通信网理论基础(第三部分)1Internet的地址、路由和管理

2019/8/151通信网理论基础第三部分Internet的地址、路由和管理技术2012、3、15张顺颐[e-mail]2019/8/152Internet的地址安排2019/8/153一、路由和路由协议路由：因特网中分组传输的路径，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。2019/8/154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。路由选择：转发分组之前需要完成的工作，根据相邻路由器提供的网络拓扑的变化情况，按照路由选择算法，及时修改相应的路由表。可见，路由选择主要是算法的问题。转发：路由器根据转发表将用户的数据报（IP分组）转向合适的输出端口并从该端口发出。转发主要是查表的问题。2019/8/155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的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。2019/8/156典型的路由器的结构（注意：图中的数字1、2、3表示相应层次的构件，路由器的缓存在图外）IP（Internet/protocal互联网协议）IP网是以TCP/IP技术为通信协议的网络。IPv4报头2019/8/158IPv42019/8/159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的分组，选择一个合适的输出端口发送出去；路由器的输入端和输出端中的1、2、3，表示物理层、数据链路层和网络层的处理模块，即在该模块中完成相应层次的处理工作：2019/8/1510物理层：负责数据比特的发送和接收。物理层的功能：指明接口所用插件的规格、尺寸、引线数量、分配、排列等；各接口引线电气特性及其意义；输入、输出规程，如时间顺序、条件等2019/8/1511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。数据链路层的功能：链路管理：与相邻节点保持联系，即时交换信息，了解相邻节点的工作情况，以便保持通信连接。帧定界：接收方可以从传输的数据量中准确地区分一个帧的开始和结束，以便保持收发双方的同步；2019/8/1512帧定界的方法定长帧：帧的长度一定，按照长度即比特数自动截断，视为一帧，ATM、SDH都是定长的分组；非定长帧，各分组、帧的长度不一，截取的方法有：*特征位识别：如HDLC中，01111110为特征位；*自动识别编码：自动判断和截取，如G3传真机*长度指示：非定长，但是指明长度，如IP分组;2019/8/1513数据链路层的功能流量控制：控制数据发送的速率，以便接收方来得及接收数据；差错控制：通过差错检测发现接收到的数据有无错误，或者纠正错误；将数据和控制信息区分开，并分别处理；透明传输：对各种信息保证不会错误的识别；寻址：将分组正确地发到相应的目的站，在数据链路层的主要任务是相邻的节点。2019/8/1514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（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；如果分组是数据，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合适的输出端口；2019/8/1515网络层的功能物理层的连接：采用转发器（repeater）、集中器；数据链路层的连接：采用网桥（桥接器，bridge）;网络层的连接：采用路由器（router）；网络层以上的连接：采用网关（gateway）;网络互连，指网络层以上的连接。由于网络的IP地址是在网络层才分析和确定的，所以网络层的互连主要是地址分析和路由的选择。2019/8/1516由上面的分析可以看出，路由器作为网络连接设备，其工作原理并不复杂，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。2019/8/1517网络核心设备的路由器性能不断提高目前世界上工作速度最快的路由器是思科2010年3月10日发布的CRS-3，其数据流量处理能力为322TB/S，也称为322Tbps；322Tbps到底有多快？有人打个比方，就是快到足以让所有中国男人、女人和小孩同时打视频电话。为更形象地说明该路由器的速度，我们再举几个新产品能做什么的例子：可在1秒内下载整个美国国会图书馆的所有藏书；在1秒内传输超过5.6万人的DNA序列；在1分钟内传输超过40亿首MP3歌曲；在0.000000014秒内发送完整的英国国王詹姆斯钦定《圣经》英译本；向旧金山每个家庭同时传输1G数据；每4分钟全球发布任何一部电影。2019/8/1518其次，当一个分组在查找路由转发表时，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。2019/8/1519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。2019/8/1520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。2019/8/1521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。2019/8/15222019/8/1523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；2019/8/1524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。2019/8/1525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。2019/8/1526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各有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。2019/8/1527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：2019/8/1528互联网协议的组成：ICMP：因特网控制报文协议；IGMP：因特网组管理协议；RARP：逆地址解析协议；ARP：地址解析协议；TCP：传输控制协议；UDP：用户数据报协议；2019/8/1529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）2019/8/1530TCP/IP协议中，IP协议是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。运输层向应用层提供通信服务，并且对分组的报文部分进行差错检测；2019/8/1531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。2019/8/1532IP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。2019/8/1533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（如南京邮电大学有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。.2019/8/15351、分类的IP地址：将IP地址划分为若干固定的类，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。2019/8/1536分类的IP地址结构2019/8/1537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，即网络号，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。2019/8/1538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）。2019/8/1539IP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）192.0.0223.255.2552542019/8/1540A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。2019/8/1541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。2019/8/1542B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