计算机控制技术第一章至第三章

InternetworkingWithTCP/IPPrinciples,protocols,andArchitectures4thEditionDouglasE.Comer1第一章概述21.1MotivationsofNetworkInterconnection没有一种网络能满足所有的用途互连多种不同网络，构成一个协调整体容纳多种不同技术的网络（异构网互联）互连的方法和通信约定独立于具体网络而运行术语Internetworking：网际互连，互连技术和手段Internetwork：网际网，互连形成的网络Internet：因特网，一种网际网的实例31.2InternetworkingwithTCP/IPARPA对网际网的研究成果互联方法和约定网际网的一个实例一组网络互连的标准和通信细节TCP/IP协议簇包容（不是改造）众多的网络技术适应于任何集合的网络上（LAN、WAN）版本目前：V4（IPv4）新版：V6（IPv6）41.3TCP/IPService通过服务来理解技术问题撇开具体网络来考虑通信问题提供的服务隐藏了通信细节51.3.1应用级服务WWW网络范围内信息查询和信息获取，通信对象随时变化电子邮件网络上的邮件系统提供信件投递、存储无需发送者和接收者的机器直接相连文件传输（FTP，FileTransferProtocol）任意大小和任意格式的文件传输不依赖中间网络对文件的理解和支持远程登录通过网络与远程计算机连接键盘和显示器成为远程计算机的外设61.3.2通信服务对网络提供的通信服务有不同观点灵活的通信手段：WWW等可靠的通信：eMail、FTP、视频传输等传输容量大：FTP、图象传输、视频传输等通信快捷：远程登录时延及抖动小：IP电话、视频传输传输容量保证：视频传输TCP/IP考虑满足这些要求无连接分组投递服务无需保证可靠及有序传输可靠的数据流服务保证可靠、有序的传输和差错恢复7通信服务的特点技术独立性独立于任何具体网络技术在多网的网际网环境中有效地运行通用连接全网同一编址和寻址端到端确认减少中间确认过程，提高了传输有效性应用协议标准异种计算机、异种操作系统间能实现通信81.4互联网的历史和范围起源于ARPA分组交换网多个网络用租用线路、分组交换连接起来1977~1979年就形成现在的形式Berkeley把TCP/IP协议结合到UNIX操作系统中，作为组成部分与Unix命令相似的网络工具新的操作系统I/O机制抽象Socket编程接口促进TCP/IP广泛使用和实践迅速扩充引入大量问题名字和地址、地址空间、子网规模、路由技术、流量问题、网络浏览、实时业务、…91.5Internet体系结构委员会谁决定TCP/IP的技术、标准和发展方向？IAB，InternetArchitectureBoard成立于1983年自愿者的自治团体，来自于技术专家、研究团体、商业组织101.6IAB重组技术范围扩大、TCP/IP进入产品IABIRTFIETF研究部工程部领域1领域2领域12111.7InternetSociety1992年脱离美国政府成立Internet协会的国际性机构独立于国家、商业团体的民间组织鼓励世界范围内加入和使用Internet121.8InternetRFCRFC，RequestForCommentsInternet的重要文档，协议、标准、政策以RFCnnnn编号形式出现，免费查询任何人都能提出RFC（草案），得到IETF认可后，就形成新的RFCRFC791－InternetProtocol（IP）（P.390)RFC768－UserDatagramProtocol（UDP）(P.394)RFC793－TransmissionControlPrococol（TCP）(P.395)131.9协议和标准Internet制定标准的准则：

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141.10未来的发展和技术通信IP化（传统通信、移动通信，…)Internet爆炸性膨胀带来新特点大容量、高性能、服务质量（QoS）互连网（Internet）、内连网（Intranet）、外连网（Extranet）、移动网（Mobile）学术性、商业性网络安全、信息安全、网络管理IPv4固有缺陷地址空间、移动性、安全性IPng（nextgeneration）、IPv615第二章底层网络技术162.1IntroductionNotanewlydesignednetworksMethod&protocolsuitetointerconnectingexistingnetworks.Enablescomputersindifferentnetworkstoexchangeinformation.17底层网络互联网：构筑在现有网络基础上（底层网络）使用底层网络的通信服务实现的“网络”底层网络：LAN、WAN、以及专用的“数据链路”物理网为上层提供通信支持物理网成为互连网的“信道”，或“接口”理解和抽象互连网的接口IPIPIPIPIPIPLANLANWANIPPacketswitchCircuitSwitchIP182.2两种通信技术电路交换分组交换19电路交换专用点对点（P2P）信道有保证的通信容量，通信时延小且稳定通信性能不受其它通信的影响系统资源浪费大，点对点通信20分组交换多个通信可分享信道资源对其中每个通信而言，不能保证通信容量通信时延较长，且不稳定通信性能相互受影响系统资源利用率高，多点间同时通信传输方式：CO、CL21ConnectionOrientedTransmission三阶段的通信形式建立连接阶段通信阶段拆除链路特性点对点连接，难以实现广播通信一次路由，多次通信可靠通信，保证按序交互、无丢失、无重复传输时延长且不稳定（重传、应答影响）网络负担重22ConnectionlessTransmission无建立连接过程，随时可通信特性每次通信请求都独立指定目的端点，灵活性次次路由通信无可靠性保障，乱序、丢失、重复传输时延较短网络负担较轻232.3广域网与局域网WAN传输时延大，几百uS～几百mS传输速率几十Kbps～几Gbps信道点对点信道为主通信协议种类繁多，且依赖于服务提供商LAN传输时延小，几uS～几mS传输速率Mbps～Gbps信道多点共享、交换信道通信协议标准化协议、种类不多，依赖性小242.3.1网络硬件地址PointtoPointNoaddressisneededforP2PTransmissionAddressisneededincaseofrelay（e.g.WAN)MultipointconfigurationsAddressisneededforeachstation25Addressing各种网络都定义了自己的编址和寻址机制物理网要用自己的地址来实现寻址和传输物理网的地址也可称为物理地址IP地址不是物理网的地址，不能替代物理网的寻址IPIP物理网IPAddressingPhysicalnetworkAddressing262.4EthernetTechnologyPHY＋MACtwolayerstructureBroadcastorswitchedDirectlyaddressingtodestinationMACPHYMACPHYMACPHYMACPHYEthernetMACPHY27以太网特点传输速率：10M、100M、1G、10Gbps共享、交换式组网方式尽力交付机制传输方式：CSMA/CD，分布式传输控制传输时延不稳定指数退避法使时延成倍增加流量大，时延变化加剧282.4.1以太网硬件地址48bit以太网地址（称为MAC地址）网络上每个站点的地址是唯一的MAC地址分配与硬件接口卡相关以太网上的各个MAC地址是互不相关的AddressingUnicast（firmware）Broadcast（agreement）Multicast（assigned）292.4.2层次结构两层结构：L1，L2L2分为MAC子层和LLC子层LLC和MAC子层均可为上层提供服务LLC：connectionoriented&connectionlessMAC:connectionlessLLCMACphysicalServiceprovided302.4.3PDUformatMACframeLLCPDULLC－SNAP（LLCextension）dMACsMACT/LDataFCS66246～15004DSAPSSAPCTRLData111or242～1496MACFrameLLCPDUDSAPSSAPCTRLData11138～1492OrgCodeType32SNAPPDU312.4.4ServiceProvidedMACserviceLLCServiceLLCMACphysicalLLCServiceMACServiceDASATypeDataFCSLen<1500Type≥1500DASALenDataFCSForMACServiceForLLCServiceNamedFrametype:Ethernet-IIFrame802.2FrameOr802.3Frame32MACServiceConnectionlessAddressusingMACaddressTypefieldidentifiestheSAPForTCP/IPTypeIP:Type=0800HTypeARP:Type=0806HMACReq(dMac,sMac,SDU,Service_class)Ind(dMac,sMac,SDU,Rcv_Status)DASA0800IPDatagramFCSIP--Ethernet-IIFormatMACPHYUpperProtocolStack33LLCServiceConnectionorientedorconnectionlessAddressusingSAPForTCP/IP,usingLLCconnectionlessserviceRFC1042,SANPframeDSAP=AAHSSAP=AAHCTRL=03H(UI)OrgCode=00HIP:Type=0800HARP:Type=0806HLLCConnectionServices(DL_Connect,DL_Data,DL_ACK,DL_Disconnect……)ConnectionlessServices(UI_Data)UI_Data(SSAP,DSAP,data,priority)MACDASALenDataFCSDSAPAASSAPAActrl03OrgCode00Type34ServiceCharacteristics传输长度限制MTU（MaxTransmissionUnit）＝1500octets无分段重装功能（dMAC）DU（sMAC）FramesMACdMACPHYPHYDU352.5FDDI与以太网基本一致的通信服务特点100Mbps共享信道二层结构无连接通信，单播、组播、广播无分段/重组功能不同之处地址分配与硬件无关：可以为2或6字节MTU可达4000字节以上362.6ATM53Byte信元，高速交换网（155、622Mbps）面向连接通信方式无确定的编址方法编址一般采用：交换机号＋端口号AAL（ATMAdapterLayer）为上层通信提供适配PHYATMPHYATMPHYATMPHYATMPHYATMAALAALIP372.6.1ATM通信传输DU，需要建立连接/拆除连接过程点对点通信（交换式虚电路）切换通信对象过程复杂，时间长难以实现多播和广播MTU无限制（AAL具有分段/重装功能）382.7ARPANET技术最早的广域分组网（1969年）应用：电子邮件、文件传输、远程登录分解成互连的ARPANET＋MILNET点对点租用线路、PSN（IMP）构成编址：节点号＋端口号（P，N）1822协议，简单的Host－Host分组通信协议PSNHost392.8NSFNET（1987)NationalScienceFund三级网络结构国家主干、地区网、本地网（校园网）Internet由NSFNET逐渐演变而来信道速率从64Kbps逐步发展到1.5M402.9ANSNET（1991)ANS（AdvancedNetworkServices）取代NSFNET，公司化运作IBM、MERIT、MCI信道速率45Mbps412.10Internet主干网不断发展中，95年以后更新很快信道速率：2.5Gbps以上节点用IP交换机取代了大型计算机范围扩大到全球多级结构Internet主干、国家主干、地区网、城市网、接入网、本地网422.11其它网络技术X.25网拨号网专线网无线网432.11.1X.25网电信公司通过X.25提供公众分组数据网（PDN，PublicDataNetwork）三层协议体系结构，面向连接通信方式编址方式：类似电话号码14个（0-9)数字DU长度256~2000字节低速率：1200bps～64KbpsX.25L3X.25L2X.25L1442.11.2电话线56KModem（33.6/56Kbps），拨号接入ISDN（2B＋D）xDSL链路层：SLIP、PPPPSTNInternetMMRASRAS：RemoteAccessServicePHYPPPIPPHYPHYPHYPPPIPMACPHY452.11.3其它广域网信道SONET/SDH光纤网络（线路交换）微波信道（固定点对点信道）DDN（交换式点对点信道）卫星信道（点对点信道）462.11.4无线局域网无线局域网IEEE802.11与共享式以太网相似(帧结构、信道访问）无连接通信方式具有分组分段/重装功能信道速率1M、2M、5.5M、11M、34M47第三章

网际互连的概念和体系结构模型网际互连的策略和方法483.1引言把多种技术实现的网络互连成一个协调工作的整体根本目标：建立一个支持通用的通信服务的统一、协作的互连网络隐藏所有底层网络的具体细节提供通用的通信服务493.2应用级互连不同的网络在应用上统一，以实现互连网A网B应用层自然连接不同网络上的应用系统增加一种应用都要编写相应的软件每增加一种网络都要更新所有的应用软件中间网络对互连带来巨大的困难网络管理和控制无法有效实现503.3网络级互连在网络层上实现互连分组的投递和通信服务，与数据内容无关直接利用物理网络的特点产生高效通信分离通信活动和应用，不必理解通信的内容系统灵活，可建立通用的通信服务新的网络技术只与网络层有关网A网B网络层互连的约束条件：1没有一种网络满足所有需求2用户需要通用的互连513.4Internet的性质通用的通信服务包容各种网络形式不要求硬性的网络拓扑结构存在中介网络共享机器标识符的通用集合用户接口与物理网络无关网络层用户接口523.5Internet的体系结构思想重新构造一个新的网络：互连网各种具体的网络为互连网提供通信服务互联：覆盖方式第三层开始，统一到TCP/IP结构上网间互联协议（InternetworkingProtocol，IP）通信：分工合作物理网：实际通信和分组传输服务TCP/IP：网间选路、通用通信服务、应用级服务通信体系网间通信：采用无连接通信方式，适应多种网络端端通信：通用通信服务，有/无可靠性保证的通信53互连结构层次模型协议结构互连方式拓扑结构通信特点54层次模型在网络层统一到IP协议层IP借助于各种物理网络实现的IP通信避开不同物理网之间的直接通信问题，实现的是物理网上的IP之间的通信不排除物理网内存在其它类型的通信的可能性（不在该模型的考虑范围）网关的中继只对物理网中其它站点来的IP作中继（用IP报文的内容）只有IP报文能够穿越网关，实现跨网的通信物理网AIPIPIPIP物理网BIP网关55层次模型－物理网内部需要与网络外部通信的站点都覆盖IP层这些站点之间自然具备了IP通信内部可以存在没有IP层的站点这些站点无法与外部通信（IP通信意义上）内部存在一种以上的（端－端）通信活动端－端的IP通信网络原就具备的端－端通信IPIPIPIPIPIP56ProtocolArchitectureEndSystem1个物理网接口（也可能有几个）可能存在其它网络层协议（不在考虑范围）Gateway(also:Router)较多（一般几个到几十个）物理网接口（数量、类型）只作IP的中继，只有与IP有关的协议物理网接口（NetIf，networkinterface）协议的层次结构与所接的物理网相同IP物理网A物理网B物理网XIP物理网AOtherNetN－LayerA－Layer……EndsystemGateway…57RouterExampleTypicalRouter1or2Ethernet，1~8WAN（SynorAsynSerial）ModernRouterMoreNetworkinterfaceMoreTypesofNetworkInterfaceHighIPpacketthroughputIPMACPHYPPPSYNPPPASYNRCircuitswitchCircuitswitchorPacketswitchR58NetIf(NetworkInterface)NetIf：IP与具体物理网的层间接口IP通过该接口使用物理网提供的服务IP实现策略：如何适应多种物理网络提供的服务？NetIf：抽象网络接口，IP不关心具体物理网针对每种物理网，都有相应的NetIf（软件模块）每种NetIf处理物理网细节，对IP提供抽象网络接口IP(IPoE)IPoAIPoXPPPEthernetATMX.25Syn/AsynEthernetATMX.25/FR/DDN/ISDNNetIf具体网络接口抽象网络接口59ProtocolStack（协议栈）具体物理网络有多种实现形式，甚至几种网络技术应用于某个物理网络上，使得网络接口有较大变化IP采取的对应措施（前2种为主）1.采用以太网接口，（物理网转换，提供以太网服务）2.采用PPP（物理网上叠加PPP）3.直接使用物理网的服务IPNetIf-1NetIf-2NetIf-3PHYMACLLCPPPPHYPHYMACLLCPPPPHYATMPHYATMNetIf-4NetIf-5PHYATMNetIf-6MACPHYATMNetIf-7X25L3PHYX25L2NetIf-8PPPPHYFRNetIf-9PPP60RFCsForNetIfRFC1042,IPover802LANRFC1483,MPoverATMRFC1577,IPoverATM（IPoA）RFC2364,PPPoverATM（PPPoA）RFC2516,PPPoverEthernet（PPPoE）61物理网间的互连由网关实现IP意义上的互连物理网仍然是相互独立的连接方式一个网关连接两个物理网络一个网关连接多个网络互连方式-物理网的观点连接两个物理网络连接多个物理网络62互连方式-网关的观点考查网关之间的通信关系两个网关直接连接：P2P连接多个网关连接起来多个网关等效成大型网关(如用高性能物理网络)物理网络的多个出口任意两个网关间都可直接通信物理网连接网关网关直接连接P2P63拓扑结构由路由器和物理网组成的不规则网状结构不同的物理网通过网关互连起来本地网通过广域网与其它网的远程连接计算机通过远程连接（接入网）到网络上网络还在不断扩张各种拓扑形式都有可能出现64通信特点－物理网内物理网内运行IP的站点，IP的通信IP的寻址，借助于物理网的寻址，实现通信运行IP的站点，一定是可用物理网寻址的IP站点间的通信，是在物理网的直接通信可能存在物理网内部的中继，基于物理网报文内容的中继，与IP无关（尽管IP报文也被中继了）IP通信路径：源IP物理网目的IP即：传输的中间过程不需要IP参与IPIPIPIPIPIPIPIPIPIP65通信特点－物理网间除了IP，物理网间没有直接通信（IP意义上的通信）任何一个出物理网的IP通信，都是源IP把报文直接交给网关，再中继到另一个物理网上因此，IP有至少有两种通信行为：1.通过物理网直达目的站点（源、目的在同一物理网）2.通过物理网递交给网关（源、目的不在同一物理网）这两种通信行为是IP寻址技术的前提条件IPIPIPIPIPIP66通信特点－网状结构中网状结构中，网关起着至关重要的作用路由的选择IP报文在不同物理网中的中继处理不同物理网上传输的差异网关间的配合选路传输路径源：通过源物理网直接把报文送给源网关（第一个中继网关）中继网关：通过中继物理网把报文送给下一个网关【过程重复若干次，直到到达目的网关（最后一个网关）】目的网关：通过目的物理网把报文直接送到目的站点传输路径等效源网关1网关2…网关n目的R1SDRnR2R367通信特点－等效拓扑结构从源到目的的通信过程，可以：网关等效为拓扑结构结构中的“点”物理网等效为拓扑结构中的“线”一个物理网连接多个网关将使拓扑结构变得复杂化从不同的位置，看到的网络拓扑结构可能不同（图中x点）RRRR1234RRRR1243xx网关之间都能通信＝全连通68通信特点－物理网的影响物理网的通信方式对IP通信有较大的影响物理网可以分为两种类型的通信方式广播型网络非广播型网络69通信特点－广播型物理网物理网的通信支持广播通信，物理网能把广播报文送达所有站点一般也支持组播通信支持无连接通信，任意站点间的通信无需建立连接和拆除的过程例：802网，共享式及交换式点对点信道（只有两个站点），所有通信都等效IP的通信IP无连接通信方式、广播、组播在该种网络上实现简单70通信特点－非广播型物理网物理网的通信不一定支持广播和组播通信一般采用面向连接的通信任意站点之间的通信都有连接建立、拆除过程例：X.25/ATM/FRIP通信IP在该网络上有较大的局限性网络上IP站点少时：全连接、广播＝多个重复传输网络上IP站点多时：部分连接，无法实现任意IP站点间的直接通信（由网关转？）71即使站点数少，网络的连接关系也将是异常复杂的复杂的通信关系是否还要划分网关和非网关？（网关的含义冲突）若采用部分连接，与IP网络的模型有巨大的差异IP的策略：尽可能避免在该网上构筑大规模站点数的网络该种网络以提供多个P2P的网关连接为主通信特点－非广播型物理网（续）RRRR43RRRR4322RRRR43272平等地对待网络接口IP通过网络抽象接口，平等的看待每个NetIf每个NetIf连接的都是物理网络P2P连接也看作是有两个站点的物理网络网关将为自己所有的NetIf之间实现IP中继RRR网络网络RR网络网络73小结在物理网络上覆盖IP层，实现IP通信意义上的互联IP通信在同一个物理网时，不用IP中继而用物理网传输，不同物理网时，才用IP的中继网关为不同物理网间的IP通信提供中继网关上不同NetIf接不同的物理网抽象IP接口简化IP与各种物理网的接口网关要应付比单纯点线更复杂的拓扑结构IP体系适宜在广播型网络上实现，非广播型的网络适宜为IP提供P2P信道IP将每个P2P信道都看作是一个物理网络74互连结构多个网络如何互连？物理上，只能通过一台机器来连接（物理连接）这台机器应该是能把分组从一个网络投递到另一个网络的网关（Gateway）或路由器（Router）R的作用R1把网络1上要到网络2和网络3的分组送到网络2上R2把网络3上要到网络1和网络2的分组送到网络2上网络1网络2R1网络3R275复杂互连结构多个Router互连物理网络，构成互连网计算机（Host）与其中物理网络相连RRRRRRTCP/IP互连