1、局域网设计与组网实用教程,清华大学计算机系列教材 王宝智 主编,2019/7/25,2,第5章 实现局域网互连的协议,5.1 数据链路层协议 5.2 网际层协议 5.3 运输层协议 5.4 路由协议,2019/7/25,3,5.1 数据链路层协议-PPP,本节介绍在网络互联中应用广泛的数据链路层协议点到点协议（Point to Point Protocol，PPP）。 PPP协议的作用是在两个节点设备的数据链路层实体之间传送网络层PDU（例如IP数据报）。,2019/7/25,4,PPP的两种典型应用,2019/7/25,5,5.1.2 PPP协议的组成部分,封装规范：由于PPP协议面向多种网
2、络层协议，PPP定义了封装了多种网络层PDU的规范。 网络控制协议：典型的NCP包括IP协议的控制协议IPCP、IPX协议的控制协议IPXCP。 链路控制协议：由于PPP要在多种接入网（PSTN/ISDN/ADSL/DDN）数据链路上运行，因此，制定了用于建立、配置测试和撤销数据链路连接的链路控制协议(Link Control Protocol，LCP)。,2019/7/25,6,5.2 网际层协议,本节主要介绍网际层的两个重要协议：IP协议和ICMP协议。网际层的另外两个协议ARP和RARP已经在第二章2.3.3小节做了简要介绍，此处不再重复。 IP协议主要的功能是数据封装/拆装以及路由选择
3、。IP协议进行数据封装/拆装的基本原理和第二章2.2.1中介绍的基本一致，不再重复介绍。,2019/7/25,7,5.2.1 IP数据报格式,IP协议数据单元叫做IP数据报（datagram），IP数据报由头部和数据两部分组成。其格式如图5-4（a）所示。,2019/7/25,8,IP数据报的格式,2019/7/25,9,5.2.2 IP地址,IP地址是IP协议规定的地址，它用于标识参与IP数据报通信的协议实体，例如主机和网络设备的网络接口。,2019/7/25,10,IP地址结构和类型,2019/7/25,11,IP子网和子网掩码(subnet mask),如果主机号（host-id）中靠近
4、网络号（net-id）的若干比特不用于主机编号，而是和网络号一起用于网络编号，那么，我们就说该IP网络中包含IP子网，这些IP子网的网络号是相同的，区别它们的是子网号，子网号由原来属于主机号的比特编码（如图5-8（a）所示）。,2019/7/25,12,子网掩码的意义,2019/7/25,13,5.2.3 IP路由选择,路由器对IP数据报的路由选择处理分为如下4种： 直接路由选择 特定主机路由选择 采用特定主机路由可使网络管理人员能更方便地控制网络和测试网络，同时也可在需要考虑某种安全问题时采用这种特定主机路由。,2019/7/25,14,特定网络路由选择,路由表中目的地址是一个网络地址，而不
5、是这个网络中每个主机的地址，即该表项为一组主机指定了一条路由，称为特定网络路由选择(network-specific routing)。特定网络路由选择表项在路由表中占大多数。,2019/7/25,15,默认路由选择,可以减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间。 这种转发方式在一个网络只有很少的对外连接时是很有用的。,2019/7/25,16,默认路由选择,只要目的网络不是 N1 和 N2，就一律选择默认路由，把数据报先间接交付路由器 R2，让 R2 再转发给下一个路由器。,2019/7/25,17,路由表,路由表就由上述四种路由选择表项组成。 这四种表项排在最前面的是直接路由选择，接下
6、来是特定主机路由选择、特定网络路由选择，最后是默认路由选择。,2019/7/25,18,5.2.4 ICMP协议,ICMP（Internet Control Message Protocol）协议的作用是报告IP数据报转发过程中出现的差错当某个路由器不能把IP数据报继续转发时，它要向发出该IP数据报的源主机报告发生了什么错误，以便源主机采取相应的纠正措施。 那么，什么情况下，路由器会发送ICMP PDU呢？,2019/7/25,19,目的站不可达,当路由器不能通过路由选择为IP数据报找到下一跳路由器或目的主机时，称这种情况是目的站不可达。此时，路由器会发送“ICMP目的站不可达报文”给主机，通
7、知造成目的站不可达的原因。,2019/7/25,20,拥塞,当路由器或目的主机接收到过多的IP数据报而来不及转发或处理时，称这种情况是拥塞。 此时，路由器或目的主机会发送“ICMP源站抑制报文”给源站，通知拥塞的发生。源站收到源站抑制报文之后会降低发送速率直至不再收到源站抑制报文。,2019/7/25,21,超时,当IP数据报的TTL字段值等于0时，或者当一个报文的分片没有在一定时间内到达目的主机时，称这种情况是超时。 此时，收到TTL=0数据报的路由器会向源站发送“ICMP超时报文”通知发生超时。,2019/7/25,22,参数出错,当IP数据报头部的参数出现二义性或某个字段中缺少某个值时，
8、称这种情况是参数问题。 此时，路由器或目的主机会向源站发送“ICMP参数问题报文”通知参数出错。,2019/7/25,23,路由过时,因为主机是不参与路由更新的，因此，主机上的路由表会过时，为了保证主机路由表的时效性，主机的默认路由器会发送“ICMP改变路由报文”给主机，通知最新的路由信息。,2019/7/25,24,ICMP PDU格式,2019/7/25,25,ICMP PDU放在IP数据报中发回源主机,2019/7/25,26,ICMP PDU包括以下三种类型,ICMP差错报文：该报文用于报告差错。 阻塞控制与源抑制报文：所谓源抑制（source quench）就是抑制信源机发出数据报的
9、速率。 路由控制与重定向报文：该报文用于主机从路由器处获得路由信息。ICMP重定向机制的优点是保证主机拥有一个动态的、既小且优的路由表。,2019/7/25,27,5.3 运输层协议,运输层的核心功能是在计算机之间提供无差错的数据运输服务，保证发送方发送的数据正确有序地被接收方接收。 为了实现运输层的功能，运输层协议采用给PDU编号排序、接收方确认、发送方超时重传、流控制以及差错控制等手段保证数据的正确性。,2019/7/25,28,两个运输层协议,用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)和传输控制协议(Transmission Control Protocol，
10、TCP)。,2019/7/25,29,5.3.1 进程通信,UDP和TCP使用C/S模式实现进程通信。 由于现在的操作系统都支持多用户和多程序运行环境，一台主机内同时运行多个进程与多个主机中的进程进行通信，因此，要给进程编号以示区别。 UDP和TCP使用端口号对进程进行编号。端口号是065535之间的整数。,2019/7/25,30,端口号支持进程通信,2019/7/25,31,5.3.2 UDP协议,1.UDP数据报结构,2019/7/25,32,2.UDP的功能特点,UDP提供的进程通信服务是无连接的。UDP发送出的每一个PDU都是一个独立的数据报，数据报不进行编号。因此，UDP不能发送数
11、据流，也不能把数据流分割成许多相互关联的片段再发送。因此，只有那些长度小到可以装入一个数据报中的协议数据才能被UDP发送。 一般地，UDP用于运输自身具有较强控制功能的协议，例如TFTP（Tiny File Transfer Protocol)的数据，或是可靠性要求不高的协议，例如RIP（Routing Information Protocol)的数据。,2019/7/25,33,5.3.3 TCP协议,TCP的控制功能包括流量控制和差错控制，它提供流量控制的办法是滑动窗口，它提供差错控制的办法有确认、超时和重传机制，这些功能由TCP报文段中对应的字段实现。 TCP能够为进程通信建立连接，使通
12、信双方的数据象在一个数字管道中传输一样。 TCP可以发送数据流。TCP把数据流(字节流)分割成大小适度的数据单元(称为报文段)，给它们编号后逐个发送。接收方的TCP检查到来的报文段，当所有单元都到来且正确无误后，才将它们作为一个流交付给接收进程。,2019/7/25,34,怎样建立TCP连接,TCP连接建立的过程就是双方通信的初始化过程。 这个过程由三向握手法完成,2019/7/25,35,三向握手法,2019/7/25,36,四向握手法,2019/7/25,37,5.4 路由协议,根据是在自治系统内部使用，还是在外部使用，路由协议分为内部网关协议和外部网关协议。内部网关协议(Interior
13、 Gateway Protocol，IGP)是指在一个自治系统内部使用的路由选择协议，它不受其他自治系统的内部网关协议和自治系统之间路由选择协议的影响。外部网关协议(External Gateway Protocol，EGP)是自治系统之间使用的路由选择协议。,2019/7/25,38,自治系统(Autonomous System，AS),由若干个计算机网络组成。一个AS内的所有网络一般属于同一个行政单位，例如一个公司、一所大学、政府的一个部门等。即使属于不同的行政单位，也由同一个机构来管辖。AS有权决定其内部的路由器所使用的路由选择协议。一个大型的计算机网络可能由大量的AS组成。,2019/
14、7/25,39,AS、IGP和EGP,2019/7/25,40,5.4.1 RIP协议,路由选择信息协议 (Routing Information Protocol，RIP)是广泛使用的内部路由选择协议。 RIP属于距离向量路由选择策略，RIP认为到目的主机距离最短的路由器是下一跳路由器。RIP计算下一条路由器的方法是Bellman-Ford算法。,2019/7/25,41,RIP路由表,2019/7/25,42,5.4.2 OSPF协议,早期AS系统内部使用RIP作为内部网关协议。由于RIP认为距离（跳数）=16的路由器是不可达的，所以RIP适用于规模较小的AS。目前，普遍应用的内部网关协议
15、是开放最短路径优先协议 (Open Short Path First，OSPF)。,2019/7/25,43,1.OSPF的特点,OSPF使用动态路由选择算法，能够快速地适应拓扑结构的变化。 OSPF能够支持基于服务类型ToS的路由选择，能够根据分组要求的服务类型，使用更有针对性的算法，保证服务质量(QoS)要求较高的多媒体实时数据尽快地发送。 OSPF具有负载均衡功能，能够将通信载荷分流到多条输出线路上，因而能改善路由性能。而其他大多数协议都是将所有分组放到最佳路径上。 OSPF能够支持分级路由，不需要路由器知道整个网络的拓扑结构，因此，能够适应网络的快速扩展。 OSPF具有更多的安全功能，
16、例如能够识别欺骗路由器的路由选择信息。OSPF协议规定路由器之间的信息交换必须经过鉴别，保证只有可信赖的路由器才能传送路由信息。,2019/7/25,44,4.OSPF链路状态数据库,OSPF路由器都维持一个链路状态数据库(link-state database)，用于记录整个AS网络的链路状态数据。由于网络中的链路状态可能经常发生变化，OSPF让每个链路状态都带上一个32位的序号，序号越大状态就越新。 OSPF规定，链路状态序号增长的速率不能超过每5秒1次。这样，全部序号空间在600年内不会产生重复号。,2019/7/25,45,6.OSPF 划分为两种不同的区域,区域 0.0.0.1,区域
17、 0.0.0.3,主干区域 0.0.0.0,至其他自治系统,R9,R7,R6,R5,R4,R3,R2,R1,网 8,网 6,网 3,网 2,网 1,网 7,区域 0.0.0.2,网 4,网 5,R8,2019/7/25,46,7.OSPF路由器,(1)内部路由器：完全在一个区域内的路由器。(2)区域边界路由器：连接两个或多个区域的路由器。(3)主干路由器：连接区域边界路由器的路由器。(4)AS边界路由器：连接其他AS的路由器。,2019/7/25,47,8.OSPF路由类型,OSPF实施两种路由选择，即区域内的路由和区域间的路由。 域内路由选择是最简单的，因为它不必经过主干，因而避免了处理主干
18、中的复杂性。在同一区域内，每个路由器都具有相同的链路状态数据库，并运行相同的最短路径算法，计算出自己到区域内其他路由器的最短路径，而且计算到至少一个主干路由器的最短路径。,2019/7/25,48,域间路由选择通常分三步进行,（1）第1步：从源路由器到主干路由器。 （2）第2步：从主干路由器到目的区域边界路由器。 （3）第3步：从目的区域边界路由器到目的路由器。,2019/7/25,49,5.4.3 BGP协议-BGP路由表,BGP基于路径向量路由选择思想，即BGP要给出到目的路由器的完整路径，而不仅仅是下一跳路由器。路径是指分组到达目的路由器所必须依次经过的自治系统所构成的序列。,2019/
19、7/25,50,说明BGP路由表的网络举例,2019/7/25,51,R1的BGP路由表,2019/7/25,52,2.BGP路由器,在一个自治系统内部至少要有一个路由器运行BGP，称之为BGP路由器。 自治系统之间的路由选择实质上就是BGP路由器之间的路由选择，因此，研究AS之间路由选择时，可以把网络抽象成由BGP路由器及其连接弧组成的图来研究。 连接两个自治系统的路由器称为自治边界路由器，它运行BGP。,2019/7/25,53,3.BGP路由选择,路由选择策略不是协议的内容，可以理解为进行路由选择时的人为约束，由路由选择算法计算出的最佳路由如果不符合策略的要求也不能直接进行实施。,201
20、9/7/25,54,5.4.5 无类域间路由选择CIDR,CIDR(classless inter domain routing)的提出是要解决IP地址短缺的问题。造成IP地址短缺的主要原因是地址分类方案不合理，主要表现在网络号和主机号所占位数的长度不合适，因而造成地址的浪费。,2019/7/25,55,CIDR的中心思想,使现存的C类地址的分配更高效合理。虽然CIDR被称作是无类域间路由选择，但它不仅涉及路由选择，而且涉及编址方法。 CIDR的编址方法是将当时200多万个剩余的C类地址按照可变大小的块来分配，一块包括若干个C类网络，块的长度(所含C类网络的个数)视申请单位主机的数量而定。 例
21、如，某单位申请2000个IP地址，那么就分配给它2048个地址，即8个连续的C类网络2568=2048，同理，若某单位申请8000个地址，则分配给它32个连续的C类网络地址，即25632=8192个地址。,2019/7/25,56,CIDR的路由选择包括两个步骤,(1)区域与区域之间的路由选择。 (2)区域内的路由选择。,2019/7/25,57,CIDR四个区域(domain),(1)欧洲区域：从194.0.0.0到195.255.255.255 (2)北美区域：从198.0.0.0到199.255.255.255 (3)中美和南美区域：从200.0.0.0到201.255.255.255 (4)亚太区域：从202.0.0.0到203.255.255.255 每个区域大约包括3200万个IP地址。另外从204.0.0.0到223.255.255.255的3200万个地址留作将来使用。,
