通信网理论基础(第三章)

2019/8/181通信网理论基础第三章Internet的路由、拥塞控制和管理朱骏2019/8/182一、路由和路由协议路由：因特网中分组的路径，称为路由，它由路由器决定。路由器：路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，它的任务是转发分组，即将路由器某个输入端口收到的分组，按照其目的地址（目的网络和主机地址），将该分组由每个合适的输出端口转发给下一跳路由器，下一跳路由器也按照同样的方法处理分组，直到分组到达目的地为止。2019/8/183典型的路由器的结构（图中的数字1、2、3表示相应层次的构件）2019/8/184路由器在计算机网络中的作用：完成路由选择，并把分组发往所选择的相应的链路。2019/8/185路由器的结构：路由器可以分为两个部分：即路由选择和分组转发部分；路由选择部分是控制部分，其核心构件是路由选择处理机。路由选择处理机的任务是根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻地路由器交换路由信息，更新和维护路由表。分组转发部分，由三部分组成：交换结构、（一组）输入端口、（一组）输出端口。2019/8/186交换结构：又称为交换组织，其作用是根据转发表（forwardingtable）对分组进行处理，将某个输入端口进入地分组，选择一个合适地输出端口发送出去；路由器地输入端和输出端中地1、2、3，表示物理层、数据链路层和网络层的处理模块：2019/8/187物理层：负责数据比特的接收。数据链路层：按照链路层的协议接收分组的帧，将帧的头部和尾部剥去之后，分组送入网络层的处理模块。2019/8/188网络层：数据链路层发来的分组，分为两类：分组是路由器之间交换路由信息的信息（如路由信息协议RIP或开放最短通路优先OSPF分组），则将这种信息送路由选择处理机；分组是数据，则按照分组首部中的目的地址查找转发表，根据找出的结果，分组经过交换结构到达还是的输出端口；2019/8/189由上面的分析可以看出，路由器的工作原理并不复杂，但是要求的工作速度非常高。例如线路的传送速度是2.5Gb/S，分组长度为256字节/分组，这时路由器需要处理分组的速度：2.5×10000000000/（256×8）＝1000000（分组）。这个速度称为线速，是非常大的。这个数字也称为Mpps（百万分组每秒），说明路由器对接收的分组的处理速率，是路由器的重要指标。2019/8/1810其次，当一个分组在查找转发表时，也就是路由器在处理第一个分组时，输入端又会收到另一个分组，这个分组就必须在输入端口中排队等待，造成了路由器对于分组的延迟，即时延。2019/8/1811路由器的输出端从交换结构接收分组，然后将它们发送到路由器输出端连接的线路上。2019/8/1812当交换结构送来的分组的速率超过输出链路发送的速率时，来不及发送的分组就必须暂时存放在缓存中排队，等待发送。数据链路层给分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层发送出去。2019/8/1813路由器的交换结构：交换结构是路由器的关键部件，其任务是将分组从每一个输入口转移到选定的输出端口。实现路由器的交换功能的方法有多种，例如，通过存储器，通过总线，通过互联网络都可以实现。2019/8/18142019/8/1815通过存储器的交换方法：路由器的每个输入端口收到一个分组时，将完成以下的动作：用中断方式通知路由选择处理机；分组从输入端口复制到存储器中；路由器从分组的首部提取目的地址；查找路由表；选定输出端口；分组送到输出端口的缓存；2019/8/1816此时路由器的转发速度（交换速率）取决于存储器的读写时间（称为存储器的带宽）；例如CISCO的Catalyst8500、BayNetwor的Accelar1200系列就是采用存储器转发的。2019/8/1817通过总线的交换方法：路由器的每个输入端口收到一个分组时，路由选择处理机即从分组中提取其首部地址，然后把分组直接发送到选定的输出端口去。由于总线是共享的，同一时刻只允许一个分组在总线上传送，所以路由器的转发带宽受到总线速率的限制；例如CISCO的Catalyst1900系列是通过总线转发的。2019/8/1818通过互连（连接）网络的交换方法：网络有2N条总线，其中水平方向和垂直方向个有N条总线，并且彼此分别连接。路由器接收到的分组经目的地址的提取，分别送到相应的水平总线，与相应的垂直总线相连，如果垂直总线空闲，则分组转发，否则等待；例如CISCOCatalyst12000，使用的互联网的带宽可以高达60Gb/S。2019/8/1819因特网的网际协议IP：TCP/IP协议即传输控制协议/网际协议；TCP/IP与OSI体系结构的比较：2019/8/1820互联网协议的组成：2019/8/1821与IP协议配套使用的四个协议：地址解析协议ARP（AddressResolutionProtocol）逆地址解析协议RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）因特网控制报文协议ICMP（InternetControlMessageProtocol）因特网组管理协议IGMP（InternetGroupManagementProtocol）2019/8/1822TCP/IP协议中，IP协议负责网络互连的网络层的核心协议。TCP协议则是与IP协议配套使用的运输层的一个协议。严格说来，TCP协议与网络互连并没有直接的关系，但是TCP协议对保证互联网络中端到端的可靠传输起到非常重要的作用。2019/8/1823互联网的IP地址：IPv4协议是给因特网上每一个主机分配一个唯一的、独享的32位（bit）的地址标识，以便在因特网上方便地寻址。IP地址由ICANN（InternetCorporationAssignetandNumbers）负责分配。国内的用户地址由APNIC（AsiaPasificNetworkInformationCenter）分配。2019/8/1824IP地址的编址方法，经历了三个阶段：1、分类的IP地址；1981年通过标准协议；2、子网的划分；对方法1的改进，1985年通过标准协议；3、构成超网；比较新的无分类编址方法，1993年以后很快得到应用。2019/8/1825网络的设备，都有“域名”，这是表示某一个网络设备的名称（中英文皆可），但是这不是地址。如同南京邮电大学是名称（域名），而新模范马路66号则是地址。当然这两者都是唯一的，不应该有重复的。但是一个域名可以有几个地址（如三牌楼校区和仙林校区）。也可以连接不同的网络，此时应该分配不同网络的IP地址。如南邮目前连接的两个路由－CERNET和CHINANET。.2019/8/18261、分类的IP地址：将IP地址划分位若干固定的类，每一类地址都由两个固定的长度的字段（网号net-id和主机号host-id）组成。其中网号标志主机和路由器连接的网络主机号标志该主机。有了这两个信息，任何一个主机在网络上的位置就确定了。2019/8/1827分类的IP地址结构2019/8/1828路由器在转发分组而查找转发表时，只需要提取其中的网络地址，及网号即可，不必过问主机号。这样可以提高速度，节省时间。只有到达目的地址的网络后，才由该网络转发给相应的主机，这时才需要提取主机号以便交付该主机。2019/8/1829为了便于使用32位（bit）的IP地址，往往采用“点分十进制记法”（dotteddecimalnotation）。2019/8/1830IP地址的使用范围：网络类别最大网络数第一个可用的网络号最后一个可用的网络号每个网络中的最大主机数A126（27－2）112616777214B16384（214）128.0191.25565534C2097152（221）192.0.0223.255.2552542019/8/1831A类地址：net-id7位，可供使用的网络号128－2＝126个。原因是IP地址中的全0表示“this”,意思为“本网络”，00000000为保留地址，可以用作源地址，但是不得用作目的地址；此外，全1，即01111111用作本地软件的环回测试（loopbacktest）本主机用，此时后三个字节的二进制数字可以是全0和全1以外的任何数。2019/8/1832每个网络中最大的主机数，应该是主机号位数的容量－2。这是因为主机号全0表示IP地址是本主机所连接到的单个网络，而全1表示all即广播该网络上的所有主机。2019/8/1833B类和C类地址中net-id没有－2的问题，因为此时整个net-id字段是10（B类）或110（C类）开头，不可能是全1或全0。一般不使用的特殊的IP地址(A):Net-idHost-id源地址使用目的地址使用代表的意思00可以不可在本网络上的本主机0Host-id可以不可在本网络上的某个主机全1全1不可可以只在本网络上进行广播（各路由器均不转发）Net-id全1不可可以对Net-id上的所有主机进行广播127任何数可以可以用作本地软件环回测试之用2019/8/1834IP地址与硬件地址：硬件地址也称物理地址，它是数据链路层和物理层使用的地址，IP地址则是网络层及以上各层使用的地址。2019/8/1835由上图可见，IP地址是放在IP数据包的首部，而硬件地址则是放在数据链路层中MAC帧的首部。当IP数据报放入数据链路层的MAC帧中以后，整个的IP数据报就成为MAC帧的数据，所以在数据链路层是看不到数据包的IP地址的。2019/8/1836计算机网络的通信示例：2019/8/1837下表中不同层次、不同区间的源地址和目的地址（说明IP地址和硬件地址的不同及使用）在网络层写入IP数据报首部的在数据链路层写入MAC帧首部的源地址目的地址源地址目的地址从H1到R1IP1IP2HA1HA3从R1到R2IP1IP2HA4HA5从R2到H2IP1IP2HA6HA22019/8/1838注意：（1）在整个因特网中，IP的数据包，其首部中的源地址和目的地址始终是IP1和IP2，网络中数据包尽管要经过多个路由器转发，但是与这些路由器的IP地址无关；（2）路由器只根据IP数据包的目的地址的网络号进行路由选择；2019/8/1839（3）具体传送IP数据包的物理网络，在其数据链路层只能看见MAC帧，IP数据包被封装在MAC帧中，MAC帧在传送过程中，在不同的MAC帧中的硬件地址是不断变化的，以完成从一个路由器向下一个路由器的转发；2019/8/1840（4）数据包的IP地址和网络的硬件地址是两套体系，但是由于因特网的IP层屏蔽了下层的硬件地址，使得我们在讨论许多问题时可以把问题放在网络层之上，可以使用统一的、抽象的IP地址研究网络、主机和路由器之间的通信，从而使得问题大大简化；2019/8/1841从上面的分析可以看出，实际上在网络上传送数据包时，使用的是主机的硬件地址，它根据IP地址引导IP包的传送。由此可见，IP地址有以下几个特点：1、分级的地址结构；2、IP地址表示主机、路由器与链路的接口；3、网桥、转发器连接，在同一个网络，网号相同；4、网络是平等的，不论是A、B、C类网络；2019/8/1842IP地址和邮件地址但是，硬件地址是随着主机、路由器等设备的情况而变化的，例如新的主机的加入、原有主机的调整、更换网卡等都会使得网络设备硬件地址的改变，那么硬件地址和IP地址时如何联系的呢？2019/8/1843IP地址是32位的，硬件地址则是48位的，这两者的联系是在网络的主机中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，由因特网的地址解析协议ARP解决。首先，每个主机中都有一个ARP高速缓存（ARPcache）.ARP高速缓存中存有所在局域网上各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。2019/8/1844主机A欲向本局域网上另一个主机B发送数据包时，就先在其ARP高速缓存中查找主机B的IP地址，并且查出其对应的硬件地址，把它写入MAC帧，通过局域网将该MAC帧