学习笔记第5章 Internet基础Word文件下载.docx

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⑶尽最大努力投递服务。

三、IP互联网的特点

IP互联网是一种面向非连接的互联网络，它对各个物理网络进行高度的抽象，形成一个大的虚拟网络。

总的来说，IP互联网具有如下特点。

1）IP互联网隐藏了低层物理网络细节，向上为用户提供通用的、一致的网络服务。

2）IP互联网不指定网络互连的拓扑结构，也不要求网络之间全互联。

3）IP互联网能在物理网络之间转发数据，信息可以跨网传输。

4）IP互联网中的所有计算机使用统一的、全局的地址描述法。

5）IP互联网平等的对待互联网中的每一个网络，不管这个网络规模是大还是小，也不管这个网络的速度是快还是慢。

5.4IP地址

一、IP地址的作用

IP地址由32位二进制数表示，用于屏蔽各种物理网络的地址差异。

二、IP地址的层次结构

一个互联网包括了多个网络，而一个网络有包括了多台主机，因此，互联网是具有层次结构的。

与互联网的层次结构对应，互联网使用的IP地址也采用了层次结构。

IP地址由两个层次组成：

⑴网络号，用来标识互联网中的一个特定网络。

⑵主机号：

用于标识该网络中主机的一个特定连接。

只要两台主机具有相同的网络号，不论它们物理位置，都属于同一逻辑网络。

三、IP的地址分类

IP协议规定，IP地址的长度为32位（bit）。

这32位包括了网络号部分（netid）和主机号部分（hostid）。

为了适应各种网络规模的不同，IP协议将IP地址分成A、B、C、D、E五类

A类

B类

C类

D类

E类

A、B、C三类IP地址可以容纳的网络数和主机数见下表：

类别

第一字节范围

网络地址长度

最大的主机数目

适用的网络规模

A

1—126

1个字节

16777214

大型网络

B

128—191

2个字节

65534

中型网络

C

192—223

3个字节

254

小型网络

四、几种特殊的IP地址

⑴网络地址：

有效网络号和一个全0的主机号。

例如：

10.0.0.0、128.16.0.0192.168.10.0

⑵广播地址：

全1结尾。

有效网络号和全1的主机号为直接广播地址。

32位全1的为有限广播地址，用于本网广播。

⑶回送地址：

A类地址127.0.0.0是一个保留地址，用于网络软件测试以及本地机器进程间通信，这个IP地址称为回送地址。

⑷本地地址：

10开头196.168开头

五、子网编址

1、子网编址方法

网络号

主机号

子网号

只要主机号部分能够剩余两位，子网地址可以借用主机号部分的任何位数（但至少应借用两位）。

B类网络的主机号部分只有两个字节，故而最多只能借用14位去创建子网。

而在C类网络中，由于主机号部分只有一个字节，故而最多只能借用6位去创建子网。

2、子网表示法

子网编址使用了子网掩码（或称为子网屏蔽码）。

对应IP地址的32位二进制数值，子网掩码也采用了32位的二进制数值。

与IP地址中的网络号对应的部分在子网屏蔽码中用1表示，与主机号对应的部分在子网屏蔽码中用0表示。

六、地址解析协议（ARP）

地址解析协议是以太网经常使用的映射方法，它充分利用了以太网的广播能力，将IP地址与物理地址进行动态绑定。

5.5IP数据报

IP数据报是IP协议使用的数据单元，互联层数据信息和控制信息的传递都需要通过IP数据报进行。

一、IP数据报的格式

1、版本与协议类型

在数据报字头中，版本字段表示该数据报对应的IP协议版本号，不同的IP协议版本规定的数据报格式稍有不同，目前使用的IP协议版本号为4。

协议字段表示该数据报数据区数据的高级协议类型（如TCP），用于指明数据区数据的格式。

2、长度

报头中有两个表示长度的字段，一个为报头长度，一个为总长度。

报头长度以32b为单位，指出该报头区的长度。

在没有选项和填充的情况下，该值为5。

一个含有选项的报头长度则取决于选项域的长度。

但是报头长度应当是32b的整数倍，如果不是，需在填充域加0凑齐。

总长度以8b为单位，表示整个IP数据报的长度（其中包括报头区长度和数据区长度）。

3、服务类型

服务类型字段规定对本数据报的处理方式。

利用该字段，发送端可以为IP数据包分配一个转发优先级，并可以要求中途转发路由器尽量使用低延迟、高吞吐率或高可靠性的线路投递。

4、生存周期

IP数据报的路由选择具有独立性，因此从源主机到目的主机的传输延迟也具有随机性。

如果路由表发生错误，数据包有可能进入一条循环路径，无休止地在网络中流动。

利用IP报头中的生存周期字段，就可以有效地控制这一情况的发生。

5、头部校验和

头部校验和用于保证IP数据报报头的完整性。

在IP数据报中只含有报头校验字段，而没有数据区校验字段。

6、地址

在IP数据报报头中，源IP地址和目的IP地址分别表示该IP数据报的发送者和接收者的地址。

在整个传输过程中，无论经过什么路由，无论如何分片，这两个字段一直保持不变。

二、IP封装、分片与重组

1、最大传输单元（MUT）与分片

根据网络使用的技术不同，每种网络都规定了一个帧最多能够携带的数据量，这一限制称为最大传输单元（MUT）。

因此，一个IP数据报的长度只有小于或等于一个网络的MTU时，才能在这个网络中进行传输。

为解决这一问题，IP互联网通常采用分片与重组技术。

当一个数据报的尺寸大于将发往网络的MTU值时，路由器会将IP数据报分成若干较小的部分，称为分片，然后再将每片独立的进行发送。

2、重组

在接收到所有分片的基础上，主机对分片进行重新组装的过程称为IP数据报重组。

IP协议规定，只有最终的目的主机才可以对分片进行重组。

3、分片控制

在IP数据报报头中，标识、标志和片偏移3个字段与控制分片和重组有关。

标识是源主机赋予IP数据报的标识符。

分片时，该域必须不加修改地复制到新分片头的报头中。

标志字段用来告诉目的主机该数据报是否已经分片，是否是最后一个分片。

片偏移字段指出本片数据在初始IP数据报数据区中的位置，位置偏移量以8个字节为单位。

（重组的分片顺序由片偏移提供）

三、IP数据报选项

IP选项主要用于控制和测试两大目的。

IP数据报选项由选项码、长度和选项数据3部分组成。

（选项码用于确定该选项的具体内容，选项数据部分的长度由选项的长度字段决定）

1、源路由（源路由选项分为两类：

严格源路由选项和松散源路由选项。

）

1）严格源路由选项——规定IP数据报要经过路径上的每一个路由器，相邻路

由器之间不得有中间路由器，并且所经过的路由器顺序

不可更改。

2）松散源路由选项——只是给出IP数据报必须经过的一些“要点”，并不给

出一条完备的路径，无直接连接的路由器之间的路由尚

需IP软件的寻址功能补充。

2、记录路由

所谓记录路由是指记录下IP数据报从源主机到目的主机所经过的路径上的各个路由器的IP地址。

（可以测试互联网中路由器的路由配置是否正确）

3、时间戳

所谓时间戳就是记录下IP数据报经过每一个路由器的当地时间。

时间戳中的时间采用格林威治时间表示，以千分之一秒为单位。

它提供了IP数据报传输中的时域参数，用于分析网络吞吐率、拥塞情况、负载情况等。

5.6差错与控制报文

互联层使用的控制协议是互联网控制报文协议（ICMP）。

它不仅用于传输控制报文，而且还用于传输差错报文。

一、ICMP差错控制

1、ICMP是采用路由器到源主机的模式。

有以下几个特点：

1）差错报告不享受特别优先权和可靠性，作为一般数据传输。

2）ICMP差错报告数据中除包含故障IP数据报报头外，还包含故障IP数据报数据区的前64位数据。

3）ICMP差错报告是伴随着抛弃出错IP数据报而产生的。

2、ICMP出错报告包括：

1）目的地不可达报告——在路由选择和转发出现错误的情况下，路由器便发出目的地不可达报告。

目的地不可达报告可以分为网络不可达、主机不可达、协议和端口不可达等多种情况。

2）超时报告——一个IP数据报一旦到达生存周期，路由器立刻将其抛弃。

与此同时，路由器也会产生一个ICMP超时差错报告，通知源主机该数据报已被抛弃。

3）参数出错报告——报告错误的IP数据报报头和错误的IP数据报选项参数情况。

二、ICMP控制报文

互联层控制主要包括拥塞控制和路由控制两大内容。

与之对应，ICMP提供相应的控制报文。

1、拥塞控制与源抑制报文

所谓拥塞就是路由器被大量涌入的IP数据报“淹没”的现象。

造成拥塞的原因有以下两种：

①路由器的处理速度太慢，不能完成IP数据报排队等日常工作。

②路由器传入数据速率大于传出数据速率。

为了控制拥塞，IP软件采用了“源站抑制”技术，利用ICMP源抑制报文抑制源主机发送IP数据报的速率。

通常，IP软件发送源抑制报文的方式有以下3种：

①如果路由器的某输出队列已满，那么在缓冲区空出之前，该队列将抛弃新来的IP数据报。

每抛弃一个数据报，路由器便向该IP数据报的源主机发送一个ICMP源抑制报文。

②为路由器的输出队列设置一个阀值，当队列中的数据报积累到一定数量，超过阀值后，如果再有新的数据报到来，路由器就向数据报的源主机发送ICMP源抑制报文。

③更为复杂的源站抑制技术不是简单的抑制每一台引起路由器拥塞的源主机，而是有选择地抑制IP数据报发送率较高的源主机。

但需要注意的是，当拥塞解除后，路由器并不主动通知源主机。

2、路由控制与重定向报文。

路由器一旦检测到某IP数据报经非优路径传输，它一方面继续将该数据报发送出去，另一方面将向主机发送一个路由重定向ICMP报文，通知主机去往相应目的主机的最优路径。

ICMP重定向机制的优点是保证主机拥有一个动态的、即小且优的路由表。

三、ICMP请求/应答报文对

为了便于进行故障诊断和网络控制，ICMP还设计了ICMP请求和应答报文对，用于获取某些有用的信息。

1、回应请求与应答

回应请求与应答ICMP报文对用于测试目的主机或路由器的可达性。

如果请求者成功收到一个应答（应答报文中的数据副本与请求报文中的任选数据完全一致），则可以说明：

①目的主机（或路由器）可以到达。

②源主机与目的主机（或路由器）的ICMP软件和IP软件工作正常。

③回应请求与应答ICMP报文经过的中间路由器的路由选择功能正常。

2、时戳请求与应答

设计时戳请求与应答ICMP报文是同步互联网上主机时钟的一种努力。

互联层软件利用时戳请求与应答ICMP报文从其他机器获取其时钟的当前时间，经过估算后再同步时钟。

3、掩码请求与应答。

在主机不知道自己所处网络的子网掩码时，可以利用掩码请求ICMP报文向路由器询问。

路由器在收到请求后以掩码应答ICMP报文形式通知请求主机所在网络的子网掩码。

5.7路由器与路由选择

在IP互联网中，路由选择是指选择一条路径发送IP数据报的过程，而进行这种路由选择的计算机就称为路由器。

一、表驱动IP进行路由选择

1、标准路由选择算法

一个标准的IP路由表通常包含许多（N,R）对序偶，其中N指的是目的网络的IP地址，R是到网络N路径上的“下一个”路由器的IP地址。

因此，在路由器R中的路由表仅仅指定了从R到目的网络路径上的一步，而路由器并不知道到达目的地的完整路径，这就是下一站选择路由的基本思想。

为了减小路由设备中路由表的长度，提高路由算法的效率，路由表中的N常常使用目的网络的网络地址，而不是目的主机地址，尽管可以将目的主机地址放入路由表中。

2、子网选择路由——标准路由选择算法的扩充

在IP路由表中加入子网掩码，以判断IP地址中哪些位代表网络号哪些位代表主机号。

扩充子网掩码后的IP路由表可以表示为（M,N,R）三元组。

其中，M表示子网掩码，N表示目的网络地址，R表示到网络N路径上的“下一个”路由器的IP地址。

3、路由表中的特殊路由

（1）默认路由

为了进一步隐藏互联网细节，缩小路由表的长度，经常用到一种称为“默认路由”技术。

在路由选择过程中，如果路由表没有明确指明一条到达目的网络的路由信息，就可以把数据报转发到默认路由指定的路由器。

（2）特定主机路由

路由表的主要表项（包括默认路由）是基于网络地址的。

但是，IP协议也允许为一台特定的主机建立路由表选项。

对单个主机（而不是网络）指定一条特别的路径就是所谓的特定主机路由。

特定主机路由方式可以赋予本地网络管理人员更大的网络控制权，可用于安全性、网络连通性调试及路由表正确性判断等目的。

4、统一的路由选择算法

如果允许使用任意的掩码形式，那么子网路由选择算法不但能按照同样的方式处理网络路由、默认路由、特定主机路由以及直接相连网络路由，而且还可以将标准路由选择算法作为它的一个特例。

对特定主机路由，可采用255.255.255.255作为子网掩码，采用目的主机IP地址作为目的地址；

对于默认路由，则采用0.0.0.0作为子网掩码，默认路由器的地址作为目的地址；

对于标准网络路由，以A类IP为例，则采用255.0.0.0作为子网掩码，而目的网络地址作为目的地址；

而对于一般的子网路由，则用相应的子网掩码和相应的目的子网地址构造路由表选项。

二、路由表的建立与刷新

IP互联网的路由选择的正确性依赖于路由表的正确性，如果路由表出现错误，IP数据报就不可能按照正确的路径转发。

路由可以分为静态路由和动态路由两类。

静态路由是通过人工设定的，而动态路由则是路由器通过自己的学习得到的。

1、静态路由

静态路由是由人工管理的。

根据互联网的拓扑结构和连接方式，网络管理员可以为一个路由器建立静态路由。

由于静态路由在正常工作中不会自动发生变化，因此，到达某一目的网络的IP数据报的路径也就固定下来。

当然，如果互联网的拓扑结构或连接方式发生变化，网络管理员必须手工对静态路由做出更新。

优点：

安全可靠，简单直观，同时避免了动态路由选择的开销。

在互联网结构不

太复杂的情况下，使用静态路由表是一种很好的选择。

（Internet上的很多互联都是用了静态路由）

2、动态路由

与静态路由不同，动态路由可以通过自身的学习，自动修改和刷新路由表。

当网络管理员通过配置命令启动动态路由后，无论何时从互联网中收到新的路由信息，路由器都会利用路由管理进程自动更新路由表。

动态路由有更多的自主性和灵活性，特别适合于拓扑结构复杂、网络规模庞大的互联网环境。

当路由器自动刷新和修改路由表时，它的首要目标是保证路由表中包含有最佳的路径信息。

为了区分速度的快慢、宽带的宽窄、延迟的长短，修改和刷新路由时需要给每条路径生成一个数字，该数字被称为度量值。

度量值越小，说明这条路径越好。

作为与路径相关的重要信息，度量值通常也保存在路由表中。

度量值的计算可以基于路径的一个特征，也可以基于路径的多个特征。

在计算中经常使用的特征可以总结如下：

①跳数（HopCount）：

IP数据报到达目的地必须经过的路由器个数。

②带宽（Bandwidth）：

链路的数据能力。

③延迟（Delay）：

将数据从源送到目的地所需的时间。

④负载（Load）：

网络中（如路由器中或链路中）信息流的活动数量。

⑤可靠性（Reliability）：

数据传输过程中的差错率。

⑥开销（Cost）：

一个变化的数值，通常可以根据带宽、建设费用、维护费用、使用费用等因素由网络管理员指定。

目前，应用最广泛的路由选择协议有两种，一种称为路由信息协议（RIP），另一种称为开放式最短路径优先协议（OSPF）。

RIP协议利用向量-距离算法，OSPF协议使用链路-状态算法。

三、RIP协议与向量-距离算法

RIP协议是互联网中使用较早的一种动态路由选择协议，由于其算法简单，因此得到了广泛应用。

1、向量-距离路由选择算法

向量-距离（V-D）路由选择算法，也成为Bellman-Ford算法。

其基本思想是路由器周期性地向其相邻路由器广播自己知道的路由信息，用于通知相邻路由器自己可以到达的网络以及到达该网络的距离（通常用“跳数”表示），相邻路由器可以根据收到的路由表修改和刷新自己的路由表。

算法简单、易于实现。

缺点：

由于路由器的路径变化需要像波浪一样从相邻路由器传播出去，过程非常缓慢，有可能造成慢收敛等问题因此不适合应用于路由剧烈变化的或大型的互联网网络环境；

另外，其要求互联网中的每个路由都参与路由信息的交换和计算，而需要交换的路由信息报文与自己的路由表的大小几乎一样，因此，需要交换的信息量极大。

2、RIP协议

RIP协议是向量-距离路由选择算法在局域网上的直接实现。

它规定了路由器之间交换路由信息的时间（通常情况下为每30秒交换一次）、交换信息的格式、错误的处理等内容。

RIP协议除严格遵守向量-距离路由选择算法进行路由广播与刷新外，在具体实现过程中还做了一些改进。

3、RIP协议与子网路由

RIP协议的最大优点是配置和部署相当简单。

第一个版本使用标准IP地址，并不支持子网路由。

第二个版本的出现，结束了RIP协议不能为子网选择路由的历史。

四、OSPF协议与链路-状态算法

可以在大规模的互联网环境中使用。

链路-状态（L-S）路由选择算法，也称为最短路径优先（SPF）算法。

其基本思想是互联网上的每个路由器周期性地向其他路由器广播自己与相邻路由器的连接关系，以使各个路由器都可以画出一张互联网拓扑结构图。

利用这张图和最短路径优先算法，路由器就可以计算出自己到达各个网络的最短路径。

五、部署和选择路由协议

1、静态路由（适用于小型的、单路径的、静态的IP互联网环境）

①小型互联网可以包含2—10个网络。

②单路径表示互联网上任意两个结点之间的数据传输只能通过一条路径进行。

③静态表示互联网的拓扑结构不随时间而变化。

2、RIP路由选择协议（适用于小型到中型的、多路径的、动态的IP互联网环境）

①小型到中型互联网可以包含10—50个网络。

②多路径表明在互联网的任意两个结点之间有多个路径可以传输数据。

③动态表示互联网的拓扑结构随时会更改。

（通常是由于网络和路由器的改变而造成的）

3、OSPF路由选择协议（适用于较大型到特大型、多路径的、动态IP互联网环境）

①大型到特大型互联网应该包含50个以上的网络。

②多路径表明在互联网的任意两个结点之间有多个路径可以传播数据。

5.8IPv6协议

一、IPv4协议的局限性

①地址空间的局限性。

②IP协议的性能问题。

③IP协议的安全性问题。

④自动配置问题。

⑤服务质量保证（QoS）问题。

二、IPv6地址

1、IPv6地址表示

（1）基本表示方法

IPv6采用128位地址长度，因此它提供超过3*10的38次方个IP地址。

每16位分成一个位段，每个位段被转换为一个4位的十六进制数，并用冒号隔开，这种表示法称为冒号十六进制表示法。

（2）零压缩法

为了简化IPv6地址的表示，在有多个0出现时，可采用零压缩法。

（3）IPv6前缀

与无类域间路由CIDR表示法类似，IPv6采用前缀长度表示法，可以表示成“地址/前缀长度”。

前缀是IPv6地址的一部分，用做IPv6路由或子网标识。

2、IPv6地址的类型

①单播地址——标识IPv6网络中的一个区域中单个网络接口。

在这个区域中，该单播地址是唯一的。

②组播地址——也称多播地址，用于表示一组网络接口，发送到该地址的数据报会被送到由该地址标识的所有网络接口。

③任播地址——也称泛播地址，也用于表示一组网络接口，发送到该地址的数据报会被送到由该地址标识的所有网络接口的任意一个接口，通常是最近的一个。

任播地址从单播地址空间中分配。

④特殊地址——包括全零地址（表示地址不存在）、回送地址（0:

0:

1）、IPv4兼容的IPv6地址、映射到IPv4的IPv6地址等。

三、IPv6数据报

IPv6采用了新的协议头格式，IPv6数据报由一个IPv6基本头、多个扩展头和一个高层协议数据单元组成，基本头采用固定的40字节长度，一些可选的内容放在扩展头部分实现。

IPv6数据报格式对IPv4不向下兼容。

各域段的含义如下：

①版本：

取值为6，表示是IPv6协议。

②通信类型：

表示IPv6数据报的类型或优先级，以提供区分服务。

③流标记：

流是从特定源结点到目的结点之间的数据报序列，源结点希望中间路由器对该数据报序列进行特殊处理。

一个流由源IP地址和非零的流标记唯一标识。

④载荷长度：

表示IPv6有效载荷的长度，有效载荷的长度包括扩展头和高层数据。

⑤下一个报头：

如果存在扩展头，该域段的值指明下一个扩展头的类型。

如果不存在扩展头，该域段的值指明高层数据的类型，如TCP、UDP和ICMPv6等。

⑥跳数限制：

表示IPv6数据报在被丢弃之前可以被路由器转发的次数。

数据报每经过一个路由器时，该域段的值减1，该域段的值为0时，路由器向源结点发送“超时跳数限制超时”ICMPv6报文，并丢弃该数据报。

⑦源地址：

表示源结点的IPv6地址。

⑧目的地址：

在大多数情况下，该域段的值为最终目的结点的地址，如果存在路由扩展头，则目的地址可能为下一个转发路由器的地址。

四、IPv6扩展头

在IPv6协议中，基本头包含固定的40字节长，一些可选头信息由IPv6扩展头实现。

IPv6的扩展头包括：

①逐跳选项头：

类型为0，由中间路由器处理的扩展头，目前主要有两个选项，即巨型有效载荷选项和路由器警告选项。

②目的选项头：

类型为60，用于为中间结点或目的结点指定数据报的转发参数。

③路由头：

类型为43，用来指出数据报从源结点到达目的结点的过程中，需要经过的一个或多个中间路由器。

④分片头：

类型为44。

由源结点给出分片数据报中数据部分相对原始数据的