第1章 IP网络体系结构

第1章IP网络体系结构通信与信息工程学院杨宁yn@教学内容1.1网际互连与因特网1.2TCP/IP协议族1.3物理网络yn@2教学要求要求理解网际互连原理、异构多网互连思想、通用网络含义熟练掌握TCP/IP的层次结构模型以及各层的功能特点掌握下层网络（物理网络）对IP通信的支持及构成网络的不同特点，理解不同类型下层网络对TCP/IP的通信带来的主要影响掌握主流的物理网络——局域网的体系结构和特点重点TCP/IP层次结构划分及各层功能和主要协议难点不同下层网络对IP通信的主要影响yn@31.1网际互连与因特网1.1.1网际互连概述设想基本策略1.1.2Internet概述产生技术思路网络结构标准：RFC1.1.3小结yn@41.1.1网际互连概述互连需求上世纪70’s始，出现单位独立网络随之：资源共享、信息共享的需求催生：网络互连的设想面临的问题网络体制不同通信协议不同互连设想：统一的互连技术将不同的网络互连起来形成一个整体同时保留和利用各自网络的通信体制和技术而不是用新的网络取代已有网络yn@5如何互连？网际互连基本策略：应用级互连计算机在第一种网络上传递的通信内容，再搬到第二个网络上，传递给另一个计算机中间的计算机终结了两个网络的通信中间计算机在两个网络上转交操作系统获取的通信内容与用U盘拷贝文件进行信息传递没有本质差别，只不过速度更快，中间过程无需人工干预yn@6NetANetBApplicationlayer应用级互连的基本问题问题应用软件需要具备与多种网络的通信接口应用软件需定制自己的寻址机制增加新应用，需要为每台机器构建一个新应用程序添加新网络硬件，可能需要为每个应用修改现有程序……互连成千上万个网络形成大网，难之又难！yn@7物理网A协议栈应用软件通信方式A物理网B协议栈应用软件通信方式B应用软件通信方式A物理网A协议栈物理网B协议栈通信方式BGateway网络级互连将网络通信贯穿到各个网络中穿越网络边界不是通信的终结，而是通信的继续统一的网络级互连协议，通用的通信服务互连的性质协议覆盖方式的互连，负责网间跨越利用底层网提供的通信功能，穿越底层网底层网协议层次只需到组网功能的层次，排除高层协议以太网用MAC层实现组网，X.25则需要用网络层实现组网yn@8NetANetBNetworklayer互连协议互连协议上层协议上层协议互连协议网络级互连的优势分离应用与数据通信细节网络通信传送的是小数据分组而非应用报文数据通信在网络层及下层，中间节点无需运行应用程序应用程序不需知道底层网络的通信细节网络通信也不需知道应用程序的细节网络层协议覆盖实现互连，提供通用的通信服务网络层直接使用底层网络的通信服务，效率高网络穿越采用底层网络技术将数据传送到网络网络边界完全符合网际互连设想统一网络互连技术用户或应用程序与具体物理网络无关用户创建或使用应用程序不需知道网络拓扑或互连形式yn@9互连模型ISO：开放系统互连——OSI参考模型DARPA：TCP/IP协议族DefenseAdvanced-ResearchProjectsAgency美国国防部先进研究项目局（远景规划局）应用：Internet（因特网）yn@101.1.2因特网概述Inter-ConnectionbetweennetworksDataLinkorchannelInter-CommunicationTransmittingdataamongnetworksInter-networkingProtocolInter-OperationamongstationsApplicationprotocolyn@11Internetworkinginternet：网际网，互连网Internet：因特网，互联网Internet使用TCP/IP协议族实现网际互连包含一整套的协议、互连方法协议栈结构互连方式通信方式编址寻址、路由方式yn@12TCP/IPTCP/IPTCP/IPTCP/IPInternet技术思路包容和使用各种网络的功能既要互连各种网络，还要充分利用各种网络的通信功能统一互连网上的通信服务屏蔽具体网络的通信细节允许互连网上任何主机之间相互通信（即提供通用通信服务）灵活、简单的通信方式无连接通信，穿越各个不同的网络适应各种网络最低功能要求yn@13TCP/IPTCP/IPTCP/IPTCP/IP通用的通信服务Internet网络结构Internet——逻辑网络将多个网络互连起来，形成相互通信的大网——互联网互连链路：物理网络（或“底层网络”）局域网、广域网（有各自具体的通信协议和体制）互连网本身也可作为一个底层网看待：网络分级嵌套思路对比“点-线”拓扑结构，物理网络是“点”还是“线”？互连设备：路由器（运行IP协议）网际互连协议：IP协议yn@14信息如何穿越不同的物理网络？网络A网络B网络C路由器IP路由器协议结构多个物理网协议栈（视连接的物理网而定）一个互连协议栈（IP协议）互连结构所有接口连接的无一例外都是物理网注意：远程信道也作为物理网对待yn@15互连协议如何看待Internet用户角度单一的虚拟网络无需了解网络的内部结构互连网角度所有物理网络是平等的路由器每个接口连接的都是网络yn@16RRRRRRR路由器物理网络当今的InternetISP：InternetServiceProvider,因特网服务提供者yn@17地区骨干网地区骨干网接入网驻地网核心网CN：Corenetwork主干和地区ISP网络AN：Accessnetwork本地ISP网络ADSL、WLAN、PONCPN：CustomerPremisesnetwork企业、家庭等网络LAN、WLAN等网关路由器接入设备接入网国际/国家骨干网驻地网地区ISP主干ISP地区ISP本地ISPInternet标准（RFC）的制定准则链路层协议（最少）：PPP网络层协议：IP，ARP、ICMP、IGMP、…路由协议：RIP、OSPF、…传输层协议：TCP、UDP、TRP、RTCP、…应用层协议（最多）：HTTP、FTP、SIP、SMTP…yn@18只要可以应用现有的协议标准，就使用他们；只有当现有的标准不够时才制定新的协议，而且只要能够得到这些新的标准，而他们又能提供等价的功能，就使用这些新的标准1.1.3小结Internet采用TCP/IP将不同物理网络互连起来网络级互连（IP协议覆盖）形成一个整体协议运行的逻辑网络核心内容统一的互连协议与技术TCP/IP通用的互连允许各物理网独立运行自己的协议（不改变物理网）允许高层软件独立与物理网络（物理网无关）yn@191.2TCP/IP协议族1.2.1TCP/IP分层模型1.2.2TCP/IP编址1.2.3小结yn@201.2.1TCP/IP分层模型OSImodelApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysicalyn@21TCPUDPRARPARPICMPIGMPIPProtocolsdefinedbytheunderlyingnetworksSMTPFTPTELNETDNSSNMPNFSRPCTFTPApplicationsTCP/IPProtocolSuiteApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalTCP/IP:PhysicalLayeryn@22bitsource&destinationTCP/IP:DataLinkLayeryn@23framesource&destinationTCP/IP:NetworkLayeryn@24datagramsource&destinationTCP/IP:TransportLayeryn@25segment,userdatagramsource&destinationTCP/IP:ApplicationLayeryn@26messagesource&destination1.2.2TCP/IP编址yn@27AddressPhysicaladdress物理地址IPaddressIP地址Portaddress端口地址标识通信节点节点所属LAN或WAN指定LAN或WAN内唯一链路地址/硬件地址0x0005.5D06.1418标识通信节点的网络连接Internet指定Internet内唯一网络地址4标识通信进程操作系统指定一台计算机内唯一21,23,25,808080,10000Application-Specificaddress特定应用地址，如URLTCP/IP中的地址与层次yn@28PhysicaladdressIPaddressPortaddressIPandotherprotocolsNetworklayerUnderlyingphysicalnetworksNetworkAccesslayerProcessApplicationlayerTCPUDPTransportlayerApplication-specificaddress通信实例1物理地址逐跳而变IP地址通常不变yn@29通信实例2yn@30——端口地址通常不变1.2.3小结TCP/IP层次与OSI模型的对应关系TCP/IP协议主要协议及其所在层次TCP/IP编址：物理地址、IP地址、端口地址作用、所在层次在互联网通信中的变化情况yn@311.3物理网络1.3.1引言1.3.2局域网1.3.3广域网1.3.4小结yn@321.3.1引言因特网——IP互联网各种物理网络核心网（主干网）：交换广域网接入网：点到点广域网、局域网/城域网驻地网：局域网互连设备IP路由器yn@33局域网和广域网局域网（LocalAreaNetwork，LAN）MultiplesystemsattachedtoasharedmediaBroadcastcapabilityHightotalbandwidth,lowdelay,lowerrorrateLimitedgeography,limitednumbersofstationsTechnologies：Wired&Wireless广域网（WideAreaNetwork，WAN）Long-distancetransmissionofdata,voiceandvideoinformationoverlargegeographicalareasUtilizepublic,leased,orprivatecommunicationfacilities,usuallyincombinationTechnologies：Point-to-point&Switchedyn@341.3.2局域网yn@35TokenBusTokenRingCSMA/CDCSMA/CACSMAFDDITRTBEthernetStarLANARCnetOmniNet1970’s1980/1990’s2000’s802.9/ISLAN802.5/TR802.4/TB802.3/EnetX3T9.5/FDDI802.11/WLAN802.3/Enet802.22/WRAN802.14/CM802.12/DPLAN802.11/WLAN802.9/ISLAN802.8/FORTAG802.7/BBTAG802.6/MAN802.5/TR802.4/TB802.3/Enet802.20/MBWA802.17/RPR802.16/FBWA802.15/WPANLAN协议参考模型LAN标准机构IEEE802委员会802网络：LAN/MAN（城域网）802参考模型SAP：服务访问点LSAPMSAPPhSAPLLC：逻辑链路控制MAC：介质访问控制yn@36OSIRMLLC物理介质MACPHYPhSAPMSAPLSAP802网络范围802RMApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysicalIEEE802标准族IEEE802.1综述、编址、桥接、管理、……IEEE802.2屏蔽不同类型的LAN，向上提供一致的服务IEEE802.3/11/15/16/17

……定义不同类型的LAN/MAN内容包括：MAC协议、物理接口、介质需求所有LAN具有相同的LLC子层；不同的MAC子层和物理层yn@37802.3……802.2802.11物理层数据链路层PHYMACLLCOSI层次802层次802.17…802.1LLCLLC（LogicalLinkControl）设立的初衷LLC位于LAN参考模型的中心位置向上为多种网络层协议提供一致的服务：不能直接为IP服务向下汇聚多种LAN（MAC）规范近年来发生了重大变化网络层：IP协议几乎成了唯一MAC层：以太网几乎占绝对优势LLC还是必要的？不再是必要的LLC正在退出实用（不再使用）！当前的趋势MAC（Ethernet）直接承载IP！yn@38LLCSNARS511SNAP…802.3802.4802.5FDDIATM802.3（及兼容）？IPIPMAC广播信道：所有站点共享一条通信信道多路访问信道，共享信道两个或以上站点同时发送将会产生干扰（冲突）MAC（MediumAccessControl）解决广播信道的信道访问权问题yn@39ABCDE1.3.3广域网点到点广域网从公共网（如电话网）中获取一条线路来连接两个远程设备典型物理链路：DSL技术、HFC网络典型链路协议：PPP、PPPoE交换广域网网状的点到点网络，为用户提供多个接入点使用面向连接的技术典型网络：X.25、帧中继、ATMyn@40DSL技术DigitalSubscriberLine，数字用户线非对称DSLADSL（AsymmetricDSL）上行640kbps~1Mbps，下行500kbps～8MbpsVDSL（Very-high-bit-rate