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1、路由器原理与设计之三：IP的基本概念,IP网络的分层协议结构,L3：路由功能，网络拓扑驱动L2：交换功能，数据流驱动,互 联 网 网 路 层/传输层协 议,IP 协 议IP 地 址子 网 与 掩 码Internet 控 制 协 议 ICMP多 播 multicast无 类 域 间 路 由 CIDR下 一 代 互 联 网 网 路 协 议 IPv6TCP与UDP,何为IP?,IP:(Internet Protocol)是计算机网络中的一种协议标准，对于在网络层采用IP协议的网络，称之为IP网络，其网络层的数据格式和传输策略都必须符合IP协议的规范。IP包：按照IP协议定义的格式组成的数据包，通常由
2、包头和随后的数据组成。IP网络是分组网络IP网络提供面向无连接的数据服务,Internet管理组织,1.Internet协会（ISOC）ISOC是一个专业性的会员组织，由来自100多个国家的150个组织的6000多人参加，它由几个结构标准的组织构成，包括IAB和IETF.网址：2.Internet体系结构组（IAB）以前称为Internet行动组，是Internet协会技术顾问网址：3.Internet工程任务组（IETF）由研究人员组成的开放性组织网址：4.Internet工程指导组（IESG）负责IETF活动和Internet标准化过程的技术性管理网址：/iesg.html5.Intern
3、et编号管理局（IANA）负责分配IP地址，管理域名空间网址：,6.Internet名字和编号分配组织（ICANN）为国际化管理名字和编号而形成的组织，目标是帮助Internet域名和IP地址管理由政府向民间机构转换。网址：7.Internet网络信息中心（InterNIC）InterNIC从1993年起由Network Solution公司运作，负责最高级域名的注册(.com,.org,.net,.edu)8.RFC文档 Internet标准。网址：,Internet管理组织,4.1 IP 协 议（1）,IP 数据包(Datagram)=包头+数据包头固定包头(20 字节)选项部份(变长)格
4、式如右,4.1 IP 协 议（2）,版本(Version)-4 bits目前 4和6IHL(Header Length，包头长度)-4 bits包头有20 60 字节服务类型(Type of Service，TOS)-8 bitsPrecedence(优先级)0(smallest)7(highest)D(low Delay)T(high Throughput)R(high Reliability),4.1 IP 协 议（3）,Differential Services(DiffServ)重新定义 TOS 域：,4.1 IP 协 议（4）,总长度(Total Length)-16 bits包含包
5、头与数据单位：字节；最小 20，最大 65535,标识(Identification)-16 bits本数据包所含的切片(Fragment)所属原始完整数据包的识别号码DF(Dont Fragment)-1 bits本数据包不允许做切片分割，宁可丢弃MF(More Fragment，更多位)-1 bits除了最后一个切片，皆指明还有后续切片,4.1 IP 协 议（5）,切片位移(Fragment Offset)-13 bits本数据包所含的切片在 所属原始完整数据包的位移单位：8 字节；最大：8192,4.1 IP 协 议（6）,4.1 IP 协 议（7）,存活时间(Time-to-Live，
6、TTL)-8 bits限制数据包在子网络内存活的时间(秒)，最大 255 秒每次跳跃，路由器会减去时间，直到减到 0 时丢弃实作上多采用跳跃计数(hop count)，每次跳跃减 1协议(Protocol)-8 bits协议编号，例如 TCP、UDP等，参见RFC 1700,包头校验和(Header Checksum)-16 bits只检查包头传送端：每16位以 1 的补码加法累加，结果再取1 的补码加法接收端：包头连同检查和相加，结果若为 0，则正确每个跳跃要重新计算，因为存活时间域会改变,4.1 IP 协 议（8）,源地址(Source Address)-32 bits目的位址(Desti
7、nation Address)-32 bits,4.1 IP 协 议（9）,4.1 IP 协 议（10）,选项(Option)允许在包头中附带额外的信息可变长度，但需填补为四字节的倍数,4.2 IP 地 址（1）,每个接口，应有一个独一无二的 IP 地址IPv4-32 位/IPv6-128 位,4.2 IP 地 址（2）,IPv4地址的限制0.0.0.0 指的是这个主机，只能用在开机。Netid 为 0，指的是这个网络。例如，现在在NDSC网内所指的目的地址 0.0.0.255 只在 192.168.200.0 网络上广播。目的地址 255.255.255.255，指的是限制广播，在整个局域网
8、络广播。Hostid 为 255，指的是导引广播，在 netid 所指的网络广播。例如目的地址 140.138.255.255 只在 140.138.0.0 的网络上广播。Netid 为 127，指的是环回地址，供测试自己主机的网络，通常用 127.0.0.1。,4.3 子网与掩码（1）,借用一些 hostid 做为 subnetid，在内部网络内识别子网络。限在网络内使用，对网络外仍使用完整 netid。IP 地址的格式可视为 netid，subnetid，hostid子网掩码(Subnet Mask)32位:识别 netid 与 subnet 的相关位为 1，余为 0,4.3 子网与掩码（
9、2）,IP 地址与子网掩码做 AND 逻辑运算的结果，用在网络内识别网络用，例如：140.138.144.38 主机，子网掩码 255.255.254.0，则 AND 运算后得到 140.138.144.0 网络。例如：140.138.145.49 主机，子网掩码 255.255.254.0，则AND 后也是得到 140.138.144.0 网络。子网络优缺点降低网络拥塞、可以支持不同的网络技术、可以处理技术上的限制、安全性、减低广播造成的中断、容易管理。不管用几个位当作子网掩码，也就是不管切割为几个子网络，子网络内头尾二个主机(HOSTID=all 0s 或 all 1s)不能使用，因为会和
10、代表整个网络的地址与广播地址冲突。因此，子网络切割会造成 IP 地址的浪费。,4.4 Internet 控制协议 ICMP（1）,ICMP(Internet Control Message Protocol)主要是当路由器发现问题，向源端送出控制讯息。目的地无法到达路由器无法找到目的地位置，或DF=1数据包要经过小数据包网络时间超过路由器将 TTL 减 1，若 TTL=0 则丢弃数据包并通知原始端参数有问题数据包的包头栏包含不合法值来源压抑路由器拥塞时，通知原始端放慢传送速率重新导向（ICMP redirect）路由器发现封包路径不对时，通知传送端改道回响请求/回响响应接收端收到回响请求，立即
11、回送响应，传送端可知接收端是否可到达，并且可以计算往返时间。Ping 所采用。时戳请求/时戳响应与回响请求/回响响应类似，但加上时戳。,4.4 Internet 控制协议 ICMP（2）,ICMP消息类型,4.4 Internet 控制协议 ICMP（3）,问题广播网络(局域网络)中网络层的数据包使用 IP 地址数据链结层的框架使用数据链结层地址以 Ethernet 网卡地址(MAC 地址)为例，48-bit 唯一的地址已知目的地的 IP 地址，如何得知目的地的 MAC 地址解决方法地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP),4.4 Internet 控制协
12、议 ICMP（4）,ARP 步骤1.ARP Request2.ARP Reply改良快取(cache)，但需做软状态(soft state)监听&快取,(2)回应,(1)广播询问,4.4 Internet 控制协议 ICMP（5）,问题无磁盘的主机已知自己的 MAC 地址，如何取得 IP 地址？解决方法反向地址解析协议(Reverse Address Resolution Protocol，RARP)RARP 步骤1.RARP Request2.RARP Reply后代BOOTP(BOOTstrap Protocol)DHCP(Dynamic Host Configuration Protoc
13、ol),(1)广播询问,(2)回应,RARP Server,4.5 多播multicast,特性多个传送端，多个接收端可以自由加入与退出Class D(224 239)IP 地址永久地址暂时地址尽力而为多点传播绕送法：跨树+修剪、核心树、目前路由器多不提供多点传播路由，因此常用隧道法连接多点传播虚拟路由器。IGMP(Internet Group Management Protocol)路由器定期广播推销自己，查询是否有要加入多点传播的主机。若有，主机应响应要加入的群组地址。,IP 地 址,4.6 无类域间路由 CIDR（1）,问题IPv4 等級(A、B、C)分配不均，可用的 IP 位址已快用罄
14、。转发表爆炸。解決之道IPv6：但是全面更新的工程浩大，不知何时可见。过渡之道CIDR(Classless Inter-Domain Routing)分配剩余的等级 C 网络为可变长度的区块。,4.6 无类域间路由 CIDR（2）,网络区块大小以掩码(mask)表示转发表包含网络起始地址与子网掩码例如起始地址：192.192.72.0/掩码 255.255.255.192(共计 64)起始地址：192.192.72.64/掩码255.255.255.192(共计 64)起始地址：192.192.72.128/掩码255.255.255.128(共计 128),4.7 下一代互联网网路协议 IP
15、v6（1）,IPv61993，SIPP(Simple Internet Protocol Plus)IPv5：Stream Protocol(ST)RFC 1883 1887不兼容于 IPv4，但与TCP、UDP、ICMP、IGMP、OSPF、BGP、DNS 兼容。目标更长的地址(16 bytes，128 bits)简化包头更好的选项支持提升安全性服务质量保证,4.7 下一代互联网网路协议 IPv6（2）,主要包头(Main Header)(40 bytes)版本(4 bits)：6优先权(4 bits)或称流等级07：非实时流可变速率、不可遗失815：实时流固定速率、可丢弃例如News-1F
16、TP-4Telnet 6流标签(24 bits)标示数据包所属的流，允许路由器做特殊处理。,4.7 下一代互联网网路协议 IPv6（3）,负载长度(16 bits)主要包头外，数据包有几个字节。下一包头(8 bits)跳跃限制(8 bits)每一路由器减 1，若减到 0，就丢弃数据包。源地址、目的地址(各 128 bits)表示法：八组四位十六进制，以冒号分开8000:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF8000:123:4567:89AB:CDEF(每个群组的前置 0 可省略)前 80 位为 0：保留给 IPv4:192.192.72.234(IPv4 表示法
17、),4.7 下一代互联网网路协议 IPv6（4）,扩展头(Extended Header),4.8 互 联 网 传 输 层 协 议（1）,TCP面向连接可靠的字节流(byte stream)UDP无连接式不可靠的，尽力而为(best effort),4.8 互 联 网 传 输 层 协 议（2）,TCP服务模式TCP协议TCP报文数据格式TCP传输策略UDP,4.8互 联 网 传 输 层 协 议-TCP 服 务 模 式,端点(End Point)传送端或接收端的 IP 地址与端口(port)号(16 bits)(Source IP Addr.，Source Port)(Dest.IP Addr，
18、Dest.Port)唯一的识别 连接传送端与接收端的 IP 地址与端口(port)号(Source IP Addr.，Source Port，Dest.IP Addr，Dest.Port)唯一的识别TCP 连结都是全双工的知名端口(Well-Known Port)：RFC 1700小于 256通常用于服务器例如 FTP 21，Telnet 23，HTTP 80，,4.8互 联 网 传 输 层 协 议-TCP 协 议,区段(Segment)报头(20-byte 固定报头 选项)数据最大限制 65535(64K-1)字节每个网络会有最大传输单位的限制(Maximum Transfer Unit，M
19、TU)，若区段经过小 MTU的网络时，需要切割。使用活动窗口单位：字节建链过程采用三次握手策略建立连接请参阅有关RFC文档中的有限状态机,4.8互 联 网 传 输 层 协 议-TCP 报 文 数 据 格 式,！具体的解释请参见相关RFC文档！,4.8互 联 网 传 输 层 协 议-TCP 传 输 策 略（1）,接收端广告(Receiver Advertisement)区段的窗口(Window)栏设为回复时接收缓冲区的空间传送端允许传送的资料必需小于或等于 Window 值。傻瓜窗口症候群(Silly Windows Syndrome)当接收缓冲区已满之后，接收端处理 1 个字节，接收缓冲区空出
20、一个字节，于是广告窗口设为 1。传送端就只能送出 1 个字节数据大小的区段，效率极差。,避免傻瓜窗口的解法：传送端、接收端二方面传送端Clumping，丛聚法 避免送出 1 个字节数据大小的区段，累积足够长度的数据才做成区段送出。例如 Nagle algorithm：当应用程序一次产生 1 个字节时，TCP 先将地 1 个字节送出，(1)等 ACK 回来，才将期间累积的字节一起送出。(2)或无回复但已累积半个窗口或一个区段大小时，一起送出。接收端接收端等到接收缓冲区空间到达缓冲区或区段大小的一半大小时，才做广告。(1)每个数据区段到达，就送回 ACK，但是不做接收广告，直到接收缓冲区空间够大。(2)Delayed ACK，延迟回复法 每个数据区段到达，若接收缓冲器空间不足够大，则延迟送回 ACK，直到接收缓冲区空间够大。,4.8互 联 网 传 输 层 协 议-TCP 传 输 策 略（2）,4.8 互 联 网 传 输 层 协 议-UDP,UDP 报头源端口目的端口UDP 长度UDP 校验和与 TCP 校验和计算方式相同可用可不用。若用，因虚拟包头有来源与目的 IP 地址，可确定目的地址是否正确(到达正确的目的地)。,
