互联网的基本概念

第五章TCP/IP协议互联网的基本概念—IP层在TCP/IP协议栈中的位置应用层协议传输层协议网卡驱动程序ARPIPICMPIPv4和IP数据报无连接数据报传递服务IP数据报格式IP数据报的分段和重组IP数据报的路由和转发IP数据报差错报告无连接数据报传递服务网络1R1源主机网络2R2网络3目标主机R3网络4IP数据报IP数据报帧头1IP数据报IP数据报帧头2IP数据报IP数据报帧头3IP数据报无连接数据报传递服务(续)IP只要求物理网络提供最基本的功能：传输包。IP数据报的传递是互相独立的；(OSI模型中X.25是有连接的，后来才增加无连接服务。)收到数据报时不发确认；对IP数据报的损坏、丢失、错序、重复听之任之。确定数据报的路由。数据报的分段和重组。尽力而为(besteffort)，不保证可靠。IP数据报格式版本报头长服务类型总长度标识DFMF分段位移生存时间TTL协议号报头校验和源IP地址目标IP地址可选项＋填充数据01631IP数据报格式(续)绝大多数IP数据报包含20字节的报头：版本(4位)：IP协议版本，当前为4。报头长(4位)：本数据报头的字数，每字4字节，范围是5～15，5即20字节，15即60字节，所以选项最多占40字节服务类型(8位)(typeofservice)：本数据报的服务质量参数，当前未实现，设置为0。总长度(16位)：数据报最大长度为65535字节。IP数据报格式(续)标识(16位)：数据报编号，当路由器将本数据报分段时，此标识拷贝到每个段的IP报头。在分段重组时它用来确定该分段属于哪个数据报。DF(Don’tFragment)(1位)：DF=1禁止本报分段。MF(MoreFragment)(1位)：MF=1表示后面还有本报的分段，MF=0表示是最后一个分段。分段位移：分段位移×8指出本分段在原数据报中从第几字节开始。除最后一段外，其余分段的长度是8字节的倍数。这些字段是与分段和重组有关的。IP数据报格式(续)生存时间TTL：指明数据报在互联网上逗留的最大时间。标准按秒计，实际上按跳数计。数据报每经过一个路由器，TTL减1，当TTL＝0时数据报被丢弃。防止无法投递的报无限传递。协议号(8位)：指明上一层协议，6表示上层是TCP，17表示上层是UDP。报头校验和(16位)：通过路由器时TTL减1，校验和要重新计算。IPv6无校验和，...源IP地址(32位)：数据报源主机的IP地址。目标IP地址(32位)：数据报目标主机的IP地址。IP数据报的分段和重组物理网络一般限制通过包的最大长度，如以太网允许最大帧长1518字节。若物理网络允许的包长小于IP数据报长，路由器的IP层要将该报分段成多个IP报转发。分段后的数据报在被发送过程中还可以再分段。由目标主机的IP层对分段报进行一次重组，IP不区分经一次或多次分段的报。IP数据报的路由和转发主机和路由器如何为IP数据报确定路径：源主机和目标主机位于同一物理网络：数据报在物理网络内传递。比如以太网，源主机将目标主机IP地址转换成物理地址,把数据报封装在以太网帧中直接发送。源主机和目标主机位于不同物理网络：数据报经路由器转发。路由器通过路由表决定数据报的下一站。源主机如何确定该发往哪个路由器？主机也有一张路由表，并配置默认网关。IP数据报的路由和转发(续)网2：202.112.58.0网1：50.0.0.0网4：128.1.0.0网3：166.111.0.0R3202.112.58.3R1202.112.58.150.0.0.1R2202.112.58.2128.1.0.2166.111.0.1IP数据报的路由和转发(续)—路由器R3的路由表目标网络屏蔽码下一站IP地址50.0.0.0255.0.0.0202.112.58.1128.1.0.0255.255.0.0202.112.58.2166.111.0.0255.255.0.0直接传递202.112.58.0255.255.255.0直接传递*166.111.0.1*项是默认路由项，或叫默认网关(defaultgateway)IP数据报差错报告互联网控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)就是IP数据报差错报告机制，ICMP报文封装在IP数据报中发送。ICMP差错报文：ICMP信息报文：目标不可达•回答请求/回答响应数据报超时(ping用它测主机可达性)数据报参数问题•时间戳/时间戳响应报源减速•地址屏蔽码请求/响应重定向路由协议路由器的核心是网络层，包括IP、ICMP、ARP，还有一个或多个路由协议。由于路由协议需要传输层协议支持，实际路由器还包括高层模块，还有网管模块。路由器功能和路由协议分类内部路由协议OSPFv2外部路由协议BGP-4无类别域间路由CIDR路由器功能互联网中路由器的传统功能：交换路由信息：与其它路由器交换网络拓扑和网段时延等信息；执行路由算法：基于路由信息计算、更新路由表，为数据报决定路由。Internet是由许多自治系统AS互联而成，所谓自治系统是由单一机构管理、操作下的路由器连接的互联网。路由协议分类Internet的路由协议分两类：内部路由协议或内部网关协议IGP—自治系统内部路由器交换路由信息的协议：RIP(RoutingInformationProtocol)，DV类。IS-IS，OSPF(OpenShortestPathFirst)，LS类。外部路由协议或外部网关协议EGP—不同自治系统的路由器交换路由信息的协议：BGP(BorderGatewayProtocol)内部路由协议OSPF—原理是链路状态路由协议每个路由器都有本链路状态信息，即它直接连接的路由器和网络，及到它们的“距离”。周期地将本链路状态扩散(flooding)到所有结点。所有的链路状态合在一起就是自治系统的拓扑数据库，每个路由器维持这个拓扑数据库。每个路由器根据这个拓扑数据库构造一个以自身为根的最短路径树，从最短路径树生成它的路由表。外部路由协议BGP网络网络R2R3网络R1网络网络R5R6网络R7AS1AS2外部路由协议BGP(续)路由器R1属于自治系统AS1，路由器R5属于AS2。R1和R5都实现外部路由协议BGP交换路由表，它们也分别实现各自的自治系统内部路由协议，如OSPF。BGP基本上是距离向量路由算法，所不同的是它把到达某网络选择的整个路径告诉邻居，而不只是下一站。路径信息AS_PATH中有所穿越的自治系统网络编号，利用AS_PATH可进行环路检测，克服了“计数到无限”的问题。新一代IP—IPv6IPv4的问题：32位约43亿个地址，大大少于全球人口数(60亿)，将于2008年用完；骨干网路由表信息爆炸。IPv6的主要设计特点IPv6基本头格式IPv6地址IPv6可选项全球的IPv6试验网IPv6的主要设计特点保留IPv4无连接,“尽力而为”数据报传递特征。扩展的地址空间和编址功能：IPv6支持的地址数是IPv4的40亿×40亿×40亿倍！128位地址采用层次结构，地球每平方米的地址数保守估计1564，乐观估计391×1016。精简的基本报头格式(8字段)，简化了报头处理。支持服务质量控制：通信流等级(trafficclass)将IP包分为不同的服务类别。流标号(flowlabel)可为特定的IP包流申请资源和优先级。可选项支持身份认证和数据加密。IPv6的主要设计特点(续)基本头和扩展头编码方式改进了性能，增加了扩展的灵活性基本头扩展头1扩展头N传输层包40字节可选...IPv6基本头格式版本通信流等级流标号负载长度后续头部跳数限制源地址(128位)目标地址(128位)031IPv6基本头格式(续)版本(version)：＝6。通信流等级(trafficclass)：用于服务质量控制。流标号(flowlabel)：路由器对流中报同样处理。负载长度(payloadlength)：除基本头外负载字节数。后续头部(nextheader)：标识基本头后头部类型。跳数限制(hoplimit)：数据源设定,经路由器减1。源地址(sourceaddress)：数据报源地址。目标地址(destinationaddress)：数据报目标地址。IPv6基本头格式－与IPv4比较IPv4报头中有报头长度，IPv6基本头定长。IPv4报头中有报头校验和，IPv6没有。Paxson经统计发现：通过链路层CRC校验的包约0.02%有校验和错误。Stone等收集了约22亿个包，其中约48万个包有IP、UDP或TCP校验和错误。1278个包IP校验和错。IPv6的路由器不对数据报分段，…IPv6的可选项在扩展报头，路由器一般不需要处理可选项。IPv6地址有三类IP地址：单播、任播、多播地址地址的冒分十六进制表示可集成的全局单播地址局部使用(localuse)的单播地址嵌入IPv4地址的IPv6地址任播地址多播地址地址的冒分十六进制表示将128位地址分成8段，每段16位用十六进制数表示，段之间用冒号“：”隔开。例2080:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF,FF01:0000:0000:1234:89AB:0000:0000:0000一或多个连续的全0可用“::”代替,但“::”在一个地址中只能出现一次,各段数字开始的0可省略。如FF01:0:0:1234:89AB::地址前缀用“IPv6地址/前缀位数”表示，前缀位数是十进制数。例如：3FFE:3200::/24。::1是回绕地址(loopback),用于自己给自己发送。可集成的全局单播地址(aggregatableglobalunicastaddress)格式前缀FP(FormatPrefix)：为001。顶级集成标识(Top-LevelAggregationID)：指定Internet顶级机构，即服务提供者网络号。下一级集成标识(Next-LevelAggregationID)：由TLAID指定的服务提供者用于区分它的用户网络号FPTLAIDRESNLAIDSLAIDinterfaceID3138241664可集成的全局单播地址(续)场所级集成标识(Site-LevelAggregationID)：用户用来构建用户网络的编址层次，标识用户网络内的特定子网。每个场所可有65536子网。接口标识(interfaceID)：用于标识链路接口，一般是数据链路层地址，如48位以太网地址。保留(REServed)：留给将来使用。对于每个Internet服务提供者的网络号TLAID，Internet的主干路由器必须有一表项与之对应。保留的8位是为TLAID和/或NLAID扩展预留。局部使用的单播地址11111110100接口标识11111110110子网标识接口标识105464(位)本链路使用(link-local-use)的单播地址格式10381664(位)本场所使用(site-local-use)的单播地址格式局部使用的单播地址(续)若源/目标地址为本链路使用的地址，则数据报只转发到该单一链路，如中继器或网桥连接的以太网链路，不转发到其它链路。若源/目标地址为本场所使用的地址，则路由器不把数据报转发到场所以外。一个场所可以是由路由器连接的多个以太网链路。局部使用的地址无需申请地址前缀，若要连到Internet，可加全局前缀自动重编址。嵌入IPv4地址的IPv6地址IPv4向IPv6的过渡：在过渡时期IPv4地址和IPv6地址必须共存。过渡期有的结点实现双IP协议栈，同时支持IPv4和IPv6，被称为IPv6/IPv4结点。采用“隧道(tunnel)技术”：在IPv4路由拓扑的基础上将IPv6数据报外加IPv4报头转发，即封装IPv4报头。隧道可以是源到目标路径的一段,开始和结束端是IPv6/IPv4结点