地址； IP地址是一个逻辑地址；(与MAC地址比较一下),IP地址是主机在Internet上的门牌号码,IP地址的表示,IP地址采用32位二进制数字表示， 目前使用的IP协议版本IPv4规定： IP地址的长度为32位(bit)。 43亿个地址的IP地址资源已尽枯竭（在1978年刚刚确立这个协议的时候，43亿确实是一个很大的数字，但Internet跳跃式的增长已使未分配的地址空间越来越小

7、） IPv6：将32位地址空间扩展为128比特。 足以提供2128个地址资源，在可以预见的未来，足以为世界上所有的网络用户提供足够多的IP地址（地址数目为1038数量级，相当于目前全球60亿人口人均1028个IP地址）,IP地址常用点分十进制标记法：,32位，4个字节， 如 00001010 00000010 00000000 00000001,10,2,10,1,每个字节转化为十进制,IP地址的表示,每个数的取值范围为0255,TCP/IP的地址分类,TCP/IP 协议规定，每个Internet地址长比特，以X.X.X.X格式表示， X为比特，其值为。这种格式的地址被称为“

8、点分十进制”地址。,Internet 地址分为五类，其中A类、 B类和 C 类地址为基本的Internet 地址（或称主类地址）；还有D类和 E类为次类地址。各类地址格式如图6.4所示。,图6.4 各类地址格式, 子网地址,子网编址技术是指在Internet地址中，对于主机地址空间采用不同方法进行细分，通常是将主机地址的一部分分配给子网。 子网编址方法由图6.5所示。在Internet 地址中，网络地址部分不变，原主机地址划分为子网地址和主机地址。,图6.5 子网编址方法,4.子网的划分,为了使IP地址的使用更加灵活，在IP地址中又增加了个“子网号字段”。一个单位分配到的IP地址是IP地址的网

9、络号，而后面的主机号则由本单位进行分配。为了使本单位的主机便于管理，可以将本单位所属主机划分为若干个子网，用IP地址中的主机号字段中的前若干个比特作为“子网号字段”，后面剩下的仍为主机号字段。,5. 子网掩码,具体的做法是：子网掩码由一连串的“1”和一连串的“0”组成。“1”对应于网络号和子网号字段，而“0”对应于主机号字段。,图6.7 子网掩码的编码,6.地址的转换,在TCPIP体系中都有这两种转换的机制。 对于较小的网络，可以使用TCP/IP体系提供的叫做hosts的文件来进行从主机名字到IP地址的转换。文件hosts上有许多主机名字到IP地址的映射，供主叫主机使用。,对于较大的网络，则在

10、网络中的几个地方放有域名系统DNS域名服务器，上面分层次放有许多主机名字到IP地址转换的映射表。源主机中的名字解析软件自动找到DNS的域名服务器来完成这种转换。域名系统DNS属于应用层软件。,7. 域名系统,Internet 中IP 地址由比特组成，对于这种数字型地址，用户很难记忆和理解。为了向用户提供一种直观明白的主机标识符，TCP/IP 开发了一种命名协议，即域名系统DNS（Domain Name System）。这是一种字符型的主机名字机制，用于实现主机名与主机地址间的映射。 在Internet中，报文传送时必须使用IP地址。用户输入的是主机名字，DNS的作用是将名字自动翻译成IP地址。

11、,6.2.4 无分类编址CIDR,CIDR(Classless Inter-Domain Routing)是无分类域间路由选择的缩写。它主要是为解决IP地址(指IPv4的32bit地址)即将全部耗尽而面临无地址可分配的状况而提出的一种提高IP地址资源利用率的一种办法。,CIDR的特点及表示法如下: (1) CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配IPv4的地址空间。,CIDR使用各种长度的网络前缀(network-prefk)来代替分类地址中的网络号和子网号。它的记法是: IP地址:=网络前缀，主机号,CIDR还使用斜线记法(slash notatio

12、n)，它又称为CIDR记法，即在点分十进制表示的IP地址后面加上一个斜线/，然后写上网络前缀所占的比特数(这个数值对应于三级编址中子网掩码中比特1的个数)。例如，4/20，表示在这个32bit的IP地址中，前20bit表示网络前缀，而后面的12bit为主机号。,(2) CIDR将网络前缀都相同的连续的IP地址组成CIDR地址块。一个CIDR地址块是由地址块的起始地址和地址块中的地址数来定义的。,CIDR地址块也可用斜线记法来表示。例如，/20表示的地址块共有2exp(12)个主机号地址，而该地址块的起始地址是。在不需要指出地址块

13、的起始地址时，也可将这样的地址块简称为/20地址块。上面的地址块的最小地址和最大地址是:,CIDR虽然不使用子网了，但仍然使用掩码这一名词(但不叫子网掩码)。对于“/20”地址块，它的掩码是:11111111 11111111 11110000 00000000 20个连续的1)。斜线记法中的数字就是掩码中1的个数。,6.3宽带IP城域网,6.3.1宽带IP城域网概念,宽带IP城域网的基本定义是：宽带IP城域网是基于宽带技术，以电信网络的可管理性，可扩充性为基础，在城域范围内汇集宽窄用户的接入，面向满足集团用户、个人用户对各种宽带多媒体业务(互联网访问、虚拟专用网等)需求的综合宽带网络，是电信

14、网络的重要组成部分，向上与骨干网络互连。,宽带IP城域网,6.3.2宽带IP城域网所提供的业务,1.非实时业务： 2.实时业务： 3.互联或组网型业务： 4.带宽和专线出租业务：,6.3.3 宽带IP城域网中的路由器和交换机,1.二层交换机,二层交换机是数据链路层的设备，它读取数据包中的MAC地址信息并根据MAC地址进行交换。交换机内部有一个地址表(或者叫缓存)，这个地址表标明了MAC地址和交换机自端口的对应关系。,2.路由器,路由器是通过转发数据包来实现网路互连的设备。路由器可支持多种协议，可以在网络层上转发数报包。,3.三层交换机,三层交换机实质上是一个带有三层路由功能的二层交换机，是三层

15、路由功能和二层交换的有机结合。 简单地说，三层交换技术就是:二层交换技术+三层转发技术。,1.宽带IP城域网的网络结构,6.3.4 宽带城域网的网络结构和功能分层,城域网在组网结构上可分为核心层、汇聚层、接入层，如图6.8所示。,图6.8 宽带城域网组网结构,(1)核心层 核心层主要是把边缘汇聚层连接起来，为汇聚层网络提供数据的高速转发，同时实现与上级网络的互联，提供城市的高速数据出口。,(2)汇聚层 汇聚层主要完成本区域内业务的汇接，进行带宽和业务汇聚、收敛和分发，并进行用户管理，通过识别定位用户实现基于用户的访问控制和带宽许可，同时提供安全保证和灵活的计费方式。,(3)接入层 接入层主要利

16、用多种接入技术，迅速覆盖用户，进行带宽和业务分配，实现用户的接入，必要时配合完成用户流量控制功能。,2.宽带IP城域网的实现方案,采用高速路由器为核心，路由器或交换机作为汇聚层的三层网络设计(路由+交换) 采用高速LAN交换机为核心，交换机作为汇聚层(全交换)的二层网络设计,(1)采用高速路由器为核心组建的IP城域网,图6.9 采用高速路由器为核心组建IP城域网,(2)采用高速LAN交换机为核心组建IP城域网,图6.10采用高速LAN交换机为核心组建IP城域网,6.3.5宽带IP城域网的传输技术,根据所采用的传输技术以及核心节点设备的不同，当前主要有以下三种组网技术。,1. IP over A

17、TM,IP over ATM是把面向连接的ATM的能力引入到无连接的IP中去，利用ATM优良的QoS保证、对多业务的支持以及高稳定性为IP网络提供高质量的稳定的具有兼容性的核心平台。,IP与ATM的结合是一种优势互补的结合。但实现起来仍有其困难之处。首先，ATM是面向连接的，而IP是无连接的。其次，IP协议有其相应的寻址方式、选路功能和地址结构，而ATM也有相应的信令，选路规程和地址结构。将这两种技术揉合在一起已出现了两类揉合的模式，即重叠模型和集成模型。,重叠模型: IP协议在ATM上运行。在ATM网上的端点使用ATM地址和IP地址两者来标识。 集成模型:ATM层被视为IP的对等层。在ATM

18、的端点只需标识IP地址，而不需应用地址解析协议。建立连接时使用非标准的ATM信令协议。ATM交换机的工作类似于一个多协议的路由器。,2.IP over SDH,所谓IP over SDH，即以IP over SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络，并使用链路适配及成帧协议PPP(Point-to-Point Protocol)对IP数据包进行封装，然后按字节同步的方式把封装后的IP数据包映射到SDH的同步净荷封装(SPE)中，按其各次群相应的线速率进行连续传输。,3. IP over WDM,IP over WDM的思路是:不仅省掉了ATM层，也省掉了中间的SDH层，将IP直接放在光路上传输

19、。显然，这是一种最简单直接的体系结构，省掉了中间的ATM层和SDH层，简化了层次，减少了网络设备和功能重叠，减轻了网络配置的复杂性。额外的开销最低，传输速率最高。,Traditional “IP Over WDM”,IP,ATM,SDH,WDM,WDM,6.4接入Internet的几种方式,6.4.1. 通过电话网接入nternet,通过电话网接入Internet是指用户计算机使用调制解调器，通过电话网与ISP相连接，再通过ISP的连接通道接入Internet，如图6.11所示。,图6.11 通过电话网接入Internet,ISP是Internet服务的提供者，是用户接入Internet的入口

20、点。一方面，它为用户提供Internet接入服务；另一方面，它也为用户提供各类信息服务。,6.4.2通过数据通信网接入Internet,通过数据通信网接入Internet是指用户局域网使用路由器，通过数据通信网与ISP相连接，再通过ISP的连接通道接人Internet，如图6.12所示。,图6.12通过数据通信网接入Internet,1.通过DDN专线接入Internet,局域网用户可以通过DDN专线接入Internet，其接入速率可以是64kbit/s,128kbit/s,再高速率可以是2.048Mbit/s。其接入方式的连接示意图如图6.13所示。,DDN - - VPN,图6.13 通过

21、DDN专线接入Internet,2.通过分组网专线电路接入Internet,该方式即通过分组网以TCP/IP协议上网,同DDN专线电路上网类似,所不同的是电路是分组网的虚电路(SVC或PVC)。用户除需是分组网用户外,还需配备支持TCP/IP协议的路由器和运行IP软件的主机或网络,同时用户还根据需要为其网上的所有设备申请IP地址和单位的域名。,3.通过帧中继电路接入Internet,通过帧中继电路接入Internet的连接示意图如图6.14所示。 该方式即通过帧中继交换网以TCP/IP协议上网,同DDN专线电路上网类似,所不同的是电路一般是帧中继网的PVC虚电路(SVC基本不用)。,图6.14

22、 通过帧中继电路接入Internet,6.4.3 通过ADSL接入 Internet,ADSL接入系统典型结构如图6.15所示。它主要由局端设备和用户端设备组成。其中局端设备包括ATU-C,DSLAM和POTS分离器；用户端设备包括ATU-R和POTS分离器。,图6.15 ADSL接入系统典型结构,1. FTTX+xDSL,6.4.4 光纤混合接入模式,世界各国的电信运营公司为了利用现有的用户线资源,正在积极开发宽带铜线接入技术,包括ADSL、HDSL和VDSL等,统称为xDSL技术。 具体应用的连接方式如图6.19所示：,图6.19 FTTX +ADSL连接方式,2.FTTX + LAN,具

23、体应用的连接方式如图6.20所示：,图6.20 FTTX + LAN连接方式,1. 小区以太网接入网络结构,6.4.5 通过以太网接入Internet,小区以太网接入宽带IP城域网的接入模型如图6.21所示。,图6.21 小区以太网接入宽带IP城域网的接入模型,6.5 下一代IP技术IPv6,1.IPv4存在的问题,6.5.1 IPv6技术的引入及其特点, IPv4地址空间即将耗尽: 路由表急剧膨胀: 无法提供多样的QOS: 网络安全令人担忧:,2. IPv6的主要特点,(1)更大的地址空间 IPv6将地址从IPv4的32bit增大到了128bit,使地址空间增大了倍。,(2)扩展的地址层次结

24、构 IPv6由于地址空间很大,因此可以划分为更多的层次。IPv6具有与网络层次适配的层次地址。 (3)灵活的首部格式 IPv6定义了许多可选的扩展首部,不仅可提供比IPv4更多的功能,而且还可提高路由器的处理效率,这是因为路由器对扩展首部不进行处理(除逐跳扩展首部外)。,(4)改进的选项 IPv6允许数据报包含有选项的控制信息,因而可以包含一些新的选项。 (5)允许协议继续扩充 (6)支持即插即用(即自动配置) (7)支持资源的预分配。,1.地址类型,6.5.2 IPv6地址体系结构构,TCP/IP支持3种不同类型的网络地址,即单播(unicast)、组播(multicast)和任播(anyc

25、ast)。 (1)单播地址是点对点通信时使用的地址。 (2)组播地址表示主机组。 (3)任播地址也标识接口组,它与组播的区别在于发送分组的方法。,2. IPv6的地址格式,IPv6的地址体系采用多级体系。这充分考虑到怎样使路由器更快地查找路由。 IPv6的地址格式如图6.22所示。其地址空间被划分为若干大小不等,图6.22 IPv6的地址格式,3.IPv6地址表示法,在每个4位一组的十六进数中,如其高位为0,则可省略,即采用零压缩,例如 1080:0000:0000:0000:0008:0800:20OC:417A 可缩写成 1080:0:0:0:8:800:20OC:417A 进一步可将一连

26、串的零用一对冒号取代,上例变为 1080:8:800:20OC:417A,6.5.3 Ipv4向IPv6演进技术,在IPv4的网络环境里组建IPv6网络,可以通过双协议栈和隧道技术来实现。 双协议栈是指在完全过渡到IPv6之前,使一部分主机(或路由器)装有两个协议栈,一个IPv4和一个IPv6(如图6.23)。因此双协议栈主机(或路由器)既能够和IPv6的系统通信,又能够和IPv4的系统进行通信。双协议栈的主机(或路由器)记为IPv6/IPv4,表明它具有两种IP地址:一个IPv6地址和一个IPv4地址。,图6.23 双协议栈,向IPv6过渡的另一种方法是隧道技术。图6.25给出了隧道技术的工

27、作原理。 这种方法的要点就是在IPv6数据报要进入IPv4网络时,将IPv6数据报封装成为IPv4数据报(整个的IPv6数据报变成了IPv4数据报的数据部分)。然后IPv6数据报就在IPv4网络的隧道中传输。,当IPv4数据报离开IPv4网络中的隧道时再将其数据部分(即原来的IPv6数据报)交给主机的IPv6协议栈。图6.25 (a)表示在IPv4网络中打通了一个从B到E的IPv6隧道,路由器B是隧道的入口而E是出口。图6.25 (b)表示数据报的封装要点。在隧道中传送的数据报的源地址是B而目的地址是E。 在IPv4网络的隧道中传送IPv6数据报:(b)隧道不改变IPv6数据报的首部,图6.2

28、5 使用隧道技术进行从IPv4到IPv6的过渡,背景： “The Design Philosophy of the DARPA Internet Protocols” (David Clark, 1988). 基本目的: 有效的网络连接 当前Internet上有两个命名空间: IP 地址, DNS 域名 Mobility is not really considered in original architecture. Changing IP addresses Breaks TCP connections Fundamental problem: Identity vs. topology

29、 IP address is a topological identifier, not a user or host identifier Temporary disconnection during movement Applications often dont know how to cope,15,www.uni-goettingen.de,多宿主性（Multihoming） 和 主机识别协议（HIP）,OSI和TCP/IP分层模型比较,当前IP地址的功能,地址和标识 Locator (Network point of view) 确定主机在哪里的方法： 定义

30、拓扑结构 路由 位置标识 Identifier (Application point of view) 确定主机唯一网络接口的方法 每一个网络接口都有一个唯一的地址 终端的识别符号 通信中IP地址不应该改变 主机改变地址的做法跟大多数传输层协议不兼容。,当前Internet架构的主要问题,网络层和传输层耦合在一起，不能独立演进发展。 IP 地址: 位置标识和主机识别的功能被耦合在一起： 移动性和终端名字改变的问题,移动性 and 多宿主,移动性 主机移动 保持连接 多宿主 多宿主主机（Host multihoming）和多宿主连接（site multihoming） 主机具有多个网络接口 一个

31、跟Internet的连接含有多个 Internet Service Providers (ISPs),移动性,Mobile IP,Home network,Foreign network,CN,128.174.5.x,171.64.14.x,多宿主（Multi-homing）,100,目的 提供冗余（Redundancy） 均衡负载（Load sharing） 提高性能（Performance） 政策限制（Policy constraints）,实现方法 主机或网络有多个网络连接通过: - 几个 internet service providers (ISPs) - 多个网络接口 - 多个网络

32、地址,多宿主类型（Multi-homing Types）,101,Site Level Multi-homing Host Level Multi-homing,Multi-homing 问题 与解决方案,102,问题 网络连接不断改变 IP地址的改变将会影响传输层协议的连续性. 解决方案: 传输层不会意识到IP地址的改变,如果把人看成主机，那么,Bart and Lisa Scenario,怎么写信给你呢?,钱江湾33号楼204,Bart and Lisa Scenario,钱江湾33号楼204.,金沙港3号楼204.,钱江湾33号楼204.,金沙港3号楼204.,主机的移动性,Mobile

33、 IP,Home network,Foreign network,CN,128.174.5.x,171.64.14.x,Bart,Maggie,Bart and Lisa Scenario,Lisa,Lisa 金沙港3号楼204,Lisa Lisa 钱江湾33号楼204- 金沙港3号楼204,Lisa 金沙港3号楼204,HIP Scenario,DNS,DNS query: “Responder”,DNS reply: IP address,Initialization: Hello, lets talk using HIP!“,HIP（Host Identity Protocol）,把路由

34、和端点的识别分开 一个新的空间或者标识 Host identity namespace 认证和密匙交换协议 ESP (Encapsulated Security Payload) 协议用来传输数据. RVS (rendezvous server) 用作解决移动性的结点 新的DNS服务器可以用来储存 HIT (Host Identity Tags). 移动结点在RVS处进行注册 HIP architecture HIP itself (HIP Base) Support for mobility and multihoming (HIP MM) ESP transport of user dat

35、a (HIP ESP) A rendezvous mechanism (HIP RVS) A DNS extension (HIP DNS) A registration mechanism (HIP Reg),HIP 层次结构,Data Link Layer,Network Layer,Transport Layer,Session Layer,Physical Layer,Presentation Layer,Application Layer,IP Address,TCP/UDP,HIP Layer,HIP overview: Host identity 地址空间（namespace）,

36、Host identity namespace: 每个主机被分配至少一个 Host Identifier (HI) HI 是一个公共密匙（of asymmetric public/private key pair） HI 唯一的识别一个主机, 一个主机可以具有很多 HIs HIs 和一个或多个 IP地址进行动态绑定 in protocols: HIT (128 bit) or LSI (32 bit) represent HI Host Identifier Tag (HIT): 128 bit hash value of HI for IPv6-sized address structure

37、s (Keyed Hash Identifier (KHI) method) Local Scope Identifier (LSI) 32 bit datum for IPv4-sized address structures 这样以来，传输层就可以和主机识别符 (HIT or LSI)绑定而不是和IP地址绑定,HIP overview: HIP protocol,HIP 数据包有一个HIP包头，此包头和IP包头相邻 目前，HIP数据包不含有要传输的数据 数据包通过其他的协议进行传输 (例如 ESP transport) 8 HIP packet types: I1, R1, I2, R2

38、for HIP base exchange UPDATE: Update message, used e.g. for mobility and Multi-homing (parameters are e.g. LOCATOR, SEQ, ACK, SPI, ECHO_REQUEST, ECHO_RESPONSE) NOTIFY: optional, may be used to provide information to a peer CLOSE, ClOSE_ACK: Closing HIP association,Protocol overview,Initiator,Respond

39、er,Base exchange,Initiator,Responder,solve puzzle,verify, authenticate, replay protection,Based on key exchange protocols Every packet contains HIT(I) and HIT(R) in the header.,HIP overview: ESP transport,ESP is a possibility to transport the actual user traffic between HIP-enabled peer hosts Suppor

40、t for ESP transport is mandatory During HIP base exchange a pair of Security Associations are created between the peer hosts SAs are bound to HITs, not to IP addresses re-addressing possible ESP Security Parameter Indexes (SPIs) are used for identifying ESP Security Association AND for identifying HIT association (IP addresses HITs) ESP layer: Outgoing packets: changing HITs to IP addresses Incoming packets: changing IP addresses to HITs,ESP from MN