《现代通信网》课件第五章 互联网-01

2024/8/191第五章互联网及TCP/IP协议5.1互联网概述5.2网络层5.3路由协议5.4传输层

5.5应用层5.6IPv6与MPLS2024/8/192互联网的定义Internet是将不同类型的网络互联在一起而形成的覆盖全球的信息基础设施：特点：1）采用分组交换技术2）使用TCP/IP协议3）接口开放、允许用户自己开发服务2024/8/193管理及标准化InternetEngineeringTaskForce:技术标准的研究制定工作InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers：IP地址和DNS的分配和管理工作InternetArchitectureBoard：管理Internet的发展规划Werejectkings,presidents,andvoting.Webelieveinroughconsensusandrunningcode.” DavidClark2024/8/194动机？冷战催生:1957年10月，前苏联发射人类第一颗地球卫星，Sputnik。美国的回应：1958年1月成立DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)和NASA（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）,进行军事科学技术研发，重点在空间技术和通信技术。2024/8/195动机？如何让同一个网络上的两台不同类型的计算机相互通信？ARPANET2024/8/196设计方案BBN公司：设计并制造关键设备4台IMP，实现这4个节点之间的联网，最终目标17个节点。UCLA的Kleinrock负责网络的测试和性能分析系统，以及主机与IMP之间的通信软件（VintCerf,SteveCrocker,和JonPostel）。租用AT&T的50kbps专线连接４节点网络:UCLAStanford，SRIUCSantaBarbaraUniversityofUtah,LarryRoberts：网络的拓扑结构设计及资金预算管理2024/8/197设计方案两个主要问题：怎样让不同类型的计算机相互通信？怎么解决网络的生存性、可靠性问题？2024/8/198设计方案分组交换独立选路转发输入链路输出链路MemoryIMP2024/8/199无连接方式主机A主机B主机E主机D主机CIMP1IMP2IMP3IMP4IMP5IMP6IMP72024/8/1910无连接方式主机A主机B主机E主机D主机CIMP1IMP2IMP3IMP4IMP5IMP6IMP72024/8/1911互联网主要特点无连接（Connectionless）：区别于传统电信网络面向连接的概念，使用分组交换而不是电路交换。端到端（EndtoEnd）：在网络层（IP层）以上，通信的端系统（计算机）应该直接通信不需要中间设备，类似防火墙、地址转换设备等中间盒子（Middle-Box）是不被看好的。简单性（KISS，KeepItSimpleandStupid）：把复杂的功能放在端设备（计算机）上，网络设备应该尽可能的简单，特别是网络设备不应该保留状态。开放性。2024/8/1912网络结构－－networkofnetworksMetropolitanNetworkSLCRASISPBackboneNetworkGPRSNetworkISPBackboneNetworkMetroNetworkCampusNetworkISPBackboneNetworkDSLAMBTSGGSNWiFi2024/8/1913ISP的类型粗分为三个层次的ISP骨干层：第一层ISP

(例如：AT&T、Sprint、NTT、中国电信等),网络覆盖全国/提供国际接入。第二层ISP:区域ISP连接1个或多个第一层ISP,也可能与其它第二层ISP直接互联第三层ISP：本地ISP最后一跳网络(“access”)，是高层ISP的客户2024/8/1914Internet结构:ISP对等互联本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP区域ISP区域ISPIXPIXP第一层ISP第一层

ISPGoogleIXP2024/8/1915ISP间的互联方式ISP1网络ISP2网络ISP3网络ISP4网络Internet骨干提供商IXP1（Ethernet或虚电路）IXP2（Ethernet或虚电路）BRBRBRBRBRBRBRBRBRBR：边界路由器，运行BGP：ISP之间的直接对等互联2024/8/1916IXP的结构现有的IXP95%采用Ethernet组建可管理的两层网络.采用E-APS保证网络可靠性。每个接入到IXP的ISP和Internet骨干提供商，都要在IXP所在地安装一台运行BGP的路由器。IXP的两层网络提供ISP之间的点对点对等直连。IXP的主要peeringmodel采用SKA(SenderKeepAll)模式。2024/8/1917接入互联网用户接入Internet涉及两个方面：物理接入：多种形式,xDSL,dial-up,LAN,WLAN,GPRS等。局端接入终结设备－RAS，DSLAM等ISP必须有上联路由器接到Internet。逻辑接入：四个要素主机标识：IP地址。资源标识：URL配置主机TCP/IP协议，要和物理接入方式匹配。认证ISP提供的逻辑接入部件：AAA，使用RADIUS协议DHCP协议2024/8/1918典型的家庭网络连接到电信局端设备cable或DSLmodemrouter,firewall,NATwiredEthernet(100Mbps)wirelessaccesspoint(54Mbps)无线终端通常由一个设备实现2024/8/1919城域－宽带接入网接入点园区交换机业务接入控制点BRAS业务接入控制点SR汇聚交换机/MSTP/RPR汇聚交换机/MSTP/RPR汇聚交换机/MSTP/RPR接入点DSLAM楼道交换机xDSL用户LAN用户CPE大客户接入点DSLAMxDSL用户铜缆光纤铜缆五类线光纤终端CPE终端CPE终端CPE终端大客户CPE终端2024/8/1920案例：CN22024/8/1921OSI与TCP/IP比较应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层OSIModel物理层TCPUDPHTTpICMPIPARPFTPSMTPTelnetTFTpSNMpDHCPBOOTPEthernetPPPFRATMX.25TCP/IPModelHDLCE1TCP/IP的典型沙漏模型2024/8/1922互联设备的功能：协议栈网络设备：终端，交换机，路由器的协议栈。2024/8/1923互联网协议－现实的扩展TelnetEthernetFrameRelayATMPPPHDLCIPICMPMPLSDiffServIntServ/RSVPOSPFBGP-4NATARPSNMPAAA/RadiusDHCPDNSTCPUDPRTPSCTPFTPHTTPSMTP数链层网络层传输层应用层OSS2024/8/1924分层体系下信息发送：Web页封装HttpHeaderWebpageTCPheader...ApplicationpayloadApplicationTCPIPDatalinkPhysical2024/8/1925异构网络互连原理两个问题：异构性可扩展性

互联的原则：提供不同子网间进程的通信服务的同时，不能改变现有子网的结构。（编址，最大分组长度，定时，差错控制，连接控制，选路机制等）。2024/8/192633765765765765765765765765互连的方式43214321143214321211432143213repeaterbridge(e.g.802MAC)routerphysicaldatalinknetwork4321432122gateway...2211112024/8/1927网间网的策略子网1子网2互联设备子网3网间网协议NP1NP2NP3NP3NP1NP2统一的网间网协议，来解决联网的复杂性，假设有N个异构互连，需要的是N种协议转换器，加一个网间网协议。IP协议扮演的角色网间网协议网间网协议网间网协议2024/8/1928网间网互连的工作原理示例ABC123IIIIIIuvwxyzCuvwxyz3uvwxyzIII问题：三个异构的子网，各自有不同的分组格式，最大允许分组长度，地址方案，要实现互连。子网1子网2子网32024/8/1929网间网互连的工作原理示例－2引入两台路由器实现三个异构子网的互连，路由器除了拥有相应子网的地址，还应该拥有个同一的全局地址，以识别不同子网上的主机，实现正确的转发。ABC123IIIIIID45IIII2024/8/1930网间网互连的工作原理示例－3为每个主机和路由器端口分配统一的全局地址，该地址应能区分主机所在的子网和主机自身。1.1A1.2,B1.3C2.112.222.333.1,I3.2,II3.3III1.4,D2.4,42.5,53.4,IIII2024/8/19311.1A1.2,B1.3C2.112.222.333.1,I3.2,II3.3III1.4,D2.4,42.5,53.4,IIIIuvwxyz3.3Duvwxyz3.3uvwxyz3.35xyz3.35uvw3.3IIIxyz3.3IIIuvw3.3uvwxyzuvwxyz3.3uvwxyz分段以满足子网2的要求在目的地重装各分段2024/8/1932第五章互联网及TCP/IP协议5.1互联网概述5.2网络层5.3路由协议5.4传输层

5.5应用层5.6IPv6与MPLS2024/8/1933网络层的主要功能选路与转发IP分组格式-rfc791048121619242831versionHLenTOSTotalLengthIdentifierFlagOffsetTTLProtocolChecksumSourceAddressDestinationAddressOptions(ifany)Data20字节数据报模式：每一个分组都包含选路转发需要的全部信息。2024/8/1935IPv4编址方式独立于物理网络IP地址：32bit,<网络id,主机id>标识接口（Interface）：主机/路由器与物理链路的接口地址。典型的一个路由器有多个接口，主机通常有一个接口，而一个IP地址只能用来唯一地标识一个接口。“全0”代表“本”，“全1”代表“全部”。点分十进制表示法：=110111110000000100000001000000012231112024/8/1936

特殊IP地址与专用IP地址

RFC1918中规定如下地址是私有地址：一个A类地址，

16个B类地址－，

256个C类地址－

网络前缀主机部分实例用途全“0”全“0”主机使用DHCP协议动态获取IP地址时用该地址标识主机自身IP地址全“0”网络地址，特定网络的网络地址IP地址全“1”55指定网络的广播地址全“1”全“1”55当前网络的广播地址127任意

Loopback，用于测试或本地主机（localhost）2024/8/1937如何获取网络地址？RegionalInternetRegistries(RIRs)

ARIN(NorthAmerica,SouthernAfrica),APNIC(Asia-Pacific),RIPE(Europe,NorthernAfrica)主机如何获取IP地址?静态手动分配DHCP:

DynamicHostConfigurationProtocolICANNRIRISP客户2024/8/1938IP子网的概念02118172.161212NetworkHost..Fei_1/1Fei_1/2路由器每个端口连接一个IP子网，相同子网上的接口网络id相同。每台设备正确转发分组，必须知道自己所属的IP子网网络地址02118E1172.1600网络ID..网络端口E0E1路由表E010.000网络ID..2024/8/1940分类编址-首字节规则总共lIP地址空间:4billionClassA:128networks,16Mhosts，

～55ClassB:16Knetworks,64Khosts，

～55ClassC:2Mnetworks,256hosts，～552024/8/1941子网编址（RFC950）分类编址的缺陷两层结构的限制A,B,C类网络规模划分不实用，大多数公司的网络多在300～1000主机规模。1985年，引入子网编址，三级结构2024/8/1942掩码计算和表示法全“0”和全“1”子网的问题：考虑网络地址，假如进行了子网划分，那么如何区分它是一个A类网络"10"?还是一个子网"10.0"?

广播地址55，它是对整个网络“10”的定向广播?还是仅对子网10.255的广播?

2024/8/1943定长子网划分：例子假设某中型机构分配了一块B类地址/16。该机构的网络规划了10个IP子网，每个子网的主机数基本相当。根据需求：先确定子网号的位数，取子网号为4个比特，24=16；保留全“0”子网，全“1”子网，可用子网号为14个。2024/8/1944定长子网划分：例子（续）子网掩码？2024/8/1945子网划分：2n–2公式和步骤1）确定需要的子网数，以及每个子网的主机数。2）使用公式2n–2，子网所需的比特数，主机所需的比特数。3）确定可用的子网4）确定每子网中可用的主机地址空间子网掩码练习AddressSubnetMaskClassSubnet002步骤：1）先将IP地址和子网掩码写成2进制形式。2）将2进制形式的IP地址和子网掩码进行按位与运算。3）运算结果再转换回点分十进制。AddressSubnetMaskClassSubnet002BAA子网掩码练习－答案能否简化计算？计算广播地址练习AddressClassSubnetBroadcast048SubnetMask

352728步骤：1）先将IP地址和子网掩码写成2进制形式。2）将2进制形式的IP地址和子网掩码进行按位与运算。3）得到子网ID号后，将主机ID全部置1。4）运算结果再转换回点分十进制。计算广播地址练习－答案27AddressClassSubnetBroadcast048C36SubnetMask

A55352B52728B2024/8/1950VLSM-变长子网划分假设一个拥有C类网络/24的小型机构，有6个部门，每个部门要求划分成一个子网。其中4个子网主机数不超过10，一个子网的主机数是60，一个子网的主机数是100，整个网络容量不超过200主机。按定长子网划分可以吗？2024/8/19512024/8/1952CIDR型编址IETF在1993【rfc1519】将其标准化,对子网概念的进一步扩展。CIDR型IP地址的网络部分可以任意长：不使用类型标识来确定网络部分的长度。使用地址块的公共部分做为网络前缀。CIDR网络地址必须采用前缀/长度a.b.c.d/x表示法【x表示32bit的地址中，前xbit为网络部分】分配给同一机构的地址空间必须保持连续（2的幂次）。2024/8/1953CIDR的三部分内容

拓扑相关的无分类地址分配策略。支持无分类地址的域间选路。地址汇聚机制（超网）。2024/8/1954实例1例如：假设某机构已分配了地址块202.23.0.X～202.23.7.X(8个连续的C类地址）.其下有八个机构，ISP可将该块地址均分为八份，如下图所示：ISP地址块11001010000101110000000000000000/21

机构011001010000101110000000000000000/24机构111001010000101110000000100000000/24机构211001010000101110000001000000000/24...…..….….机构7110010100001011100000111

00000000/24

子网地址扩展占3bit,主机部分剩余8bit2024/8/1955C类地址的分区~55欧洲~55北美~55中南美~55亚太示例：在某路由器中，去往欧洲地区的路由项可聚集为一项/7,相应的网络掩码可写为2024/8/1956CIDR下的分层选路与地址聚集ISProuterInternet…...…….…...…….ISProuterInternet/24/24/24/24…...……./21使用和不使用CIDR的域间选路区别2024/8/1957分层编址:更具体的路由ISP2拥有到机构1更具体的路由信息！/23/23/23ISP1机构0机构7Internet机构1ISP2“向我发送以/16或/23””开头的任何东西/23机构2......“向我发送以/20”开头的任何东西2024/8/1958CIDR：最长前缀匹配Destination=6payloadPrefixInterfaceNextHop/20

9ATM5/0/8/15/23

attachedEthernet0/1/3Serial1/0/77IPForwardingTable

/03ATM5/0/9OKbetterbest!2024/8/1959编址方式与网络结构2024/8/1960五路由器的一般结构－控制平面路由功能：执行路由协议，生成、更新和维护路由表。其它功能：拥塞控制，QoS等。路由表的基本信息目的网络地址。路由信息的来源。下一跳的IP地址转发端口inputinterfaceoutputinterfaceInter-connectionMedium(Backplane)ForwardingTableControlProtocols2024/8/1961控制平面：路由表IPv4RoutingTable:DestMaskGwInterfaceOwnerprimetricfei_1/1bgp20005355fei_1/1ospf110145455fei_1/1ospf1101348gei_5/2.1direct0055gei_5/2.1address004486gei_5/2.4direct0052fei_1/1direct0055fei_1/1address00

2024/8/1962判断目的网络是否直连网段检查ARP表是否有目的MAC地址做数据链路层封装（目的MAC为目的MAC地址）通过物理层发送数据通过ARP获得目的MAC地址YESNOYESNO是否配置了去该网络的路由？YES检查ARP表是否有对应的MAC地址做数据链路层封装（目的MAC为网关MAC地址）通过ARP获得下一跳MAC地址NO发送错误信息YESNOEnd

获取目的IP地址IP分组转发流程2024/8/1963同一网段通信过程图示IP地址： MAC地址：00:20:AF:00:00:02IP