通信专业实务互联网技术讲义(中1)

通信专业实务互联网技术讲义(中1)第一页，共93页。(一)数据通信(二)数据传输技术即“通信专业实务——互联网技术”的第1章第二页，共93页。第一章数据通信基础1.1数据通信的基本概念数据通信系统数据传输速率码元速率数据传信速率数据传送速率数据传输的方式串行与并行同步与异步单工、双工和全双工第三页，共93页。第一章数据通信基础1.1数据通信的基本概念数据传输质量差错率频带利用率1.2数据信号的传输数据传输的方式基带传输频带传输传输介质双绞线同轴电缆无线信道第四页，共93页。第一章数据通信基础1.3数据通信的交换方式电路交换报文交换分组交换1.4多路复用与多址通信频分时分码分波分1.5数据通信的差错控制第五页，共93页。第一章数据通信基础1.5数据通信的差错控制差错类型差错控制的基本方式前向纠错检错重发反馈校验混合纠错纠错编码奇偶监督码行列监督码汉明码第六页，共93页。(三)计算机网络技术(四)网络体系结构和网络协议(六)网络路由和路由协议(八)局域网、城域网和广域网技术即“通信专业实务——互联网技术”的第3,4,5章第七页，共93页。第3章计算机网络与协议3.1计算机网络的功能包括：硬件共享、软件共享、数据传输；其他功能包括：集中管理、实现分布式处理、负载平衡；3.2计算机网络的组成和分类；计算机网络系统的组成包括：资源子网、通信子网、通信协议；网络的分类包括：按网络跨度划分、按网络交换方式划分；3.3计算机网络的体系结构；网络体系结构的分层原理包括：分层原理、层次划分原则；通信协议包括：协议定义、网络协议三要素；3.4网络分层模型；OSI参考模型（p46-47）；各层功能概述（p47-48）；TCP/IP参考模型的基本概念、与OSI参考模型的比较（p48-49）；各层常用协议简介包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层（P50-52）。第八页，共93页。第九页，共93页。ISO'sOSI参考模型第十页，共93页。各层功能概述各层功能应用层与用户应用进程的接口表示层数据格式的转换会话层会话管理与数据传输的同步传输层端到端经网络透明地传送报文网络层分组传送，路由选择和流量控制数据链路层在链路上无差错地传送帧物理层经物理媒体透明传送比特流第十一页，共93页。OSITCP/IPTCP/IP协议簇应用层应用层FTP、Telnet、NFS、SMTP、SNMP、T、etc.表示层会话层传输层传输层TCP、UDP、etc.网络层网际层IP、ICMP、GGP、EGP、IGP、ARP、RARPetc.数据链路层网络接口层LAN，X.25，FDDI，其它网络物理层双绞线，同轴线，光缆，其它信道TCP/IP与OSI比较TCP/IP支持所有的、标准的物理和数据链路协议第十二页，共93页。第四章局域网与城域网局域网基本概念；局域网的基本组成及特点；组成：计算机传输介质网络适配器（网卡）网络操作系统特点：网络覆盖范围较小数据传输速率高传输质量好，误码率低介质访问控制方法相对简单软硬件设施及协议方面有所简化，有相对规则的拓扑结构第十三页，共93页。第十四页，共93页。拓扑结构星型总线型环型混合型局域网协议类型包括：LLC子层：（功能；网络层与LLC子层间接口的服务规范；LLC子层与MAC子层间接口的服务规范；LLC子层与LLC子层间的服务规范；LLC子层的协议规范）MAC子层：（集中式与分布式；同步方式与异步方式）物理层；第十五页，共93页。以太网包括：MAC子层协议；（以太网的MAC地址；以太网帧格式）CSMA/CD；（以太网时间槽；CSMA；CSMA/CD）物理层；（物理层协议及接口；以太网物理规范）第十六页，共93页。CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)先听后发？第十七页，共93页。图CSMA/CD工作流程第十八页，共93页。CSMA/CD信道被占用的情况（发送时延、传播时延）第十九页，共93页。1kmABt碰撞t=

B检测到信道空闲发送数据t=

/2发生碰撞t=2

A检测到发生碰撞t=

B发送数据B检测到发生碰撞t=ABABABt=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2

A检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为

第二十页，共93页。其他类型的局域网令牌环令牌总线FDDI第二十一页，共93页。高速以太网包括：快速以太网；（100Base-T；100V-AnyLAN）吉比特以太网；10Gbit/s以太网；交换式以太网；第二十二页，共93页。无线局域网包括：使用无线局域网的场合；无线局域网络的构成方式；（点对点；点对多点；分布式）无线局域网的协议标准IEEE802.11系列；无线局域网的安全；（认证；数据加密）特点与发展前景；第二十三页，共93页。城域网包括：城域网基本概念；宽带IP城域网及其应用；宽带IP城域网的技术体制城域网路由协议AAA和RADIUS协议IP城域网的关键技术几种典型的应用第二十四页，共93页。第五章互联网网络互联设备包括：中继器；网桥；路由器；网关局域网的互联网桥协议的体系结构生成树网桥源路由网桥 第二十五页，共93页。网桥协议的体系结构用网桥直接的连接两个邻近的局域网用点对点线路连接相距较远的局域网两个远程网桥之间的通信设施是其他网络第二十六页，共93页。生成树网桥是一种网桥透明的网桥，这种网桥插入电缆后就可以自动完成路由选择功能，无需由用户配置路由表或设置参数，网桥的功能是自己学习获得。帧转发地址学习环路分解——生成树算法源路由网桥核心思想是由帧的发送者显示地指明路由信息。第二十七页，共93页。广域网互联包括：OSI网络层内部结构；无连接的网际互连；面向连接的网际互连。INTERNET协议和组网技术包括：IP地址；TCP/IP；ICMP；域名和地址解析；INTERNET路由协议包括：路由信息协议；开放最短路径优先；路由协议BGP；第二十八页，共93页。OSI网络层内部结构为了实现类型不同的子网互连，OSI/RM把网络层划分为3个子层。子网访问子层子网相关子层子网无关子层网络层的3个子层结构对应于网络互联的3中策略。第二十九页，共93页。无连接的网际互连网际数据报协议：IP面向连接的网际互连虚电路第三十页，共93页。INTERNET协议和组网技术IP地址；IP地址分类子网掩码无类别域间路由网络地址转换(NAT)TCP/IP；IP协议（见后图）分段和重装TCP协议（见后图）ICMP；域名和地址解析；第三十一页，共93页。表IP地址划分方法第三十二页，共93页。

子网划分的方法如图所示(以B类地址为例)。在Internet地址中，网络地址部分不变，源主机地址划分为子网地址和主机地址。与传统的分类地址一样，地址中的网络部分(网络前缀+子网)与主机部分之间的边界是由子网掩码来定义的。图子网划分原理第三十三页，共93页。20世纪90年代，设计出了一种扩展方式，忽略分类层次，并允许在任意位置进行前缀和后缀之间的划分，这种方法称为无分类编址(ClasslessAddressing)，允许更复杂的利用地址空间。无分类编址是解决IP地址趋于耗尽而采取的紧急措施。其基本思想是对IP地址不分类，用网络前缀代替原先的分类网络ID。用网络前缀代替分类，前缀允许任意长度，而不是特定的8、16和24位。无分类地址的表示方法为IP地址加“/”再加后缀，例如8/21表示一个无分类地址，它有21位网络地址。第三十四页，共93页。

无分类编址方案网络中，在路由器选路时采用无分类域间路由(CIDR：ClasslessInterDomainRouting)。从概念上讲，CIDR把一块邻接的地址(比如C类地址)在路由表中压缩成一个表项，这样可以有效减少路由表快速膨胀的难题。

第三十五页，共93页。CIDR允许任意长度的网络前缀，相应地，掩码长度也变成可变长度，称为可变长子网掩码VLSM(Variable-LengthSubnetMask)。VLSM能够把一个分类地址网络化分成若干个大小不同的子网。在上面的例子中，若主机数目为500台，分配一个子网掩码为的子网就可以支持最多512个主机地址。若另外一个场合主机数目为100台，分配一个子网掩码为28的子网就可以支持最多128个主机地址。因此，CIDR与VLSM结合起来能更有效地管理地址空间，让分配给每个子网的主机地址的数量都符合实际需要。第三十六页，共93页。固定部分可变部分04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）位首部长度数据部分数据部分首部IP数据报首部发送在前第三十七页，共93页。IP的分片与重装在互联网中各个网络定义的最大分组长度可能不同，网络层需要将收到的数据报分割成较小的数据块，称为分片。相反地，到了目的端将多个数据块组合起来，称为重装。

IP分组格式中，分片偏移量和标志字段用来对IP分组的分片与重装，分片过程如图所示。第三十八页，共93页。图IP分组的分片过程第三十九页，共93页。网际控制报文协议ICMP为了提高IP数据报交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)。ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP不是高层协议，而是IP层的协议。ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。

第四十页，共93页。ICMP报文的种类ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。ICMP报文的前4个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的4个字节的内容与ICMP的类型有关。第四十一页，共93页。类型代码类型描述第四十二页，共93页。ICMP差错报告报文共有5种终点不可达源点抑制(Sourcequench)

时间超过参数问题改变路由（重定向）(Redirect)

第四十三页，共93页。ICMP询问报文有两种回送请求和回答报文时间戳请求和回答报文下面的几种ICMP报文不再使用：信息请求与回答报文掩码地址请求和回答报文路由器询问和通告报文第四十四页，共93页。ICMP的应用举例

PING(PacketInterNetGroper)PING用来测试两个主机之间的连通性。PING使用了ICMP回送请求与回送回答报文。PING是应用层直接使用网络层ICMP的例子，它没有通过运输层的TCP或UDP。第四十五页，共93页。Traceroute的应用举例第四十六页，共93页。TCP首部20字节的固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FIN32位SYNRSTPSHACKURG位08162431填充TCP数据部分TCP首部TCP报文段IP数据部分IP首部发送在前TCP报文段的首部格式第四十七页，共93页。域名系统在计算机网络中，主机标识符分为三类：名字、地址和路由。在Internet中主机标识符涉及到IP地址和物理地址。这是两类处于不同层次上的地址，物理地址是指物理网络内部所使用的地址，在不同的物理网络中其物理地址模式各不相同；IP地址用于IP层及以上各层的高层协议中，其目的在于屏蔽物理地址细节，在Internet中提供一种全局性的通用地址。

Internet中IP地址由32bit组成，对于这种数字型地址，用户很难记忆和理解。为了向用户提供一种直观明白的主机标识符，TCP/IP开发了一种命名协议，即域名系统DNS(DomainNameSystem)。这是一种字符型的主机名字机制，用于实现主机名与主机地址间的映射。第四十八页，共93页。域名系统之命名机制

Internet允许每个用户为自己的计算机命名，并且允许用户输入计算机的名字来代替机器的地址。Internet提供了将主机名字翻译成地址的服务。对主机名字的首要要求是全局惟一性，这样才可在整个网中通用；其次要便于管理，这里包括名字的分配、确认和回收等工作；最后要便于名字与IP地址之间的映射。对这样三个问题的特定解决方法，便构成了特定的命名机制。

TCP/IP采用的是层次型命名机制，其层次型命名结构与Internet网络体系结构相对应。第四十九页，共93页。表一级Internet域名第五十页，共93页。域名系统之DNS管理在Internet中，分组传送时必须使用IP地址。用户输入的是主机名字，DNS的作用是将名字自动翻译成IP地址。

DNS使用客户机/服务器模型，其服务器称为域名服务器。在域名服务器中保存了某一组织的全部主机的名字及其对应的IP地址。当某个应用程序需要将某一主机名翻译成IP地址时，该应用程序即成为DNS的一个客户。该应用程序与域名服务器建立连接，将其主机名发送到域名服务器，域名服务器查找其对应的IP地址，然后将正确的IP地址回送给该应用程序。这样该应用程序在以后的所有通信中将使用该IP地址。第五十一页，共93页。地址解析协议ARP

逆地址解析协议RARPIP地址物理地址ARP物理地址IP地址RARP第五十二页，共93页。IP地址与硬件地址TCP报文IP数据报MAC帧应用层数据首部首部尾部首部链路层及以下使用硬件地址硬件地址网络层及以上使用IP地址IP地址第五十三页，共93页。什么我们不直接

使用硬件地址进行通信？由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事。连接到因特网的主机都拥有统一的IP地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，因为调用ARP来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的。第五十四页，共93页。地址解析协议ARP不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARPcache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址。主机或路由器怎样知道应当在MAC帧的首部填入什么样的硬件地址？第五十五页，共93页。ARP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第五十六页，共93页。ARP高速缓存的作用为了减少网络上的通信量，主机A在发送其ARP请求分组时，就将自己的IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组。当主机B收到A的ARP请求分组时，就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中。这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了。第五十七页，共93页。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。第五十八页，共93页。应当注意的问题（续）从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自动地将该

IP

地址解析为链路层所需要的硬件地址。第五十九页，共93页。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数据报转发到本网络上的一个主机。这时用ARP找到目的主机的硬件地址。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。第六十页，共93页。IPv6（略）Internet路由协议网络路由的概念路由协议的分类和功能路由信息协议（RIP）开放最短路径优先（OSPF）边界网关协议（BGP）第六十一页，共93页。网络路由的概念路由器的作用？路由协议的分类和功能典型的路由方式：静态动态第六十二页，共93页。RIP协议RIP最初是为Xerox网络系统的Xeroxparc通用而设计的协议，是Internet中常用的路由协议。RIP采用距离向量算法，即路由器根据距离选择路由，所以也称为距离向量协议。路由器收集所有可到达目的地的不同路由，并且保存有关到达每个目的地的最少站点数的路由信息，除到达目的地的最佳路径外，任何其他信息均予以丢弃。同时路由器也把所收集的路由信息用RIP通知相邻的其他路由器。这样，正确的路由信息逐渐扩散到了全网。RIP使用非常广泛，它简单、可靠、便于配置。但是RIP只适用于小型的同构网络，因为它允许的最大站点数为15，任何超过15个站点的目的地均被标记为不可达。而且RIP每隔30s一次的路由信息广播也是造成网络广播风暴的重要原因之一。第六十三页，共93页。1、基本概念RIP是一种基于距离矢量算法的协议RIP使用跳数来衡量到达目的地的距离，称为路由权值（Metric）跳数取值在0~15之间，大于等于16认为无穷大基于UDP协议（端口号：520）进行封装第六十四页，共93页。RIP工作原理路由器仅获取自己邻居的路由信息，并将自己获取的信息传递给自己的邻居路由器将更新后完整路由信息发送给邻居路由器根据接收到的路由信息计算产生路由表路由器在从邻居路由器接收到的信息的基础之上建立自己的路由选择信息表整个路由表整个路由表第六十五页，共93页。RIP路由信息的更新RIP协议每隔30秒定期向外发送一次更新报文更新计时器（UpdateTimer）——30秒如果路由器经过180秒没有收到来自某一路由器的路由更新报文，则将所有来自此路由器的路由信息标志为不可达。失效计时器（InvalidTimer）——180秒若在其后240秒内仍未收到更新报文，就将这些路由从路由表中删除。清空计时器（FlushedTimer）——240秒第六十六页，共93页。2、RIP算法存在的问题及解决RIP算法存在的主要问题：路由环路算法不能明确地检测出选路的回路；选路更新报文在网络间的传输速度很慢，使得RIP所使用的距离矢量算法会产生慢收敛或无限计数问题，从而导致路由不一致性。解决：设置跳数为“16”作为路由不可达标记，可避免路由报文无限制地重复转发，但带来的问题是限制了网络的规模。第六十七页，共93页。常用的环路解决技术分割范围更新技术（水平分割技术）不向学习到路由的端口进行路由更新通告毒性逆转技术当某条路由变为无效后，用度量值“16”将其广播出去触发更新技术不受30s限制，每当路由度量改变时，立即广播更新消息抑制计时器技术（控制更新时间技术）当某条路由信息无效后，在一定时间内（180s）不再接收关于该路由的更新。第六十八页，共93页。3、RIP版本RIPv1：是一种有类路由选择协议，不支持VLSM或者CIDR，同时也不支持认证，没办法在路由更新中加入认证。RIPv2：完善了RIPv1，是无类路由协议，支持VLSM、明文和MD5密文的路由认证。RIPng：保留RIP优点的基础上，针对IPv6网络，对现有技术进行改造，制定的IPv6下得RIP标准。第六十九页，共93页。4、RIP的优点和缺陷优点：简单、易实现，在一些小型网络中得到普遍应用。缺陷:过于简单，以跳数为依据计算度量值，经常得出非最优路由度量值以16为限，不适合大的网络可靠性差，接受来自任何设备的路由更新信息收敛速度缓慢，经常大于5min占用带宽很大第七十页，共93页。OSPF协议第七十一页，共93页。1、OSPF的提出RIP协议最大的优点：简单存在的问题RIP限制了网络的规模路由器之间交换完整路由，信息开销大路由更新过程的收敛时间长，即坏消息传得慢为克服RIP的这些缺点，提出了OSPF。第七十二页，共93页。开放最短路由优先（OSPF）OSPF（OpenShortestPathFirst）是IETF（Internet工程任务组）组织开发的一个基于链路状态的内部网关协议的典型代表。用于在单一AS内决策路由。使用最短路由优先算法（SPF-Dijkstra算法）计算路由。用IP数据报（协议号：89）直接进行封装，并且数据报文短。第七十三页，共93页。2、OSPF基本思想每个路由器维护它自己的本地链路状态信息（即路由器到子网的链路状态和可以到达的邻居路由器）；通过扩散的办法把更新了的本地链路状态信息广播给AS中每个路由器，以便每个路由器都知道AS内部的拓扑结构和链路状态信息；采用相同的算法（SPF）计算最短路由。第七十四页，共93页。LSDB和LSALSDB（LinkStateDataBase）是每一个OSPF路由器都要维护的一个数据库，用于描述、记录网络的拓扑结构，实际上就是一张完整的网络图，路由器可以按照该图计算出全部的最短路由。LSDB每一记录称为LSA（LinkStateAdvertisement）。LSA用于描述网络拓扑结构中每一条链路的相关信息。包括接口描述（链路标号）、链路状态信息等。第七十五页，共93页。3、OSPF的相关概念（1）RouterID（路由器ID）路由器的ID是一个32比特无符号整数，采用IP地址形式，是在AS中的唯一标识。通常将ID配置为该路由器某个接口的IP地址一致。4类路由器（p139）内部路由器（IAR）区域边界路由器(ABR)骨干路由器(BBR)AS边界路由器(ASBR)第七十六页，共93页。（2）区域（Area）在OSPF路由协议的定义中，可以将一个AS划分为几个区域来管理。定义：按照一定的OSPF路由法则组合在一起的一组网络或路由器的集合。用AreaID进行标识。骨干区域（Area0）：由所有的ABR和它们之间的网络构成。必须连续。非骨干：必须与Area0直接相连，否则设置虚拟链路。第七十七页，共93页。区域划分中的注意事项不同区域的LSDB是不一样的；某个区域的详细拓扑结构时其他区域是不可见的；区域边界路由器可以同时属于多个域，其中肯定有骨干区域。第七十八页，共93页。4、OSPF的工作原理描述本路由周边的网络拓扑结构，生产LSA（LinkStateAdvertisement，链路状态广播数据包）。将自己的LSA在AS中传播，并同时收集所有其他路由器生产的LSA。根据收集的所有的LSA计算路由。第七十九页，共93页。区域内利用扩散法，每个路由器将它的邻居和开销信息告诉给本区域内中的所有其他路由器，根据这些信息使每个路由器能构造出一个本区域的有向图，并计算最短路由。区域间每个骨干路由器从ABR处获取路由信息，计算出到所有其他路由器的最佳路由；再将最新的路由信息传回ABR，由该路由器在它所属的区域中进行广播。第八十页，共93页。5、OSPF报文Hello：建立和维护路由器之间的邻居关系，选举DR（指定路由器）和BDR，确保双向通信DD：数据库描述数据包两台路由器在邻居关系初始化时，用该报文描述自己的LSDB，进行数据库的同步第八十一页，共93页。OSPF报文LSR：链路状态请求数据包两台路由器相互交换过DD报文后，知道哪些LSA是本地LSDB所缺少的，哪些LSA是已失效的，就需要发送LSR报文，向对方请求所需要的LSALSU：链路状态更新数据包用于LSA的泛洪扩散和向对端路由器发送LSA去响应LSRLSAck：链路