物联网组网技术2

物联网组网技术信息工程系韦崇顺2.1物联网网络协议概述物联网有两层含义：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，物联网的用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信。物联网技术的发展，将进一步推动IPv6的部署与应用。IETF6LoWPAN技术具有无线低功耗、自组织网络的特点，是物联网感知层、无线传感器网络的重要技术。第2章物联网网络协议2.2TCP/IPTCP/IP协议最毕由美国斯坦福大学的两名研究人员提出。TCP/IP协议具有跨平台特性，支持异种网络的互联。TCP/IP协议是一个协议集合，它包括了TCP协议、IP协议，此外还包括其他一些协议。2.2TCP/IP按照TCP/IP网络体系结构，网络划分为4个层次，分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。2.2TCP/IP2.2.1分类的IP地址1、IP地址及其表示方法IP地址是给Internet上的每一个主机分配一个在全世界唯一的32位的标识符。IP地址的结构使得人们可以在Internet上很方便地进行寻址。IP地址由因特网名字和号码指派公司ICANN进行分配。两级的IP地址可以记为“IP地址::={网络号、主机号}”。2.2TCP/IP2.2.1分类的IP地址2、常用的3种类别的IP地址IP地址又分为A、B、C、D、E几个固定的类别，其中A、B、C类地址是常用的，如表2-1所示。2.2TCP/IP2.2.1分类的IP地址2、常用的3种类别的IP地址1）、特殊的IP地址不使用2.2TCP/IP2.2.1分类的IP地址2、常用的3种类别的IP地址2）、可用的IP地址范围2.2TCP/IP2.2.1分类的IP地址2、常用的3种类别的IP地址3）专用网络使用的IP地址，不能用于Internet访问。A类：10.0.0.0〜10.255.255.255B类：172.16.0.0〜172.31.255.255；C类：192.168.0.0〜192.168.255.255。2.2TCP/IP2.2.2IP地址与硬件地址从层次的角度看，物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。在发送数据时，数据从高层到低层，在通信链路上传输。使用IP地址的IP数据报一旦交给了数据链路层，就被封装成MAC帧。MAC帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址，硬件地址写在MAC帧的首部。2.2TCP/IP2.2.2IP地址与硬件地址2.2TCP/IP2.2.2IP地址与硬件地址2.2TCP/IP2.2.3地址解析协议ARP与反向地址解析协议ARP2.2TCP/IP2.2.3地址解析协议ARP与反向地址解析协议ARP从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自动地把这个IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。2.2TCP/IP2.2.3地址解析协议ARP与反向地址解析协议ARPARP使用的几种典型情况如下-（1）发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用ARP找到目的主机的硬件地址。（2）发送方是主机，要把IP数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。（3）发送方是路由器，要把IP数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用ARP找到目的主机的硬件地址。（4）发送方是路由器，要把IP数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用ARP找到本网络上的另一个路由器的硬件地址。2.2TCP/IP2.2.3地址解析协议ARP与反向地址解析协议ARPARP系统一个很突出的问题是：如果某台设备不知道自身的IP地址，它就无法发出请求或做出应答。通常，一台新入网的设备会发生这种情况，它只知其物理地址。解决这个问题的一个简单方法是利用反向地址解析协议RARP。RARP的作用是解析已知MAC地址的IP地址，即与ARP过程相反，它通过趴处协议发送广播式请求报文来请求自己的IP地址，而RARP服务器负责对该请求做出应答。这样，不知道IP地址的主机可以通过以RARP来获取自己的IP地址。2.2TCP/IP2.2.4划分子网与构造超网1、划分子网(1)将一个单位内部的不同网络看作是一个网络的子网，子网的划分是一个单位内部的事情。(2)将一个单位可自行分配的host-id部分中的若干比特作为子网号subnet-id,剩下的部分作为子网中的主机号，这样一个单位内部网络的IP地址就包括了3个部分：网络号net-id、子网号subnet-id和主机号host-id。2.2TCP/IP2.2.4划分子网与构造超网1、划分子网子网掩码的作用是用来区分IP地址中的net-id、subnet-id及host-id到底各占几位。子网掩码的长度和IP地址的长度一样都是32位，由一串1和一串0组成，其中1对应的是IP地址中的网络号和子网号，而0对应的是IP地址中的主机号。2.2TCP/IP2.2.4划分子网与构造超网1、划分子网在这样划分子网的情况下，网络地址（net-id和subnet-id两部分）就是主机号host-id为全0的IP地址，可通过子网掩码和IP地址的按位“与”（AND)运算得到，如表2-5所示。2.2TCP/IP2.2.4划分子网与构造超网2、无分类编址无分类域间路由选择CIDR的基本思想：(1)IP地址由两部分组成，前一部分是可变长度的网络前缀（NetworkPrefix),后面的部分是主机号。故而，在CIDR中没有传统的A、B、C类地址以及划分子网的概念，且没有分类地址中1B、2B、3B网络地址的限制。2.2TCP/IP2.2.4划分子网与构造超网2、无分类编址无分类域间路由选择CIDR的基本思想：(2)在CIDR中，采用斜线记法即CIDR记法来表示IP地址中网络前缀所占的比特数。例如，208.128.0.0/11表示在该IP地址中前11bit是网络前缀，后面的21bit为主机号。2.2TCP/IP2.2.4划分子网与构造超网2、无分类编址无分类域间路由选择CIDR的基本思想：(3)网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”。一个CIDR地址块是由地址块的起始IP地址和地址块中的地址个数来定义的。CIDR地址块也可以用斜线记法来表示，如208.128.0.0/22表示的地址块起始IP地址为208.128.0.1，共有210-2个地址。2.3路由技术路由技术主要指路由选择算法。因特网的路由选择协议的特点及分类。其中，路由选择算法可以分为静态路由选择算法和动态路由选择算法。因特网的路由选择协议的特点是：属于自适用的选择协议；采用分层次的路由选择协议，即分自治系统内部和自治系统外部路由选择协议。因特网的路由选择协议划分为两大类：内部网关协议（IGP,具体的协议有RIP和OSPF等）和外部网关协议（EGP，目前使用最多的是BGP)。2.3路由技术2.3.1路由和数据包转发数据包转发到目的地的整个过程分为5步：(1)随着帧的报头到达路由器入站接口,MAC过程就根据接口烧录的MAC地址，广播地址和接口所监听的任意组播地址来检查硬件目的地址。如果MAC过程发现硬件目的地址可用，就对帧执行循环冗余检验以确信帧没有被破坏。如果帧通过这些CRC，就从帧中取出数据包。然后丢弃帧，将数据包存储在路由器的主存储器中。2.3路由技术2.3.1路由和数据包转发(2)路由器搜索路由表，找出数据包报头中所发现的目的地址最长的匹配，如果路由器未找到匹配，且没有默认网关，路由器就丢弃数据包，并给源设备发送一项ICMP目的不可达消息。如果路由器找到匹配项，路由器将为此路由找到下一跳地址或直连接口，如果路由指向一个直连接口，就无须执行递归查找，可以跳过下一步。2.3路由技术2.3.1路由和数据包转发(3)一旦知道了下一跳地址，路由器就执行递归查找。这是为了在路由器上定位直连的接口，以将数据包转发出去，找到带有流出接口的表项前可能要进行多次迭代。如果所有递归接口查找都指向路由表没有表项的丨P地址，并且未设置默认网关，那么路由器将丢失该数据包并通过ICMP通知数据包源。2.3路由技术2.3.1路由和数据包转发(4)数据包被交换到出站口缓冲器。假设出站接口使用第二层寻址，路由器试图学习下一跳接口的MAC地址或第二层标识，从而将第三层地址映射到第二层地址。路由器査找像ARP高速缓存这样适当的本地表。在使用ARP的情况下，如果未找到第三层映射，路由器将通过出站接口向本地连接的网段广播一个ARP请求，以请求与下一跳设备的本地网段相关的接口的MAC地址，该设备可能是另一台路由器或最终目的地。2.3路由技术2.3.1路由和数据包转发(5)己知直连接口和下一跳地址之间的连接类型。路由器就可以根据连接类型数据包封装为合适的数据链路帧。出站接口将带有下一跳设备的第：层地址的帧放在传输线上。这个过程在数据包所经过的每台路由器h继续进行，直到数据包到达目的地。2.3路由技术2.3.2静态路由静态路由选择算法就是非自适应路由选择算法，这是一种不测量、不利用网络状态信息，仅仅按照某种固定规律进行决策的简单的路由选择算法。静态路由选择算法的特点就是简单和幵销小，但是不能适用网络状态的变化。静态路由选择算法主要包括扩散法和固定路由表法。静态路由是依靠手工输入的信息来配置路由表的方法。2.3路由技术2.3.2静态路由静态路由具有以下几个优点：减少了路由器的日常幵销；在小型互联网上很容易配置；可以控制路由选择的更新。静态路由在网络变化频繁出现的环境中并不会很好的工作。在大型的和经常变动的互联网中，配置静态路由是不现实的。2.3路由技术2.3.2动态路由动态路由选择算法就是自适应路由选择算法，是依靠当前网络的状态信息进行决策，从而使路由选择结果在一定程度上适应网络拓扑结构和通信量的变化。2.3路由技术2.3.3动态路由动态路由选择算法的特点是能较好地适应网络状态的变化，但是实现起来较为复杂，幵销也比较大。动态路由选择算法一般釆用路由表法，主要包括分布式路由选择算法和集中式路由选择算法。2.3路由技术2.3.3动态路由分布式路由选择算法是每一个节点通过定期的与相邻节点交换路由选择的状态信息来修改各自的路由表，这样使整个网络的路由选择经常处于一种动态变化的状况。集屮式路由选择算法是网络中设置一个节点，由网络控制中心（NetworkControlCenter，NCC）负责全网状态信息的收集、路由计算及最佳路由的实现。最简单的方法是将最新路由定期发送到网络中各节点上去。2.3路由技术2.3.4OSPF路由协议OSPF(OpenShortestPathFirst,开放式最短路径优先）是一个内部网关协议（InteriorGatewayProtocol，IGP)，用于在单一自治系统(AutonomousSystem,AS)内决策路由。与RIP相比，OSPF是链路状态（Link-state)协议，而RIP是距离矢量协议。2.3路由技术2.3.4OSPF路由协议OSPF由IETF在20世纪80年代末期开发，是SPF类路由协议中的开放式版本。最初的OSPF规范体现在RFC1131中。RFC1247OSPF称为OSPF版本2，是为了明确指出其在稳定性和功能性方面的实质性改进。接下来的一些规范出现在RFC1583、2178和2328中。OSPF版本2的最新版体现在RFC2328中。2.3路由技术2.3.4OSPF路由协议OSPF定义的5种网络类型：(1)点到点网络（Point-to-Point)，自动发现邻居.不选举DR/BDR，Hello时间10s。(2)广播型网络(Broadcast),自动发现邻居，选举DR/BDR，Hello时间10s。(3)非广播型网络（Non-broadcast)，手工配置邻居，选举DR/BDR，Hello时间30s。(4)点到多