計算機硬件及網(wǎng)絡互聯(lián)網(wǎng)及其應用2-2-廣域和路由原理課件

第一部分網(wǎng)絡協(xié)議（七）

廣域網(wǎng)技術(shù)和路由第一部分網(wǎng)絡協(xié)議（七）

廣域網(wǎng)技術(shù)和路由1局域網(wǎng)的限制局域網(wǎng)的限制數(shù)量：共享距離：競爭局域網(wǎng)的限制局域網(wǎng)的限制2廣域網(wǎng)的機制克服方法包交換、交換機和路由器存貯轉(zhuǎn)發(fā)Storeforward廣域網(wǎng)的機制克服方法3包交換包交換和介質(zhì)共享包交換的結(jié)構(gòu)包交換機接口和實現(xiàn)包交換機間的互聯(lián)各種點到點通信方式包交換包交換和介質(zhì)共享4廣域網(wǎng)構(gòu)成廣域網(wǎng)構(gòu)成5Next-hop轉(zhuǎn)發(fā)Next-hop轉(zhuǎn)發(fā)6IP頭部格式版本：ipv4IHL：IP頭部長度32位組為單位IP頭部最長60字節(jié)，最小20字節(jié)總長度：包括頭部和用戶數(shù)據(jù)，IP分組最長65535字節(jié)，但是實踐中很少會超過1500字節(jié)，常限制為576字節(jié)標識、DF/MF/分段偏移：IP分段與重組TTL：初始為64，在每個路由器處減1，為0時丟棄協(xié)議：高層協(xié)議（TCP：6；UDP：17〕頭部檢驗和：采用1的反碼運算把16位字相加源地址、目的地址：IP選項：填充以保證32比特邊界用戶數(shù)據(jù)：開始位置由IHL字段決定IP頭部格式版本：ipv47IP格式版本分段偏移04816192431DFIHL服務類型總長度MF標識生命期協(xié)議頭部檢驗和源IP地址目的IP地址IP選項（如果有）填充用戶數(shù)據(jù)…IP分組格式IP格式版本分段偏移04816192431DIHL服務類型總8廣域網(wǎng)地址明確的格式目的地址：在轉(zhuǎn)發(fā)時，IP分組的源和目的地址不改變，只是MAC地址改變層次地址方案hierarchicaladdresscheme廣域網(wǎng)地址明確的格式9IP地址分類IP地址分類10IP地址范圍IP地址范圍11IP地址IP地址類：兩層的層次結(jié)構(gòu):networknumber+hostid一個IP地址標識主機的一個接口，而不是一個主機一個主機可能有兩個或多個地址兩層三層層次結(jié)構(gòu)：子網(wǎng)IP地址IP地址類：12IP地址子網(wǎng)(subnetting)多個物理網(wǎng)絡（子網(wǎng)）共享一個IP網(wǎng)絡地址空間（常常為B類）IP地址主機部分的一些比特作為子網(wǎng)號只有本地路由器知道子網(wǎng)的存在本地路由器通過子網(wǎng)掩碼來截取子網(wǎng)號三層層次結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡號＋子網(wǎng)ID＋主機IDIP地址子網(wǎng)(subnetting)13IP地址子網(wǎng)掩碼：標識哪些地址屬于網(wǎng)絡部分，哪些地址屬于主機部分：主機部分對應的比特為0，其它為1傳統(tǒng)上子網(wǎng)掩碼不會在0后再跟一個1，即子網(wǎng)ID是連續(xù)的A類地址：255.0.0.0，B類地址255.255.0.0，C類地址255.255.255.0IP地址子網(wǎng)掩碼：標識哪些地址屬于網(wǎng)絡部分，哪些地址屬于主機14IP地址子網(wǎng)地址限制：一個子網(wǎng)地址不能取全0或者全1不允許采用1比特子網(wǎng)掩碼10001100.10110011.11011100.11001000140.179.220.200IP地址11111111.11111111.11100000.00000000255.255.224.000子網(wǎng)掩碼--------------------------------------------------------10001100.10110011.11000000.00000000140.179.192.000子網(wǎng)地址10001100.10110011.11011111.11111111140.179.223.255廣播地址IP地址子網(wǎng)地址限制：15IP地址子網(wǎng)：如果子網(wǎng)掩碼為n比特，則子網(wǎng)的個數(shù)為2n-2如果主機部分為n比特，則子網(wǎng)中的主機數(shù)為2n-2對于上面的例子，140.179.0.0采用3比特作為子網(wǎng)ID，則總共有6個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)最多有2^13-2=8190個節(jié)點，總個B類子網(wǎng)有49140個節(jié)點。而如果不劃分子網(wǎng)，則最多有2^16-2＝65534個節(jié)點IP地址子網(wǎng)：16IP地址超網(wǎng)supernetting:CIDR－ClasslessInterDomainRouting:RFC1519問題：C類網(wǎng)絡很多200萬個，路由表爆炸C類地址太小，而B類地址太大，并且很少(16382)拋棄類的邊界，即超網(wǎng)，1992年提出ISP分配地址時給用戶一組連續(xù)(2n)

C類地址，子網(wǎng)掩碼被擴展為允許描述多個網(wǎng)絡組成的一個大的網(wǎng)絡IP地址超網(wǎng)supernetting:17IP地址超網(wǎng)：假設用戶需要1000個IP地址，則分配4個C類

192.60.128.0(11000000.00111100.10000000.00000000)ClassCsubnetaddress192.60.129.0(11000000.00111100.10000001.00000000)ClassCsubnetaddress192.60.130.0(11000000.00111100.10000010.00000000)ClassCsubnetaddress192.60.131.0(11000000.00111100.10000011.00000000)ClassCsubnetaddress--------------------------------------------------------192.60.128.0(11000000.00111100.10000000.00000000)SupernettedSubnetaddress255.255.252.0(11111111.11111111.11111100.00000000)SubnetMask192.60.131.255(11000000.00111100.10000011.11111111)Broadcastaddress

四個C類地址可以用：192.60.128.0,netmask255.255.252.0來標識IP地址超網(wǎng)：

18IP地址和物理地址的轉(zhuǎn)化已知IP地址ARP已知MAC地址RARPIP地址和物理地址的轉(zhuǎn)化已知IP地址19IP地址映射：ARP直接遞交：必須把IP地址映射為硬件地址直接映射：proNet：192.12.69.x，其中x為主機的proNet地址靜態(tài)地址表映射映射表手工維護，很少改變X.25使用一個IP地址到“電話號碼”的映射表動態(tài)映射：ARP通過詢問網(wǎng)絡中的主機來維護一個動態(tài)映射表IP地址映射：ARP直接遞交：必須把IP地址映射為硬件地址20IP地址映射：ARPARP：IP地址MAC地址用于以太網(wǎng)等廣播網(wǎng)絡中解析地址如果不知道IP地址對應的MAC地址，發(fā)送ARP請求，暫時保留IP分組在緩沖區(qū)ARP請求采用廣播發(fā)送：SenderIP、MACaddress;TargetIP、MACaddress所有站點收到ARP請求，更新相應的cacheTargetIP站點響應ARP請求，源和目的字段相掉，并且填寫源MAC地址緩沖ARP響應，在20分鐘后清除arp–a顯示ARP表IP地址映射：ARPARP：IP地址MAC地址21IP地址映射：RARPRARP：MACIP地址無盤工作站獲得自己的IP地址，MAC地址是唯一不變的主機廣播RARP請求RARP服務器返回該MAC對應的IP地址IP地址映射：RARPRARP：MACIP地址22IP地址映射：ProxyARP代理ARP：通過ARP在兩個物理網(wǎng)絡中用同一IP網(wǎng)絡路由器連接另一個網(wǎng)絡，對第一個網(wǎng)絡透明第一個網(wǎng)絡中的主機認為總個網(wǎng)絡中只有一個物理網(wǎng)絡：采用更短的子網(wǎng)掩碼路由器將響應第一個網(wǎng)絡到第二個網(wǎng)絡主機的ARP請求，回以路由器的MAC地址。H1H2RH3H4192.168.0.0/24192.168.0.64/28192.168.0.64/28192.168.0.0/24IP地址映射：ProxyARP代理ARP：H1H2RH3H23IP地址映射：ProxyARP第一個網(wǎng)絡中的ARP請求會增加主機必須保留更多的IP到MAC地址映射安全漏洞：spoofing對網(wǎng)絡拓撲有要求，比如兩個物理網(wǎng)絡間有兩個路由器連接。IP地址映射：ProxyARP第一個網(wǎng)絡中的ARP請求會增24路由概念源地址獨立性概念：不依賴源地址和路徑優(yōu)點：緊湊/機制一致層次地址和路由關(guān)系路由表和路由概念層次地址優(yōu)點：索引表規(guī)模缺省路由使用路由概念源地址獨立性25路由和圖論內(nèi)部（interior）和外部交換機（exterior）路由表的數(shù)據(jù)完整優(yōu)化圖論的應用：nodelink路由和圖論內(nèi)部（interior）和外部交換機（exteri26路由表的生成和計算defaultroute大型網(wǎng)絡路由表人工配置的不可能性靜態(tài)路由staticrouting動態(tài)路由dynamicrouting路由表的生成和計算defaultroute27最短路徑計算Dijkstra算法最短路徑和權(quán)值最短路徑計算Dijkstra算法28最短路徑計算算法給定：指定源點和邊賦權(quán)的圖計算：從源點到其它各節(jié)點的最短距離和下一站路由表方法：-初始化集合S為除源點外的多有節(jié)點初始化數(shù)組D，if源點到v有邊，D（v）為權(quán)值，orD（v）=無窮大值初始化數(shù)組R，if源點到v有邊，R（v）為源點，or為0。While（S非空）{從S中選一節(jié)點，使D（u）最??；If(D(u)無窮大）{ error，break；}DeleteufromS；對u，v是邊的節(jié)點v{ If（v在S中）{ c=D（u）+weigh（u，v）； if（c〈D（v）{ R（v）=R（u）； D（v）=c； } } } }最短路徑計算算法給定：指定源點和邊賦權(quán)的圖29分布式路由計算各自計算相鄰發(fā)送故障間斷路由更新矢量距離路由（VD）鏈路狀態(tài)路由（SPF）分布式路由計算各自計算30矢量距離路由vector-distance

目標、到目標距離值對給定：本地路由表、臨機變權(quán)、輸入的路由信息計算：更新路由表方法：-設置路由表中每項的距離初始化：目的地就是本報交換機的項，其下一站值不用，距離為0。While{ 等待臨機路由信息；置發(fā)送者為交換機N； 對信息中每一項{ v=目的；D=距離；c=D+信息到來的該邊的權(quán)值；檢查并更新路由表； If（無路由到v）{ 加入目的為v，下一站為N，距離為C的項； }elseif（已經(jīng)存在下一站為N的路由） {用C替代表中的距離值; }elseif（存在距離大于C的路由） {更新：下一站為N，距離為C； } }矢量距離路由vector-distance

目標、到目標距離31SPF鏈路狀態(tài)路由交換信息僅僅含路徑狀態(tài)信息各自計算（同SP）同時計算（和VD區(qū)別）SPF鏈路狀態(tài)路由32IP轉(zhuǎn)發(fā)三種路由方式：直接路由：目的節(jié)點在同一個子網(wǎng)中間接路由：目的節(jié)點不在同一個子網(wǎng)，必須經(jīng)過中繼路由器缺省路由：目的節(jié)點不在路由表中時IP轉(zhuǎn)發(fā)三種路由方式：33IP轉(zhuǎn)發(fā)getdestinationIPaddressDifnetwork(D)==directlyattachednetwork{ ARP:D->MACaddress putinlinklayerframe forwardElse foreachentryinroutingtable{ if(D&subnetmask)==network(entry){ getnexthopaddressN ARP:N->MACaddress putinlinklayerframe forward } }}IP轉(zhuǎn)發(fā)getdestinationIPaddress34第一部分網(wǎng)絡協(xié)議（七）

廣域網(wǎng)技術(shù)和路由第一部分網(wǎng)絡協(xié)議（七）

廣域網(wǎng)技術(shù)和路由35局域網(wǎng)的限制局域網(wǎng)的限制數(shù)量：共享距離：競爭局域網(wǎng)的限制局域網(wǎng)的限制36廣域網(wǎng)的機制克服方法包交換、交換機和路由器存貯轉(zhuǎn)發(fā)Storeforward廣域網(wǎng)的機制克服方法37包交換包交換和介質(zhì)共享包交換的結(jié)構(gòu)包交換機接口和實現(xiàn)包交換機間的互聯(lián)各種點到點通信方式包交換包交換和介質(zhì)共享38廣域網(wǎng)構(gòu)成廣域網(wǎng)構(gòu)成39Next-hop轉(zhuǎn)發(fā)Next-hop轉(zhuǎn)發(fā)40IP頭部格式版本：ipv4IHL：IP頭部長度32位組為單位IP頭部最長60字節(jié)，最小20字節(jié)總長度：包括頭部和用戶數(shù)據(jù)，IP分組最長65535字節(jié)，但是實踐中很少會超過1500字節(jié)，常限制為576字節(jié)標識、DF/MF/分段偏移：IP分段與重組TTL：初始為64，在每個路由器處減1，為0時丟棄協(xié)議：高層協(xié)議（TCP：6；UDP：17〕頭部檢驗和：采用1的反碼運算把16位字相加源地址、目的地址：IP選項：填充以保證32比特邊界用戶數(shù)據(jù)：開始位置由IHL字段決定IP頭部格式版本：ipv441IP格式版本分段偏移04816192431DFIHL服務類型總長度MF標識生命期協(xié)議頭部檢驗和源IP地址目的IP地址IP選項（如果有）填充用戶數(shù)據(jù)…IP分組格式IP格式版本分段偏移04816192431DIHL服務類型總42廣域網(wǎng)地址明確的格式目的地址：在轉(zhuǎn)發(fā)時，IP分組的源和目的地址不改變，只是MAC地址改變層次地址方案hierarchicaladdresscheme廣域網(wǎng)地址明確的格式43IP地址分類IP地址分類44IP地址范圍IP地址范圍45IP地址IP地址類：兩層的層次結(jié)構(gòu):networknumber+hostid一個IP地址標識主機的一個接口，而不是一個主機一個主機可能有兩個或多個地址兩層三層層次結(jié)構(gòu)：子網(wǎng)IP地址IP地址類：46IP地址子網(wǎng)(subnetting)多個物理網(wǎng)絡（子網(wǎng)）共享一個IP網(wǎng)絡地址空間（常常為B類）IP地址主機部分的一些比特作為子網(wǎng)號只有本地路由器知道子網(wǎng)的存在本地路由器通過子網(wǎng)掩碼來截取子網(wǎng)號三層層次結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡號＋子網(wǎng)ID＋主機IDIP地址子網(wǎng)(subnetting)47IP地址子網(wǎng)掩碼：標識哪些地址屬于網(wǎng)絡部分，哪些地址屬于主機部分：主機部分對應的比特為0，其它為1傳統(tǒng)上子網(wǎng)掩碼不會在0后再跟一個1，即子網(wǎng)ID是連續(xù)的A類地址：255.0.0.0，B類地址255.255.0.0，C類地址255.255.255.0IP地址子網(wǎng)掩碼：標識哪些地址屬于網(wǎng)絡部分，哪些地址屬于主機48IP地址子網(wǎng)地址限制：一個子網(wǎng)地址不能取全0或者全1不允許采用1比特子網(wǎng)掩碼10001100.10110011.11011100.11001000140.179.220.200IP地址11111111.11111111.11100000.00000000255.255.224.000子網(wǎng)掩碼--------------------------------------------------------10001100.10110011.11000000.00000000140.179.192.000子網(wǎng)地址10001100.10110011.11011111.11111111140.179.223.255廣播地址IP地址子網(wǎng)地址限制：49IP地址子網(wǎng)：如果子網(wǎng)掩碼為n比特，則子網(wǎng)的個數(shù)為2n-2如果主機部分為n比特，則子網(wǎng)中的主機數(shù)為2n-2對于上面的例子，140.179.0.0采用3比特作為子網(wǎng)ID，則總共有6個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)最多有2^13-2=8190個節(jié)點，總個B類子網(wǎng)有49140個節(jié)點。而如果不劃分子網(wǎng)，則最多有2^16-2＝65534個節(jié)點IP地址子網(wǎng)：50IP地址超網(wǎng)supernetting:CIDR－ClasslessInterDomainRouting:RFC1519問題：C類網(wǎng)絡很多200萬個，路由表爆炸C類地址太小，而B類地址太大，并且很少(16382)拋棄類的邊界，即超網(wǎng)，1992年提出ISP分配地址時給用戶一組連續(xù)(2n)

C類地址，子網(wǎng)掩碼被擴展為允許描述多個網(wǎng)絡組成的一個大的網(wǎng)絡IP地址超網(wǎng)supernetting:51IP地址超網(wǎng)：假設用戶需要1000個IP地址，則分配4個C類

192.60.128.0(11000000.00111100.10000000.00000000)ClassCsubnetaddress192.60.129.0(11000000.00111100.10000001.00000000)ClassCsubnetaddress192.60.130.0(11000000.00111100.10000010.00000000)ClassCsubnetaddress192.60.131.0(11000000.00111100.10000011.00000000)ClassCsubnetaddress--------------------------------------------------------192.60.128.0(11000000.00111100.10000000.00000000)SupernettedSubnetaddress255.255.252.0(11111111.11111111.11111100.00000000)SubnetMask192.60.131.255(11000000.00111100.10000011.11111111)Broadcastaddress

四個C類地址可以用：192.60.128.0,netmask255.255.252.0來標識IP地址超網(wǎng)：

52IP地址和物理地址的轉(zhuǎn)化已知IP地址ARP已知MAC地址RARPIP地址和物理地址的轉(zhuǎn)化已知IP地址53IP地址映射：ARP直接遞交：必須把IP地址映射為硬件地址直接映射：proNet：192.12.69.x，其中x為主機的proNet地址靜態(tài)地址表映射映射表手工維護，很少改變X.25使用一個IP地址到“電話號碼”的映射表動態(tài)映射：ARP通過詢問網(wǎng)絡中的主機來維護一個動態(tài)映射表IP地址映射：ARP直接遞交：必須把IP地址映射為硬件地址54IP地址映射：ARPARP：IP地址MAC地址用于以太網(wǎng)等廣播網(wǎng)絡中解析地址如果不知道IP地址對應的MAC地址，發(fā)送ARP請求，暫時保留IP分組在緩沖區(qū)ARP請求采用廣播發(fā)送：SenderIP、MACaddress;TargetIP、MACaddress所有站點收到ARP請求，更新相應的cacheTargetIP站點響應ARP請求，源和目的字段相掉，并且填寫源MAC地址緩沖ARP響應，在20分鐘后清除arp–a顯示ARP表IP地址映射：ARPARP：IP地址MAC地址55IP地址映射：RARPRARP：MACIP地址無盤工作站獲得自己的IP地址，MAC地址是唯一不變的主機廣播RARP請求RARP服務器返回該MAC對應的IP地址IP地址映射：RARPRARP：MACIP地址56IP地址映射：ProxyARP代理ARP：通過ARP在兩個物理網(wǎng)絡中用同一IP網(wǎng)絡路由器連接另一個網(wǎng)絡，對第一個網(wǎng)絡透明第一個網(wǎng)絡中的主機認為總個網(wǎng)絡中只有一個物理網(wǎng)絡：采用更短的子網(wǎng)掩碼路由器將響應第一個網(wǎng)絡到第二個網(wǎng)絡主機的ARP請求，回以路由器的MAC地址。H1H2RH3H4192.168.0.0/24192.168.0.64/28192.168.0.64/28192.168.0.0/24IP地址映射：ProxyARP代理ARP：H1H2RH3H57IP地址映射：ProxyARP第一個網(wǎng)絡中的ARP請求會增加主機必須保留更多的IP到MAC地址映射安全漏洞：spoofing對網(wǎng)絡拓撲有要求，比如兩個物理網(wǎng)絡間有兩個路由器連接。IP地址映射：ProxyARP第一個網(wǎng)絡中的ARP請求會增58路由概念源地址獨立性概念：不依賴源地址和路徑優(yōu)點：緊湊/機制一致層次地址和路由關(guān)系路由表和路由概念層次地址優(yōu)點：索引表規(guī)模缺省路由使用路由概念源地址獨立性59路由和圖論內(nèi)部（interior）和外部交換機（exterior）路由表的數(shù)據(jù)完整優(yōu)化圖論的應用：nodelink路由和圖論內(nèi)部（interior）和外部交換機（exteri60路由表的生成和計算defaultroute大型網(wǎng)絡路由表人工配置的不可能性靜態(tài)路由staticrouting動態(tài)路由dynamicrouting路由表的生成和計算defaultroute61最短路徑計算Dijkstra算法最短路徑和權(quán)值最短路徑計算Dijkstra算法62最短路徑計算算法給定：指定源點和邊賦權(quán)的圖計算：從源點到其它各節(jié)點的最短距離和下一站路由表方法：-初始化集合S為除源點外的多有節(jié)點初始化數(shù)組D，if源點到v有邊，D（v）為權(quán)值，orD（v）=無窮大值初始化數(shù)組R，if源點到v有邊，R（v）為源點，or為0。While（S非空）{從S中選一節(jié)點，使D（u）最??；If(D(u)無窮大）{ error，break；}DeleteufromS；對