直接连接的网络

1、1. 直接连接的网络问题：物理上相连的主机，如何实现通信？最简单的网络就是所有主机都由某种物理介质直接相连的网络。构造这种网络的第一步是选择一种合适的介质连接所有的节点。在节点能够成功地交换分组之前，必须先解决以下5个关键问题：（1） 对送到介质上的比特进行编码，使其能被接收主机理解。（编码）（2） 将在链路上传输的比特序列描述为完整的消息，以便传送到端节点。（组帧）（3） 在传输过程中帧可能出错，有必要检测这类错误并采取适当的行动。（检错）（4） 在帧有可能一次又一次出错的情况下，建立一条看起来可靠的链路。（可靠传输）（5） 在多台主机共享一条链路的情况下，协调到这个链路的访问。（介质访问控

2、制）以上5个问题在不同的网络技术中有不同的解决方式。（1）编码：主要考虑时钟恢复和编码效率的问题。最大困难是如何将时钟信息与数据编码在一起。（2）组帧：如何识别每一帧的开始与结束。（3）检错：CRC等。（4）可靠传输：解决这个问题的一般方法称为自动重传请求（ARQ），结合使用确认和超时机制。停-等和滑动窗口。（5）介质访问控制：CSMA/CD、CSMA/CA等。以上功能在网络适配器上实现。2. 分组交换网络问题：物理上非直接相连的主机，如何实现通信？直接相连的网络有两个局限性：限制连接到网络上的主机数；限制网络能服务的区域范围， 即网络的扩放性受到限制。为此，需要解决物理上不直接相连的主机如何

3、通信的问题。解决的方法是使用分组交换机（区别于电话网络中的电路交换机）连接主机，将分组从一台主机传输到另一台主机。因而，分组交换是计算机网络的核心问题。交换机是一个多输入、多输出的设备，其核心工作是将到达输入端口的分组转发（交换）到正确的输出端口，使它们能到达正确的目的地。交换机可以直接连接主机，也可以和其它交换机相连。交换机如何确定一个分组的输出端口？一般的方法是交换机查看分组头中的一个标识符，根据这个标识符作出决定。使用这个标识符的方法有多种，主要分为无连接方式和面向连接方式两大类，本课程只介绍无连接方式。交换技术可以用于局域网，也可用于广域网，本课程只介绍局域网交换技术。局域网交换技术由

4、以太网的网桥发展而来，并成为当前局域网环境中居支配地位的技术之一。由一个或多个网桥连接的局域网集合通常称为扩展局域网（extended LAN）。（1） 如果扩展局域网中没有环，则使用透明网桥（学习型网桥）就能够很好地工作。（2） 如果扩展局域网中有环，需运行生成树算法，从扩展局域网的拓扑结构中去掉一些端口，将其转化成一棵无环树。在此基础上，再运行透明网桥算法。用二层设备（网桥、以太网交换机）连接的扩展局域网有以下问题：（1） 扩展性差：一是生成树算法不具有可扩展性；二是有广播风暴问题。使用虚拟局域网（VLAN）可以解决广播风暴问题。（2） 不支持异构网络：不能连接异构的局域网，使用路由器可以

5、解决这个问题。3. 网络互连问题：如何使位于不同网络上的主机相互通信？以上我们用点-点链路、共享介质和交换机建立了单一的网络。但是，世界上并不只有一个网络，也不只有一种网络，我们有许多相同或不同类型的网络存在。网络互连需要解决的两个重要问题是异构性和可扩展性，目前最好的解决方案是TCP/IP协议。我们重点归纳TCP/IP是如何解决这两个问题的。3.1 IP协议互连网是由路由器连接起来的网络集合。IP是构建可扩展的、异构的互连网络的关键工具，它运行在互连网的每个节点上。构建互连网络要做的第一个决定是准备提供什么样的主机-主机服务，即服务模型的问题。IP使用尽力而为的服务模型，网络尽最大努力将数据

6、报送到希望的目的节点，如果出现错误和分组丢失、损坏、误传送或因任何原因而没有到达目的地，则网络什么也不做。因此，IP提供的是不可靠、无连接的服务。尽管看起来这是一个最简单的服务，但它却是IP协议支持异构网络的最重要特性，因为它对底层技术的要求是最小的，从而可以得到每一种网络的支持。到目前为止，尚没有一种底层技术不支持IP协议。IP协议的要点如下：（1） 分层编址方案：（单播）IP地址分为网络地址和主机地址两部分，这种编址方案很容易在大规模网络中确定一台主机。（扩展性）（2） 基于网络前缀的路由：路由器根据目的地址的网络前缀，将数据报传送到目的网络。路由表中每个网络只占一个表项，从而大大减小了路

7、由表的规模。（扩展性）（3） 逐跳路由：每个路由器只确定到目的节点路径上的下一个节点。（扩展性）（4） 支持数据报分片和重组。（异构性）（5） 隧道技术：一种协议的分组可在不支持该协议的网络上传输。（异构性）转发IP数据报的主要过程：（1） 根据数据报的目的地址，确定传输路径上的下一跳IP地址和路由器输出端口。（查找转发表）（2） 根据输出端口上的网络协议类型，确定是否需要采用隧道传输。如果输出网络不是IP网络，对数据报进行隧道封装，将封装后的分组交给输出网络的网络层模块发送。（异构性）（3） 如果输出网络为IP网络，根据下一跳IP地址确定其对应的MAC地址，封装到链路层帧中发送。（地址解析）

8、3.2 路由选择转发表是根据路由表生成的，而路由表是由路由器中的路由模块生成和维护的。路由器如何获得这些路由信息是路由选择的基本问题。路由选择要解决的问题是：给定一个网络拓扑，计算任意两个节点间的一条最小代价路径。它涉及到路由信息收集和路由计算两个方面。（1） 距离矢量路由算法：每个路由节点没有完整的网络拓扑图，基于Bellman-Ford方程计算最小代价路径。（2） 链路状态路由算法：每个路由节点有完整的网络拓扑图，基于Dijkstra算法计算最小代价路径。以上路由选择算法假设：（1） 网络中所有的路由节点相互交换路由信息（2） 网络中所有的路由节点使用相同的路由度量因此，以上路由选择方法既

9、不具有扩展性（只能应用于中小范围的互连网），也不支持异构性（互连网中必须使用相同的路由度量）。3.3 全球因特网以上技术已经可以将一些异构的网络相连构成一个互连网，并且利用IP地址的层次性在一个可进行一定扩展的互连网中进行路由选择。之所以说可进行一定的扩展，是因为即使每个路由器不需要知道互连网上的所有主机，它还是有必要知道互连网上的所有网络。今天的因特网上已经连有几万个网络，以上路由协议还不足以应付这样的规模，我们还需要一些能够大幅度提高可扩展性的技术。首先我们再回顾一下全球因特网的组成特点。全球因特网是由连接到ISP网络上的终端网络组成的。很多ISP服务于有限的地理区域，称为区域网，区域网由

10、一个或几个主干网相连。ISP网络通常由大量路由器及路由器之间的点-点链路构成。终端网络通常不是一个单一网络，而是由多个通过路由器和网桥（或交换机）相连的物理网络组成。每个ISP网络和终端网络都是独立管理的实体，这对于路由选择有重要影响。因为不同的网络可以选择所使用的路由协议，并对路由度量有不同的看法。由于这种独立性，通常每个ISP网络和终端网络就是一个自治系统（AS），自治系统是一个管理上独立于其它AS的网络。因特网这种清晰的结构有助于我们解决可扩展性问题。我们需要解决两个有关可扩展性的问题：路由选择的可扩展性，地址利用问题。（1）划分子网IP地址的最初目的是希望其网络部分能够唯一确定一个物理

11、网络，但这种方法有两个缺点。假设一个大校园中有很多内部网络，并都需要连接到因特网上。不管多小的网络都至少需要一个C类地址，多于255个主机的网络需要一个B类地址。这些地址可能根本用不完，造成地址分配的浪费。另一方面，转发表中每个物理网络都要有一项，增加了转发表的规模，减小了查表的速度。减少网络号分配的方法是只给这个学校一个网络号，每个物理网络使用其中的一部分地址空间，每个物理网络称为一个子网。这样既减少了地址浪费，又可以减少转发表中的路由表项。子网的本质是引入另一个层次到IP地址中。子网掩码用于指示IP地址中对应网络号和子网号的部分。（2）CIDR和超网CIDR用于解决因特网中的两个可扩展性问

12、题，一是提高地址空间的利用率，二是减少主干路由器中的路由数量。针对第一个问题，解决的方法是抛弃类的概念，按需分配地址，其本质是允许任意长度的网络号。针对第二个问题，解决的方法是允许将一些符合条件的路由聚合成一条路由。这两个措施导致路由查找需要遵循“最长匹配”的原则。（3）域间路由选择自治系统提供了将一个大型互连网中的路由信息进行层次汇聚的方法，以提高路由选择的可扩展性。从而，因特网中的路由选择问题划分为两部分：单个自治系统内的路由选择，和自治系统间的路由选择。因特网中自治系统的另一个名字是路由域（domain），因此，以上两个问题分别称为域内路由选择和域间路由选择。AS模型允许每个AS运行自己

13、选择的域内路由协议，并相互交换各自的路由信息概要，从而可大大降低路由交换和路由计算的开销。由于域间路由的复杂性，域间路由的目标是找到一条可达路径，而不是最优路径。4. 端到端协议问题：两台主机上的进程如何通信？以上描述的技术实现从主机到主机的分组传递服务。将数据投递服务扩展到从进程到进程，则是传输层的任务。两种因素促使端到端协议的形成：（1）应用程序希望更好的服务（2）主机上的多个进程能够共享网络对于第一个问题，是要设计出各种算法，把低层网络低于要求的特性转变成应用程序需要的高级服务。对于第二个问题，是要实现多路复用和解多路复用。两个端到端协议：（1）UDP：只提供多路复用和解多路复用的功能。使用端口号来标识进程地址。（2）