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1、第三部分 网络互联,网络互联与TCP/IP网络互联协议IPARP和ICMP协议IP路由协议传输层协议：TCP和UDP,第七章 网络互联与TCP/IP,7.1 网络互联层次 7.1.1 应用级互联 7.1.2 网络级互联 7.2 TCP/IP参考模型7.3 TCP/IP参考模型的特点 7.3.1 IP层的地位 7.3.2 TCP/IP的可靠性思想 7.3.3 TCP/IP模型的特点7.4 TCP/IP与ISO/OSI,7.1 网络互联层次,多种不同网络（协议）存在的原因历史原因：不同公司的网络产品大量使用；价格原因：网络产品价格低，更多的人有权决定使用何种网络；技术原因：不同网络采用不同技术、不
2、同硬件、不同协议没有一个物理网络能够为所有用户服务，任何单个网络技术都不能满足所有的需要，因此我们只能考虑包容多种基础网络的互联技术。网络互联的目标是要进行统一的合作网络的互连，支持一种通用的通信服务。,网络互联层次,应用级互联早期的异种网络互联是通过应用程序完成的。用协议转换的观点来说，这种互联网中，除了应用层协议外，其他各层协议都不相同。例子：电子邮件系统网络级互联我们在依赖于技术的通信机制和应用程序之间插入的网际互连软件将隐藏低层的细节，使得集成网络看起来象是单个大的网络，能够把用户数据分组从源端发送到目的端。这样一种互连方案就称为网际互连，所形成的网络称为inernet（互连网）。避免
3、了应用级互联的种种弊端。例如：IP协议。,基于网关的互联模型,H1 转换 H2 N1 N2 L1 L2PH1 PH1,网络1,网络2,基于IP路由器的网络互联模型,网络互联,在满足服务功能的前提下，互联实现层应尽可能选在较低的层次上。如互联实现层是第N层，那么包括第N层在内的以上各功能必须完全相同，才能实现网络互联和互通，而包括（N1）层在内的以下各层可以完全不同，以便容许连接更多的不同类型的独立子网。实际上就是要将小网变成统一的大网。局域网之间的互联多选择在物理层和数据链路层，分别采用转发器和网桥。而局域网和广域网以及广域网之间的互联多选择在网络层，采用路由器互联。应用层网关仅用于极少有的特
4、殊情况。,路由器,互连两个或多个网络并且将报文分组从一个网络传递到另一个网络的计算机叫做网关或路由器。,端到端的互联技术,端到端的互联技术,Internet的观点：通信子网无论怎么设计都是不可靠的，因此网络层只需提供无连接服务,互联技术,隧道技术:源和目的主机所在网络类型相同，连接它们的是一个不同类型的网络，这种情况下可以采用隧道技术。,隧道技术,TCP/IP参考模型没有真正定义互联网层之下的协议，只是指出必须使用某种协议与网络连接，以便能传递IP分组。,7.2 TCP/IP参考模型,TCP/IP模型各层使用的协议,各层的功能,网络接口层负责接收从IP层交来的IP数据报并通过低层物理网络发送之
5、，或者从低层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。互联网层 互联网层的主要功能就是把IP分组发送到它应该去的地方。主要有：了解通信子网的拓扑结构，选择路由 拥塞控制、差错处理与分段技术。传输层 在源结点和目的结点的两个进程实体之间提供可靠的端到端的数据传输。应用层,IP over ATM,TCP/IP模型的两大边界,IP层的地位,IP层作为通信子网的互联层，最基本的服务是提供一个非可靠的尽最大努力去完成好任务的、无连接的分组投递系统（数据报传输机制）。说它非可靠，是因为所要求的投递不能保证成功，IP路由器尽量减少对数据报的处理过程，以尽快的速度转发，不对数据差错校验，不作接收确认，
6、不对分组重新排序，重组。因此，IP协议并不保证IP报文传递的可靠性。说这种服务是尽最大努力去做好，因为IP尽最大努力去投递分组，并不轻易地抛弃分组，仅当资源用尽或下面的物理网失效时才会发生不可靠的现象。只将发现的差错和故障报告，向上一层递交。,IP层的地位,其次，IP协议是点到点的。IP数据报基本上按“端系统路由器 路由器端系统”逐跳方式点对点传输。IP协议向上层(主要是TCP层)提供统一的IP报文，使得各种帧或报文格式的差异性对高层协议不复存在。IP层是TCP/IP实现异种网互联最关键的一层。IP的“在任何技术上运行”的能力被认为是其最重要的特性之一。到目前为止，还没有发现一种物理网络技术，
7、不适合于IP协议。IP over Everything,IP层对物理网络的统一,IP报文对物理网络帧的统一,7.3.2 TCP/IP的可靠性思想,TCP/IP的可靠性体现在传输层。TCP协议提供面向连接服务。因为传输层是端到端的，所以TCP/IP协议的可靠性被称为端到端可靠性。端到端可靠性思想有两个优点。第一，TCP/IP协议跟ISO/OSI相比，显得简洁清晰；第二，TCP/IP的效率相当高。TCP/IP的IP协议是“尽力传递”方式，只有TCP层为保证传输可靠性而做必要的工作，不像OSI几乎每一层都要保证可靠传输。实践证明，TCP/IP的效率比OSI高，尤其当低层物理网络很可靠时，TCP/IP
8、的效率更加可观。,7.3.3 TCP/IP模型的特点,TCP/IP将不同的底层物理网络、拓扑结构隐藏起来，向用户和应用程序提供通用的、统一的网络服务。TCP/IP互联网还有一个基本思想：任何一个能传输数据的通信系统，均可看作一个独立的物理网络。大到广域网、小到LAN，甚至两台机器之间的点到点专线以及拨号电话线路都被当作网络，这就是互连网的网络对等性。TCP/IP网络完全撇开了底层物理网络的特性，是一个高度抽象的概念，这是这一抽象的概念，赋予了TCP/IP网络巨大灵活性和通用性。,TCP/IP互联网用户视图和内部结构,因特网,7.4 TCP/IP与ISO/OSI,TCP/IP模型并不十分清晰地区
9、分服务、接口和协议这些概念。TCP/IP模型先有协议，模型只是现有协议的描述，因而协议与模型非常吻合。问题在于TCP/IP模型不适合其它协议栈。因而，它在描述其它非TCP/IP网络时用处不大。ISO/OSI模型(去掉会话层和表示层)可以用来很好地讨论计算机网络，但是ISO/OSI 协议并未流行。TCP/IP模型正好相反，其模型本身实际上并不存在，只是对现存协议的一个总结和归纳，但TCP/IP协议却被广泛使用。,第七章小结,网络互连的目是为了屏蔽底层物理网络技术细节。网络互连可以在应用程序级完成，也可以在网络级完成。TCP/IP参考模型将互连网分为四层，分别为网络接口层、互联网层、传输层以及应用
10、层，而且它有两大边界。IP层在TCP/IP参考模型中占用非常重要的地位，IP层作为通信子网的最高层，提供无连接的数据报传输机制，但它不能保证IP报文传递的可靠性，而数据的可靠传输由TCP协议完成。,第八章 网络互联协议：IP(网间协议),8.1 IP数据报8.1.1 IP报文格式8.1.2 IP地址格式8.2 IPv6协议8.2.1 固定头部格式8.2.2 IPv6地址8.2.3扩展头部,8.1 IP数据报,IP数据报（分组）有两层含义：第一是指IP层的无连接数据报传输机制以及IP协议提供的无连接服务；第二是指IP数据报格式。二者是密切相关的：无连接数据报传输机制需要通过IP数据报格式来体现，
11、而IP数据报格式只有在无连接的数据报传输机制中才真正具有意义。,8.1.1 IP报文格式,数据,IP版本号：IPV4,通常5个字长(20个字节),3位优先级；D,T,R；两位未用,头部加数据最大:65535字节,生存期：用于限制分组生命周期的计时器（缺省64）。,用来说明分段在当前分组中的 位置(偏移量以8字节为单位）。,DF=1:不可分段MF=1:还有分段,用于说明IP分组应被传送到的高层协议(TCP:6,UDP:17),分组表示符：用于判断分段属于哪个分组,校验：仅对头部进行校验,选项：用于扩充协议功能。例如安全性，记录路由，时间戳等,IPv4协议的报文格式,Version：版本号，IPv
12、4IHL：头部长度Type of Service：服务类型优先级Delay、Throughput、Reliability位total length：总长度，包括头部和数据，最大64k字节Identification：标识，判断分段属于哪一个分组DF：表明该分组不能分段MF：表明该分组还有进一步的分段fragment offset：分段偏移，说明分段在当前分组的位置Time to live：生命期，用于限制分组生命周期的计数器Protocol：协议，说明分组要交给哪个高层协议进行处理Head checksum：头校验和，用来校验头部Source address、Destination addre
13、ss：IP地址Options：可选项，扩充用,服务类型字段,总长度,该16位段给出IP分组的总长度，单位是字节，包括分组头和数据的长度。数据段的长度可以从总长度减去分组头长度计算出来。由于总长度段有16位，所以最大IP分组允许有65535个字节。但这样大的IP分组在现有物理网络上传输可能不太现实，尽管应用程序有时可能需要传送大的数据报文。IP规范规定，所有主机和路由器至少能支持576字节的分组长度。在本节的稍后我们将会说明，IP分组在网络传送过程中被分成报片的情况下，分片后形成的IP分组中的总长度段指的是单个报片的总长度，而不是原先IP分组的总长度。,分组的分段,分组的分段,标志段,协议字段和
14、分组头校验字段,协议 8位的协议段表示哪一个高层协议将用于接收IP分组中的数据。高层协议的号码由TCP/IP中央权威管理机构予以分配。例如，该段值的十进制表示对应ICMP（互连网控制报文协议）是1，对应传输控制协议（TCP）是6，对应EGP（外部网关协议）是8，对应用户数据报协议（UDP）是17，对应ISO传输层协议第4类（ISO-TP4）是29。分组头检验和 16位的分组头检验和段保证IP分组头值的完整性，当IP分组头通过路由器时，分组头发生变化（例如生存时间段值减1），检验和必须重新计算。检验和的计算十分简单。首先，在计算前将检验和段的所有16位均置成0，然后IP分组头从头开始每两个字节为
15、一个单位相加，若相加的结果有进位，那么将和加1。如此反复，直到所有分组头的信息都相加完为止，将最后的值对1求补，即得出16位的检验和。,第一个数：1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1第二个数：1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 结果：0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0加最后进位：1最后结果：0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1取反：1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0校验：1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1取反：0 0 0 0 0
16、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,分组头校验和,选项,8.1.2 IP地址格式,internet协议地址（简称IP地址）对网上的某个节点来说是一个逻辑地址。它独立于任何特定的网络硬件和网络配置，不管物理网络的类型如何，它都有相同的格式。按照惯例，主机号部分等于零的IP地址从不分配给单个主机。取而代之的是用主机号部分等于零的IP地址指称网络本身。按照标准，任何用全1组成的主机号都保留为广播。在技术上，这种广播地址称作定向广播地址，定向广播地址允许一个远程系统发送单个IP分组在指定的网络上广播,IP地址格式,应具有全局唯一性，具有层次结构，便于路由,126个,(224-2)个（有两个保
17、留）,221个,214个,65534个,254个,大约40亿个IP地址中，1/2为A类，1/4为B类，1/8为C类,截至98年，所有A类，62的B类，36的C类网络已分配。,所有网络号由Internet NIC分配，主机号则由各AS分配。,特殊IP地址（1）,用于主机配置信息,当主机要在本网通信，而又不知网络号时使用,向某网络所有主机发送报文,要向本网广播信息，又不知本网网络号时使用,回送地址：用于网络软件测试和本机进程间通信,特殊IP地址（2）,全“0”的IP地址用于使用动态主机配置服务器的网络上(如Windows NT中的DHCP协议)。当工作站启动时，使用全“0”地址与配置服务器进行通信
18、。网络号为“0”的IP地址被解释为“本”网络，若主机试图在本网内通信而又不知道网络号时，可以使用网络号为“0”的IP地址(但主机必须知道是哪一类网络，以确定网络号位数，及0的个数)。主机号全为“1”的IP地址称为广播地址，即因特网上的某主机可以使用广播地址向因特网上的某个网络中的所有主机发送报文。,特殊IP地址（3）,广播功能的实现取决于物理网络，在以太网的广播与发送单个报文一样有效。但如果物理网络本身是采用点到点方式且在物理上不支持广播，要完成IP报文的广播就只能逐台主机传送，这种广播技术也称为直接广播(directed broadcasting)。在因特网上，任何一台主机均可向其它网络进行
19、广播，但直接广播有一个特点，就是必须知道目的网络的网络号。当主机只需在本地网内部进行广播时，但又不知道本网的网络号时，可使用全“1”地址，称为有限广播地址。,特殊IP地址（4）,网络号为127的A类地址是一个保留地址，用于网络软件测试以及本机进程间通信，叫作回送地址(loopback address)。当任何程序使用回送地址127.发送数据时，计算机中的协议软件就将数据返回，不在任何网络上传输。发往网络号为127的地址的一个IP分组应该永远不会在任何网络上出现。而且一台主机或网关永远不会为网络号127传播路由选择或可达性信息。,IP地址,IP address:network part(high
20、 order bits)host part(low order bits)Whats a network?(from IP address perspective)device interfaces with same network part of IP addresscan physically reach each other without intervening router,network consisting of 3 IP networks(for IP addresses starting with 223,first 24 bits are network address)
21、,LAN,IP地址,How to find the networks?Detach each interface from router,hostcreate“islands of isolated networks,Interconnected system consistingof six networks,IP地址,路由器是根据网络号来转发IP数据包的，所以路由表中存放的是目的网络号，而不是目的主机号这样做的优点：路由表小，可以节省路由器的存储空间，路由表的路由更新速度快。,8.2 IPv6协议,IPv6的提出IP地址空间匮乏；移动电话、家电上网等需要大量的IP地址；1990年，IETF
22、开始IPv6的工作，收到21个建议1992年，7个建议被讨论；1993年，3个比较好的建议发表在IEEE Network上，进一步讨论、修改、结合后，形成IPv6；IPv6与IPv4不兼容，但与其它Internet协议兼容，如TCP、UDP、OSPF、BGP、DNS等，但实际上还是需要开发另外一套协议栈。,8.2 IPv6协议,IPv6是Internet的新一代IP协议，它的主要特点包括：地址长度为128位，以支持大规模数量的网络节点；表示为：47CD:1234:4422:AC02:0022:1234:A456:0124 或:128.96.33.81（IPV4地址映射到IPV6地址）IPv6简
23、化了报头，减少了路由表长度，同时减少了路由器处理报头的时间，降低了报文通过因特网的延迟增强了选项和扩展功能，使IPv6具有更大的灵活性，具有更强的功能。IPv6对服务质量QoS作了定义，IPv6报文可以标记数据所属的流类型，以便路由器或交换机进行相应的处理IPv6提供了比IPv4更好的安全性保证。,下一个头部或数据,8.2.1 固定头部格式,即可标识随后的扩展头部类型，也可在最后的扩展头部中标识IPv6之上的高层协议,尝试提供实时服务,分段扩展头部（44）另外，IPv6规定路由器不得进行分段处理可提高分组转发速度,由于网络可靠性增加，校验和字段被取消，可提高传输性能。,IPv6固定头部字段含义
24、,version：版本号，IPv6priority：优先级分组的重要程度，数值越大，优先级越高；IPv6建议，News=1，FTP=4，Telnet=6flow label：流标识一个流由源地址，目的地址和流序号来标识；一对主机之间可以有多条流；两条来自不同主机的流可能具有相同的流序号payload length：有效载荷长度，数据长度next header：下一个头部有扩充头部时说明扩充头部的种类；否则，说明分组将交给哪个传输层协议hop limit：站点限制，相当于IPv4中的TTLsource address、destination address：128位地址,IPv6扩展头部字段值,
25、选项功能,IPv4 IPv6,Transition From IPv4 To IPv6Not all routers can be upgraded simultaneousno“flag days”(not like Y2K)How will the network operate with mixed IPv4 and IPv6 routers?Two proposed approaches:Dual Stack:some routers with dual stack(v6,v4)can“translate”between formatsTunneling:IPv6 carried as payload in IPv4 datagram among IPv4 routers,Dual Stack,Tunneling,IP协议Internet中的核心协议，它的主要功能是完成无连接的数据报传递、差错控制以及路由选择三大功能。IP数据报由头部和数据区两部分组成，头部则由一个20字节的固定项和一个长度任意的可选项组成，而数据区的长度则是可变的，但最大不能超过64K字节(包括头部)。IP地址长度为32位二进制，包括网络号和主机号，它能够完成主机寻址。IP地址分为A、B、C、D和E五类以及一些特殊的IP地址。IPv6协议是新一代IP协议。,小结,
