第6章网络互连

第6章网络互连第一讲本节主要目标1、掌握路由器的构成原理，理解其在互联网中的作用。2、掌握IP地址的概念，IP地址与硬件地址的关系。重点路由器在网际互连中的作用因特网的网际协议IP难点路由器的构成1.回顾和本节目标:[5分钟]回顾：广域网的基本概念；广域网中的分组转发机制；拥塞控制；X.25网，帧中继FR，异步传递方式ATM本节目标:1.掌握路由器的构成原理，理解其在互联网中的作用。2.掌握IP地址的概念，IP地址与硬件地址的关系。2.课程知识点讲解：2.1.路由器在网际互连中的作用：[40分钟]计算机网络通常是由许多种不同类型的网络互连而成的。网络互连意味着通过各种网络相互连接的计算机不仅仅在物理上是连通的，更重要的是它们能进行通信。不同网络的连接就是通过许许多多的路由器实现的。所以，在互联网中，路由器起到了关键的作用。路由器的构成：当主机A要向另一个主机B发送数据报时，先要检查目的主机B是否与源主机A连接在同一个网络上。如果是，就将数据报直接交付给目的主机B而不需要通过路由器。但如果目的主机与源主机A不是连接在同一个网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个路由器，由该路由器按照转发表指出的路由将数据报转发给下一个路由器。这就叫作间接交付。典型的路由器的结构：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。路由器的任务是转发分组：将从某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地(目的网络)，将该分组从某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这种方法处理分组，直至该分组到达目的地为止。路由器的转发分组正是网络层的主要工作。“转发”和“路由选择”的区别：“转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去。“路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由。路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路由表的区别。输入端口对线路上收到的分组的处理：物理层进行比特的接收。数据链路层按照链路层协议接收传送分组的帧，剥去帧首部和尾部后，将分组送到网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时延。输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路：当交换结构传送过来的分组先进行缓存(队列)。数据链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。分组丢弃：若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的可用存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因互联网与因特网：互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题需要解决，如：不同的寻址方案；不同的最大分组长度；不同的网络接入机制；不同的超时控制；不同的差错恢复方法；不同的状态报告方法；不同的路由选择技术；不同的用户接入控制；不同的服务（面向连接服务和无连接服务）；不同的管理与控制方式。网络互相连接起来要使用一些中间设备：中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。物理层中继系统：转发器(repeater)；数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)；网络层中继系统：路由器(router)；网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)；网络层以上的中继系统：网关(gateway)。网络互连使用路由器：当中继系统是转发器或网桥时，一般并不称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。网关由于比较复杂，目前使用得较少。互联网都是指用路由器进行互连的网络。由于历史的原因，许多有关TCP/IP的文献将网络层使用的路由器称为网关。虚拟互连网络的意义：所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用IP协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。使用IP协议的虚拟互连网络可简称为IP网。使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节。老师提问路由器的任务是什么？答：路由器的任务是转发分组：将从某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地(目的网络)，将该分组从某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。2.2.网际协议IP：[40分钟]网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一。与IP协议配套使用的还有四个协议：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)。分类的IP地址：1)IP地址及其表示方法：我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络。IP地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是惟一的32bit的标识符。IP地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN(InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers)进行分配。IP地址的编址方法：IP地址的编址方法共经过了三个历史阶段：分类的IP地址，这是最基本的编址方法，在1981年就通过了相应的标准协议；子网的划分，这是对最基本的编址方法的改进，其标准[RFC950]在1985年通过；构成超网，这是比较新的无分类编址方法。1993年提出后很快就得到推广应用。分类IP地址：每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络，而另一个字段则是主机号host-id，它标志该主机（或路由器）。两级的IP地址可以记为：IP地址::={网络号网络号，主机号}。路由器转发分组的步骤：先按所要找的IP地址中的网络号net-id把目的网络找到。当分组到达目的网络后，再利用主机号host-id将数据报直接交付给目的主机。按照整数字节划分net-id字段和host-id字段，就可以使路由器在收到一个分组时能够更快地将地址中的网络号提取出来。“本网络”和“本主机”：在A类地址的net-id字段占一个字节，只有7个比特可用(第1位已经固定为0)。但可提供的网络号是126个(即27-2)。减2的原因：第一，IP地址中全0表示“这个(this)”。Net-id字段为全0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络“。第二，net-id字段为127(01111111)保留作为本地软件环回测试(loopbacktest)本主机之用。“单个网络地址”和“所有主机”：A类地址的host-id字段为3个字节，因此每一个A类网络中的最大主机数为(224-2)。这里减2的原因是：全0的host-id字段表示该IP地址是“本主机”所连接的单个网络地址(例，一主机的IP地址为5.6.7.8，则其主机所在的网络地址就是5.0.0.0)；全1表示“所有的(all)”，因此全1的host-id字段表示该网络上的所有主机。IP地址的一些重要特点：(1)IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：第一，IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了IP地址的管理。第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间；(2)实际上IP地址是标志“一个主机（或路由器）和一条链路的接口”。当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号net-id必须是不同的。这种主机称为多接口主机(multihomedhost)。由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址；(3)用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号net-id；(4)所有分配到网络号net-id的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。IP地址与硬件地址：IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。在网络层和网络层以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。数据链路层看不见数据报的IP地址。从协议栈的层次上看数据的流动，从虚拟的IP层上看IP数据报的流动，在链路上看MAC帧的流动，路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择。在具体的物理网络的链路层只能看见MAC帧而看不见IP数据报。IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节在抽象的网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或主机和路由器之间的通信。3.本节总结[5分钟]4.考核点考核点1：路由器在网际互连中的作用。考核点2：因特网的网际协议IP。5.测试题测试题1：6.扩展部分扩展部分1:7.作业习题18.上机练习Top第二讲授课教师：课时：2小时本节主要目标1.理解ARP和RARP协议，熟悉IP层转发分组的流程。2.理解划分子网的概念，掌握划分子网的方法。本节重点划分子网和构造超网本节难点划分子网的方法1.回顾和本节目标:[5分钟]回顾：路由器在网际互连中的作用；网际协议IP。本节目标：1、理解ARP和RARP协议，熟悉IP层转发分组的流程。2、理解划分子网的概念，掌握划分子网的方法。2.课程知识点讲解：2.1.ARP和RARP协议，IP数据报格式：[40分钟]地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP。IP地址是不能直接用来进行通信的。这是因为IP地址只是主机在抽象的网络层中的地址。若要将网络层中传送的数据报交给目的主机，还要传到链路层转变成MAC帧后才能发送到实际的网络。因此，不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。由于IP地址有32bit，而局域网的硬件地址是48bit，因此它们之间不存在简单的映射关系。在主机中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，这个映射表能够经常动态更新。地址解析协议ARP就是完成IP地址到MAC地址的映射的。每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARPcache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址。ARP高速缓存的作用：为了减少网络上的通信量，主机A在发送其ARP请求分组时，就将自己的IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组。当主机B收到A的ARP请求分组时，就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中。这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了。显然，如果不使用ARP高速缓存，那么任何一个主机只要进行一次通信，就必须在网络上用广播方式发送ARP请求分组，这就使网络上的通信量大大增加。逆地址解析协议RARP：逆地址解析协议RARP使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址。这种主机往往是无盘工作站。因此RARP协议目前已很少使用。IP数据报的格式：一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。版本——占4bit，指IP协议的版本，目前的IP协议版本号为4(即IPv4)；首部长度——占4bit，可表示的最大数值是15个单位(一个单位为4字节)，因此IP的首部长度的最大值是60字节；服务类型——占8bit，用来获得更好的服务，这个字段以前一直没有被人们使用；总