第9章-路由器与IP交换技术汇总课件

现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/121第第9 9章章 路由器与路由器与IPIP交换技术交换技术本章主要内容本章主要内容TCP/IP原理原理TCP/IP体系结构体系结构IP地址分配地址分配地址解析地址解析TCP/IP协议簇协议簇IPV6路由器工作原理路由器工作原理路由器的硬件结构路由器的硬件结构路由器原理及路由协议路由器原理及路由协议IP交换技术交换技术IP与与ATM结合模型结合模型IP交换交换三层交换技术三层交换技术现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/122本章重点难点本章重点难点本章重点本章重点TCP/IP原理原理路由器原理及路由协议路由器原理及路由协议IP交换技术交换技术三层交换技术三层交换技术本章难点本章难点对路由器原理的理解对路由器原理的理解第第9 9章章 路由器与路由器与IPIP交换技术交换技术现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/123第第9 9章章 路由器与路由器与IPIP交换技术交换技术计算机通信网的发展计算机通信网的发展20世纪世纪60年代末年代末70年代初的年代初的ARPAnet ARPAnet是美国国防部高级研究计划局建立的，它是世界上最早出是美国国防部高级研究计划局建立的，它是世界上最早出现的计算机网络，现代计算机网络的许多概念和方法，现的计算机网络，现代计算机网络的许多概念和方法，如分组交换技如分组交换技术都来自术都来自ARPAnet，ARPAnet不仅进行了租用线互联的分组交换不仅进行了租用线互联的分组交换技术研究，而且作了无线、卫星网的分组交换技术研究。其结果导致技术研究，而且作了无线、卫星网的分组交换技术研究。其结果导致了网络协议了网络协议TCP/IP（TransmissionControl/InternetProtocol)的问世的问世1994年是年是Internet轰动全球的一年，这年轰动全球的一年，这年5月，中国加入了月，中国加入了Internet网网络络 1995年，除了年，除了Internet应用继续迅猛发展外，随着应用继续迅猛发展外，随着Internet技术的深技术的深入发展，一个使用方便、价格低廉的企业入发展，一个使用方便、价格低廉的企业(单位单位)内部信息交换网内部信息交换网Internet应运而生。应运而生。Internet发展势头迅猛，它将企业（单位）带进网发展势头迅猛，它将企业（单位）带进网络时代络时代现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/124Internet的基础的基础什么是什么是Internet？InternetInternet按照字面解按照字面解释，它是个，它是个互互联网网络。而而现在我在我们所所讲的的InternetInternet是起源于美国，是起源于美国，现在已在已连通全世界的一个超通全世界的一个超级计算机互算机互联网网络。InternetInternet的精的精华在于：在于：它含有它含有上至天文、下至地理；无所不有、无所不包、上至天文、下至地理；无所不有、无所不包、实用而又趣味的信息用而又趣味的信息。从。从这个意个意义上上说，InternetInternet又是一个巨大的信息又是一个巨大的信息资源。源。说起说起Internet，我们必须重视它的重大用户，我们必须重视它的重大用户人的参与人的参与。Internet容许全容许全球千百万人相互通信，共享资源球千百万人相互通信，共享资源。用户可发。用户可发E_mail；可以参加专题讨论，；可以参加专题讨论，还可以免费获取计算机程序或其它信息资源，还可以免费获取计算机程序或其它信息资源，不管是什么人，在任何时候，不管是什么人，在任何时候，Internet总是向你开放的，总是向你开放的，Internet对任何人都是友好的对任何人都是友好的，Internet的用户群组成了一个友好的大家庭的用户群组成了一个友好的大家庭综上所述，什么是综上所述，什么是Internet?首先，首先，它是一个全球计算机互联网络它是一个全球计算机互联网络其次，其次，Internet本身就是一个巨大的信息资源本身就是一个巨大的信息资源第三是最重要的，第三是最重要的，Internet是一个大家庭，人们共同享用着人类自己是一个大家庭，人们共同享用着人类自己创造的财富创造的财富现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/125Internet的组成的组成因特网因特网主要由主要由通信线路、路由器、主机和信息资源通信线路、路由器、主机和信息资源等组成等组成通信线路：通信线路：通信线路是连接因特网中各种设备的基础设施，可以分为通信线路是连接因特网中各种设备的基础设施，可以分为有线通信线路和无线通信信道两类有线通信线路和无线通信信道两类。通信线路的数据传输能力用带宽。通信线路的数据传输能力用带宽和传输速率两个指标衡量，传输速率与带宽成正比，带宽越大，传输和传输速率两个指标衡量，传输速率与带宽成正比，带宽越大，传输速率也就越高速率也就越高路由器：路由器：连接因特网中各局域网、广域网的设备是路由器连接因特网中各局域网、广域网的设备是路由器。它会根据。它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳的路径，按前后顺序发送信信道的情况自动选择和设定路由，以最佳的路径，按前后顺序发送信号号主机：主机：按用途不同可以分为两类：一类是信息资源与服务的提供者，按用途不同可以分为两类：一类是信息资源与服务的提供者，叫做叫做服务器服务器。服务器总是由高性能、大容量的大型计算机担当。另一。服务器总是由高性能、大容量的大型计算机担当。另一类是信息资源与服务的接受者，叫做类是信息资源与服务的接受者，叫做客户机客户机信息资源：信息资源：在因特网中的信息资源，比如文本、图像、声音、视频信在因特网中的信息资源，比如文本、图像、声音、视频信息息现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/126计算机网络基础计算机网络基础计算机网络的分类计算机网络的分类按规模按规模局域网局域网(LocalAreaNetwork，LAN)：是小范围的计算机网络。它：是小范围的计算机网络。它的覆盖范围一般在的覆盖范围一般在10公里以内。设备的更新、新技术的引用都比较容公里以内。设备的更新、新技术的引用都比较容易，所以传输速率也比较高，常常可以达到易，所以传输速率也比较高，常常可以达到10-100Mbps。以太网以太网（Ethernet）：最广泛的局域网）：最广泛的局域网广域网广域网(WideAreaNetwork，WAN)也叫做远程网，它可以覆盖几也叫做远程网，它可以覆盖几公里至几千公里的范围。广域网的通信子网主要使用分组交换技术，公里至几千公里的范围。广域网的通信子网主要使用分组交换技术，并使用传统的电话网并使用传统的电话网(公用通信网公用通信网)、卫星通信网、无线网来传输信息。、卫星通信网、无线网来传输信息。广域网的传输速率较低，一般在几十广域网的传输速率较低，一般在几十K至几至几Mbps之间。之间。Internet可视可视为世界上最大的广域网为世界上最大的广域网现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/127局域网标准局域网标准20世纪世纪70年代，电子和电器工程师协会（年代，电子和电器工程师协会（IEEE）制定了三个局域网标准）制定了三个局域网标准三个局域网标准三个局域网标准IEEE802.3(CSMA/CD)采用载波侦听多路访问采用载波侦听多路访问/冲突检测技术冲突检测技术IEEE802.4(令牌总线令牌总线)：令牌来控制发送数据站点令牌来控制发送数据站点IEEE802.5(令牌环网令牌环网)：令牌来控制发送数据站点：令牌来控制发送数据站点值得注意的是，这值得注意的是，这三个标准只描述了分层结构中下面一层半（即物理层和介质访三个标准只描述了分层结构中下面一层半（即物理层和介质访问子层）的内容，问子层）的内容，数据链路子层的上半层（数据链路子层的上半层（LLC）由）由IEEE802.2描述描述。著名的以著名的以太网（太网（Ethernet）就是）就是IEEE802.3的一个典型产品的一个典型产品这三个局域网标准都是这三个局域网标准都是广播型网络，广播型网络，网上的所有站点共享传送信道，一站点发送网上的所有站点共享传送信道，一站点发送数据，其它站点都能收到。数据，其它站点都能收到。在广播型网络上，同时只能有一个站点处于发送数据在广播型网络上，同时只能有一个站点处于发送数据状态，因此，状态，因此，必须解决谁使用信道发送数据的信道竞争问题。必须解决谁使用信道发送数据的信道竞争问题。以太往采用载波侦以太往采用载波侦听多路访问听多路访问/冲突检测技术，在发送数据的同时进行冲突检测，一旦检测到冲突则冲突检测技术，在发送数据的同时进行冲突检测，一旦检测到冲突则立即停止发送，当发现空闲时立刻发送数据；而令牌总线和令牌环则采用令牌来立即停止发送，当发现空闲时立刻发送数据；而令牌总线和令牌环则采用令牌来控制，只有获得令牌的站点能向网上发送数据。控制，只有获得令牌的站点能向网上发送数据。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/128计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构计算机网络拓扑结构是指网络中各结点与通信线路之间的关系结构，实际上主计算机网络拓扑结构是指网络中各结点与通信线路之间的关系结构，实际上主要是指通信子网的拓扑结构。要是指通信子网的拓扑结构。常见的几种拓扑结构常见的几种拓扑结构星型拓扑：星型拓扑：由一个中心结点与各站点之间呈辐射状连接，中心结由一个中心结点与各站点之间呈辐射状连接，中心结点对全网的通信实行集中控制，任何两个结点之间的通信都必点对全网的通信实行集中控制，任何两个结点之间的通信都必须通过中心结点来实现。星型拓扑结构简单，访问协议简单，须通过中心结点来实现。星型拓扑结构简单，访问协议简单，单机故障不会影响网络运行；但是对中心结点的可靠性要求高，单机故障不会影响网络运行；但是对中心结点的可靠性要求高，中心结点出现故障，整个网络就会瘫痪，系统的扩充比较困难中心结点出现故障，整个网络就会瘫痪，系统的扩充比较困难总线型拓扑：总线型拓扑：所有的站点都连接到一条公用传输线所有的站点都连接到一条公用传输线-总线上，就总线上，就形成了总线型计算机网络结构。其优点是结构简单，易于扩充、形成了总线型计算机网络结构。其优点是结构简单，易于扩充、价格低廉，容易安装。缺点是出现故障后需要检查总线在各结价格低廉，容易安装。缺点是出现故障后需要检查总线在各结点的连接，因此查错比较困难；虽然某台计算机故障不会影响点的连接，因此查错比较困难；虽然某台计算机故障不会影响网络运行，但是若总线断开则网络将不可使用网络运行，但是若总线断开则网络将不可使用现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/129环型拓扑：环型拓扑：使网络中各站点首尾相连，以通信线路连接成一个封闭使网络中各站点首尾相连，以通信线路连接成一个封闭的环路，数据只能在环路中沿着一个方向逐点传输。环型拓扑结构的环路，数据只能在环路中沿着一个方向逐点传输。环型拓扑结构简单，传输延时确定，适合光纤介质网络；但是任何一个结点的故简单，传输延时确定，适合光纤介质网络；但是任何一个结点的故障都会使全网瘫痪，而且结点的增加或减少都比较困难障都会使全网瘫痪，而且结点的增加或减少都比较困难树型拓扑：树型拓扑：由星型拓扑演变而来，形状像一棵根在上方的大树。各由星型拓扑演变而来，形状像一棵根在上方的大树。各结点按层次进行连接，信息交换主要在上下结点之间进行。树型拓结点按层次进行连接，信息交换主要在上下结点之间进行。树型拓扑结构中的故障比较容易检测和隔离扑结构中的故障比较容易检测和隔离现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1210计算机通信的演进和发展计算机通信的演进和发展 使用使用RS-232RS-232技术的近程互连结构技术的近程互连结构使用调制解调器技术的远程互连结构使用调制解调器技术的远程互连结构计算机计算机A A计算机计算机B B计算机计算机A A计算机计算机B B调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器图图9.1 计算机的互联结构（一）计算机的互联结构（一）现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1211计算机总线型局域网互连通信结构计算机总线型局域网互连通信结构计算机计算机A A计算机计算机B B计算机计算机C C图图9.2 计算机的互联结构（二）计算机的互联结构（二）现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1212两个局域网互连结构两个局域网互连结构路由器路由器LANLANLANLAN在在InternetInternet中，完成信息交中，完成信息交互和网络互联的技术是通过互和网络互联的技术是通过路由器路由器(网关网关)来实现的来实现的 路由器连接的两个路由器连接的两个网络可以是同种类型的，网络可以是同种类型的，也可以是不同类型的也可以是不同类型的图图9.3计算机的互联结构（三）计算机的互联结构（三）现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1213互联网互联网网络网络1 1网络网络4 4网络网络3 3网络网络2 2图图9.4 计算机的互联结构（四）计算机的互联结构（四）现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1214Internet的原型思想的原型思想用不同的网卡插入某台计算机就可以使该计算机接入到不同技术的局域用不同的网卡插入某台计算机就可以使该计算机接入到不同技术的局域网上，并且能与网上的其他计算机进行通信。另外，在一台计算机上可网上，并且能与网上的其他计算机进行通信。另外，在一台计算机上可以同时插入两种或更多种不同技术的网卡，那么一台计算机就可以连接以同时插入两种或更多种不同技术的网卡，那么一台计算机就可以连接到两个或更多的网络上。如果对该台计算机所连接的多个网络及其站点到两个或更多的网络上。如果对该台计算机所连接的多个网络及其站点进行网络编号，并运行网间数据转发协议软件，那么该台计算机就可以进行网络编号，并运行网间数据转发协议软件，那么该台计算机就可以执行异构网络站点之间的分组数据转发任务，这就是执行异构网络站点之间的分组数据转发任务，这就是Internet的原型思的原型思想想。路由选择路由选择选择一个网络向其发送分组的过程称为路由选择。选择一个网络向其发送分组的过程称为路由选择。路由器路由器在互联网络中执行路由选择任务的专用计算机称为路由器或称其为网在互联网络中执行路由选择任务的专用计算机称为路由器或称其为网关。关。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1215网络互连的目标网络互连的目标是通过异构网络实现通用服务，路由器必须把一个网络中的源计算机发出是通过异构网络实现通用服务，路由器必须把一个网络中的源计算机发出的信息，转发到另一个网络中的目标计算机，这一任务是很复杂的，因为的信息，转发到另一个网络中的目标计算机，这一任务是很复杂的，因为组成互连网的各个子网使用的帧格式和编址方案不尽相同。这样为了实现组成互连网的各个子网使用的帧格式和编址方案不尽相同。这样为了实现通用服务，在计算机和路由器上都要协议软件。如同两个人必须会同一种通用服务，在计算机和路由器上都要协议软件。如同两个人必须会同一种语言才能交流一样，这一道理同样适用于计算机，因此在因特网中，也为语言才能交流一样，这一道理同样适用于计算机，因此在因特网中，也为异构网互联定义了一系列通信协议，这些协议简称为传输控制协议异构网互联定义了一系列通信协议，这些协议简称为传输控制协议/网络网络互连协议（互连协议（TCP/IP）。）。网络协议网络协议在计算机网络中，计算机之间通信时必须遵守一定的规定和规程，以便保在计算机网络中，计算机之间通信时必须遵守一定的规定和规程，以便保证能够互相连接和正确交换信息，这些约定和规程是事先制定的，并以标证能够互相连接和正确交换信息，这些约定和规程是事先制定的，并以标准的形式固定下来，这就是网络协议。准的形式固定下来，这就是网络协议。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1216 9.1 TCP/IP基本原理基本原理什么是什么是TCP/IP协议协议TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，的简写，中文译名为传输控制协议中文译名为传输控制协议/互联网络协议）协议互联网络协议）协议是是Internet最基本的最基本的协议，协议，简单地说，就是由底层的简单地说，就是由底层的IP协议和协议和TCP协议组成的协议组成的。TCP/IP协议的开发工作始于协议的开发工作始于70年代，是用于互联网的第一套协议年代，是用于互联网的第一套协议在在Internet没有形成之前，各个地方已经建立了很多小型的网络，没有形成之前，各个地方已经建立了很多小型的网络，称为局域网称为局域网，Internet的中文意义是的中文意义是“网际网网际网”，它实际上就是将全，它实际上就是将全球各地的局域网连接起来而形成的一个球各地的局域网连接起来而形成的一个“网之间的网（即网际网）网之间的网（即网际网）”。然而，。然而，在连接之前的各式各样的局域网却存在不同的网络结构和在连接之前的各式各样的局域网却存在不同的网络结构和数据传输规则，将这些小网连接起来后各网之间要通过什么样的规数据传输规则，将这些小网连接起来后各网之间要通过什么样的规则来传输数据呢？则来传输数据呢？这就象世界上有很多个国家，各个国家的人说各这就象世界上有很多个国家，各个国家的人说各自的语言，世界上任意两个人要怎样才能互相沟通呢？如果全世界自的语言，世界上任意两个人要怎样才能互相沟通呢？如果全世界的人都能够说同一种语言（即世界语），这个问题不就解决了吗？的人都能够说同一种语言（即世界语），这个问题不就解决了吗？TCP/IP协议正是协议正是Internet上的上的“世界语世界语”现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1217TCP/IP的突出特点在于其网络互连功能的突出特点在于其网络互连功能TCP/IP它本身是在物理网（它本身是在物理网（X.25、FR、LAN等）上的一组网络协议族。等）上的一组网络协议族。TCP/IP是两个最著名的协议是两个最著名的协议，其它协议包括用户数据报协议（，其它协议包括用户数据报协议（UDP）、）、互联网控制报文协议（互联网控制报文协议（ICMP）以及地址解析协议（）以及地址解析协议（ARP）等）等计算机通信是一项非常复杂的工作，不可能把它作为一个整体来处理，也不计算机通信是一项非常复杂的工作，不可能把它作为一个整体来处理，也不能设计出包括所有功能的协议。因此，一般把网络按功能分层，使每一层的能设计出包括所有功能的协议。因此，一般把网络按功能分层，使每一层的功能易于实现和管理功能易于实现和管理TCP/IP协议的开发工作始于协议的开发工作始于70年代，年代，是用于互联网的第一套协议。是用于互联网的第一套协议。下面就为下面就为大家介绍大家介绍TCP/IP协议的相关内容协议的相关内容现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1218TCP/IP分层模型与分层模型与OSI模型的对比模型的对比应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路数据链路层层物理层物理层7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1SMTPDNSNSPFTPTelnetTCPIP以太网、令牌总线、令牌环、以太网、令牌总线、令牌环、FDDI、ARPANET、PDN等协议等协议电缆、连接器、信号等电器特性协议电缆、连接器、信号等电器特性协议ICMPICMPRARPRARPARPARPIPIP5 5、应用层、应用层1 1、物理层、物理层2 2、网络接口层、网络接口层4 4、传输层、传输层3 3、网间网层、网间网层简单由间简单由间传送协议传送协议域名服域名服务协议务协议命名服命名服务协议务协议远程登远程登陆协议陆协议文件传文件传输协议输协议现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1219物理层物理层TCP/IP第一层第一层为物理层为物理层对应于网络的基本硬件对应于网络的基本硬件，这也是这也是Internet物物理构成，即我们可以看得见的硬设备理构成，即我们可以看得见的硬设备，如如PC机、互连网服务器、机、互连网服务器、网络设备等网络设备等，必须对这些硬设备的电气特性作一个规范，使这些设，必须对这些硬设备的电气特性作一个规范，使这些设备都能够互相连接幷兼容使用，备都能够互相连接幷兼容使用，如同如同OSI的第一层的第一层网络接口层网络接口层TCP/IP第二层第二层为网络接口层，为网络接口层，它定义了将资料组成正确帧的规程它定义了将资料组成正确帧的规程和在网络中传输帧的规程和在网络中传输帧的规程，帧是指一串资料，它是资料在网络中传帧是指一串资料，它是资料在网络中传输的单位输的单位，类似于类似于OSI的第二层的第二层网间网层网间网层TCP/IP第三层为第三层为网间网层即网间网层即IP层，层，本层定义了互联网中传输的本层定义了互联网中传输的“信息包信息包”格式格式，以及以及从一个用户通过一个或多个路由器到最终目标从一个用户通过一个或多个路由器到最终目标的的信息包信息包转发机制转发机制现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1220传输层传输层TCP/IP第四层第四层为传输层，为传输层，为两个用户进程之间建立、管理和拆除为两个用户进程之间建立、管理和拆除可靠而又有效的端到端连接，可靠而又有效的端到端连接，类似于类似于OSI的第四层的第四层应用层应用层TCP/IP第五层第五层为应用层，为应用层，它定义了应用程序使用互联网的规程，它定义了应用程序使用互联网的规程，对应于开放系统的第对应于开放系统的第5-7层层在在TCP/IP协议族分层模型中协议族分层模型中，核心层是网间网层和传输层核心层是网间网层和传输层，相应，相应的接口协议是的接口协议是IP和和TCP两大协议两大协议TCP/IP协议是协议是Internet网中计算机通信的一组约定，不是计算机网中计算机通信的一组约定，不是计算机语言语言现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1221 IP协议协议网间网协议网间网协议IP(Internet Protocol):定定义在在网网络层，提供提供无连接的包传送无连接的包传送服务。服务。主要功能包括无主要功能包括无连接数据报传送、数据报寻径和差错处理连接数据报传送、数据报寻径和差错处理三个部分。三个部分。IP协议的作用就是将不同类型的协议的作用就是将不同类型的MAC帧转换成统一的帧转换成统一的IP包，并将包，并将MAC帧帧的物理地址变换为全网统一的的物理地址变换为全网统一的IP地址。地址。IP层的特点层的特点提供无连接的数据报传输机制。提供无连接的数据报传输机制。IP数据报协议非常简单，数据报协议非常简单，不能保证传输的不能保证传输的可靠性可靠性；IP协议是协议是点到点的协议点到点的协议。IP层点对点通信的一个最大问题是寻径，即通过层点对点通信的一个最大问题是寻径，即通过信宿信宿IP地址如何确定通信的下一点的问题。一旦确定了通信的下一点，点地址如何确定通信的下一点的问题。一旦确定了通信的下一点，点到点通信便可建立起来到点通信便可建立起来。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1222 IP数据报格式数据报格式IP数据报格式：由数据报格式：由报头报头和和正文正文两部分组成。两部分组成。报头有报头有20字节的固定段和任选的字节的固定段和任选的变长段变长段版本版本头标长头标长服务类型服务类型总总长长度度标标识识标标志志段段偏偏移移量量生生存存时时间间协协议议头头标标校校验验和和源源IP地地址址信信宿宿IP地地址址任任选选项项填充域填充域数数据据报报 头头数数据据区区0 4 8 15 16 20 24 31bit0 4 8 15 16 20 24 31bit 表表9-1 IP9-1 IP数据报格式数据报格式现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1223 IP地址模式地址模式IP地址用来惟一识别地址用来惟一识别Internet网中的计算机，任何两台计算机不能具有相同网中的计算机，任何两台计算机不能具有相同的的IP地址，地址，在在1981年定义的年定义的IP版本版本4(IPV4）中，）中，IP地址长度为地址长度为4个字节个字节32位，位，包括网络编号和主机号两部分包括网络编号和主机号两部分0 网网络络号号主主机机号号1 0 网网络络号号主主机机号号1 1 0 网网络络号号主主机机号号1 1 1 0 多目的地址（多点广播组地址）多目的地址（多点广播组地址）1 1 1 0 0 保保留留实实验验用用0 01616242431318 8表表9-2 IP9-2 IP地址模式地址模式现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1224在在Internet中，按网络规模的大小，将中，按网络规模的大小，将IP地址分为地址分为A、B、C三类，三类，D类是为类是为同播定义的，同播定义的，E类地址，保留为实验用。类地址，保留为实验用。IP地址用四组地址用四组十进制十进制点分表示，每组点分表示，每组数的取值范围为数的取值范围为0-255，利用圆点将各组分开。，利用圆点将各组分开。IP地址方案是为主机和路由地址方案是为主机和路由器指定的高级协议地址。器指定的高级协议地址。0127A类地址：类地址：第第1字节表示网络号，第字节表示网络号，第2、3、4字节表示主机号，可以字节表示主机号，可以划分划分27个网络，每个网络有个网络，每个网络有224台主机。台主机。所以所以A类地址通常分配给规模特别庞类地址通常分配给规模特别庞大的网络使用大的网络使用128191B类地址：类地址：第第1、2字节表示网络号，可以划分字节表示网络号，可以划分214个网络，每个网个网络，每个网络有络有216台主机。台主机。所以所以B类地址通常分配给大型网络使用类地址通常分配给大型网络使用192223C类地址：类地址：第第1、2、3字节表示网络号，可以划分字节表示网络号，可以划分221个网络，每个网络，每个网络有个网络有28台主机。台主机。所以所以C类地址通常分配给小型网络，如大量的局域网和校类地址通常分配给小型网络，如大量的局域网和校园网都使用园网都使用C类地址类地址现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1225 地址解析协议（地址解析协议（ARP）什么是什么是ARP协议协议ARP协议是协议是“Address Resolution Protocol”的缩写。的缩写。在局域网中，网络在局域网中，网络中中实际传输的是实际传输的是“帧帧”，帧里面是有帧里面是有目标主机的目标主机的MAC地址的。地址的。在以太网中，在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。地址。但这个目标但这个目标MAC地址是如何获得的呢？地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。它就是通过地址解析协议获得的。所谓所谓“地址解析地址解析”就是主机在发送帧前将目标就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标地址转换成目标MAC地址地址的过程，即的过程，即将一台计算机的将一台计算机的IP地址翻译成等价的硬件地址的过程。地址翻译成等价的硬件地址的过程。ARP协协议的基本功能就是议的基本功能就是通过目标设备的通过目标设备的IP地址，查询目标设备的地址，查询目标设备的MAC地址，以地址，以保证通信的顺利进行保证通信的顺利进行。地址解析是一个网络内的。地址解析是一个网络内的局部过程局部过程，即一台计算机，即一台计算机能够解析另一台计算机的充要条件是两台计算机都连在同一物理网络中，能够解析另一台计算机的充要条件是两台计算机都连在同一物理网络中，一台计算机无法解析远程网络上的计算机地址。（一台计算机无法解析远程网络上的计算机地址。（IP软件地址软件地址MAC硬硬件地址）件地址）现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1226ARP定义了两类基本消息定义了两类基本消息请求消息请求消息:一个请求消息，包含一个一个请求消息，包含一个IP地址和对相应硬件地地址和对相应硬件地址的请求址的请求应答消息应答消息:一个应答消息既包含发来的一个应答消息既包含发来的IP地址，也包含相应地址，也包含相应的硬件地址的硬件地址ARP标准标准ARP标准精确规定了标准精确规定了ARP消息怎样在网上传递。消息怎样在网上传递。协议规定：协议规定：所有所有ARP请求消息都直接封装在请求消息都直接封装在LAN帧中，广播给网上所有帧中，广播给网上所有计算机，每个计算机收到请求后都会检测其中的计算机，每个计算机收到请求后都会检测其中的IP地址，与地址，与IP地址匹配的计算机发送一个应答，与地址匹配的计算机发送一个应答，与IP地址不匹配的计地址不匹配的计算机则会丢弃收到的请求，不发任何应答。算机则会丢弃收到的请求，不发任何应答。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1227 互连网控制消息协议（互连网控制消息协议（ICMP）什么是什么是ICMP协议协议ICMP是是“InternetControlMessageProtocol”（Internet控制消息控制消息协议协议）的缩写）的缩写。它是它是TCP/IP协议族的一个协议族的一个子协议，用于在子协议，用于在IP主机、路由主机、路由器之间传递控制消息。器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用于用户数据的传递起着重要的作用。我们在网络中经常会使用到我们在网络中经常会使用到ICMP协议，只不过我们觉察不到而已。比如协议，只不过我们觉察不到而已。比如我们经常使用的用于检查网络通不通的我们经常使用的用于检查网络通不通的Ping命令，这个命令，这个“Ping”的过程实的过程实际上就是际上就是ICMP协议工作的过程协议工作的过程。还有其它的网络命令如跟踪路由的。还有其它的网络命令如跟踪路由的Tracert命令也是基于命令也是基于ICMP协议的。协议的。互连网控制消息协议的目的就是互连网控制消息协议的目的就是为了诊断将报文传送到目的地有无错误为了诊断将报文传送到目的地有无错误，是是IP中不可分割的一部分，中不可分割的一部分，仅仅是关于网络问题的返回报告仅仅是关于网络问题的返回报告，并不是为了，并不是为了增加增加IP数据报的可靠性数据报的可靠性。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1228ICMP报文格式包含报文格式包含类型、代码类型、代码及及校验和校验和三个固定的域三个固定的域，剩余的，剩余的内容依赖于消息类型。内容依赖于消息类型。类类型型代代码码校校验验和和未未使使用用出错报文的出错报文的IP报头报头+64源数据段源数据段0 8 15 16 24 31Bit 0 8 15 16 24 31Bit 现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1229 TCP协议协议 传输控制协议传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol):TCP是面向连是面向连接的协议接的协议，它提供两个网络设备间数据，它提供两个网络设备间数据有保障的顺序传递。有保障的顺序传递。尽管计算尽管计算机通过安装机通过安装IP软件，从而保证了计算机之间可以发送和接收资料，但软件，从而保证了计算机之间可以发送和接收资料，但IP协议还不能解决资料分组在传输过程中可能出现的问题。因此，若协议还不能解决资料分组在传输过程中可能出现的问题。因此，若要解决可能出现的问题，连上要解决可能出现的问题，连上Internet的计算机还需要安装的计算机还需要安装TCP协议协议来提供可靠的幷且无差错的通信服务。来提供可靠的幷且无差错的通信服务。TCP协议协议被称作被称作一种端对端协议一种端对端协议。这是因为它为两台计算机之间的连这是因为它为两台计算机之间的连接起了重要作用：当一台计算机需要与另一台远程计算机连接时，接起了重要作用：当一台计算机需要与另一台远程计算机连接时，TCP协议会让它们建立一个连接、发送和接收资料以及终止连接。协议会让它们建立一个连接、发送和接收资料以及终止连接。传输控制协议传输控制协议TCP利用利用重发技术和拥塞控制机制，向应用程序提供可重发技术和拥塞控制机制，向应用程序提供可靠的通信连接，使它能够自动适应网上的各种变化靠的通信连接，使它能够自动适应网上的各种变化。即使在。即使在 Internet 暂时出现堵塞的情况下，暂时出现堵塞的情况下，TCP。也能够保证通信的可靠。也能够保证通信的可靠。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1230 TCP协议协议众所周知，众所周知，Internet是一个庞大的国际性网络，网络上的拥挤和空闲时间总是一个庞大的国际性网络，网络上的拥挤和空闲时间总是交替不定的，加上传送的距离也远近不同，所以传输资料所用时间也会变是交替不定的，加上传送的距离也远近不同，所以传输资料所用时间也会变化不定。化不定。TCP协议具有自动调整协议具有自动调整“超时值超时值”的功能，能很好地适应的功能，能很好地适应Internet上各种各样的变化，确保传输数值的正确。上各种各样的变化，确保传输数值的正确。因此，从上面我们可以了解到：因此，从上面我们可以了解到：IP协议只保证计算机能发送和接收分组资料，协议只保证计算机能发送和接收分组资料，而而TCP协议则可提供一个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务。协议则可提供一个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务。综上所述，虽然综上所述，虽然IP和和TCP这两个协议的功能不尽相同，也可以分开单独使用，这两个协议的功能不尽相同，也可以分开单独使用，但它们是在同一时期作为一个协议来设计的，幷且在但它们是在同一时期作为一个协议来设计的，幷且在功能上也是互补功能上也是互补的。只的。只有两者的结合，才能保证有两者的结合，才能保证Internet在复杂的环境下正常运行。凡是要连接到在复杂的环境下正常运行。凡是要连接到Internet的计算机，都必须同时安装和使用这两个协议，因此在实际中常把的计算机，都必须同时安装和使用这两个协议，因此在实际中常把这两个协议统称作这两个协议统称作TCP/IP协议。协议。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1231 TCP协议协议TCP段格式段格式：TCP采用段来指明一个消息采用段来指明一个消息 源源端端口口目目的的端端口口序序号号确确认认号号段头长度段头长度保保留留码码位位窗窗口口校验和校验和紧急指针紧急指针任任选选项项填填充充数数据据0Bit0Bit31Bit31Bit15Bit 16Bit15Bit 16Bit现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1232 TCP协议与协议与IP的关系的关系TCP使用使用IP来携带消息，每一个来携带消息，每一个TCP消息封装成一个消息封装成一个IP数据报后数据报后通过互联网。当数据报到达目的主机，通过互联网。当数据报到达目的主机，IP将数据报的内容传给将数据报的内容传给TCP。注意：注意：尽管尽管TCP使用使用IP来携带消息，但来携带消息，但IP并不阅读或干预这些消并不阅读或干预这些消息。息。因而，因而，TCP只把只把IP看作一个负责连接两个端点主机的通信系看作一个负责连接两个端点主机的通信系统，而统，而IP只把每个只把每个TCP消息看作数据传输消息看作数据传输。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1233 UDP（用户数据报）协议（用户数据报）协议UDP协议是英文协议是英文User Data gram Protocol的缩写，即用户数据报协议，的缩写，即用户数据报协议，UDP提供无连接的数据报服务（提供无连接的数据报服务（TCP是面向连接的协议），是面向连接的协议），广泛用于倾向于广泛用于倾向于直接使用数据报服务的应用程序，直接使用数据报服务的应用程序，UDP非常适合于单个报文的请求与应答，非常适合于单个报文的请求与应答，通常用来实现事务功能。通常用来实现事务功能。包括网络视频会议系统在内的众多的客户包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模服务器模式的网络应用都需要使用式的网络应用都需要使用UDP协议。协议。UDP是轻权协议，处理开销很小。由于简单，它很适合那些不需要是轻权协议，处理开销很小。由于简单，它很适合那些不需要TCP全部全部特性的应用特性的应用。UDP不提供有保证的数据传送，也不保证数据的传输顺序。不提供有保证的数据传送，也不保证数据的传输顺序。UDP协议与我们所熟知的协议与我们所熟知的TCP（传输控制协议）协议一样，直接位于（传输控制协议）协议一样，直接位于IP协议协议的顶层。根据的顶层。根据OSI（开放系统互连）参考模型，（开放系统互连）参考模型，UDP和和TCP都属于传输层协议。都属于传输层协议。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1234UDP协议的主要作用协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据报的形式是将网络数据流量压缩成数据报的形式。一个典型的数。一个典型的数据报就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据报的前据报就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据报的前8个字节用来包含报个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据。头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据。UDP的数据报格式的数据报格式 源端口源端口目的端口目的端口长度长度校验和校验和数数据据15 16 Bit15 16 Bit头头部部8 8个个字字节节0 Bit0 Bit31Bit31Bit现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1235 IPV6 因特网在因特网在1978年第一次出台的时候年第一次出台的时候，4字节字节32比特比特的地址看起来还是的地址看起来还是非常充裕的非常充裕的,因为这种地址方案能方便地将地址保存在因为这种地址方案能方便地将地址保存在32比特宽的内存比特宽的内存中，而且还能很好地将报头对齐，提高编程效率。中，而且还能很好地将报头对齐，提高编程效率。随着互联网的迅速发展，随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽定义的有限地址空间将被耗尽，地址空地址空间的不足必将影响互联网的进一步发展间的不足必将影响互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。重新定义地址空间。新版新版IP于于1995年取得标准化，称为年取得标准化，称为IPv6。它简化了。它简化了IP报文格式，报文格式，把把IP地址增加到地址增加到16字节字节128比特比特，这可以让，这可以让TCP/IP继续应用越来越大继续应用越来越大的应用范围。的应用范围。IPv4采用采用32位地址长度，只有位地址长度，只有大约大约43亿个地址亿个地址，估计在，估计在20052010年间将被分配完毕年间将被分配完毕；而；而IPv6采用采用128位地址长度，位地址长度，几乎可以不受几乎可以不受限制地提供地址。限制地提供地址。按保守方法估算按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，实际可分配的地址，整个地球整个地球每平方米面积上可分配每平方米面积上可分配1000多个地址。多个地址。在在IPv6的设计过程中除了一的设计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题以外，还考虑了在劳永逸地解决地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它中解决不好的其它问题。问题。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1236IPv6的主要优势体现在以下几方面的主要优势体现在以下几方面扩大地址空间扩大地址空间提高网络的整体吞吐量提高网络的整体吞吐量改善服务质量改善服务质量(QoS)安全性有更好的保证安全性有更好的保证支持即插即用和移动性支持即插即用和移动性更好实现多播功能。更好实现多播功能。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1237第第9 9章章 路由器与路由器与IPIP交换技术交换技术9.2路由器工作原理路由器工作原理因特网是一个由众多网络互联而成的世界范围内的计算机网络。因因特网是一个由众多网络互联而成的世界范围内的计算机网络。因特网完成信息交互和网络互联的技术是通过路由器来实现的。特网完成信息交互和网络互联的技术是通过路由器来实现的。路由器路由器路由器是互联网络中必不可少的网络设备之一，路由器是一种连接路由器是互联网络中必不可少的网络设备之一，路由器是一种连接多个网络或网段多个网络或网段的网络设备。的网络设备。所谓所谓“路由路由”，是指把数据从一个地方传送到另一个地方的行为和，是指把数据从一个地方传送到另一个地方的行为和动作。动作。而路由器，正是执行这种行为动作的机器，它的英文名称为而路由器，正是执行这种行为动作的机器，它的英文名称为Router。路由器可完成将不同网络或网段之间的数据信息进行路由器可完成将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译翻译”，以，以使它们能够相互使它们能够相互“读读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1238第第9 9章章 路由器与路由器与IPIP交换技术交换技术路由器有两大典型功能路由器有两大典型功能数据通道功能数据通道功能：包括转发决定、背板转发以及输出链路调度等，一般由特：包括转发决定、背板转发以及输出链路调度等，一般由特定的硬件来完成；定的硬件来完成；控制功能控制功能：一般用软件来实现，包括与相邻路由器之间的信息交换、系统：一般用软件来实现，包括与相邻路由器之间的信息交换、系统配置、系统管理等。配置、系统管理等。路由器的基本功能路由器的基本功能 路由器是一种路由器是一种多端口设备多端口设备，它可以连接它可以连接不同传输速率并运行于各种环境的不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网局域网和广域网，也可以采用不同的协议。，也可以采用不同的协议。路由器属于路由器属于OSI模型的第模型的第3层层-网络层网络层路由器路由器指导从一个网段到另一个网段的数据传输，也能指导从一种网指导从一个网段到另一个网段的数据传输，也能指导从一种网络向另一种网络的数据传输。其功能有：络向另一种网络的数据传输。其功能有：网络互连：网络互连：路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互连路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互连局域网和广域网，实现不同网络互相通信；局域网和广域网，实现不同网络互相通信；数据处理：数据处理：提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能；压缩和防火墙等功能；网络管理：网络管理：路由器提供包括路由器配置管理、性能管理、容错管路由器提供包括路由器配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。理和流量控制等功能。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1239第第9 9章章 路由器与路由器与IPIP交换技术交换技术路由器的工作原理路由器的工作原理为了完成为了完成“路由路由”的工作，的工作，在路由器中保存着各种传输路径的相在路由器中保存着各种传输路径的相关数据路由表关数据路由表（RoutingTable），供路由选择时使用。路），供路由选择时使用。路由表中保存着由表中保存着子网的标志信息子网的标志信息、网上路由器的个数网上路由器的个数和和下一个路由下一个路由器的名字器的名字等内容。等内容。在路由器中涉及到两个有关地址的名字概念，那就是：静态路由在路由器中涉及到两个有关地址的名字概念，那就是：静态路由表和动态路由表。表和动态路由表。静态（静态（static）路由表）路由表是由系统管理员事先设置好固定的路由表。一是由系统管理员事先设置好固定的路由表。一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。网络结构的改变而改变。动态（动态（Dynamic）路由表）路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表。路由器根据路由选择协议（调整的路由表。路由器根据路由选择协议（RoutingProtocol）提）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。输的最佳路径。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1240路由器的基本组织结构路由器的基本组织结构路由器实际上是一台计算机，只是多了一些连接不同网络介质类型的网卡而路由器实际上是一台计算机，只是多了一些连接不同网络介质类型的网卡而已已网卡网卡1 1网卡网卡2 2接收接收/发送发送缓存区缓存区1 1接收接收/发送发送缓存区缓存区2 2IPIP协议处理软件协议处理软件路由选择表路由选择表IPIP路由软件路由软件图图9.5 9.5 路由器的基本组织结构路由器的基本组织结构网络网络1 1网络网络2 2现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1241路由器的报文转发原理路由器的报文转发原理当当IP子网中的一台主机发送子网中的一台主机发送IP分组给同一分组给同一IP子网的另一台主机时，它子网的另一台主机时，它将直接把将直接把IP分组送到网络上，对方就能收到。分组送到网络上，对方就能收到。而要送给不同而要送给不同IP子网上子网上的主机时，它要选择一个能到达目的子网上的路由器，把的主机时，它要选择一个能到达目的子网上的路由器，把IP分组送给分组送给该路由器，由路由器负责把该路由器，由路由器负责把IP分组送到目的地。分组送到目的地。如果没有找到这样的如果没有找到这样的路由器，主机就把路由器，主机就把IP分组送给一个称为分组送给一个称为“缺省网关（缺省网关（default gateway）”的路由器上。的路由器上。“缺省网关缺省网关”是每台主机上的一个配置参数，它是接在同是每台主机上的一个配置参数，它是接在同一个网络上的某个路由器端口的一个网络上的某个路由器端口的IP地址。地址。目前目前TCPIP网络，全部是通过路由器互连起来的，网络，全部是通过路由器互连起来的，Internet就是成就是成千上万个千上万个IP子网通过路由器互连起来的国际性网络。子网通过路由器互连起来的国际性网络。这种网络称为以这种网络称为以路由器为基础的网络（路由器为基础的网络（routerbasednetwork），形成了以路由器），形成了以路由器为节点的为节点的“网间网网间网”。在。在“网间网网间网”中，中，路由器实现两个基本功能：路由器实现两个基本功能：一、负责对一、负责对IP分组的转发；二、负责与别的路由器进行联络，共同确分组的转发；二、负责与别的路由器进行联络，共同确定定“网间网网间网”的路由选择和维护路由表。的路由选择和维护路由表。现代交换原理与技术现代交换原理与技术2024/7/1242路由动作包括两项基本内容路由动作包括两项基本内容：寻径和转发寻径和转发寻径寻径即判定到达目的地的最佳路径，由路由选择算法来实现。即判定到达目的地的最佳路径，由路由选择算法来实现。由于涉及到由于涉及到不同的路由选择协议和路由选择算法，要相对复杂一些。不同的路由选择协议和路由选择算法，要相对复杂一些。为了判定最佳路为了判定最佳路径，路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表，其中路由信息径，路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表，其中路由信息依赖于所用的路由选择算法而不尽相同。路由选择算法将收集到的不同信依赖于所用的路由选择算法而不尽相同。路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中，根据路由表可将目的网络与下一站（息填入路由表中，根据路由表可将目的网络与下一站（nexthop）的关）的关系告诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新，更新维护路由表使之正系告诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新，更新维护路由表使之正确