计算机网络原理(陈鸣版)总复习PPT课件.ppt

计算机网络原理 总复习 2019 10 20 第一章计算机网络概论 2 2020 1 8 计算机网络的定义计算机网络 是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备 通过通信线路连接起来 在网络操作系统 网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下 实现资源共享和信息传递的计算机系统 两种传递数据的方法 电路交换 circuitswitching 主要用于电话网 在发送方和接收方之间通过多台交换机建立一条连接 电路circuit 分组交换 packetswitching 主要用于计算机网络网络实体可抽象为两种基本构件 结点和链路端到端原则边缘智能 核心简单两种文件可靠传输方案保证文件在每两个结点之间都能可靠传输只进行发送方到接收方的端到端检查 3 2020 1 8 几种体系结构的比较网络三要素语法 数据与控制信息的结构或格式语义 发出何种控制信息 完成何种动作以及做出何种响应定时 事件实现顺序的详细说明 4 2020 1 8 四种时延 1011001 发送器 队列 结点B 结点A 在结点A中产生处理时延和排队时延 数据 链路 哪种时延占主导地位 5 2020 1 8 网络带宽链路在一段特定的时间内所能传送的比特数的额定值吞吐量网络在单位时间内无差错地传输数据的能力瓶颈链路路径中可用带宽最小的链路 时延与带宽乘积 6 2020 1 8 第二章数据通信基础 7 2020 1 8 奈奎斯特 Nyquist 公式 比特率与波特率 波特 baud 码元的传输单位 1波特为每秒传送一个码元 比特率 信号每秒钟传输的数据的位数 单位是bit s 即每秒钟传输0和1的个数 波特率 波特率指的是信号每秒钟电平变化的次数 单位是Hz 如一个信号在一秒钟内电平发生了365次变化 那么这个信号的波特率就是365Hz 与频率的概念相区别 频率是指每秒钟的周期数 而每个周期都会有几次电平变化 8 2020 1 8 比特率与波特率的关系 若一个信号只有两个电平 每秒钟电平变化的次数也就是传输的0 1这两个数了 即比特率 波特率 有些信号可能不止两个电平 比如一个四电平的信号 那么每个电平就可以被理解成 00 01 10 11 这样每次电平变化就能传输两位的数据了 即比特率 2 波特率 八个电平呢 一般地 bitrate baudrate 这里M就是信号电平的个数 9 2020 1 8 最高数据传输速率与带宽 最高数据传输速率 信道在单位时间内可以传输的最大比特数 单位为bit s 带宽 信道都有一个最高的信号频率和最低的信号频率 只有在这两个频率之间的信号才能通过这个信道 这两个频率的差值就叫做这个信道的带宽 单位是Hz 电话信道 人耳 mp3 信道的最大数据传输速率和带宽有什么关系呢 10 2020 1 8 奈奎斯特 Nyquist 公式 对于一个带宽为W Hz 的无噪声信道 最高的码元传输速率C 如果编码方式的码元状态数为M 得出最高数据传输速率C M为信号状态数量 W为信道带宽 11 2020 1 8 奈奎斯特定理的局限性 奈奎斯特定理适用的情况是无噪声信道 用来计算理论值 没有噪声的信道在现实中是不存在的 那么有噪声的信道该如何计算呢 香农公式给了我们答案 信道的最高数据传输速率C可表达为C Wlog2 1 S N bps其中 W为信道带宽 以Hz为单位 S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率 S N用来计算信噪比 12 2020 1 8 通信方式单工通信半双工通信全双工通信两种信号基带信号 直接用两种不同的电压来表示 然后送到线路上去传输宽带信号 基带信号调制后所形成的频分复用模拟信号 需要两条信道 13 2020 1 8 双绞线的类型 14 2020 1 8 同轴与光纤 15 2020 1 8 无线链路的特征衰减的信号强度 当无线电信号传播通过物质时 信号削弱 路径损失 来自其他源的干扰 标准的无线网络频率 如2 4GHz 由其他设备共享 如电话 设备 发动机 干扰多径传播 无线电信号反射离开物体 以稍微不同的时间到达目的地 16 2020 1 8 编码的目的为使信道有效传输和接收结点有效识别 先要将比特编码为信号 再传输 17 2020 1 8 几种编码方式 18 2020 1 8 几种编码方式 a NRZ b 曼码 c 差分曼码 19 2020 1 8 4B 5B编码NRZ 0和1太多 NRZI 0太多 曼码 差分曼码编码效率太低 4B 5B编码是百兆以太网中线路层编码类型之一 就是用5bit的二进制数来表示4bit二进制数 目的 让码流产生足够多的跳变 即足够多的1 两个规则 每个5比特码组中不含多于3个 0 或者5比特码组中包含不少于2个 1 克服了NRZI编码方式中逢 1 跳变 逢 0 不跳变导致的0过多而产生的持续高低电平的问题 最后再用NRZI编码方式进行编码并传输 同时解决了0和1过多的问题 20 2020 1 8 多路复用数据通信系统或计算机网络系统中 传输媒体的带宽或容量往往会大于传输单一信号的需求 为了有效地利用通信线路 希望一个信道同时传输多路信号 这就是所谓的多路复用技术 Multiplexing 采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输 在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用 频分多路复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 和时分多路复用TDM TimeDivisionMultiplexing 是两种最常用的多路复用技术 21 2020 1 8 频分复用 FDM 和时分复用 TDM 22 2020 1 8 波分复用 WDM 将不同的波长多路复用到一根光纤上一根光纤复用光波数量可达320个 一根光纤达传输10Tbps码分多址 CDMA 编码 原始数据 X 码片速率序列 解码 编码的信号和码片速率序列的内积 23 2020 1 8 CDMA编码 解码例子1 1 用户1的码 a1 1 1 1 11111 2 用户2的码 a2 11 111 11 1 3 用户1的数据 d1 1104 用户2的数据 d2 0105 编码过程 用户1的数据 1 1 1 11111 1 1 1 11111 00000000 用户2的数据 00000000 11 111 11 1 00000000 6 叠加 1 1 1 11111 20 202020 00000000 7 1 1 1 11111 20 202020 00000000 a1 1108 1 1 1 11111 20 202020 00000000 a2 010 24 2020 1 8 CDMA编码 解码例子2 时隙1 时隙0 Zi m di cm 时隙0信道输出 时隙1信道输出 信道输出Zi m 发送方 编码 数据比特 时隙1 时隙0 时隙0信道输出 时隙1信道输出 接收方 编码 接收的输入 25 2020 1 8 三种交换方式电路交换 端对端通信质量因约定了通信资源获得可靠保障 对连续传送大量数据效率高 报文交换 无须预约传输带宽 动态逐段利用传输带宽对突发式数据通信效率高 通信迅速 分组交换 具有报文交换之高效 迅速的要点 且各分组小 路由灵活 网络生存性能好 26 2020 1 8 PCM调制技术将模拟信号转变为数字信号 PCM先要对该模拟信号进行采样采样定理 该采样频率不能低于信号最高频率的2倍如电话信号 最高频率为3 4kHz 采样频率 6 8kHz 采样的标准定为8kHz 即采样周期为125 s 27 2020 1 8 第三章直接连接的网络 28 2020 1 8 成帧面向比特的协议5个连续1加1个0PPP协议面向字节的协议DLE对ETX进行转义 01111110 01111110 29 2020 1 8 两种处理帧差错的方法检错重发 检测到发送方报文受损 则通知发送方重传副本特点 差错率低的情况下效果好适用场合 检错重发适合链路差错率很低的场合 如有线通信前向纠错 纠错通过额外信息 预先 进行特点 时效性好适用场合 前向纠错适合对时间要求很高的场合 如航天和实时控制应用层的两种前向纠错方法 每n个块通过异或的方式得到第n 1个冗余块每个块的低分辨率版冗余块附在下一个块上 30 2020 1 8 奇偶校验单比特奇偶校验PER 分组差错率BER 比特差错率PER 1 1 BER N若N BER远小于1 则PER约为N BER如当N 104 BER 107时 PER 10 3 缺陷 若出现偶数个比特差错 就讲导致一个未检出的差错 二维比特奇偶校验可以证明 二维比特检验可以查出所有1 2 3个比特的差错和大部分4个比特的差错 代价是增加了冗余信息 奇偶比特 数据比特 0 0 奇偶差错 奇偶差错 可纠正的单比特差错 无差错 31 2020 1 8 检验和发送方 将段内容作为16比特整数序列来处理检验和 段内容相加 补码和 发送方将检验和的值放入UDP检验和字段接收方 计算接收到段的检验和检查是否计算的检验和等于检验和字段的值NO 检测到差错YES 没有检测到差错 仍可能有错 1110001100110011011110101010101011101110111011101111011101110111100100011110000110010100101011001000010010101100100111011010100110110 回卷 和 检查和 求反 和 回卷 对不同的报文 容易找到具有相同检验和的另一段报文 IOU100 99B B 494F553130302A3939422242 message ASCIIformat B2C1A1AC IOU900 19B B 494F553930302A3139422242 message ASCIIformat B2C1A1AC 不同的报文但相同的检验和 报文 报文 ASCII形式 ASCII形式 32 2020 1 8 循环冗余校验多项式与二进制编码如生成多项式为G x x4 x3 x 1 可转换为二进制数码11011生成多项式G x 与信息多项式C x 如发送信息为1111 则转换成信息多项式为C x x3 x2 x 1 模2除除数对被除数最高几位做模2减若余数最高位为1 商为1 若余数最高位为0 商为0例 要传输的数据为 1101011011 除数设为 10011 除数设为 10011 在计算前先将原始数据后面填上4个0 11010110110000 33 2020 1 8 可靠数据传输SW0 1 2 3 34 2020 1 8 流水线 35 2020 1 8 流水线协议 回退N步例子 发送窗口为3 序号范围为 0 3 分组序号 2bit 36 2020 1 8 流水线协议 选择重传 37 2020 1 8 选择重传 窗口长度问题例子 序号 0 1 2 3窗口长度 3接收方 在 a 和 b 两种情况下 接收方没有发现两者间的差别 在 a 中不正确地将冗余的当新的 而 b 中不正确地将其当作冗余的窗口长度小于等于序号空间的一半 38 2020 1 8 多路访问协议 信道划分协议多个发送 接收结点同时使用信道 如何协调它们共享一个信道碰撞 结点同时接收到两个或更多信号两条思路 当多个结点频繁访问信道 协同结点无碰撞 统一控制效率高当大量结点偶尔访问信道 结点随机占资源 简单算法解碰撞三种类型 信道划分将信道划分为较小的 段 时隙 频率 编码 为每个结点分配一部分专用轮流结点轮流 信息较多的轮流发送的时间较长随机访问不划分信道 允许碰撞设法从 碰撞 恢复 39 2020 1 8 TDMA 时分多路访问FDMA 频分多路访问共同特点 消除了碰撞且公平结点在每个帧时间内得到了专用的传输速率R Nbps若系统仅有少数几个有大量分组要发送的结点分配的频率或时隙被浪费适合场合所有结点都持续有大量数据发送 40 2020 1 8 轮流协议令牌传递 无中心 控制令牌从一个结点顺序地传递到下一个令牌报文关注问题 令牌开销时延单点故障 令牌消失 轮询 有中心 主结点 邀请 从结点依次传输关注问题 轮询开销时延单点故障 主结点 41 2020 1 8 随机访问协议大量结点以小概率发送分组以信道全部速率R传输结点间无优先权协调两个或更多传输结点发送 碰撞 小概率 随机访问MAC协议定义了 如何检测碰撞如何从碰撞中恢复 例如 经延迟后重新传输 CSMA CD 基于碰撞检测的载波侦听多路访问协议 发前先听如果侦听到信道忙 推迟传输如果侦听到信道空闲 传输整个帧边发边听发送时侦听到信道忙 立即停止 转发强化冲突信号依然可能发生碰撞 42 2020 1 8 CSMA CD原理 43 2020 1 8 强化碰撞信号当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时 除了立即停止发送数据外 还要再继续发送若干比特的人为干扰信号 以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞 CSMA CD的争用期2 争用期 只有经过争用期的考验 才能确定这次传输没有发生碰撞 以太网取51 2 s作为争用期长度 对于10Mb s的以太网 争用期内可以发送512bit数据 即64字节 若前64字节没有发生冲突 则后续数据也不会发生冲突 冲突一定在前64字节出现 一旦检测到冲突会立即停止发送 此时发送的数据一定小于64字节 因此以太网规定最短有效帧长64字节 凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧 最短帧长 传播介质长度 2传播速率 传输速率 44 2020 1 8 截断二进制退避算法截断二进制指数类型的退避算法 发生碰撞以后的重传原则确定基本退避时间 一般取为争用期2 定义参数k k min 重传次数 10 因此k不超过10从离散的整数集合 0 1 2 2k 1 中随机取出一个数 记为r 重传所需的时延就是r倍的基本退避时间 当重传达16次仍不能成功时 这表明同时打算发送数据的结点太多 则丢弃该帧 并向上层报告 如第一次重传 k 1 r 0或1 结点重传可选择的推迟时间是0或2 若再发生碰撞 则k 2 r 0 1 2 3 则重传推迟时间是0 2 4 6 以此类推 45 2020 1 8 以太网 MAC地址LAN地址 物理地址 MAC地址 通常用6字节16进制表示如1a 03 65 3F 2e 46共有248个LAN地址IEEE地址分配方式 固定前24bit 公司生成后24bit 每个适配器具有唯一MAC地址MAC地址 身份证号 IP地址 收货地址 46 2020 1 8 以太网 帧结构前导码 前同步码为10101010的7个字节 加10101011的一个字节用于发送方和接收方的时钟同步目的地址 6字节如果适配器接收具有匹配的目的地址或广播地址 如ARP分组 的帧 它将帧中的数据提交给网络层协议否则 适配器丢弃帧类型 2字节 指示较高层协议 大多数为IP但也可以支持其他类型如NovellIPX和AppleTalk 载荷 46 1500字节 网络层下达的数据报 CRC 在接收方核对 如果检测到差错 该帧被丢弃帧间隙 当适配器检测到连续12字节没有电流 则认为一个帧结束 47 2020 1 8 以太网 协议CSMA CD截断二进制退避算法以太网 信道利用率 LAN中的两站点之间的最大传播时间T0 传输最长帧的时间随着 趋于0 效率趋于1随着T0趋于无穷大 效率趋于1 当a T0 效率 48 2020 1 8 以太网 特点无连接 在发送和接收适配器之间没有握手不可靠 接收适配器不向发送适配器发送应答或否定应答传送给网络层的数据报流可能有丢包如果应用程序使用TCP 将能弥补丢包否则 应用程序将发现面临丢包CRC检验没有通过则丢弃优点 简单且便宜 丢包问题通过传输层来弥补以太网 标准许多不同的以太网标准 定义了共同的MAC协议和帧格式不同的标准 100BASE 2 100BASE 5 100BASE T 1000BASE F 10GBASE T不同的物理层媒体100 传输速率为100Mbps2 传输距离不超过200米 5 传输距离不超过500米 T 使用双绞线传输 F 使用光纤传输 49 2020 1 8 以太网 传输距离传输距离问题 100Mbps 100m 双绞线 1Gbps 5km 光纤 根据要提高传输速率 并保持以太网的效率 只能相应提高帧长或降低线路距离 50 2020 1 8 链路层设备 中继器 51 2020 1 8 链路层设备 集线器 52 2020 1 8 链路层设备 交换机 基于存储转发 53 2020 1 8 交换机自学习泛洪 A A B B C C 1 2 3 4 5 6 帧目的地位置未知 泛洪 目的地A位置已知 选择性发送 交换机表 初始为空 54 2020 1 8 交换机 3种交换方式交换机互联 A B S1 C 55 2020 1 8 虚拟局域网 没有Vlan的情况 网络中心 教1楼 A系 A系 B系 B系 C系 C系 教2楼 教3楼 56 2020 1 8 虚拟局域网 有Vlan的情况 B系 A系 网络中心 教1楼 A系 B系 C系 C系 教2楼 教3楼 trunk trunk trunk access 单臂路由 access access 57 2020 1 8 第四章网络互联 58 2020 1 8 路由的概念路由 route 指分组从源到目的地所经过的端到端路径 路由选择 routing 指在一个网络特定范围内 决定分组从源到目的地应采用的端到端路径的决策过程 关系 路由是通过路由选择得到的结果 路由选择是得到路由的过程 路由表静态配置 将电脑与路由器的console端口连接 使用电脑上的超级终端软件或路由器提供的配置软件就可以对路由器进行配置优点 可人为干预路由选择过程 屏蔽某些指定目标 节省路由器带宽缺点 不能动态发现新的和失效的路由 人工配置工作量大动态学习 每个路由器定时把自己的路由表广播给邻居 邻居之间互相交换路由表优点 可以动态了解网络的变化 新增 失效的路由都能动态地导致路由表做相应变化缺点 占用网络带宽 需要停下数据转发工作来处理路由广播 维护路由表 降低了路由器的吞吐量 59 2020 1 8 分组的直接交付和间接交付直接交付在一个直接连接的网络上时 分组从一台主机上直接传送到另一台主机的过程间接交付不在一个直接连接的网络上时 源主机必须先把分组发给一个路由器直接交付不需要通过路由器 间接交付必须通过路由器 60 2020 1 8 网络服务模型 虚电路服务虚电路建立 发送方发出呼叫 决定虚电路的所有路径 为每条链路分配一个VC号 在链路中每台路由器中增加一个表项数据传输 每个分组加入VC号数据传输完毕 拆除虚电路 清楚所有路由器中的相应表项 61 2020 1 8 网络服务模型 数据报服务分组带完整的目的地址 路由器能使分组到达目的地无需建立任何虚电路 路由器里也无需维护任何有关数据报状态信息根据目的地址在该转发表中查找输出链路接口 并从该接口转发该分组路由器中保持非常简洁的信息在任何时刻可修改转发表 同路径的分组可能走不同的路径 可无序到达 62 2020 1 8 IP协议一种无连接 不可靠的分组传送服务的协议 IP协议提供的是一种 尽力而为 的服务 IPv4数据包格式 63 2020 1 8 标识 标志与片偏移 分片过程中 哪些字段会发生变化 64 2020 1 8 IPv4编址 二进制到十进制的转换方法 65 2020 1 8 IPv4地址分类 net id24bit host id24bit net id16bit net id8bit 0 A类地址 host id16bit B类地址 C类地址 0 1 1 D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 11110 0 1 66 2020 1 8 子网掩码 67 2020 1 8 划分子网 68 2020 1 8 例子主机1的IP地址为146 26 27 71主机2的IP地址为146 26 27 110子网掩码为255 255 255 192判断它们是不是在同一个子网上 结论 子网号都是0001101101 因此它们属于同一个子网 69 2020 1 8 超网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 来代替分类地址中的网络号和子网号 IP地址从三级编址 使用子网掩码 又回到了两级编址 一个CIDR地址块可以表示很多地址 这种地址的聚合常称为路由聚合 它使得路由表中的一个项目可以表示很多个原来传统分类地址的路由 路由聚合也称为构成超网 10 0 0 0 10可简写为10 10 也就是将点分十进制中低位连续的0省略 10 0 0 0 10相当于指出IP地址10 0 0 0的掩码是255 192 0 0 即11111111110000000000000000000000网络前缀的后面加一个星号 的表示方法如0000101000 在星号 之前是网络前缀 而星号 表示IP地址中的主机号 70 2020 1 8 私有地址10 0 0 1 10 255 255 254172 16 0 1 172 31 255 254192 168 0 1 192 168 255 25254广播地址主机号全1的地址为直接广播地址 如156 25 0 128 27的广播地址是156 25 0 159 层次编址与路由聚合 最长前缀匹配规则 200 19 22 161 11001000000100110001011010100001 200 19 25 10 1100100000010011000110010001010 71 2020 1 8 DHCP从DHCP获取的IP地址只能在有限的时间内使用 称之为租用期租用期结束 主机须向DHCP服务器申请续租 否则地址将被收回DHCP的优点 即插即用 适用于人员加入 离开频繁的场合 降低了用户使用难度 缺点 当主机在子网间移动时 连接无法维持 72 2020 1 8 网络地址 网络号net id 主机号host id 两级IP地址 网络号 三级IP地址 主机号 子网号 子网掩码 因特网部分 本地部分 因特网部分 本地部分 划分子网时的网络地址 AND 73 2020 1 8 128 30 33 1 0 128 30 33 13 H1 子网1 网络地址128 30 33 0子网掩码255 255 255 128 128 30 33 130 1 R2 子网2 网络地址128 30 33 128子网掩码255 255 255 128 H2 128 30 33 138 0 1 128 30 33 129 H3 128 30 36 2 子网3 网络地址128 30 36 0子网掩码255 255 255 0 128 30 36 12 划分子网后分组的转发举例 74 2020 1 8 主机H1要发送分组给H2 128 30 33 1 0 R1的路由表 未给出默认路由器 128 30 33 13 H1 子网1 网络地址128 30 33 0子网掩码255 255 255 128 128 30 33 130 R1 1 R2 子网2 网络地址128 30 33 128子网掩码255 255 255 128 H2 128 30 33 138 0 1 128 30 33 129 H3 128 30 36 2 子网3 网络地址128 30 36 0子网掩码255 255 255 0 128 30 36 12 要发送的分组的目的IP地址 128 30 33 138 请注意 H1并不知道H2连接在哪一个网络上 H1仅仅知道H2的IP地址是128 30 33 138 因此H1首先检查主机128 30 33 138是否连接在本网络上如果是 则直接交付 否则 就送交路由器R1 并逐项查找路由表 75 2020 1 8 主机H1首先将本子网的子网掩码255 255 255 128与分组的IP地址128 30 33 138逐比特相 与 AND操作 76 2020 1 8 因此H1必须把分组传送到路由器R1然后逐项查找路由表 128 30 33 1 0 R1的路由表 未给出默认路由器 128 30 33 13 H1 子网1 网络地址128 30 33 0子网掩码255 255 255 128 128 30 33 130 R1 1 R2 子网2 网络地址128 30 33 128子网掩码255 255 255 128 H2 128 30 33 138 0 1 128 30 33 129 H3 128 30 36 2 子网3 网络地址128 30 36 0子网掩码255 255 255 0 128 30 36 12 77 2020 1 8 路由器R1收到分组后就用路由表中第1个项目的子网掩码和128 30 33 138逐比特AND操作 128 30 33 1 0 R1的路由表 未给出默认路由器 128 30 33 13 H1 子网1 网络地址128 30 33 0子网掩码255 255 255 128 128 30 33 130 R1 1 R2 子网2 网络地址128 30 33 128子网掩码255 255 255 128 H2 128 30 33 138 0 1 128 30 33 129 H3 128 30 36 2 子网3 网络地址128 30 36 0子网掩码255 255 255 0 128 30 36 12 255 255 255 128AND128 30 33 138 128 30 33 128不匹配 因为128 30 33 128与路由表中的128 30 33 0不一致 R1收到的分组的目的IP地址 128 30 33 138 不一致 78 2020 1 8 路由器R1再用路由表中第2个项目的子网掩码和128 30 33 138逐比特AND操作 128 30 33 1 0 R1的路由表 未给出默认路由器 128 30 33 13 H1 子网1 网络地址128 30 33 0子网掩码255 255 255 128 128 30 33 130 R1 1 R2 子网2 网络地址128 30 33 128子网掩码255 255 255 128 H2 128 30 33 138 0 1 128 30 33 129 H3 128 30 36 2 子网3 网络地址128 30 36 0子网掩码255 255 255 0 128 30 36 12 255 255 255 128AND128 30 33 138 128 30 33 128匹配 这表明子网2就是收到的分组所要寻找的目的网络 R1收到的分组的目的IP地址 128 30 33 138 79 2020 1 8 NAT 网络地址转换内部主机X用本地地址IPX和因特网上主机Y通信所发送的数据报必须经过NAT路由器 NAT路由器将数据报的源地址IPX转换成全球地址IPG 注意方向 但目的地址IPY保持不变 然后发送到因特网 NAT路由器收到主机Y发回的数据报时 知道数据报中的源地址是IPY而目的地址是IPG 根据NAT转换表 NAT路由器将目的地址IPG转换为IPX 转发给最终的内部主机X NAT引起的争议 路由器的处理上升为第三层违反了端到端原则地址短缺应当由IPv6来解决 80 2020 1 8 ARP 地址解析协议ARP表 MAC IP地址映射 IP1 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 HA2 IP6 主机H1 主机H2 路由器R1 IP层上的互联网 IP2 IP4 IP3 IP5 路由器R2 IP数据报 在具体的物理网络的链路层只能看见MAC帧而看不见IP数据报 工作在数据链路层 81 2020 1 8 A Y X B Z 主机B向A发送ARP响应分组 主机A广播发送ARP请求分组 ARP请求 ARP请求 ARP请求 209 0 0 5 209 0 0 6 00 00 C0 15 AD 18 08 00 2B 00 EE 0A 我是209 0 0 5 硬件地址是00 00 C0 15 AD 18我想知道主机209 0 0 6的硬件地址 我是209 0 0 6硬件地址是08 00 2B 00 EE 0A A Y X B Z 209 0 0 5 209 0 0 6 00 00 C0 15 AD 18 82 2020 1 8 使用ARP的四种典型情况 发送方是主机 要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机 这时用ARP找到目的主机的硬件地址 发送方是主机 要把IP数据报发送到另一个网络上的一个主机 这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址 剩下的工作由这个路由器来完成 发送方是路由器 要把IP数据报转发到另一个网络上的一个主机 这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址 剩下的工作由这个路由器来完成 发送方是路由器 要把IP数据报转发到本网络上的一个主机 这时用ARP找到目的主机的硬件地址 83 2020 1 8 ICMPICMP InternetControlMessageProtocol 设计用于网络维护和管理允许端系统或路由器报告差错情况 为网管人员提供适当的工具以查询网络结点的信息由主机和路由器用于网络级信息的通信回声请求 回答 ping使用 IP数据报携带ICMP报文 84 2020 1 8 自治系统 内部网关协议与外部网关协议 R1 H1 H2 内部网关协议IGP 例如 RIP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP IGP EGP EGP EGP 内部网关协议IGP 例如 OSPF 外部网关协议EGP 例如 BGP 4 IGP R3 R2 85 2020 1 8 内部网关协议 RIP仅和相邻路由器交换信息 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息 即自己的路由表 按固定的时间间隔交换路由信息 例如 每隔30秒 RIP协议使用运输层的用户数据报UDP进行传送 使用UDP的端口520 因此RIP协议的位置应当在应用层 但转发IP数据报的过程是在网络层完成的 86 2020 1 8 距离向量算法收到相邻路由器 其地址为X 的一个RIP报文 1 先修改此RIP报文中的所有项目 将 下一跳 字段中的地址都改为X 并将所有的 距离 字段的值加1 2 对修改后的RIP报文中的每一个项目 重复以下步骤 若项目中的目的网络不在路由表中 则将该项目加到路由表中 否则若下一跳字段给出的路由器地址是同样的 则将收到的项目替换原路由表中的项目 否则若收到项目中的距离小于路由表中的距离 则进行更新 否则 什么也不做 3 若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表 则将此相邻路由器记为不可达的路由器 即将距离置为16 距离为16表示不可达 4 返回 87 2020 1 8 N17A无新信息 不改变N25C相同的下一跳 更新N39C新的项目 添加进来N65C不同的下一跳 距离更短 更新N84E不同的下一跳 距离一样 不改变N94F不同的下一跳 距离更大 不改变 88 2020 1 8 11 21 31 F E D C B A 51 61 21 51 31 41 41 61 11 51 一开始 各路由表只有到相邻路由器的信息 网3 网2 网4 网6 网5 网1 4 表示 从本路由器到网4 1 表示 距离是1 表示 直接交付 89 2020 1 8 F E D C B A 51 61 21 51 31 41 11 51 路由器B收到相邻路由器A和C的路由表 网3 网2 网4 网6 网5 网1 12A22A31 41 62C A说 我到网1的距离是1 因此B现在也可以到网1 距离是2 经过A 90 2020 1 8 F E D C B A 51 61 21 51 31 41 11 51 路由器B收到相邻路由器A和C的路由表 网3 网2 网4 网6 网5 网1 12A22A31 41 62C A说 我到网2的距离是1 因此B现在也可以到网2 距离是2 经过A 91 2020 1 8 F E D C B A 51 61 21 51 31 41 11 51 路由器B收到相邻路由器A和C的路由表 网3 网2 网4 网6 网5 网1 12A22A31 41 62C A说 我到网3的距离是1 但B没有必要绕道经过路由器A再到达网3 因此这一项目不变 92 2020 1 8 F E D C B A 51 61 21 51 31 41 11 51 路由器B收到相邻路由器A和C的路由表 网3 网2 网4 网6 网5 网1 12A22A31 41 62C C说 我到网4的距离是1 但B没有必要绕道经过路由器C再到达网4 因此这一项目不变 93 2020 1 8 F E D C B A 51 61 21 51 31 41 11 51 路由器B收到相邻路由器A和C的路由表 网3 网2 网4 网6 网5 网1 12A22A31 41 62C C说 我到网6的距离是1 因此B现在也可以到网6 距离是2 经过C 94 2020 1 8 最终所有的路由器的路由表都更新了 F E D C B A 11 21 31 42B52E63B 11 22A32A43A51 62F 12E22D33C42C51 61 13B23B32B41 52F61 网2 网6 网5 网1 网3 网4 12A21 32A43A51 62F 12A22A31 41 53C62C 95 2020 1 8 R2 R1 正常情况 11 12R1 R1说 我到网1的距离是1 是直接交付 1 表示 从本路由器到网1 1 表示 距离是1 表示 直接交付 好消息传播得快 而坏消息传播得慢 96 2020 1 8 R2 R1 正常情况 11 12R1 R2说 我到网1的距离是2 是经过R1 1 表示 从本路由器到网1 2 表示 距离是2 R1 表示经过R1 97 2020 1 8 R2 R1 正常情况 11 12R1 R1说 我到网1的距离是16 表示无法到达 是直接交付 但R2在收到R1的更新报文之前 还发送原来的报文 因为这时R2并不知道R1出了故障 98 2020 1 8 R2 R1 正常情况 11 12R1 R1收到R2的更新报文后 误认为可经过R2到达网1 于是更新自己的路由表 说 我到网1的距离是3 下一跳经过R2 然后将此更新信息发送给R2 99 2020 1 8 R2 R1 正常情况 11 12R1 R2以后又更新自己的路由表为 1 4 R1 表明 我到网1距离是4 下一跳经过R1 100 2020 1 8 R2 R1 R2 R1 网1出了故障 正常情况 11 116 15R2 12R1 12R1 这样不断更新下去 直到R1和R2到网1的距离都增大到16时 R1和R2才知道网1是不可达的 这就是好消息传播得快 而坏消息传播得慢 网络出故障的传播时间往往需要较长的时间 例如数分钟 这是RIP的一个主要缺点 101 2020 1 8 内部网关协议 OSPF向本自治系统中所有路由器发送信息 这里使用的方法是洪泛法 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态 但这只是路由器所知道的部分信息 链路状态 就是说明本路由器都和哪些路由器相邻 以及该链路的 度量 metric 只有当链路状态发生变化时 路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息 OSPF不用UDP而是直接用IP数据报传送 可见OSPF的位置在网络层 区域0 0 0 1 区域0 0 0 3 主干区域0 0 0 0 至其他自治系统 R9 R7 R6 R5 R4 R3 R2 R1 网8 网6 网3 网2 网1 网7 区域0 0 0 2 网4 网5 R8 自治系统边界路由器 区域边界路由器 主干路由器 内部路由器 OSPF需要建立全网拓扑图 102 2020 1 8 OSPF的5种分组类型类型1 问候 Hello 分组 类型2 数据库描述 DatabaseDescription 分组 类型3 链路状态请求 LinkStateRequest 分组 类型4 链路状态更新 LinkStateUpdate 分组 用洪泛法对全网更新链路状态 类型5 链路状态确认 LinkStateAcknowledgment 分组 OSPF使用的是可靠的洪泛法 更新报文 R R R t3 ACK报文 R t1 t2 t4 103 2020 1 8 外部网关协议 BGP BGP发言人 BGP发言人 BGP发言人 BGP发言人 BGP发言人 AS1 AS3 AS2 AS5 AS4 104 2020 1 8 BGP发言人交换路径向量 主干网 AS1 地区ISP AS2 地区ISP AS3 本地ISP AS6 N5 本地ISP AS7 N6 N7 自治系统AS2的BGP发言人通知主干网的BGP发言人 要到达网络N1 N2 N3和N4可经过AS2 105 2020 1 8 BGP发言人交换路径向量 主干网 AS1 地区ISP AS2 地区ISP AS3 本地ISP AS4 N1 N2 本地ISP AS5 N3 N4 主干网还可发出通知 要到达网络N5 N6和N7可沿路径 AS1 AS3 106 2020 1 8 路由器的结构路由器的性能指标全双工线速转发 以最小分组数据长度 64bit 和最小分组间隔在路由器端口上双向传输 在不丢包的情况下 每秒钟能够传输的最大分组数 是衡量路由器性能的最重要的指标 107 2020 1 8 移动IP 108 2020 1 8 IPv6IPv6用冒号十六进制表示法 用二进制格式表示的一个IPv6地址 00100001110110100000000000000000000000000000000000000000000000000000001010101010000000000000111111111110000010001001110001011010将这个128位的地址按每16位划分为8个位段 00100001110110100000000000000000000000000000000000000000000000000000001010101010000000000000111111111110000010001001110001011010将每个位段转换成十六进制数 并用冒号隔开 21DA 0000 0000 0000 02AA 000F FE08 9C5A零压缩法IPv6地址的例子 21DA 0000 0000 0000 02AA 000F FE08 9C5A根据零压缩法可以进一步简化表示为 21DA 0 0 0 2AA F FE08 9C5A21DA 2AA F FE08 9C5A注 双冒号在一个地址中只能出现一次如 0 0 0 2AA 12 0 0 0可以简写为 2AA 12 0 0 0或0 0 0 2AA 12 不可 2AA 12 109 2020 1 8 IPv6分组与报头结构 110 2020 1 8 IPv4到IPv6的过渡双协议栈结构隧道机制 111 2020 1 8 IP多播 IP多播地址只能用于目的地址 而不能为源地址 112 2020 1 8 第五章端到端协议 113 2020 1 8 运输层协议和网络层协议的主要区别 应用进程 应用进程 IP协议的作用范围 提供主机之间的逻辑通信 TCP和UDP协议的作用范围 提供进程之间的逻辑通信 因特网 运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信 但网络层是为主机之间提供逻辑通信 运输层还要对收到的报文进行差错检测 运输层需要有两种不同的运输协议 即面向连接的TCP和无连接的UDP 114 2020 1 8 TCP与UDP UDP在传送数据之前不需要先建立连接 对方的运输层在收到UDP报文后 不需要给出任何确认 虽然UDP不提供可靠交付 但在某些情况下UDP是一种最有效的工作方式 TCP则提供面向连接的服务 TCP不提供广播或多播服务 由于TCP要提供可靠的 面向连接的运输服务 因此不可避免地增加了许多的开销 这不仅使协议数据单元的首部增大很多 还要占用许多的处理机资源 115 2020 1 8 两类端口 一类是熟知端口 其数值一般为0 1023 当一种新的应用程序出现时 必须为它指派一个熟知端口 另一类则是一般端口 用来随时分配给请求通信的客户进程 主机上运行的进程可以用 IP地址 端口号 来标识 116 2020 1 8 UDP的主要特点 UDP是无连接的 即发送数据之前不需要建立连接 UDP使用尽最大努力交付 即不保证可靠交付 同时也不使用拥塞控制 UDP是面向报文的 UDP没有拥塞控制 很适合多媒体通信的要求 UDP