现代通信网络 第四章 IP基础

现代通信网络第4章IP基础14.1协议和体系结构的概念

4.2局域网基本知识

4.3广域网

4.4IP

4.5TCP

4.6Internet通信原理

4.7IPv6简介

4.8Internet服务及资源第四章IP基础现代通信网络第4章IP基础24.1网络体系结构模型

OSI参考模型

TCP/IP协议模型

现代通信网络第4章IP基础3体系结构与模型的定义Architecture词义－－部件的有序安排；结构我们常常对现实世界自然或人工系统建立抽象的模型，通过对模型部件之间的连接结构和交互关系来描述系统的工作原理比如PC机模型：CPU＋OS＋软件＋外设现代通信网络第4章IP基础4OSI参考模型现代通信网络第4章IP基础5网络体系结构的内涵网络体系结构是对层次划分、各层功能(协议)定义以及层间接口等的描述说明。体系结构是抽象的、概念性的具体的网络开发/实现时要依据体系结构来设计，相关的硬件和软件要符合标准。一个体系结构可以有多种实现比如华为、中兴、Cisco的实现现代通信网络第4章IP基础6OSI各层作用

OSI参考模型采用7层协议结构（1）物理层（PhysicalLayer）对物理线路进行数字化，以便透明地传送比特流。“透明”的意思是指上层交给的数据流不会被过滤掉或屏蔽掉，能够原样传到对方（2）数据链路层（DataLinkLayer）在相邻节点之间无差错地传送以帧为单位的数据。现代通信网络第4章IP基础7（3）网络层（NetworkLayer）在网络端—端之间传送分组。（4）运输层（TransportLayer）在网络层提供的端—端服务基础上，为端—端用户提供可靠的通信服务。（5）会话层（SessionLayer）管理和协调两台计算机之间的信息交互，提供建立和使用连接的方法。一个连接就叫做一个”会话”。现代通信网络第4章IP基础8（6）表示层（PresentationLayer）解决用户信息的语法表示问题。（7）应用层（ApplicationLayer）确定应用进程的性质，为应用进程提供通信接口。现代通信网络第4章IP基础9实体、协议、服务及服务访问点实体(entity)是任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，对等实体协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。协议三要素语法：数据与控制信息的结构或格式语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答同步：事件实现顺序的详细说明协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则现代通信网络第4章IP基础10实体、协议、服务及服务访问点服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而看不见下面的协议（下面的协议对上面的服务用户是透明的）服务访问点（SAP）是在同一系统中相邻两层之间交换信息的逻辑接口。如端口（port）或套接字（socket）服务原语是同一系统中相邻两层交换信息所用的语言。四种类型：请求、指示、响应和证实现代通信网络第4章IP基础11相邻两层之间的关系服务提供者服务用户服务用户协议SAPSAP提供服务交换原语交换原语

服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语服务访问点：同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方服务数据单元(SDU)：层间交换的数据协议数据单元(PDU)：对等实体间交换的数据现代通信网络第4章IP基础124.1网络体系结构模型

OSI参考模型

TCP/IP协议模型

现代通信网络第4章IP基础13一、TCP/IP分层参考模型应用层网络接口网际层IP(各种应用层协议如TELNET,FTP,SMTP等)运输层TCP，UDPTCP/IPTCP/IP模型分为4层，与OSI模型有较大的区别现代通信网络第4章IP基础14二、TCP/IP与OSI/RM分层参考模型的比较应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI应用层网际层IP(各种应用层协议如TELNET,FTP,SMTP等)运输层TCP，UDPTCP/IP数据链路层物理层网络接口现代通信网络第4章IP基础15OSI体系结构在市场上失败OSI的七层网络体系结构实现非常复杂，其商业产品很少TCP/IP的四层网络体系结构取得市场优势，成为事实上的标准OSI/RM的失败原因：提出时间晚：OSI协议出现时，TCP/IP已被广泛地应用；过分理想和复杂导致效率低、实现困难；会话层和表示层几乎是空的、某些功能在各层重复出现、忽略了无连接服务、模型是由通信方面的人主持制定的。现代通信网络第4章IP基础16不过OSI体系结构中的很多概念对理解计算机网络的工作原理还是有很大帮助：协议、服务、服务访问点、服务原语现代通信网络第4章IP基础17三、分层的优点便于标准化、便于互通、便于扩展、便于实现各层之间是独立的：降低复杂度灵活性好：变化相互影响小结构可分开：便于采用不同的实现技术易于实现和维护能促进标准化工作：每层的功能及其所提供的服务都已有精确的说明现代通信网络第4章IP基础18分层的缺点分层的缺点：可能会降低通信效率处理环节多、功能重复/矛盾改进：跨层设计某层的设计基于其它层设计细节、多层联合调节某些参数违反分层原则，实现复杂，不利于升级和维护现代通信网络第4章IP基础19例、无线网络中常用跨层设计底层通知高层：信号弱了！54321数据链路层应用层运输层网络层物理层54321数据链路层应用层运输层网络层物理层高层通知底层：现在传输的是语音！选用适合的无线信道编码以满足语音传输性能现代通信网络第4章IP基础204.1协议和体系结构的概念

4.2局域网基本知识

4.3广域网

4.4IP

4.5TCP

4.6Internet通信原理

4.7IPv6简介

4.8Internet服务及资源第四章IP基础现代通信网络第4章IP基础214.2.局域网基本知识局域网主要特点及标准局域网体系结构典型的MAC协议ALOHA以太网中使用IEEE802.3CSMA/CD局域网组网现代通信网络第4章IP基础22局域网，LAN局域网通常在一座大楼、一个校园或一个企业内，其地理范围(几公里)和站点数目有限。其主要特点：速率较高网络简单、易管理、便宜便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活调整和改变。安全性威胁相对不严重能方便地共享设备、主机以及软件、数据。

现代通信网络第4章IP基础23局域网类型按传输介质分有线局域网无线局域网按拓扑结构分总线形局域网环形局域网星形局域网各种局域网标准现代通信网络第4章IP基础24IEEE802委员会制定的标准（1）802.1:概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能管理802.2:逻辑链路控制。这是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口802.3:CSMA/CD。定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规约（常称为以太网）802.4:令牌总线网。MAC子层和物理层的规约802.5:令牌环形网。MAC子层和物理层的规约802.6:城域网MAN。MAC子层和物理层的规约802.7:宽带技术802.8:光纤技术现代通信网络第4章IP基础25IEEE802委员会制定的标准（2）802.9:综合话音数据局域网802.10:可互操作的局域网的安全802.11:无线局域网802.12:优先级高速局域网(100Mb/s)802.13:有线电视(CableTV)802.15.1/2蓝牙，802.15.4紫蜂网ZigBee802.16：城域无线宽带系统,WiMax802.20：移动宽带无线接入，MBWAIEEE802各分委员会结构关系与局域网标准图现代通信网络第4章IP基础26现代通信网络第4章IP基础27局域网的拓扑（1）匹配电阻集线器(a)星形网(c)总线网(b)环形网干线耦合器

星形网：集线器(hub)+双绞线,现在非常广泛

环形网：令牌环形网(tokenring)，或令牌环

总线网：早期以太网，使用CSMA/CD现代通信网络第4章IP基础28局域网的拓扑（2）

树形网：层次化网络，校园网和企业网中常用ADHOC：也称自组网、对等网络一般为栅格状拓扑，无线局域网中的自组网，使用CSMA/CA协议(d)树形网(e)

ADHOC现代通信网络第4章IP基础294.2.局域网基本知识局域网主要特点及标准局域网体系结构典型的MAC协议ALOHA以太网中使用IEEE802.3CSMA/CD局域网组网局域网组网现代通信网络第4章IP基础30局域网体系结构IEEE802参考模型物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层物理层媒体接入控制MAC逻辑链路控制LLC服务访问点

SAPOSI参考模型IEEE802参考模型IEEE802参考模型的范围传输媒体现代通信网络第4章IP基础31数据链路层物理层802.2LLC逻辑链路802.3CSMA/CD802.4令牌总线802.5令牌环802.6城域网802.11无线局域网MAC子层LLC子层局域网体系结构及相关IEEE802标准现代通信网络第4章IP基础32局域网体系结构：各层功能

物理层功能：信号的编码与译码为进行同步用的前同步码（前导码）的产生与去除比特的传输与接收0101现代通信网络第4章IP基础33局域网体系结构：各层功能数据链路层分为两个部分：媒体访问控制子层（MAC）逻辑链路控制子层（LLC）

现代通信网络第4章IP基础34局域网体系结构：各层功能MAC子层功能：将上层交来的数据封装成帧进行发送(接收时相反过程)实现多个用户通过共享信道组网实现和维护MAC协议（比如CSMA/CD）MAC子层可提供广播、组播和点对点通信服务，是无连接的数据报服务。现代通信网络第4章IP基础35局域网体系结构：各层功能LLC子层功能建立和释放数据链路层的逻辑连接给帧加上序号差错控制，实现可靠的数据链路提供与高层的服务接口LLC子层提供下列四种服务：

LLC1不确认的无连接服务；

LLC2面向连接服务；

LLC3带确认的无连接服务：用于令牌环

LLC4高速传送服务：用于城域网现代通信网络第4章IP基础36局域网的LLC子层是统一的

只有MAC子层才区分是何种标准的局域网。可通过MAC桥接实现不同局域网间的互联各局域网LLC子层是相同的中继设备在转发MAC帧时是不看、不改LLC帧内容的。高层物理层LLCMAC1高层物理层LLCMAC2LLC物理层MAC1物理层MAC2局域网1局域网2现代通信网络第4章IP基础37传输媒体物理层MACLLCSAP123进程主机A物理层MACLLC12主机B物理层MACLLC1主机CSAP地址MAC地址zyxMAC层提供“点到点”链路，不可靠MAC层实现多个用户间的组网局域网可以没有交换机LLC是端到端的服务对上层应用提供服务端口（SAP地址）局域网没有网络层现代通信网络第4章IP基础38MAC层的硬件地址又称为物理地址或MAC地址48bit的全球地址：网卡上的地址局域网全球地址的法定管理机构：注册管理委员会RAC，分配前3个字节。机构惟一标识符OUI或公司标识符（MAC地址厂商分配表）扩展标识符：后3个字节一个地址块可生成224个不同地址广播地址现代通信网络第4章IP基础394.2局域网基本知识局域网主要特点及标准局域网体系结构典型的MAC协议ALOHA以太网中使用IEEE802.3CSMA/CD局域网组网现代通信网络第4章IP基础40电缆（共享总线）MAC层一般原理多个站点通过共享信道进行互联，使用MAC协议解决共享信道争用，实现多个站点之间的相互通信。多点接入技术（MultipleAccess，MA）

1、受控接入

集中控制（轮询）

分散式控制（令牌环、令牌总线）

2、随机接入

ALOHA

CSMA/CD现代通信网络第4章IP基础41ALOHA与CSMA在ALOHA中，一个站无论什么时候有数据要发送，都可以随意发送，无需考虑其它用户是否也在发送。这样，它们之间就会有冲突，冲突的帧被破坏。如果一个帧被破坏，发送者需要等待一段随机时间再重发。纯ALOHA协议的信道利用率最大不超过18.4%如果各站都客气一点，谦让一点，根据网络情况协调自己的行为，就能使信道利用率大大提高。CSMA就采用了这种思想。现代通信网络第4章IP基础42CSMA（载波监听多路访问）在CSMA中，一个站点在发送之前要先监听信道。如果发现信道空闲，则发送；如果发现信道上有载波，即处于忙状态，则不发送。这样这就大大减少了碰撞次数。现代通信网络第4章IP基础43监听策略当一个站点发送数据前监听到信道忙时，其处理方式有两种（1）继续监听，直到信道闲；（2）随机等待一段时间再来监听由此，便得出不同的CSMA系统，如坚持型CSMA和非坚持型CSMA。现代通信网络第4章IP基础44冲突检测（CD）原理虽然发送数据之前会监听信道，但仍会发生碰撞，比如，当信道由忙转为空闲时，如果有多个站同时在监听，这些站将会同时发送而产生碰撞。CSMA存在由于多个站同时发送而产生的碰撞，但各站并不知道已经发生碰撞，仍会将数据帧发送完毕。这就浪费了信道。为此，CSMA/CD增加了边发边听的功能，一旦发生冲突，双方都能监听到，并停止发送，根据一定的后退算法延迟一个随机时间重新监听、发送。现代通信网络第4章IP基础45后退算法在IEEE802.3以太网中，采用1坚持CSMA/CD协议，后退算法为截断二进制指数算法，MAC帧的长度范围是64~1518字节。现代通信网络第4章IP基础46截断二进制指数退避算法第一次重发，从[0，1]中随机选择一个数r，后退r*2t时间第二次重发，平均后退步长加倍，即从[0，1，2，3]中随机选择一个数r，后退r*2t时间……..第十次重发，从[0，1，2，…1023]中随机选择一个数r，后退r*2t时间第十一次重发，后退步长不再加倍，从[0，1，2，…1023]中随机选择一个数r…….第十五次重发，从[0，1，2，…1023]中随机选择一个数r如果仍不成功，则丢弃此帧，并向上层报告。即最大发送次数为16次。在前十次重发中，步长每次加倍，这就是所谓的“二进制指数”，在第十次重发后，后退步长不再加倍，这就是所谓“截断”。现代通信网络第4章IP基础47二进制指数截断后退算法优缺点二进制指数截断算法具有自适应性。第一次重发，后退步长较小，如果网络负载较轻，则再次碰撞的概率较小；如果网络负载较重，则再次碰撞的概率较大，在下一次重发时会在更大步长范围内后退。这样，对较轻、较重的网络负载有很好的适应性。公平性不好，时延抖动大现代通信网络第4章IP基础48以太网的工作原理：CSMA/CD协议CSMA/CD协议：发前先听，边发边听，发现冲突，立即停止，转发强化冲突信号在IEEE802.3以太网中，采用1坚持CSMA/CD协议，后退算法为截断二进制指数算法，MAC帧的长度范围是64~1518字节。现代通信网络第4章IP基础49CSMA/CD工作原理发送成功发送成功1站12站23站N-14站N567发送成功冲突

重发冲突

重发冲突

重发时间冲突

重发现代通信网络第4章IP基础50CSMA/CD竞争期现代通信网络第4章IP基础51CSMA/CD与MAC帧长关系以太网争用期长度：51.2s

。对于10Mbit/s的以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。因此，以太网在发送数据时，如果前64字节没有发生冲突，那么后续数据就不会发生冲突。MAC帧的长度范围是64~1518字节，凡长度小于64字节的帧都是无效帧以太网MAC帧物理层MAC层1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入IP层目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报MAC帧以太网的MAC

帧格式52现代通信网络第4章IP基础534.2局域网基本知识局域网主要特点及标准局域网体系结构典型的MAC协议ALOHA以太网中使用IEEE802.3CSMA/CD局域网组网现代通信网络第4章IP基础541常用的媒体

2物理层上直接组网

3MAC层上组网

一般网桥

交换式网桥

4远程局域网互联

局域网组网现代通信网络第4章IP基础55局域网使用的物理媒体

主要的物理媒体：双绞线：主流，常见10-100Mbps,乃至1Gbps同轴电缆：总线型以太网，现少用光纤：10Mbps-10Gbps无线：2.4G/5G频段，提供1-54Mbps现代通信网络第4章IP基础561常用的媒体

2物理层上直接组网

3MAC层上组网

一般网桥

交换式网桥

4远程局域网互联

局域网组网现代通信网络第4章IP基础57物理层直接组网的物理拓扑集线器(b)星形网

星形网：集线器(hub)+双绞线,现在非常广泛

总线网：早期以太网使用匹配电阻(a)总线网现代通信网络第4章IP基础58细同轴电缆组网距离一般小于200米（标准规定是185米）电缆（共享总线）主机箱T型接头网卡连接器插口匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）现代通信网络第4章IP基础59共享式集线器组网在星形网的中心使用一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此可靠性已大大提高了。一个站点没有接好，不会影响其他站点。速率10Mbps、100Mbps集线器现代通信网络第4章IP基础60共享式集线器组网共享式集线器/Hub通过一条总线把各端口连接起来，在同一时刻只有一个端口能发送。相当于放大器（或转发器）。内部仍是总线，使用802.3CSMA/CD协议。集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线现代通信网络第4章IP基础61集线器之间互联扩大了局域网覆盖的地理范围。逻辑上仍是一条总线，总的带宽并未提高一系二系三系集线器集线器集线器集线器主干集线器现代通信网络第4章IP基础62共享式集线器组网优缺点优点：简单、便宜为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础缺点：内部仍然是共享总线，性能不高：用户数少，时延大，安全性也不好集线器现代通信网络第4章IP基础631常用的媒体

2物理层上直接组网

3MAC层上组网

一般网桥

交换式网桥

4远程局域网互联

局域网组网现代通信网络第4章IP基础64网桥可以将两个或以上的LAN互连成一个逻辑LAN。①②③LAN2LAN1网桥④⑤⑥现代通信网络第4章IP基础65网桥对MAC帧进行转发站表端口管理软件网桥协议实体缓存1112①③⑤2②④⑥2站地址端口网桥①②③网段A网段B④⑤⑥端口1端口2根据MAC帧的目的地址进行转发现代通信网络第4章IP基础66网桥站点表是如何建立的？站表端口管理软件网桥协议实体缓存站地址端口网桥①②③网段A网段B④⑤⑥端口1端口2对广播帧和未知地址MAC帧向所有端口转发①12④Q：目的MAC地址如何获取？现代通信网络第4章IP基础67网桥工作原理：通过监听网络上所有的帧，网桥可以建立各网段站点地址表。当一个网段收到一个目的地址不是本网段的MAC帧时，网桥向其它的网段转发；若该帧是发向同一网段某一站的，网桥不转发，而将其滤除(不再是共享带宽)。当两个网段的MAC协议不同时，网桥还要负责MAC协议的转换。现代通信网络第4章IP基础68网桥之间的组网网桥之间可以互联①②③LAN2LAN1网桥④⑤⑥①②③LAN2LAN1网桥④⑤⑥网桥现代通信网络第4章IP基础69网桥之间的组网远程网桥之间可以使用光纤、无线、电话线等进行互联LAN2①②③LAN1网桥④⑤⑥集线器网桥现代通信网络第4章IP基础70网桥优缺点优点：比较灵活，可连接异构局域网和远程局域网性能比共享式集线器有提高。缺点：传统网桥端口少；传统网桥使用软件实现，对接收的帧要先存储和查找站表，增加了时延；不滤除广播帧，有时会产生广播风暴现代通信网络第4章IP基础711常用的媒体

2物理层上直接组网

3MAC层上组网

一般网桥

交换式集线器

4远程局域网互联

局域网组网现代通信网络第4章IP基础72交换式集线器交换式集线器也称以太网交换机，使用带有交换芯片的高速背板来连接各端口。通过识别MAC帧的目的地址进行转发。各端口可以同时通信。速率10M、100M、10/100M自适应目前很多产品支持直连线、交叉线自适应现代通信网络第4章IP基础73以太网交换机逻辑功能图12349级联线路内嵌站表IP分组MAC9IP分组MAC9现代通信网络第4章IP基础74以太网交换机：交换芯片123451'2'3'4'5'出线入线AB空分交换矩阵示意图现代通信网络第4章IP基础75帧11234516帧2端口1端口4帧2帧1端口1端口212211122（2）空间接线器工作原理交换矩阵控制：根据MAC分组中的目的地址时间0时间121输入线输出线现代通信网络第4章IP基础76交换机组网交换机交换机交换机一系三系二系主干集线器一个更大的广播域交换机现代通信网络第4章IP基础77以太网交换机优缺点优点：端口多，转发速率快；灵活方便：速率10/100M自适应，直连线/交叉线自适应支持VLAN（虚拟局域网），可限制广播风暴，使广播风暴减少，增加安全性。缺点：不支持不同MAC帧格式间的转换二层交换机VLAN间互联不方便现代通信网络第4章IP基础781常用的媒体

2物理层上直接组网

3MAC层上组网

一般网桥

交换式集线器

4远程局域网互联

远程网桥

广域网：X.25、DDN、帧中继4.2.2局域网组网现代通信网络第4章IP基础79远程局域网互联：通过网桥连接远程网桥之间可以使用光纤、无线、电话线等进行互联LAN2①②③LAN1网桥④⑤⑥集线器网桥调制解调器调制解调器电话网现代通信网络第4章IP基础80远程局域网互联：无线网桥远程网桥之间可以使用光纤、无线、电话线等进行互联LAN2①②③LAN1网桥④⑤⑥集线器网桥无线modem无线modem无线链路现代通信网络第4章IP基础814.1协议和体系结构的概念

4.2局域网基本知识

4.3广域网

4.4IP

4.5TCP

4.6Internet通信原理

4.7IPv6简介

4.8Internet服务及资源第四章IP基础现代通信网络第4章IP基础82广域网的基本概念广域网是指覆盖范围很广（远远超过一个城市的范围）的长距离网络。X.25、DDN、帧中继、卫星数据网、ATM、MPLS等局域网使用的协议主要在数据链路层，而广域网使用的协议主要在网络层。广域网目前主要用途远程局域网之间互联使用路由器联入广域网实现通信气象网、银行联网现代通信网络第4章IP基础83广域网用途：远程局域网互连局域网局域网广域网路由器结点交换机互联网既连局域网，也连广域网。互联网的互连设备广域网的互连设备（包括路由器）现代通信网络第4章IP基础84X.25简介X.25网就是X.25分组交换网，X.25建议1976年由CCITT（即现在的ITU-T）制定。X.25只是一个对公用分组交换网接口的建议它不涉及到网络内部应做成什么样子，这应由各个网络自己决定。我国：ChinaPac，覆盖全国所有县城。现代通信网络第4章IP基础85X.25规定了DTE-DCE的接口X.25接口X.25接口X.25公用分组交换网VC2VC1DTEDTEDCEDCEDCEDTEX.25接口DCE－DTE接口：UNI接口，遵循X.25标准。DTE（用户）数据终端设备DCE（网络侧）数据电路终接设备现代通信网络第4章IP基础86X.25的层次关系分组层物理层高层

帧层分组层物理层

帧层X.21物理层接口至远程用户进程LAPB数据链路层接口逻辑信道∶多重信道接口平衡型链路接入规程(HDLC的一个子集)X.25标准定义了三层：物理层、帧层（数据链路层）和分组层DTEDCE现代通信网络第4章IP基础87X.25网基本服务和适用范围X.25网采用存储转发方式，能在一条物理线路上提供多条永久虚电路（PVC）、交换虚电路（SVC)基本业务以及用户可选业务，并能提供虚拟专用网（VPN）。采用动态复用方法，可以提高信道利用率，简化物理接口，还能使不同速率终端相互通信。X.25网主要适用于交换式报文，数据速率在64kbit/s以下，网络平均延时达一秒左右，不适合多媒体通信。现代通信网络第4章IP基础88帧中继（FR）随着网络本身的误比特率非常低，可以简化某些差错控制过程，减少结点处理分组的时间，从而提高网络传输效率。帧中继交换机接收到数据帧的首部时，只要查到帧的目的地址就立即转发，而不需等到收完该帧才转发。（快速分组交换）对于误码的处理：丢弃出错帧。帧中继是面向连接的网络，它在第二层提供虚电路服务，帧长可变。只有帧中继网络本身的误比特率非常低时，帧中继技术才是可行的。现代通信网络第4章IP基础89帧中继使用虚电路帧中继网络向上提供面向连接的虚电路服务。虚电路一般分为交换虚电路SVC

和永久虚电路PVC

两种。帧中继网络通常为相隔较远的一些局域网提供链路层的永久虚电路服务，它的好处是在通信时可省去建立连接的过程。如果有N个路由器需要用帧中继网络进行连接，那么就一共需要有N(N

–1)/2条永久虚电路。现代通信网络第4章IP基础90帧中继网帧中继交换机路由器局域网局域网虚电路路由器帧中继提供虚电路服务帧中继网路由器局域网局域网虚电路路由器虚电路像一条专用电路用户看不见帧中继网络内的帧中继交换机现代通信网络第4章IP基础91帧中继的帧格式帧中继帧发送在前标志标志地址信息帧检验序列字节122~41可变首部尾部IP数据报标志字段是一个01111110的比特序列，用于指示帧中继帧的起始和结束。它的惟一性是通过比特填充法来确保的。现代通信网络第4章IP基础92地址字段中的几个重要部分数据链路连接标识符

DLCIDLCI字段的长度一般为10bit（采用默认值2字节地址字段）但也可扩展为16bit（用3字节地址字段），或23bit（用4字节地址字段），这取决于扩展地址字段的值。DLCI的值用于标识永久虚电路(PVC)、呼叫控制或管理信息。DLCI

只具有本地意义。帧中继网帧中继交换机路由器虚电路1路由器虚电路2现代通信网络第4章IP基础93帧中继网路由器局域网局域网虚电路路由器帧中继网络的工作过程用户在局域网上传送的MAC帧传到与帧中继网络相连接的路由器。现代通信网络第4章IP基础94帧中继网路由器局域网局域网虚电路路由器帧中继网络的工作过程路由器就剥去MAC帧的首部，将IP数据报交给路由器的网络层。网络层再将IP数据报传给帧中继接口卡。现代通信网络第4章IP基础95帧中继帧发送在前标志标志地址信息帧检验序列字节122~41可变首部尾部帧中继接口卡把IP数据报封装到帧中继帧的信息字段。加上帧中继帧的首部（包括帧中继的标志字段和地址字段，帧中继帧的标志字段和PPP帧的一样），进行CRC检验后，加上帧中继帧的尾部（包含帧检验序列字段和标志字段），就构成了帧中继帧。IP数据报现代通信网络第4章IP基础96帧中继网路由器局域网局域网虚电路路由器帧中继网络的工作过程为了区分开不同的永久虚电路PVC，每一条PVC的两个端点都各有一个数据链路连接标识符DLCI。DCLI是DataLinkConnectionIdentifier。现代通信网络第4章IP基础97帧中继网路由器局域网局域网虚电路路由器帧中继网络的工作过程帧中继接口卡将封装好的帧通过向电信公司租来的专线发送给帧中继网络中的帧中继交换机。帧中继交换机收到帧中继帧就按地址字段中的虚电路号转发帧（若检查出有差错则丢弃）。现代通信网络第4章IP基础98帧中继网路由器局域网局域网虚电路路由器帧中继网络的工作过程当帧中继帧被转发到虚电路的终点路由器时，终点路由器就剥去帧中继帧的首部和尾部，加上局域网的首部和尾部，交付给连接在此局域网上的目的主机。现代通信网络第4章IP基础99帧中继网络的工作过程目的主机若发现有差错，则报告上层的TCP协议处理。即使TCP协议对有错误的数据进行了重传，帧中继网也仍然当作是新的帧中继帧来传送，而并不知道这是重传的数据。现代通信网络第4章IP基础1004.1协议和体系结构的概念

4.2局域网基本知识

4.3广域网

4.4IP

4.5TCP

4.6Internet通信原理

4.7IPv6简介

4.8Internet服务及资源第四章IP基础现代通信网络第4章IP基础1014.4.1IP地址

4.4.2域名服务

4.4.3IP分组格式

4.4IP现代通信网络第4章IP基础102IP地址分类及格式IP地址格式高位比特格式类型

----------------------------------------------07比特的网络号,24比特主机号A1014比特的网络号,16比特主机号B11021比特的网络号,8比特主机号C1110组播地址D111110保留为今后使用E现代通信网络第4章IP基础103IP地址A类地址0网络编号主机地址017831B类地址10网络编号主机地址012151631C类地址110网络编号主机地址0123232431D类地址1110组播地址0123431E类地址11110保留01234531现代通信网络第4章IP基础104特殊的IP地址主机部分全由“1”组成的IP地址被解释成“所有主机”如：55A类地址的网络号127被指定用于“回送”功能如：localhost私有地址：--55，--55--55现代通信网络第4章IP基础105IP地址表示法地址的长度是32比特，通常用分成4节的12个数字表示，如：11001110000000000100011100011100是一个C类地址，可记为8。现代通信网络第4章IP基础106子网划分与地址掩码常规的IP地址

网络编号主机地址017831

网络编号子网编号主机地址11111111111111111111111100000000子网地址子网掩码在子网连接中，IP地址的主机部分被分成两个部分：

左边”1”部分用于识别子网编号右边”0”部分用于识别该子网上的主机为了解决IP地址不足，提高IP地址的使用效率，采用划分子网的方法。现代通信网络第4章IP基础107子网实例1在IP地址下，建立254个子网，每个子网最多能支持254台主机

网络编号10000000.00000001.00000000.00000000=

子网掩码11111111.11111111.11111111.00000000=

子网110000000.00000001.00000001.00000000=

子网210000000.00000001.00000010.00000000=

子网25410000000.00000001.11111110.00000000=可以分配子网1的地址范围低地址10000000.00000001.00000001.00000001=

高地址10000000.00000001.00000001.11111110=54现代通信网络第4章IP基础108子网实例2在IP地址下，建立2个子网，每个子网最多能支持16381台主机

网络编号10000000.00000001.00000000.00000000=

子网掩码11111111.11111111.11000000.00000000=

子网110000000.00000001.01000000.00000000=

子网210000000.00000001.10000000.00000000=可以分配子网1的地址范围低地址10000000.00000001.01000000.00000001=

高地址10000000.00000001.01111111.11111110=54现代通信网络第4章IP基础109近来Internet网络发展很快，IP地址更加紧张。A类网络总共只有128个，目前很难再申请到。B类网络也不多。一般单位只能申请到C类地址，且往往是在C类网络中再做细分。子网掩码这种方式会造成路由表项增加。现代通信网络第4章IP基础110划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难。然而在1992年因特网仍然面临三个必须尽早解决的问题，这就是：B类地址在1992年已分配了近一半，眼看就要在1994年3月全部分配完毕！因特网主干网上的路由表中的项目数急剧增长（从几千个增长到几万个）。整个IPv4的地址空间最终将全部耗尽。无分类编址CIDR

1.网络前缀

现代通信网络第4章IP基础1111987年，RFC1009就指明了在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码。使用变长子网掩码VLSM(VariableLengthSubnetMask)可进一步提高IP地址资源的利用率。1993年，在VLSM的基础上又进一步研究出无分类编址方法，它的正式名字是无分类域间路由选择CIDR(ClasslessInter-DomainRouting)。IP编址问题的演进现代通信网络第4章IP基础112CIDR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-prefix)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。CIDR最主要的特点现代通信网络第4章IP基础113无分类的两级编址的记法是：IP地址::={<网络前缀>,<主机号>}CIDR还使用“斜线记法”(slashnotation)，它又称为CIDR记法，即在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（这个数值对应于掩码中比特1的个数）。CIDR将网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”。

相当于网络中的主机地址范围无分类的两级编址现代通信网络第4章IP基础114CIDR地址块/20表示的地址块共有212个地址（因为斜线后面的20是网络前缀的比特数，所以主机号的比特数是12）。这个地址块的起始地址是。在不需要指出地址块的起始地址时，也可将这样的地址块简称为“/20地址块”。/20地址块的最小地址：

(32-00100000)/20地址块的最大地址：55(47-00101111)全0和全1的主机号地址一般不使用。现代通信网络第4章IP基础11510000000000011100010000000000000100000000000111000100000000000011000000000001110001000000000001010000000000011100010000000000011 …. ….10000000000011100010111111111100100000000000111000101111111111011000000000001110001011111111111010000000000011100010111111111111/20表示的地址（212个）所有地址的前缀都是相同的20比特现代通信网络第4章IP基础116CIDR记法的其他形式/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

隐含地指出IP地址

的掩码是。此掩码可表示为

1111111111000000000000000000000025519200掩码中有10个连续的1现代通信网络第4章IP基础117一个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（例如上千个）原来传统分类地址的路由。路由聚合也称为超网合成(supernetting)。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

20

个连续的1。斜线记法中的数字就是掩码中1的个数。路由聚合(routeaggregation)现代通信网络第4章IP基础118CIDR地址块划分举例因特网/22/18ISP大学X一系二系三系四系28/2692/26/2528/25/2528/25/264/2628/2692/26/24/25/264/2628/25/23

单位地址块二进制表示地址数

ISP/1811001110.00000000.01*16384

大学/2211001110.00000000.010001*1024

一系/2311001110.00000000.0100010*512

二系/2411001110.00000000.01000110.*256

三系/2511001110.00000000.01000111.0*128

四系28/2511001110.00000000.01000111.1*128现代通信网络第4章IP基础119CIDR地址块划分举例因特网/22/18ISP大学X一系二系三系四系28/2692/26/2528/25/2528/25/264/2628/2692/26/24/25/264/2628/25/23这个ISP共有64个C类网络。如果不采用CIDR技术，则在与该ISP的路由器交换路由信息的每一个路由器的路由表中，就需要有64个项目。但采用地址聚合后，只需用路由聚合后的1个项目/18就能找到该ISP。网络地址编码方式的用处现代通信网络第4章IP基础120路由表的表项是按网络号来记录的路由器首先从分组中读取目的地IP地址，根据地址编码方式计算出网络号，再在路由表中搜索合适的下一跳转发路径分类的IP地址编码方式网络数量：27+214+221=128+16384+2097152=2,113,664核心路由器表项太多CIDR通过路由聚合的方式能够有效减少路由表项现代通信网络第4章IP基础121域名服务系统由于地址太长，难于记忆，给使用带来不便，为此就建立了域名服务系统DNS。网络上的每台计算机都有自己的名字，如武汉理工大学的WWW服务器的名字是其中cn表示中国，edu表示教育网，whut表示武汉理工大学，www表示WWW服务器。现代通信网络第4章IP基础122用户通信时直接使用对方计算机的名字，网络软件会自动去域名服务器查询对方的具体地址号码。在DNS系统中，存有计算机名字到IP地址的映射表。就象电话网中的114查号台能根据用户名查出电话号码一样，Internet域名系统DNS能在域名名字与IP数字地址之间来回转换，并且是在用户不知道的情况下由计算机自动进行的，方便了用户的通信。现代通信网络第4章IP基础123查询回答客户程序客户端解答器域名服务器数据库域名服务器缓存查询回答域名解析DNS协议许多应用层软件经常直接使用域名系统

DNS(DomainNameSystem)，但计算机的用户只是间接而不是直接使用域名系统。因特网采用层次结构的命名树作为主机的名字，并使用分布式的域名系统DNS。名字到

IP

地址的解析是由若干个域名服务器程序完成的。域名服务器程序在专设的结点上运行，运行该程序的机器称为域名服务器。

因特网的域名结构因特网采用了层次树状结构的命名方法。任何一个连接在因特网上的主机或路由器，都有一个唯一的层次结构的名字，即域名。域名的结构由标号序列组成，各标号之间用点隔开：

….

三级域名.

二级域名.

顶级域名各标号分别代表不同级别的域名。域名只是个逻辑概念域名只是个逻辑概念，并不代表计算机所在的物理地点。变长的域名和使用有助记忆的字符串，是为了便于人来使用。而IP地址是定长的32位二进制数字则非常便于机器进行处理。域名中的“点”和点分十进制IP地址中的“点”并无一一对应的关系。点分十进制IP地址中一定是包含三个“点”，但每一个域名中“点”的数目则不一定正好是三个。顶级域名TLD

(TopLevelDomain)(1)国家顶级域名nTLD：如:.cn表示中国，.us表示美国，.uk表示英国，等等。(2)通用顶级域名gTLD：最早的顶级域名是：

.com（公司和企业）

.net（网络服务机构）

.org（非赢利性组织）

.edu（美国专用的教育机构（）

.gov（美国专用的政府部门）

.mil（美国专用的军事部门）

.int（国际组织）新增加了下列的通用顶级域名.aero（航空运输企业）.biz（公司和企业）.cat（加泰隆人的语言和文化团体）.coop（合作团体）.info（各种情况）.jobs（人力资源管理者）.mobi（移动产品与服务的用户和提供者）.museum（博物馆）.name（个人）.pro（有证书的专业人员）.travel（旅游业）因特网的域名空间根四级域名mail…www…bjeducom…cctvibmhp二级域名pkutsinghua…三级域名mailwww…comnetorgedugovaerocnuk…顶级域名……树状结构的DNS域名服务器根域名服务器org域名服务器com域名服务器edu域名服务器…域名服务器abc公司有两个权限域名服务器权限域名服务器根域名服务器顶级域名服务器域名服务器举例：根域名服务器的f地点分布图（2012年5月）

根域名服务器并不直接把域名直接转换成IP地址。在使用迭代查询时，根域名服务器把下一步应当找的顶级域名服务器的IP地址告诉本地域名服务器。根域名服务器f共有49个机器顶级域名服务器

（即TLD服务器）

这些域名服务器负责管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名。当收到DNS查询请求时，就给出相应的回答（可能是最后的结果，也可能是下一步应当找的域名服务器的IP地址）。权限域名服务器这就是前面已经讲过的负责一个区的域名服务器。当一个权限域名服务器还不能给出最后的查询回答时，就会告诉发出查询请求的DNS客户，下一步应当找哪一个权限域名服务器。本地域名服务器本地域名服务器对域名系统非常重要。当一个主机发出DNS查询请求时，这个查询请求报文就发送给本地域名服务器。每一个因特网服务提供者ISP，或一个大学，甚至一个大学里的系，都可以拥有一个本地域名服务器，这种域名服务器有时也称为默认域名服务器。域名的解析过程主机向本地域名服务器的查询一般都是采用递归查询。如果主机所询问的本地域名服务器不知道被查询域名的IP地址，那么本地域名服务器就以DNS客户的身份，向其他根域名服务器继续发出查询请求报文。本地域名服务器向根域名服务器的查询通常是采用迭代查询。当根域名服务器收到本地域名服务器的迭代查询请求报文时，要么给出所要查询的IP地址，要么告诉本地域名服务器：“你下一步应当向哪一个域名服务器进行查询”。然后让本地域名服务器进行后续的查询。本地域名服务器采用迭代查询

（比较常用）顶级域名服务器权限域名服务本地域名服务器根域名服务器迭代查询

的

IP

地址

递归查询需要查找

的IP地址本地域名服务器采用递归查询

（比较少用）

顶级域名服务器权限域名服务本地域名服务器

根域名服务器递归查询递归查询

的

IP

地址需要查找

的IP地址名字的高速缓存每个域名服务器都维护一个高速缓存，存放最近用过的名字以及从何处获得名字映射信息的记录。可大大减轻根域名服务器的负荷，使因特网上的DNS查询请求和回答报文的数量大为减少。为保持高速缓存中的内容正确，域名服务器应为每项内容设置计时器，并处理超过合理时间的项（例如，每个项目只存放两天）。当权限域名服务器回答一个查询请求时，在响应中都指明绑定有效存在的时间值。增加此时间值可减少网络开销，而减少此时间值可提高域名转换的准确性。现代通信网络第4章IP基础139地址解析协议ARP局域网上两台计算机之间传送IP分组时，要封装为为MAC帧，需要进行IP地址MAC地址的翻译，使用ARP协议。

当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP分组时，使用ARP进行MAC地址查询查到后将此硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址。并将相应MAC地址缓存起来现代通信网络第4章IP基础140ARP响应AYXBZ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ARP请求00-00-C0-15-AD-1808-00-2B-00-EE-0A我是，硬件地址是00-00-C0-15-AD-18我想知道主机

的硬件地址我是硬件地址是08-00-2B-00-EE-0AAYXBZ00-00-C0-15-AD-18现代通信网络第4章IP基础141应当注意的问题ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过

ARP

找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。DNS与ARP：人使用域名IP软件使用IP地址（DNS）在局域网中传MAC帧使用MAC地址（ARP）现代通信网络第4章IP基础142

4.4.1IP地址

4.4.2域名服务

4.4.3IP分组格式

IP基础现代通信网络第4章IP基础143一、IP数据报分组格式比特012301234567890123456789012345678901+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|Version|IHL|TypeofService|TotalLength|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|Identification|Flags|FragmentOffset|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|TimetoLive|Protocol|HeaderChecksum|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|SourceAddress|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|DestinationAddress|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|Options|Padding|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|Data|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

现代通信网络第4章IP基础144二、各字段意义Version：版本，4比特。这里是版本4。IHL:首部长度，4比特，可表示的最大数值是15个单位（一个单位是4字节）。首部长度的最小值为5（20个字节），最大值60个字节。现代通信网络第4章IP基础145TypeofService:服务类型，8比特其中比特0-2:Precedence（优先级）.

比特3:Delay（时延），0=正常时延,1=低时延.

比特4:Throughput（吞吐量），0=正常,1=高吞吐量.

比特5:Reliability（可靠性），0=正常，1=高比特6:C比特，是最近增加的，表示更低廉费用的路由比特7:Reserved（保留，以在未来使用）.01234567+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+|PRECEDENCE|D|T|R|C|0|+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+现代通信网络第4章IP基础146TotalLength:总长度，16比特Identification:标识，16比特。用于区分不同的分组，便于分段后的重装。和寿命配合使用，可保证分组标识不重复，