《現(xiàn)代通信網(wǎng)》課件第五章 互聯(lián)網(wǎng)-01

2024/8/191第五章互聯(lián)網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議5.1互聯(lián)網(wǎng)概述5.2網(wǎng)絡(luò)層5.3路由協(xié)議5.4傳輸層

5.5應(yīng)用層5.6IPv6與MPLS2024/8/192互聯(lián)網(wǎng)的定義Internet是將不同類型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)在一起而形成的覆蓋全球的信息基礎(chǔ)設(shè)施：特點(diǎn)：1）采用分組交換技術(shù)2）使用TCP/IP協(xié)議3）接口開放、允許用戶自己開發(fā)服務(wù)2024/8/193管理及標(biāo)準(zhǔn)化InternetEngineeringTaskForce:技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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的發(fā)展規(guī)劃Werejectkings,presidents,andvoting.Webelieveinroughconsensusandrunningcode.” DavidClark2024/8/194動機(jī)？冷戰(zhàn)催生:1957年10月，前蘇聯(lián)發(fā)射人類第一顆地球衛(wèi)星，Sputnik。美國的回應(yīng)：1958年1月成立DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)和NASA（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）,進(jìn)行軍事科學(xué)技術(shù)研發(fā)，重點(diǎn)在空間技術(shù)和通信技術(shù)。2024/8/195動機(jī)？如何讓同一個網(wǎng)絡(luò)上的兩臺不同類型的計算機(jī)相互通信？ARPANET2024/8/196設(shè)計方案BBN公司：設(shè)計并制造關(guān)鍵設(shè)備4臺IMP，實現(xiàn)這4個節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)網(wǎng)，最終目標(biāo)17個節(jié)點(diǎn)。UCLA的Kleinrock負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的測試和性能分析系統(tǒng)，以及主機(jī)與IMP之間的通信軟件（VintCerf,SteveCrocker,和JonPostel）。租用AT&T的50kbps專線連接４節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò):UCLAStanford，SRIUCSantaBarbaraUniversityofUtah,LarryRoberts：網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計及資金預(yù)算管理2024/8/197設(shè)計方案兩個主要問題：怎樣讓不同類型的計算機(jī)相互通信？怎么解決網(wǎng)絡(luò)的生存性、可靠性問題？2024/8/198設(shè)計方案分組交換獨(dú)立選路轉(zhuǎn)發(fā)輸入鏈路輸出鏈路MemoryIMP2024/8/199無連接方式主機(jī)A主機(jī)B主機(jī)E主機(jī)D主機(jī)CIMP1IMP2IMP3IMP4IMP5IMP6IMP72024/8/1910無連接方式主機(jī)A主機(jī)B主機(jī)E主機(jī)D主機(jī)CIMP1IMP2IMP3IMP4IMP5IMP6IMP72024/8/1911互聯(lián)網(wǎng)主要特點(diǎn)無連接（Connectionless）：區(qū)別于傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)面向連接的概念，使用分組交換而不是電路交換。端到端（EndtoEnd）：在網(wǎng)絡(luò)層（IP層）以上，通信的端系統(tǒng)（計算機(jī)）應(yīng)該直接通信不需要中間設(shè)備，類似防火墻、地址轉(zhuǎn)換設(shè)備等中間盒子（Middle-Box）是不被看好的。簡單性（KISS，KeepItSimpleandStupid）：把復(fù)雜的功能放在端設(shè)備（計算機(jī)）上，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)該盡可能的簡單，特別是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不應(yīng)該保留狀態(tài)。開放性。2024/8/1912網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)－－networkofnetworksMetropolitanNetworkSLCRASISPBackboneNetworkGPRSNetworkISPBackboneNetworkMetroNetworkCampusNetworkISPBackboneNetworkDSLAMBTSGGSNWiFi2024/8/1913ISP的類型粗分為三個層次的ISP骨干層：第一層ISP

(例如：AT&T、Sprint、NTT、中國電信等),網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國/提供國際接入。第二層ISP:區(qū)域ISP連接1個或多個第一層ISP,也可能與其它第二層ISP直接互聯(lián)第三層ISP：本地ISP最后一跳網(wǎng)絡(luò)(“access”)，是高層ISP的客戶2024/8/1914Internet結(jié)構(gòu):ISP對等互聯(lián)本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP區(qū)域ISP區(qū)域ISPIXPIXP第一層ISP第一層

ISPGoogleIXP2024/8/1915ISP間的互聯(lián)方式ISP1網(wǎng)絡(luò)ISP2網(wǎng)絡(luò)ISP3網(wǎng)絡(luò)ISP4網(wǎng)絡(luò)Internet骨干提供商IXP1（Ethernet或虛電路）IXP2（Ethernet或虛電路）BRBRBRBRBRBRBRBRBRBR：邊界路由器，運(yùn)行BGP：ISP之間的直接對等互聯(lián)2024/8/1916IXP的結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的IXP95%采用Ethernet組建可管理的兩層網(wǎng)絡(luò).采用E-APS保證網(wǎng)絡(luò)可靠性。每個接入到IXP的ISP和Internet骨干提供商，都要在IXP所在地安裝一臺運(yùn)行BGP的路由器。IXP的兩層網(wǎng)絡(luò)提供ISP之間的點(diǎn)對點(diǎn)對等直連。IXP的主要peeringmodel采用SKA(SenderKeepAll)模式。2024/8/1917接入互聯(lián)網(wǎng)用戶接入Internet涉及兩個方面：物理接入：多種形式,xDSL,dial-up,LAN,WLAN,GPRS等。局端接入終結(jié)設(shè)備－RAS，DSLAM等ISP必須有上聯(lián)路由器接到Internet。邏輯接入：四個要素主機(jī)標(biāo)識：IP地址。資源標(biāo)識：URL配置主機(jī)TCP/IP協(xié)議，要和物理接入方式匹配。認(rèn)證ISP提供的邏輯接入部件：AAA，使用RADIUS協(xié)議DHCP協(xié)議2024/8/1918典型的家庭網(wǎng)絡(luò)連接到電信局端設(shè)備cable或DSLmodemrouter,firewall,NATwiredEthernet(100Mbps)wirelessaccesspoint(54Mbps)無線終端通常由一個設(shè)備實現(xiàn)2024/8/1919城域－寬帶接入網(wǎng)接入點(diǎn)園區(qū)交換機(jī)業(yè)務(wù)接入控制點(diǎn)BRAS業(yè)務(wù)接入控制點(diǎn)SR匯聚交換機(jī)/MSTP/RPR匯聚交換機(jī)/MSTP/RPR匯聚交換機(jī)/MSTP/RPR接入點(diǎn)DSLAM樓道交換機(jī)xDSL用戶LAN用戶CPE大客戶接入點(diǎn)DSLAMxDSL用戶銅纜光纖銅纜五類線光纖終端CPE終端CPE終端CPE終端大客戶CPE終端2024/8/1920案例：CN22024/8/1921OSI與TCP/IP比較應(yīng)用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層OSIModel物理層TCPUDPHTTpICMPIPARPFTPSMTPTelnetTFTpSNMpDHCPBOOTPEthernetPPPFRATMX.25TCP/IPModelHDLCE1TCP/IP的典型沙漏模型2024/8/1922互聯(lián)設(shè)備的功能：協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：終端，交換機(jī)，路由器的協(xié)議棧。2024/8/1923互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議－現(xiàn)實的擴(kuò)展TelnetEthernetFrameRelayATMPPPHDLCIPICMPMPLSDiffServIntServ/RSVPOSPFBGP-4NATARPSNMPAAA/RadiusDHCPDNSTCPUDPRTPSCTPFTPHTTPSMTP數(shù)鏈層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層OSS2024/8/1924分層體系下信息發(fā)送：Web頁封裝HttpHeaderWebpageTCPheader...ApplicationpayloadApplicationTCPIPDatalinkPhysical2024/8/1925異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連原理兩個問題：異構(gòu)性可擴(kuò)展性

互聯(lián)的原則：提供不同子網(wǎng)間進(jìn)程的通信服務(wù)的同時，不能改變現(xiàn)有子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。（編址，最大分組長度，定時，差錯控制，連接控制，選路機(jī)制等）。2024/8/192633765765765765765765765765互連的方式43214321143214321211432143213repeaterbridge(e.g.802MAC)routerphysicaldatalinknetwork4321432122gateway...2211112024/8/1927網(wǎng)間網(wǎng)的策略子網(wǎng)1子網(wǎng)2互聯(lián)設(shè)備子網(wǎng)3網(wǎng)間網(wǎng)協(xié)議NP1NP2NP3NP3NP1NP2統(tǒng)一的網(wǎng)間網(wǎng)協(xié)議，來解決聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性，假設(shè)有N個異構(gòu)互連，需要的是N種協(xié)議轉(zhuǎn)換器，加一個網(wǎng)間網(wǎng)協(xié)議。IP協(xié)議扮演的角色網(wǎng)間網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)間網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)間網(wǎng)協(xié)議2024/8/1928網(wǎng)間網(wǎng)互連的工作原理示例ABC123IIIIIIuvwxyzCuvwxyz3uvwxyzIII問題：三個異構(gòu)的子網(wǎng)，各自有不同的分組格式，最大允許分組長度，地址方案，要實現(xiàn)互連。子網(wǎng)1子網(wǎng)2子網(wǎng)32024/8/1929網(wǎng)間網(wǎng)互連的工作原理示例－2引入兩臺路由器實現(xiàn)三個異構(gòu)子網(wǎng)的互連，路由器除了擁有相應(yīng)子網(wǎng)的地址，還應(yīng)該擁有個同一的全局地址，以識別不同子網(wǎng)上的主機(jī)，實現(xiàn)正確的轉(zhuǎn)發(fā)。ABC123IIIIIID45IIII2024/8/1930網(wǎng)間網(wǎng)互連的工作原理示例－3為每個主機(jī)和路由器端口分配統(tǒng)一的全局地址，該地址應(yīng)能區(qū)分主機(jī)所在的子網(wǎng)和主機(jī)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分段以滿足子網(wǎng)2的要求在目的地重裝各分段2024/8/1932第五章互聯(lián)網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議5.1互聯(lián)網(wǎng)概述5.2網(wǎng)絡(luò)層5.3路由協(xié)議5.4傳輸層

5.5應(yīng)用層5.6IPv6與MPLS2024/8/1933網(wǎng)絡(luò)層的主要功能選路與轉(zhuǎn)發(fā)IP分組格式-rfc791048121619242831versionHLenTOSTotalLengthIdentifierFlagOffsetTTLProtocolChecksumSourceAddressDestinationAddressOptions(ifany)Data20字節(jié)數(shù)據(jù)報模式：每一個分組都包含選路轉(zhuǎn)發(fā)需要的全部信息。2024/8/1935IPv4編址方式獨(dú)立于物理網(wǎng)絡(luò)IP地址：32bit,<網(wǎng)絡(luò)id,主機(jī)id>標(biāo)識接口（Interface）：主機(jī)/路由器與物理鏈路的接口地址。典型的一個路由器有多個接口，主機(jī)通常有一個接口，而一個IP地址只能用來唯一地標(biāo)識一個接口?！叭?”代表“本”，“全1”代表“全部”。點(diǎn)分十進(jìn)制表示法：=110111110000000100000001000000012231112024/8/1936

特殊IP地址與專用IP地址

RFC1918中規(guī)定如下地址是私有地址：一個A類地址，

16個B類地址－，

256個C類地址－

網(wǎng)絡(luò)前綴主機(jī)部分實例用途全“0”全“0”主機(jī)使用DHCP協(xié)議動態(tài)獲取IP地址時用該地址標(biāo)識主機(jī)自身IP地址全“0”網(wǎng)絡(luò)地址，特定網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址IP地址全“1”55指定網(wǎng)絡(luò)的廣播地址全“1”全“1”55當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的廣播地址127任意

Loopback，用于測試或本地主機(jī)（localhost）2024/8/1937如何獲取網(wǎng)絡(luò)地址？RegionalInternetRegistries(RIRs)

ARIN(NorthAmerica,SouthernAfrica),APNIC(Asia-Pacific),RIPE(Europe,NorthernAfrica)主機(jī)如何獲取IP地址?靜態(tài)手動分配DHCP:

DynamicHostConfigurationProtocolICANNRIRISP客戶2024/8/1938IP子網(wǎng)的概念02118172.161212NetworkHost..Fei_1/1Fei_1/2路由器每個端口連接一個IP子網(wǎng)，相同子網(wǎng)上的接口網(wǎng)絡(luò)id相同。每臺設(shè)備正確轉(zhuǎn)發(fā)分組，必須知道自己所屬的IP子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址02118E1172.1600網(wǎng)絡(luò)ID..網(wǎng)絡(luò)端口E0E1路由表E010.000網(wǎng)絡(luò)ID..2024/8/1940分類編址-首字節(jié)規(guī)則總共lIP地址空間:4billionClassA:128networks,16Mhosts，

～55ClassB:16Knetworks,64Khosts，

～55ClassC:2Mnetworks,256hosts，～552024/8/1941子網(wǎng)編址（RFC950）分類編址的缺陷兩層結(jié)構(gòu)的限制A,B,C類網(wǎng)絡(luò)規(guī)模劃分不實用，大多數(shù)公司的網(wǎng)絡(luò)多在300～1000主機(jī)規(guī)模。1985年，引入子網(wǎng)編址，三級結(jié)構(gòu)2024/8/1942掩碼計算和表示法全“0”和全“1”子網(wǎng)的問題：考慮網(wǎng)絡(luò)地址，假如進(jìn)行了子網(wǎng)劃分，那么如何區(qū)分它是一個A類網(wǎng)絡(luò)"10"?還是一個子網(wǎng)"10.0"?

廣播地址55，它是對整個網(wǎng)絡(luò)“10”的定向廣播?還是僅對子網(wǎng)10.255的廣播?

2024/8/1943定長子網(wǎng)劃分：例子假設(shè)某中型機(jī)構(gòu)分配了一塊B類地址/16。該機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃了10個IP子網(wǎng)，每個子網(wǎng)的主機(jī)數(shù)基本相當(dāng)。根據(jù)需求：先確定子網(wǎng)號的位數(shù)，取子網(wǎng)號為4個比特，24=16；保留全“0”子網(wǎng)，全“1”子網(wǎng)，可用子網(wǎng)號為14個。2024/8/1944定長子網(wǎng)劃分：例子（續(xù)）子網(wǎng)掩碼？2024/8/1945子網(wǎng)劃分：2n–2公式和步驟1）確定需要的子網(wǎng)數(shù)，以及每個子網(wǎng)的主機(jī)數(shù)。2）使用公式2n–2，子網(wǎng)所需的比特數(shù)，主機(jī)所需的比特數(shù)。3）確定可用的子網(wǎng)4）確定每子網(wǎng)中可用的主機(jī)地址空間子網(wǎng)掩碼練習(xí)AddressSubnetMaskClassSubnet002步驟：1）先將IP地址和子網(wǎng)掩碼寫成2進(jìn)制形式。2）將2進(jìn)制形式的IP地址和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行按位與運(yùn)算。3）運(yùn)算結(jié)果再轉(zhuǎn)換回點(diǎn)分十進(jìn)制。AddressSubnetMaskClassSubnet002BAA子網(wǎng)掩碼練習(xí)－答案能否簡化計算？計算廣播地址練習(xí)AddressClassSubnetBroadcast048SubnetMask

352728步驟：1）先將IP地址和子網(wǎng)掩碼寫成2進(jìn)制形式。2）將2進(jìn)制形式的IP地址和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行按位與運(yùn)算。3）得到子網(wǎng)ID號后，將主機(jī)ID全部置1。4）運(yùn)算結(jié)果再轉(zhuǎn)換回點(diǎn)分十進(jìn)制。計算廣播地址練習(xí)－答案27AddressClassSubnetBroadcast048C36SubnetMask

A55352B52728B2024/8/1950VLSM-變長子網(wǎng)劃分假設(shè)一個擁有C類網(wǎng)絡(luò)/24的小型機(jī)構(gòu)，有6個部門，每個部門要求劃分成一個子網(wǎng)。其中4個子網(wǎng)主機(jī)數(shù)不超過10，一個子網(wǎng)的主機(jī)數(shù)是60，一個子網(wǎng)的主機(jī)數(shù)是100，整個網(wǎng)絡(luò)容量不超過200主機(jī)。按定長子網(wǎng)劃分可以嗎？2024/8/19512024/8/1952CIDR型編址IETF在1993【rfc1519】將其標(biāo)準(zhǔn)化,對子網(wǎng)概念的進(jìn)一步擴(kuò)展。CIDR型IP地址的網(wǎng)絡(luò)部分可以任意長：不使用類型標(biāo)識來確定網(wǎng)絡(luò)部分的長度。使用地址塊的公共部分做為網(wǎng)絡(luò)前綴。CIDR網(wǎng)絡(luò)地址必須采用前綴/長度a.b.c.d/x表示法【x表示32bit的地址中，前xbit為網(wǎng)絡(luò)部分】分配給同一機(jī)構(gòu)的地址空間必須保持連續(xù)（2的冪次）。2024/8/1953CIDR的三部分內(nèi)容

拓?fù)湎嚓P(guān)的無分類地址分配策略。支持無分類地址的域間選路。地址匯聚機(jī)制（超網(wǎng)）。2024/8/1954實例1例如：假設(shè)某機(jī)構(gòu)已分配了地址塊202.23.0.X～202.23.7.X(8個連續(xù)的C類地址）.其下有八個機(jī)構(gòu)，ISP可將該塊地址均分為八份，如下圖所示：ISP地址塊11001010000101110000000000000000/21

機(jī)構(gòu)011001010000101110000000000000000/24機(jī)構(gòu)111001010000101110000000100000000/24機(jī)構(gòu)211001010000101110000001000000000/24...…..….….機(jī)構(gòu)7110010100001011100000111

00000000/24

子網(wǎng)地址擴(kuò)展占3bit,主機(jī)部分剩余8bit2024/8/1955C類地址的分區(qū)~55歐洲~55北美~55中南美~55亞太示例：在某路由器中，去往歐洲地區(qū)的路由項可聚集為一項/7,相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)掩碼可寫為2024/8/1956CIDR下的分層選路與地址聚集ISProuterInternet…...…….…...…….ISProuterInternet/24/24/24/24…...……./21使用和不使用CIDR的域間選路區(qū)別2024/8/1957分層編址:更具體的路由ISP2擁有到機(jī)構(gòu)1更具體的路由信息！/23/23/23ISP1機(jī)構(gòu)0機(jī)構(gòu)7Internet機(jī)構(gòu)1ISP2“向我發(fā)送以/16或/23””開頭的任何東西/23機(jī)構(gòu)2......“向我發(fā)送以/20”開頭的任何東西2024/8/1958CIDR：最長前綴匹配Destination=6payloadPrefixInterfaceNextHop/20

9ATM5/0/8/15/23

attachedEthernet0/1/3Serial1/0/77IPForwardingTable

/03ATM5/0/9OKbetterbest!2024/8/1959編址方式與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2024/8/1960五路由器的一般結(jié)構(gòu)－控制平面路由功能：執(zhí)行路由協(xié)議，生成、更新和維護(hù)路由表。其它功能：擁塞控制，QoS等。路由表的基本信息目的網(wǎng)絡(luò)地址。路由信息的來源。下一跳的IP地址轉(zhuǎn)發(fā)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判斷目的網(wǎng)絡(luò)是否直連網(wǎng)段檢查ARP表是否有目的MAC地址做數(shù)據(jù)鏈路層封裝（目的MAC為目的MAC地址）通過物理層發(fā)送數(shù)據(jù)通過ARP獲得目的MAC地址YESNOYESNO是否配置了去該網(wǎng)絡(luò)的路由？YES檢查ARP表是否有對應(yīng)的MAC地址做數(shù)據(jù)鏈路層封裝（目的MAC為網(wǎng)關(guān)MAC地址）通過ARP獲得下一跳MAC地址NO發(fā)送錯誤信息YESNOEnd

獲取目的IP地址IP分組轉(zhuǎn)發(fā)流程2024/8/1963同一網(wǎng)段通信過程圖示IP地址： MAC地址：00:20:AF:00:00:02IP