第6章TCPIP协议与IP路由

本章提要：在TCP/IP网络中，主机用IP地址来标识和区分。IP地址由网络地址和主机地址（或称网络号和主机号）两部分组成。IP地址分为A、B、C、D和E五类。对前三类地址，还可划分子网。划分子网后，IP地址可视为由网络地址、子网地址和主机地址三部分组成。划分子网是通过改变子网掩码的代表网络号的二进制位的长度来实现的。与子网划分相反，把若干个网络地址用一个统一的网络号来表示的编址方式称为超网编址，超网编址及其寻址方式称为无类域间路由。路由是指对到达目标网络的地址的路径做出选择，也指被选出的路径本身。路由器中的路由表就像一张“网络地图”，记录有到达各个目标网络的路径。对路由表中“记录”的填写可以采用人工方式，也可以由路由协议自动进行，这分别称之为静态路由配置和动态路由配置。静态路由配置需要制定目标网络地址和下一跳IP地址或本路由器（连接下一跳路由器）的端口名称。6.1CP/IP协议TCP/IP协议，作为Internet事实上的协议标准，在计算机网络领域中占有特别重要的地位。TCP/IP指的是整个TCP/IP协议族，它是一个具有四层结构的协议系统，由若干协议组成，这四个层次由高到低依次是：应用层、传输层、Internet层和网络接口层。我们把这样的协议组合称为TCP/IP协议栈，也称之为TCP/IP模型。由于TCP/IP在设计时就是要使得异种机型、异种网络能够互联，要与具体的物理传输媒体无关，故其没有对数据链路层和物理层做出规定，只是简单地把最低的一层命名为网络接口层。除网络接口层外，其余各层都由多个协议组成。在Internet层，IP协议封装的数据报文能够被路由器从一个子网传送到另一个子网，故称IP协议是可路由的协议；IP数据报的路由称为IP路由。通过配置路由器，使IP数据报在路由器之间传送并到达目标网络，相关的配置称为IP路由配置。以下介绍TCP/IP的组成。TCP/IP实际上是许多具体协议的总称。这些协议适用于连接不同的网络系统，包括局域网和广域网。下面就各层的主要协议做一简介。1.应用层TCP/IP的应用层与OSI参考模型的应用层、表示层、会话层相对应。除了HTTP外主要的协议还有：Telnet远程登录协议，通过网络提供远程登录的终端仿真服务。FTP文件传输协议，用以进行交互式文件传输。SMTP简单邮件传输协议，用来在网络上传送电子邮件。DNS域名服务，用来把主机域名解析成IP地址。NFS网络文件系统，允许网络上的其他机器共享主机目录。2.传输层传输层提供端到端的数据传送服务。TCP/IP协议中的传输层协议包括传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)，其中TCP提供面向连接的服务，UDP提供无连接数据报传输服务。该层与OSI参考模型的传输层相对应。1）传输控制协议(TCP协议）TCP面向高层应用提供了全双工的、确认重传的、带控制流的传输服务，它允许数据包无差错地、可靠地传到目标主机。TCP可同时支持不同高层协议的应用。2）用户数据报协议（UDP协议）UDP协议在传输层上提供无连接的数据报传输，它不保证数据包一定能够到达目标主机，即不能解决诸如报文丢失、重复、失序和流控等问题。传输的可靠性靠应用层的协议来保证。UDP本身忽略可靠性，而优先考虑传输速度问题，因此其传输效率较TCP高。3.网际层（Internet层）网际层由IP和ICMP等协议组成。IP协议和TCP协议则是TCP/IP协议族的核心。网际层对应于OSI参考模型的网络层。IP协议的主要功能是屏蔽所有低层的具体细节，向上层提供统一的通信服务。具体包括：网络编址、无连接数据报传送、数据报路由、差错处理、拥塞控制、点到点传输等，其中的核心是数据报路由。IP协议的特点是使用IP地址用于标识计算机所属的网络及主机号，以确定计算机的位置，实现寻址。此外，地址解析协议（ARP）和逆向地址解析协议（RARP）也是该层两个较为重要的协议。前者用来把IP地址映射成主机的物理地址，即媒体访问控制地址MAC，使得数据报能最终到达目标主机；后者则相反，用来把物理地址映射成IP地址，如无盘工作站的IP地址的获取，就是RARP的具体应用。由于要与物理地址打交道，因此也可认为ARP和RARP协议是跨越网络接口层和网际层的协议。4.网络接口层这一层在TCP/IP模型中没有实质性的内容，是该模型的一个缺陷。该层对应于OSI参考模型的物理层和数据链路层，可参考OSI参考模型中这两层的协议。物理层定义了数据传输设备的硬件特性，包括机械和电气特性等。数据链路层的作用是使得数据能在物理层提供的链路上可靠地传输。TCP/IP模型与OSI的七层模型的对比如表6.1所示。表6.1TCP/IP与OSI的七层模型的对比OSI七层模型TCP/IP第七层：应用层应用层FTP文件传输协议，Telnet远程登录，SMTP简单邮件传输协议，SNMP简单网管协议，NFS网络文件系统协议等第六层：表示层第五层：会话层第四层：传输层传输层TCP、UDP第三层：网络层网际层IP路由协议如RIP等，ICMP，ARP，RARP第二层：链路层网络接口层第一层：物理层6.2路由协议与IP路由配置在网际层传输的数据报，欲到达不同网络的目标主机，则必含有到达目标的路由信息。路由信息的获取，是连网设备路由器的功能。路由器必须知道网络上的路由信息，即目标网络怎样到达，才能使对数据报的传输路径做出正确的选择。对于简单的网络，可以手工指定到达目标网络的路径，这称之为静态路由配置。对于复杂的网络，则必须要通过对路由器配置路由协议来实现路由选择，这称之为动态路由配置。在使用IP协议的网络中所做的静态和动态路由配置通称IP路由配置。6.2.1路由协议及其作用路由协议是指通过使用不同的路由算法来选择最优路由的协议，全称路由选择协议。它控制路由器的路由表的自动生成，使路由器相互交换网络上的路由信息。常用的路由协议有RIP，IGRP，OSPF，BGP和EGP等。在Internet上，路由协议使路由器交换路由信息，及时动态更新路由表中的路由项，以保证路由表中的路由信息是最新的。线路故障、路由器设备故障或者新的路由器加入等网络环境的变化，路由协议都会及时地更新路由表，以保证路由表的正确。Cisco路由器可路由的网络协议包括当今在Internet和局域网上使用得最广泛的协议TCP/IP，以及IPX，DECnet，AppleTalk等。TCP/IP支持的路由协议称为IP路由协议，是本书主要讨论的对象。1.网络协议与路由协议的关系网络协议是在网络中进行传输、通信和路由的协议，如TCP/IP协议族中应用层、传输层和网际层的协议；路由协议是一些用来进行某种路由选择算法的协议。网络协议是通过路由协议进行传输的。2.内部路由与外部路由协议因为Internet的规模巨大，如果要求所有的路由器都知道到达所有网络的路径，则将使得其路由表太大，处理所花的时间也太多，这样做是不现实的。现实的做法是将Internet划分为若干较小的单位，这些单位称为自治系统（AutonomousSystem，AS），一个AS也是一个互连网络，在AS内部的路由器，只要知道本AS中各目标网络怎样到达就可以了；而在AS之间，则通过AS边界上的路由器交换路由信息。这样就可提高路由的效率。用在AS内部的路由协议称为内部路由协议，而用在AS边界路由器上的路由协议称为外部路由协议。1）内部路由协议（InteriorRouterProtocol）内部路由协议在早期的RFC文档中称为内部网关协议（InteriorGatewayProtocol），这里的网关指的就是路由器。内部路由协议是在一个自治系统内部使用的路由协议，如RIP、OSPF和IGRP协议。不同的自治系统可以随意选择不同或相同的内部路由协议。2）外部路由协议（InternetRouterProtocol）外部路由协议在早期的RFC文档中称为外部网关协议（ExternalGatewayProtocol），当数据报要跨越不同的自治系统传输时，在一个自治系统的边界上，需要使用某种路由协议把路由选择信息传递到另一自治系中，这种路由协议称为外部路由协议。现在使用最多的外部路由协议是BGP。Internet的自治系统的划分和管理由InternetNIC统一进行，按IP地址范围划分许多自治系统并分给世界上不同的机构。有关边界网关路由协议(BorderGatewayProtocol，BGP)的详情请参阅有关RFC文档。本书主要详细讨论常用的内部路由协议。内部路由协议按照其算法的不同，分为距离矢量（DistanceVector）算法、链路状态（LinkState）算法和混合（Hybrid）算法三种。路由信息协议（RoutingInformationProtocol，RIP）和内部网关路由协议（InteriorGatewayRoutingProtocol,IGRP）是采用距离矢量算法的路由协议。RIP只以跳数作为计算度量标准，数据报所经过每一个路由器称为“一跳”，到目标的跳数越少，就认为路径越优。IGRP则采用多个参数作为计算度量标准，如：带宽、延迟、负载、可靠性及最大传输单元（MTU）。该协议由Cisco公司开发。开放最短路径优先（OpenShortestPathFirst，OSPF）协议则是典型的基于链路状态算法的路由协议。OSPF可以将网络分成不同的区域并作用在这些区域中，这些区域也称为自治系统AS（与对整个Internet划分自治系统的做法类似，这里是把自治系统再划分为更小的多个系统）。当源地址与目标地址在同一区域时，使用域内路由选择；在不同区域时，使用域间路由选择。增强型内部网关路由协议（EnhancedIGRP，EIGRP）则同时吸收了距离矢量路由协议和链路状态路由协议的优点，对IGRP做了大量的改进，是Cisco公司于20世纪90年代初发布的。6.2.2选择路由协议的注意点配置路由器选择路由协议时，注意以下几点：在拨号网络上使用静态路由；在小型网络上数据量不大且不需要高可靠性的情况下，并且广域网线路为X.25或帧中继临时虚电路（SVC）时，可使用静态路由。在大型网络上则应使用OSPF，EIGRP；在含有变长子网掩码(VLSM)的网络中,不能使用RIP版本１和IGRP，可以使用RIP版本２、OSPF或EIGRP；在系统稳定后，使用OSPF，EIGRP所占的带宽比RIP，IGRP少得多，使用IGRP比RIP所占的带宽也少些。在可靠性要求高的情况下，应综合使用动态路由、静态路由、默认路由，以保证路由的冗余。6.3IP数据报的寻址与IP地址的规定从6.2节的讨论中，业已知道Internet中对不同目标网络的寻址是通过路由器进行的，路由器通过路由表查找目标网络的IP地址。那么，IP地址是如何规定的呢？根据OSI参考模型，标识网络中的主机（计算机或其他网络设备）可使用两种地址：MAC地址和网络地址。MAC地址用于在数据链路层的通信，是网卡的物理地址。而网络地址则是用于确定主机位置的逻辑地址，在TCP/IP网络中，数据报能通过IP地址找到目标主机。在Internet上，从源主机发出的IP数据报根据所携带的目标主机的IP地址信息寻址，并通过ARP完成目标IP地址与MAC地址的映射，在数据链路层找到MAC地址，最终完成数据通信。媒体访问控制（MediaAccessControl，MAC）地址MAC地址又称为物理地址，它固化于网卡中，用于标识网络设备，控制对网络介质（双绞线、光纤等）的访问。每块网卡都具有惟一的MAC地址。网络地址网络地址又称逻辑地址。网络地址通常用网络号和主机号两部分表示，用于在网络层（OSI参考模型）或网际层(TCP/IP模型)标识网络或该网络中的设备。采用不同网络层协议，对网络地址的描述方式不同。6.3.1MAC地址、IPX地址与IP地址的表示1.MAC地址802标准规定MAC地址为6Byte（48bit）或2Byte（16bit），实际通用的为6Byte。书写时常用十六进制表示，用两个十六进制数表示一个字节。如0000F4D6C