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网络互联与互联网打印

2012-03-28 31页 doc 2MB 27阅读

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网络互联与互联网打印 网络互联与互联网 适用班级:网络工程师 主 讲:刘琳芳 网 址:www.bitpx.com 分 数:上午试题分数5-10分 E-Mail:bitpx@163.com 比特培训中心 贵州·贵阳 1一 网络互联基础 11.1 互联设备 11.2 路由器作用 11.2.1路由器的结构 2二.因特网的网际协议 IP 22.1网际层协议 22.2分类的 IP 地址 32.3 IP 地址与硬件地址 42.3地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP 42.4...
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网络互联与互联网 适用班级:网络师 主 讲:刘琳芳 网 址:www.bitpx.com 分 数:上午试题分数5-10分 E-Mail:bitpx@163.com 比特培训中心 贵州·贵阳 1一 网络互联基础 11.1 互联设备 11.2 路由器作用 11.2.1路由器的结构 2二.因特网的网际协议 IP 22.1网际层协议 22.2分类的 IP 地址 32.3 IP 地址与硬件地址 42.3地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP 42.4 IP 数据报的格式 62.5 IP 层转发分组的流程 7三.划分子网和构造超网 73.1 定长子网划分 83.2 可变子网掩码 83.3 无分类编址 CIDR 9四.因特网控制报文协议 ICMP 104.1 ICMP 报文的种类 104.2 ICMP的应用 11五.因特网的路由选择协议 115.1有关路由选择协议的几个基本概念 125.2内部网关协议 125.2.1 RIP 175.2.2 IGRP 175.3内部网关协议 OSPF 195.4外部网关协议 20六.下一代的网际协议 IPv6 (IPng) 206.1 IPv6 的基本首部 226.2 IPv6 的扩展首部 236.3 IPv6 的地址空间 246.4 从 IPv4 向 IPv6 过渡 一 网络互联基础 1.1 互联设备 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: · 不同的最大分组长度 · 不同的超时控制 · 不同的差错恢复 · 不同的状态方法 · 不同的管理与控制方式 将网络互联起来需要使用中间设备,中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统,根据中间设备所在的层次分为以下几种: (1)物理层中继系统:转发器(repeater)。 (2)数据链路层中继系统:网桥或桥接器(bridge)。 (3)网络层中继系统:路由器(router)。 (4)网络层以上的中继系统:网关(gateway)。 1.2 路由器作用 1、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。 2、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。 3、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。 图 直接交付和间接交付图 1.2.1路由器的结构 图 典型路由器的结构 注意“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: 数据链路层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。 图 输入端口对线路上收到的分组的处理 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。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。 图 输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路 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。 二.因特网的网际协议 IP 2.1网际层协议 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: 图 网际协议 IP 及其配套协议 2.2分类的 IP 地址 由于全世界存在着各式各样的网络,要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作,太困难,所以为因特网的主机都配置统一的 IP 地址,使通信就像连接在同一个网络上那样简单方便, 分类地址即将IP地址划分为若干个固定类,每一类地址由网络号和主机号组成。记为: IP地址::={<网络号>, <主机号>} 点分十进制表示,即每8位二进制用一个十进制表示。 例如:计算机中存放的IP地址:00000001 00000010 00000011 00000100 采用点分十进制的IP地址: 1 . 2 . 3 . 4 分类IP地址中网络号字段和主机号字段 2.3 IP 地址与硬件地址 Ip地址是网络层和以上各层使用的地址,是一种逻辑地址,是用软件实现的。物理地址(MAC地址)是数据链路层和物理层使用的地址,MAC地址是6字节长数据,如00-E0-50-D9-0D-36。IP地址放在IP数据报的首部,硬件地址则放在MAC帧的首部,在数据链路层看不见数据报的IP地址。 图 IP地址和硬件地址的区别 下图为主机H1和主机H2通信。 (a)网络配置图 (b)不同层次不同区间的源地址和目的地址 图 从不同层次上看IP地址和硬件地址 表 上图中不同层次、不同区间的源地址和目的地址 在网络层写入IP数据报首部的地址 在数据链路层写入MAC帧首部的地址 源地址 目的地址 源地址 目的地址 从H1到R1 IP1 IP2 HA1 从R1到R2 IP1 IP2 HA4 HA5 从R2到H2 IP1 IP2 HA6 HA2 2.3地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP ARP(Address Resolution Protocol,地址转换协议): 用于实现逻辑地址(IP地址)向物理地址(MAC)转换。只能解析其他主机的物理地址。 RARP(Reverse Address Resolution Protocol,反向地址转换协议):用于实现物理地址向逻辑地址转换。 1、原因 网络层使用IP地址,但在底层通信仍需要使用硬件地址,故需要调用 ARP 来寻找某个路由器或主机的硬件地址。 2、使用情况: 每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache),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。 (1)发送方是主机,要把IP数据报发送到本网络另一个主机B,就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 对应的硬件地址,有即将此硬件地址写入 MAC 帧,然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址,若无,则主机自动运行ARP,获得B的硬件地址后,再发送。 (2)发送方是主机,要把IP数据报发给另一个网络上的一个主机,这时用ARP找到位于本局域网上的某个路由器的硬件地址,然后把分组发送给这个路由器,剩下的工作就由路由器来做。 (3)发送方是路由器,要把数据报转发到本网络上的一个主机,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找到本网路上一个路由器的硬件地址,剩下的工作就由该路由器来做。 注意: · ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP 地址和硬件地址的映射问题。 · 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 协议就会自动地将该 IP 地址解析为链路层所需要的硬件地址,主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。 2.4 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。 图 IP数据报的格式 1、固定部分: (1)版本——占 4 bit,指IP协议的版本,目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4) (2)首部长度——占 4 bit,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,当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍时,需要利用最后的填充字段加以填充。 (3)区分服务——占 8 bit,用来获得更好的服务这个字段,以前一直没有被人们使用 (4)总长度——占 16 bit,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度为 216-1=65535 字节。 在IP层下面的每一种数据链路层都有其自己的帧格式,其中包括帧格式中数据字段的最大长度,称为最大传输单元MTU(Maximum Transfer Unit),当一个IP数据报封装成链路层的帧时,此数据报的总长度(首部加上数据部分)一定不能超过下面的数据链路层的MTU值。当超过时,就不惜把过长的数据报进行分片后才能在网络上传输。这时,数据报首部中的“总长度”字段不是指未分片前的数据报长度,而是指分片后的每一个分片的首部长度和数据长度的总和。 (5)标识(identification)——占 16 bit,它是一个计数器,用来产生数据报的标识。 (6)标志(flag) ——占 3 bit,目前只有两个比特有意义。 · 标志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF ( 1 表示后面“还有分片”。MF ( 0 表示是若干数据报片中的最后一个分片。 · 标志字段中间的一位是 DF (Don't Fragment),意思是“不能分片”。只有当 DF ( 0 时才允许分片。 (7)片偏移(12 bit) —— 占13位,指出:较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。即相对用户数据字段的起点,该片从何处开始,片偏移以 8 个字节为偏移单位。 例:一个数据报的总长度为3820字节,其数据部分为3800字节长,需要分片为长度不超过1420字节的数据报片。因固定首部长度为20字节,因此每个数据报片的数据部分长度不能超过1400字节。分为1400、1400和1000字节数据报,原始数据报首部被复制为各数据报片的首部,但必须修改有关字段的值。 图 数据报的分片举例 表 IP数据报首部中与分片有关的字段中的数值 总长度 标识 MF DF 片偏移 原始数据报 3820 12345 0 0 0 数据报片1 1420 12345 1 0 0 数据报片2 1420 12345 1 0 175 数据报片3 1020 12345 0 0 350 (8)生存时间——8 bit,记为 TTL (Time To Live),用“跳数”作为 TTL 的单位,由发出数据报的原点设置这个字段,指明数据报在因特网中之多可经过多少路由器,数据报每经过一个路由器,其 TTL 值就减 1,这是为了防止无法交付的数据报无限制地在网络中兜圈子。若初值为1,就表示这个数据报只能在本局域网中传送。 (9)协议——8 bit,字段指出此数据报携带的数据使用何种协议,以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程。 图 协议字段用途 (10)首部检验和——16 bit,字段只检验数据报的首部,不包括数据部分。 (11)源地址——4 字节。 (12)目的地址——4 字节。 2、IP 数据报首部的可变部分 IP 首部的可变部分就是一个选项字段,用来支持排错、测量以及安全等措施,很丰富。选项字段的长度可变,从 1 个字节到 40 个字节不等,取决于所选择的项目。增加首部的可变部分是为了增加 IP 数据报的功能,但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。 2.5 IP 层转发分组的流程 在路由表中,每一行对应一个网络,每一条路由最主要的是以下两个信息:(目的网络地址,下一跳地址) (a)路由器R的路由表 (b)把网络简化为一条链路 图 路由表举例 根据目的网络地址来确定下一跳路由器,结果: (1)IP数据报最终一定可以找到目的主机所在网络上的路由器(可能要通过多次的间接交付)。 (2)只有到达最后一个路由器时,才试图向目的主机进行直接交付。 特定主机路由:即对特定的目的主机指明一个路由; 默认路由(default route):没有其他路由选择时的选择路由,在TCP/IP协议族中,默认路由的网络地址为0.0.0.0,子网掩码为0.0.0.0。 图 路由器R1充当网络N1的默认路由器 必须强调指出 : IP 数据报的首部中没有地方可以用来指明“下一跳路由器的 IP 地址”,当路由器收到待转发的数据报,经过查找路由表得出下一跳路由器的IP地址后,并不是将此 IP 地址填入IP数据报,而是送交下层的网络接口软件。网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址,并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部,然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。 分组转发算法: (1) 从数据报的首部提取目的站的 IP 地址 D, 得出目的网络地址为 N。 (2) 若网络 N 与此路由器直接相连,则直接将数据报交付给目的站 D;否则是间接交付,执行(3)。 (3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由,则将数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器;否则,执行(4)。 (4) 若路由表中有到达网络 N 的路由,则将数据报传送给路由表指明的下一跳路由器;否则,执行(5)。 (5) 若路由表中有一个默认路由,则将数据报传送给路由表中所指明的默认路由器;否则,执行(6)。 (6) 报告转发分组出错。 三.划分子网和构造超网 3.1 定长子网划分 从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”,使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。这种做法叫作划分子网 从主机号借用若干个比特作为子网号 subnet-id,而主机号 host-id 也就相应减少了若干个比特。 IP地址 ::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>} 从一个 IP数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网的划分。需要使用子网掩码(subnet mask)来计算网络地址。 图 IP地址和子网掩码对应图  例子:某公司获得了C类网络号202.116.94.0,该公司有A.B.C.D共4个部门,各部门的计算机数量均60台.公司要求对获得的网络地址进行划分,每个部门划分到不同的子网中。 定常划分子网,划分子网4个,需要占取2位主机位,主机位有6位,每个子网可分配的IP地址最多为26-2=62个,刚好够用,子网掩码为255.255.255.192. 表 各部门IP网段汇总表 部门 网络地址 地址范围 子网掩码 可分配地址数量 广播地址 A 202.116.94 .0(00000000) 202.116.94.01(00000001)-- 202.116.94.62(00111110) 255.255.255.192 26-2 202.116.94 .63(00111111) B 202.116.94 .64(01000000) 202.116.94.65(01000001)-- 202.116.94.126(01111110) 255.255.255.192 26-2 202.116.94 .127(01111111) C 202.116.94 .128(10000000) 202.116.94.129(10000001)-- 202.116.94.190(10111110) 255.255.255.192 26-2 202.116.94 .191(10111111) D 202.116.94. 192(11000000) 202.116.94.193(11000001)-- 202.116.94.254(11111110) 255.255.255.192 26-2 202.116.94 .255(11111111) 3.2 可变子网掩码 VLSM(Variable Length Subnet Mask)可变子网掩码。 例如,某公司获得了C类网络号202.116.94.0,该公司有A.B.C.D共4个部门,各部门的计算机数量分别为120、60、30和28.公司要求对获得的网络地址进行划分,每个部门划分到不同的子网中。 如果定常划分子网,要划分子网4个,需要占取2位主机位,主机位有6位,每个子网可分配的IP地址最多为26-2=62个,由于A部门有120台主机,不够,需采用VLSM。 A. 120台 需主机位7位 子网掩码:255.255.255.10000000 B. 60台 需主机位6位 子网掩码:255.255.255.11000000 C. 30台 需主机位5位 子网掩码:255.255.255.11100000 D. 28台 需主机位5位 子网掩码:255.255.255.11100000 表 各部门IP网段汇总表 部门 地址范围 子网掩码 可分配地址数量 网络地址 广播地址 A 202.116.94.0- 202.116.94.127 255.255. 255.128 27-2 202.116.94 .0(00000000) 202.116.94 .127(01111111) B 202.116.94.128- 202.116.94.191 255.255. 255.192 26-2 202.116.94 .128(10000000) 202.116.94 .191(10111111) C 202.116.94.192- 202.116.94.223 255.255. 255.224 25-2 202.116.94 .192(11000000) 202.116.94 .223(11011111) D 202.116.94.224- 202.116.94.255 255.255. 255.224 25-2 202.116.94. 224(11100000) 202.116.94 .255(11111111) 进行网段划分时,通常采用先大后小的策略,先确定大的网段,再逐步确定小网段。 3.3 无分类编址 CIDR 1、网络前缀 CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)来代替分类地址中的网络号和子网号。 IP 地址从三级编址(使用子网掩码)又回到了两级编址:IP地址 ::= {<网络前缀>, <主机号>} 用斜线记法,如地址128.14.32.0/20, 表示20 是网络前缀的比特数,所以主机号的比特数是 12,该地址块共有 212 个地址。 网络前缀越短,其地址块所包含的地址数就越多。 206.0.64.0/18 包含c类网络号: 206.0.64.0:206.0.01000000.0 206.0.65.0:206.0.01000001.0 … 206.0.127.0:206.0.01111111.0 2、最长前缀匹配 · 使用 CIDR 时,路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果。 · 应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由:最长前缀匹配(longest-prefix matching),又称为最长匹配或最佳匹配。 假设某个数据报目的IP地址D=206.0.71.130,计算其所属地址块。 先计算与该大学CIDR块206.0.68.0/22是否匹配 源地址: 206 . 0 . 71 . 130 二进制: 206 0 01000111 130 AND运算 :11111111 11111111 11111100 00000000 二进制结果:11111111 11111111 01000100 00000000 十进制结果 206 . 0 . 68 . 0/22 再计算与四系是否匹配: 源地址: 206 . 0 . 71 . 130 二进制: 206 0 01000111 10000010 AND运算:11111111 11111111 11111111 10000000 结果: 11111111 11111111 01000111 10000000 十进制结果:206 . 0 . 68 . 0/22 也与该大学四系匹配 选择两个匹配的地址中更具体的一个,即选择最长前缀的地址。 四.因特网控制报文协议 ICMP ICMP (Internet Control Message Protocol)。允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。 ICMP 报文作为 IP 层数据报的数据,加上数据报的首部,组成 IP 数据报发送出去。 图ICMP 报文的格式 4.1 ICMP 报文的种类 ICMP 报文的种类有两种,即 ICMP 差错报告报文和 ICMP 询问报文。 1、ICMP 差错报告报文: (1)终点不可达 当路由器或主机不能交付数据报时就向原点发送终点不可达报文。 (2)源站抑制 当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时,就向源点发送源点抑制报文,使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。 (3)时间超过 当路由器收到生存时间为零的数据报时,除丢弃该数据报外,还要向源点发送时间超过报文,当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时,就把已收到的数据报片丢弃,并向源点发送时间超过报文。 (4)参数问题 当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时,就丢弃该数据报,并向源点发送参数问题报文。 (5)改变路由(重定向) 路由器把改变路由报文发送给主机,让主机知道下一次应将数据报发送给另外的路由器。 ICMP 差错报告报文的数据字段的内容 图ICMP差错报告报文的数据字段内容 2、不应发送 ICMP 差错报告报文的几种情况: · 对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文。 · 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送 ICMP 差错报告报文。 · 对具有多播地址的数据报都不发送 ICMP 差错报告报文。 · 对具有特殊地址(如127.0.0.0或0.0.0.0)的数据报不发送 ICMP 差错报告报文。 3、ICMP 询问报文 (1)回送请求和回答报文 该报文是由路由器向一个特定的目的主机发出的询问,收到此报文的主机必须给源主机或路由发送ICMP回送回答报文。 (2)时间戳请求和回答报文 该报文是请求某个主机或路由器回答当前日期和时间。 4.2 ICMP的应用 (1)PING (Packet InterNet Groper) · PING 用来测试两个主机之间的连通性。 · PING 使用了 ICMP 回送请求与回送回答报文。 · PING 是应用层直接使用网络层 ICMP 的例子,它没有通过运输层的 TCP 或UDP。 (2)Traceroute(是UNIX的命令)tracert(Windows中命令) 用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。从源主机向目的主机发送一连串的IP数据报,数据报中封装的是无法交付的UDP数据报,每一个数据报中的生存时间TTL设置数依次递增。第一个数据报的TTL为1,当收到该数据报的路由器收到后会将TTL减1,由于TTL等于零了,故丢弃,并向源主机发送一个ICMP时间超过差错报告报文。 图 路由跟踪图例 五.因特网的路由选择协议 5.1有关路由选择协议的几个基本概念 1、理想的路由算法 · 算法必须是正确的和完整的。 · 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化,即要有自适应性。 · 算法应是最佳的。所谓“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。 · 算法必须能够快速收敛,所谓“收敛”是指当网络情况发生变化时,所有路由器中路由表能感知变化完全反映变化,使路由表的内容与变化后的网络状态保持一致的过程。 2、分层次的路由选择协议 · 静态路由选择策略——即非自适应路由选择,由网络管理员手工创建,其特点是简单和开销较小,但不能及时适应网络状态的变化。 · 动态路由选择策略——即自适应路由选择,其特点是依据网络变化以及设备之间交换的信息,动态地修改路由表的信息,能较好地适应网络状态的变化,但实现起来较为复杂,开销也比较大。 因特网采用的路由选择协议主要是自适应的(即动态路由选择策略)、分布式路由选择协议。 3、自治系统(autonomous system,AS) 一个自治系统是一个互联网,其最重要的特点就是自治系统有权自主地决定在本系统内应采用何种路由选择协议,对其他AS表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略, AS一般由某一管理部门统一控制的一组网络 ,采用唯一的16位编号作为AS的标识。 因此因特网的路由选择协议分为两大类: (1)内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol) 即在一个自治系统内部使用的路由选择协议。目前这类路由选择协议使用得最多,如 RIP 和 OSPF 协议。 (2)外部网关协议 EGP (External Gateway Protocol) 若源站和目的站处在不同的自治系统中,当数据报传到一个自治系统的边界时,就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。这样的协议就是外部网关协议 EGP。在外部网关协议中目前使用最多的是 BGP-4。 如图:自治系统和内部网关协议、外部网关协议 图 自治系统和内部网关协议、外部网关协议 这里要指出两点: · 因特网的早期 RFC 文档中未使用“路由器”而是使用“网关”这一名词。但是在新的 RFC 文档中又使用了“路由器”这一名词。应当把这两个属于当作同义词。 · IGP 和 EGP 是协议类别的名称。但 RFC 在使用 EGP 这个名词时出现了一点混乱,因为最早的一个外部网关协议的协议名字正好也是 EGP。因此在遇到名词 EGP 时,应弄清它是指旧的协议 EGP 还是指外部网关协议 EGP 这个类别。 4、代价 在研究路由选择时,需要给每一条链路指明一定的代价(cost)。由一个或几个因素综合决定的一种度量(metric),如链路长度、数据率、链路容量、传播时延等。 5.2内部网关协议 5.2.1 RIP 1、工作原理 路由信息协议RIP(Routing Information Protocol) 是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议,使用D-V算法,也称为Bellman-Ford路由算法和Ford-Fulkerson算法,最大优点就是简单。RIP 协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录,即自己的路由表。 路由表至少包括目的网络、达到目的节点的距离值和下一跳结点。 “距离”的定义 · 从一路由器到直接连接的网络的距离定义为 1。 · 从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加 1。 · RIP 协议中的“距离”也称为“跳数”(hop count),因为每经过一个路由器,跳数就加 1。 · RIP 认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少,即“距离短”。 · RIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。“距离”的最大值为16 时即相当于不可达。可见 RIP 只适用于小型互联网。 · RIP 不能在两个网络之间同时使用多条路由。RIP 选择一个具有最少路由器的路由(即最短路由),哪怕还存在另一条高速(低时延)但路由器较多的路由。 图 R1的路由表 RIP 协议的三个特点 · 仅和相邻路由器交换信息。 · 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息,即自己的路由表。 · 按固定的时间间隔交换路由信息。 RIP有三个定时器: (1)路由更新定时器(Update Timer):规定路由器每隔 30 秒就发送自己完整的路由表到直接相邻的路由器,即交换一次信息。 (2)路由失效定时器(Timerout Timer):当路由记录初次建立或被更新时开始计时,默认180s,即180s内如果没有关于这条路由的更新信息则认为该条路由信息失效。 (3)失效路由删除定时器(Garbage-Clooection Timer):如果路由失效定时器到时或收到其他路由器发送的路由更新信息要求把某条路由的距离设为16,则该定时器开始计时(默认值为120s),当计时到期,该路由将被从路由表中彻底删除,若在期间收到路由可达更新信息,则清除该定时器状态,更新路由表。 2、距离向量算法 路由器在刚刚开始工作时,只知道到直接连接的网络的距离(此距离定义为 1。RIP协议让互联网中的所有路由器都和自己的相邻路由器不断交换路由信息,并不断更新其路由表,使得从每一个路由器到每一个目的网络的路由都是最短的(即跳数最少) 某路由器收到相邻路由器(其地址为 X)的一个 RIP 报文,进行以下步骤: (1) 先修改此 RIP 报文中的所有项目:将“下一跳”字段中的地址都改为 X,并将所有的“距离”字段的值加 1,下一跳路由器是X。 (2) 对修改后的 RIP 报文中的每一个项目,重复以下步骤: 若项目中的目的网络不在原路由表中,则将该项目加到路由表中。否则: 若下一跳字段给出的路由器地址是X,则将收到的项目替换原路由表中的项目。 否则:若收到项目中的距离小于路由表中的距离,则进行更新, 否则,什么也不做。 (3) 若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表,则将此相邻路由器记为不可达的路由器,即将距离置为16(距离为16 表示不可达)。 (4) 返回。 虽然所有的路由器最终都拥有了整个自治系统的全局路由信息,但由于每一个路由器的位置不同,它们的路由表当然也应当是不同的。 A 说:“我到网 2 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 2, 距离是 2,经过 A。” A 说:“我到网 3 的距离是 1。”但 B 没有必要绕道经过路由器 A再到达网 3,因此这一项目不变。 C 说:“我到网 4 的距离是 1。” 但 B 没有必要绕道经过路由器 C再到达网 4,因此这一项目不变。 C 说:“我到网 6 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 6, 距离是 2,经过 C。” 3、RIP 协议的优缺点 优点:实现简单,开销小。 缺点: · RIP 存在的一个问题是当网络出现故障时,要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。 · RIP 限制了网络的规模,它能使用的最大距离为 15(16 表示不可达)。 · 路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表,因而随着网络规模的扩大,开销也就增加。 4、D-V算法收敛性问题的解决 1)定义距离的最大值 2)水平分割法:原理:路由器必须有选择的将路由表中的信息发送费相邻的其他路由器,而不是发送整个路由表,即一条路由信息不会被发送给该信息的来源方。 3)毒性逆转法:如上例中,将R1中到达网1的距离设为无穷大,此时如果无其他达到目的地的路径,则即为目标不可达,如果存在其他达到信宿的路径,路由信息再进行修改。 4)保持计时法 即如上所述采取路由更新定时器和路由失效定时器。 5)触发更新法 即不单纯按照预定的时间周期进行路由信息交换,而是在路由表发生变化的时候及时地进行路由信息交换。 5、RIP 协议的报文格式 现在使用的是较新的RIP版本是RIP2,1998年11月公布的。 RIP 协议使用运输层的用户数据报 UDP进行传送(使用 UDP 的端口 520)。 图 RIP2 协议的报文格式 RIP2 的报文由首部和路由部分组成 · 首部占4个字节,命令字段指出报文的意义,例如1表示请求路由信息,2表示对请求路由信息的响应或未被请求而发出的路由更新报文。首部后面的“必为0”是为了4字节的对齐。 · RIP2 报文中的路由部分由若干个路由信息组成。每个路由信息需要用 20 个字节。地址族标识符(又称为地址类别)字段用来标志所使用的地址协议。 · 路由标记填入自治系统的号码,这是考虑使RIP 有可能收到本自治系统以外的路由选择信息。再后面指出某个网络地址、该网络的子网掩码、下一跳路由器地址以及到此网络的距离。 一个RIP报文最多可包括25个路由,因此RIP报文的最大长度是4+20*25=504字节. 6、RIP1 和RIP2区别 RIP2是增强的RIP1,有三方面改进: (1)它使用组播而不是广播来传播路由更新报文,并且采用触发更新机制来加速路由收敛,即出现路由变化时立即向邻居发送路由更新报文,而不必等到更新周期是否到达。 (2)支持可变子网掩码和CIDR。 (3)支持认证,使用经过散列的口令字来限制路由信息的传播。 5.2.2 IGRP IGRP(Interior Gateway Routing Protocol)是CISCO公司专用的基于距离向量(D-V算法)的路由协议。IGRP的最大跳数值为255,默认为100,与RIP相比,还有如下特点: 1、IGRP可以被用于大型互联网络。 2、IGRP使用自治系统号。 3、IGRP每90秒发送一次全路由表更新。 4、IGRP使用带宽和线路延迟作为度量。 5.3内部网关协议 OSPF OSPF (Open Shortest Path First)开放最短路径优先, “开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制,而是公开发表的;“最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法,是分布式的链路状态协议(link state protocol)。 1、OSPF 与RIP区别 (1)使用洪泛法向本自治系统中所有路由器发送信息,路由器通过所有输出端口向所有相邻的路由器发送信息,而每一个相邻路由器又将此信息发往其他所有的相邻路由器(不包含刚发来信息的那个路由器)。 (2)发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态,但这只是路由器所知道的部分信息,链路状态是指本路由器和哪些路由器相邻,以及该链路的“度量”(metric),也称“代价”。 (3)只有当链路状态发生变化时,路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。 2、链路状态数据库(link-state database) 由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息,因此所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库,路由器利用该数据库,以自己为根,运用Dijkstra算法构造出一个到达各目的网络的SPF树,形成路由表,路由表中只存放到目的地的唯一最优路由,但允许有其他冗余路径存在于拓扑视图中,用于负载平衡。 图 OSPF的网络拓扑视图 3、OSPF 的区域(area) 为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络,OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围,叫作区域。每一个区域都有一个 32 bit 的区域标识符(用点分十进制表示)。 图 OSPF划分为两种不同的区域 区域特点: · OSPF 使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫作主干区域(backbone area)。主干区域的标识符规定为 0.0.0.0。主干区域的作用是用来连通其他在下层的区域。 · 主干区域内的路由器叫主干路由器(backbone router),下层区域和主干区域交界处路由器叫区域边界路由器,主干区域和其他自治系统交换路由信息的叫自治系统边界路由器。 · 将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域。 · 在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑。 4、OSPF 的五种分组类型 (1)类型1,问候(Hello)分组,用来发现和维持邻站的可达性,建立邻居关系,邻居是指同一个网段上相邻的路由器。 · Hello数据报以组播形式每隔一定时间(HelloInterval)发送一次。在X.25中,HelloInterval的值为30秒,在局域网中路由器每隔10秒钟交换一次问候分组。 · 路由器如果在规定时间内(RouterDeadInterval)内没有收到邻居路由器的Hello数据报,就认为邻居路由器失效,需立即修改链路状态数据库,并重新计算路由表,RouterDeadInterval值是HelloInterval的4倍。 · Hello数据报中包含有关发报路由器的ID,OSPF路由器将会记录具有最大ID值的路由器,并选举成为指定路由器。 (2)类型2,数据库描述(Database Description )分组,向邻站发送自己的链路状态数据库中项目的摘要信息。 (3)类型3,链路状态请求(Link State Request)分组,向对方请求发送某些链路状态项目的详细信息。 (4)类型4,链路状态更新(Link State Update)分组,用洪泛法对全网更新链路状态。 (5)类型5,链路状态确认(Link State Acknowledgment)分组。 5、OSPF分组模型 · OSPF 不用 UDP 而是直接用 IP 数据报传送。 · OSPF 构成的数据报很短。不仅减少网络流量,另一好处是可以不必将长的数据报分片传送。 图 OSPF报文 (1)版本 当前版本号是2。 (2)类型 可以是五种类型分组中的一种。 (3)分组长度 包括OSPF首部在内的分组长度。 (4)路由器标识符 标识发送该分组的路由器的接口的IP地址。 (5)区域标识符 分组属于的区域的标识符。 (6)检验和 用来检验分组中的差错。 (7)鉴别类型 目前只有两种。0(不用)和1(口令)。 (8)鉴别 鉴别类型为0时就填入0,为1时则填入8个字符的口令。 6、OSPF区域内部路由表的形成 链路状态通告(Link State Advertisements, LSA):一种OSPF数据报,包含有可在OSPF路由器间共享的链路状态和路由信息。 指定的路由器 (Designated Router,DR) 在多点接入的局域网中设置具有最高ID的路由器为指定的路由器,代表该局域网上所有的链路向连接到该网络上的各路由器发送LSA。DR使用组播地址224.0.0.5向所有其它路由器发送LSA。 备份指定的路由器 (Backup Designated Router,BDR) 指定路由器的一个备份路由器,将从DR处接收的所有路由更新,但不广播,仅在DR崩溃时代替DR。BDR是具有次高ID的路由器,组播地址224.0.0.6用来表示所有的DR和BDR。 在区域内部,路由表的形成过程:建立邻居关系—建立邻接关系—交换链路状态数据库描述—从邻接路由器处下载整个拓扑图形成自己完整的链路状态数据库—计算最短路径并形成路由表。 7、OSPF 的其他特点 · OSPF 对不同的链路可根据 IP 分组的不同服务类型 而设置成不同的代价。如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径,那么可以将通信量分配给这几条路径。这叫作多路径间的负载平衡。 · 在运行OSPF协议的相邻路由器之间进行通信时需要进行认证,从而使网络更加安全,保证了仅在可信赖的路由器之间交换链路状态信息。 · 支持可变长度的子网划分和无分类编址 CIDR。 · 支持路由汇聚。 · 使用组播技术,对没有运行OSPF协议的路由器减少了影响。 · 每一个链路状态都带上一个 32 bit 的序号,序号越大状态就越新。 · OSPF 还规定每隔一段时间,如 30 分钟,要刷新一次数据库中的链路状态。 · 由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态,因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时,OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。 · OSPF 没有“坏消息传播得慢”的问题,据统计,其响应网络变化的时间小于 100 ms。 5.4外部网关协议 BGP(边界网关协议), 是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。 较新版本是 1995 年发表的 BGP-4。 BGP采用路径向量(path vector)路由选择协议,只是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由,而并非要寻找一条最佳路由。 每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“BGP 发言人” ,一般就是 BGP 边界路由器。 一个 BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息,就要先建立 TCP 连接,通过端口179进行会话,然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话(session),利用 BGP 会话交换路由信息。 使用 TCP 连接交换路由信息的两个 BGP 发言人,彼此成为对方的邻站、对等站或对等实体。 BGP 发言人和自治系统 AS关系图 BGP所交换的网络可达性信息就是要到达某个网络(用网络前缀表示)所要经过的一系列AS。各BGP发言人根据所采用的策略从路由信息中找到达到各AS的较好路由。下图为AS1上的一个发言人构造的AS连通图,树形,不存在环路。 图 AS连通图举例 BGP 协议的特点 · BGP 支持VLSM和CIDR,支持路由汇聚,因此 BGP 的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器,以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。 · 在BGP 刚刚运行时,BGP 的邻站是交换整个的 BGP 路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。 BGP-4 共使用四种报文 (1) 打开(Open)报文,用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系。 (2) 更新(Update)报文,用来发送某一路由的信息,以及列出要撤消的多条路由。 (3) 保活(Keepalive)报文,用来确认打开报文和周期性地证实邻站关系,一旦邻站关系建立,一般每隔30秒周期性交换此报文。 (4) 通知(Notificaton)报文,用来发送到的差错。 图 BGP报文格式 四种类型BGP报文有相同首部,标记字段用来鉴别收到的BGP报文,未使用鉴别时字段全置1,长度字段表明包括首部在内的整个BGP报文以字节为单位的长度,类型字段的值对应上述四种BGP报文中的一种。 六.下一代的网际协议 IPv6 (IPng) 6.1 IPv6 的基本首部 IPv6 所引进的主要变化如下: · 更大的地址空间。IPv6 将地址从 IPv4 的 32 bit 增大到了 128 bit, · IPv6 将首部长度变为固定的 40 字节,称为基本首部(base header)。 · 将不必要的功能取消了,首部的字段数减少到只有 8 个。 · 取消了首部的检验和字段,加快了路由器处理数据报的速度。 · 在基本首部的后面允许有零个或多个扩展首部。 · 所有的扩展首部和数据合起来叫做数据报的有效载荷(payload)或净负荷。 IPv6 数据报首部与 IPv4 数据报首部的对比 (1)版本(version)—— 4 bit。它指明了协议的版本,对 IPv6 该字段总是 6。 (2)通信量类(traffic class)—— 8 bit。这是为了区分不同的 IPv6 数据报的类别或优先级。 (3)流标号(flow label)—— 20 bit。 “流”是互联网络上从特定源点到特定终点(单播或多播)的一系列数据报(如实时音频或视频传输), “流”所经过的路径上的路由器都保证指明的服务质量。所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标号,因此流标号对于实时音频/视频数据的传送有用,对于电子邮件或非实时数据,则没有用处,一般置为0。 流标签应用以下规则: 1)对不支持流标签的主机或路由器,在发送一个数据包时必须将流标签设置为0,转发数据包时要保持流标签值不变。接收到一个数据包时则忽略流标签。 2)从一个给定的源节点发出的所有数据包(具有同样地非0流标签)必须有相同的目标地址、源地址、逐跳选项首部内容以及路由恕不内容,其作用是路由器只要查看表中的流标签,即可确定如何路由和处理数据包,而无需检查首部的余下内容。 3)源节点必须在1—220-1的范围内随机为一个流分配新的流标签,在这个流的生命周期内,源节点不能将这个流的流标签分配给另一个新流。 (4)有效载荷长度(payload length)—— 16 bit。它指明 IPv6 数据报除基本首部以外的字节数(所有扩展首部都算在有效载荷之内),其最大值是 64 KB。 (5)下一个首部(next header)—— 8 bit。它相当于 IPv4 的协议字段或可选字段。 · 当IPV6数据报没有扩展首部时,下一个首部字段的最用和IPv4 的协议字段一样,它的值用来知名首部后面的数据应该交给IP层上面的哪一个高层协议; · 当出现扩展首部时,下一个首部字段的值表示后面第一个扩展首部的类型。 (6)跳数限制(hop limit)—— 8 bit。源站在数据报发出时即设定跳数限制。路由器在转发数据报时将跳数限制字段中的值减1。 当跳数限制的值为零时,就要将此数据报丢弃。 (7)源地址—— 128 bit。是数据报的发送站的 IP 地址。 (8)目的地址—— 128 bit。是数据报的接收站的 IP 地址。 6.2 IPv6 的扩展首部 1、扩展首部及下一个首部字段 IPv6 将原来 IPv4 首部中选项的功能都放在扩展首部中,并将扩展首部留给路径两端的源站和目的站的主机来处理。数据报途中经过的路由器都不处理这些扩展首部(只有一个首部例外,即逐跳选项扩展首部)。 在[RFC 2460]中定义了六种扩展首部: (1)逐跳选项 (2) 路由选择 (3)分片 (4) 鉴别 (5)封装安全有效载荷 (6)目的站选项 图 IPv6 的扩展首部 当使用多个首部时,应按以上的先后顺序出现,高层首部是放在最后面。 2、扩展首部举例 IPv6 将分片限制为由源站来完成。源站可以采用保证的最小 MTU(1280字节),或者在发送数据前完成路径最大传送单元发现(Path MTU Discovery),以确定沿着该路径到目的站的最小 MTU。 例:IPv6 数据报的有效载荷长度为 3000 字节,分成三个数据报片,两个数据部分 1400 字节长,最后一个是 200 字节长。 图 用隧道技术来传送长数据报 当路径途中的路由器需要对数据报进行分片时,就创建一个全新的数据报,然后将这个新的数据报分片,并在各个数据报片中插入扩展首部和新的基本首部。路由器将每个数据报片发送给最终的目的站,而在目的站将收到的各个数据报片收集起来,组装成原来的数据报,再从中抽取出数据部分。 图 用隧道技术将一个 IPv6 数据报分成 3 个数据报片 6.3 IPv6 的地址空间 1. 地址的类型与地址空间 IPv6 数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一: (1) 单播(unicast) 单播就是传统的点对点通信。 (2) 多播(multicast) 多播是一点对多点的通信。
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