网络互连 Part 1 (概念, IP 地址, IP 路由, IP 数据报, 地址解析）

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1 网络互连 Part 1 (概念, IP 地址, IP 路由, IP 数据报, 地址解析）
Part X 网络互连 Part 1 (概念, IP 地址, IP 路由, IP 数据报, 地址解析） 2018/11/19

2 网络互连的原因 局域网 费用低 范围有限 广域网 费用高 范围广 2018/11/19

3 异构性不可避免 No single networking technology is best for all needs
没有哪一种网络互连技术可以适合所有的需要。 2018/11/19

4 通用服务的概念 网络互连中的基本概念 先驱：电话网，任意两台电话通信 通用服务：网络中的任意一对计算机可以互连 合乎需要
在异构世界中实现起来大有麻烦 2018/11/19

5 异构性与通用服务 网络之间的不兼容性 虽然非常需要通用性服务，网络硬件和物理地址之间的不兼容性妨碍了使用不同技术的网络之间进行互连。
电子特性 信号和数据编码的方式 信息包格式 地址方案 虽然非常需要通用性服务，网络硬件和物理地址之间的不兼容性妨碍了使用不同技术的网络之间进行互连。 2018/11/19

6 网络互连 从异构网络技术开始 连接物理网络 用软件来使产生的系统同构 称为互连网internetwork或因特网internet
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7 如何连接异构网络？ 采用一种特殊计算机系统： 能够完成网络连接任务 具有特殊用途 适合局域网和广域网 称为
网络路由器： Internet router 网关： Internet gateway 2018/11/19

8 路由器图示 云代表任意网络技术 每个网络一个接口 2018/11/19

9 重要思想 路由器是一台能够完成网络连接任务的、具有特殊用途的计算机。
路由器可以将采用不同技术的网络连接起来, 包括使用不同的媒介、不同物理地址模式,和不同帧结构格式的网络。 2018/11/19

10 互连网体系结构 多个 主机（Host）连接在一个网络上 单一路由器的不足 网络 路由器连接的网络 CPU 的功率和内存 I/O 性能
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11 互连网 目标: 实现一个单一的、无缝的通讯系统，该系统能够提供通用服务： 每个计算机一个地址 任何计算机均可向其他计算机发送数据包
隐藏物理连接、物理地址、路由信息等异构细节 2018/11/19

12 互连网概念 2018/11/19

13 如何隐藏异构性 构造一个“虚拟” 网络 需要发明 实现方法 注意:服务器和路由器都需要协议软件 地址模式 命名模式 协议软件
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14 互连网协议 TCP / IP 包含多个协议：协议suite 协同工作 分为五个概念层 2018/11/19

15 TCP/IP的分层结构 注意: TCP/IP 分层模式取代了旧的 ISO 模型 2018/11/19

16 TCP/IP 分层 第一层: 物理层 第二层: 网络接口层 第三层: 网络层 基本的网络硬件 MAC 帧格式 MAC 编址
(Note: MAC address = Media ACcess (hardware) address) 计算机和网络间的接口称为：NIC 第三层: 网络层 在由多个路由器连接的网络中传送信息包的机制 2018/11/19

17 TCP/IP 分层(接上) 第四层: 传输层 第五层: 应用层 为一台电脑上的应用程序传送数据到另一台电脑上的应用程序 其他方面
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18 网络互连协议 (IP) 仅指第三层的协议 是协议族的基础 规定了 网络编址模式 互连网的包格式 网络路由算法 2018/11/19

19 IP编址 抽象－“虚拟地址” 独立于硬件编码模式 使用者 高层协议 应用程序 2018/11/19

20 IP 地址 虚拟 为所有通讯使用 32位整数 每台主机有唯一值 仅为软件理解，硬件中并不存在。
为了在互连网中提供统一编址，协议软件定义了一个抽象 的编址模式，为每台逐渐分配了一个唯一的协议地址。 用户、应用程序和较高层协议软件均使用这种抽象的协议 地址进行通信。 2018/11/19

21 IP 地址构成 分成两个部分 全球权威分配唯一前缀给每一个网络 本地的管理者分配后缀给每一个主机 如何选择网络前缀和主机地址的边界？
前缀识别网络 后缀识别主机 为什么要分成这样的两层结构而不是flat式的？ 全球权威分配唯一前缀给每一个网络 本地的管理者分配后缀给每一个主机 如何选择网络前缀和主机地址的边界？ 2018/11/19

22 最初的IP地址类型 最初几位决定了类别 类别决定了前缀和后缀之间的界限 2018/11/19

23 点分十进位表示法 IP 地址的缩写 使人们避开了二进制（太长） 被点分离的数：8位一组，用十进制表示
这个名字不同于 2018/11/19

24 点分十进位表示法的例子 每32位地址由4个十进制的数值表示 每个十进制数 代表八个二进位 数值从 0 到 255 2018/11/19

25 各类地址和网络大小 地址的种类决定了网络的最大数目 A 类最多 B 类中等 C 类最少 2018/11/19

26 为主机分配IP地址的私有互连网的例子 云朵的大小用于指示对应于主机号码的物理网络；网络大小决定了分配的地址类 2018/11/19

27 路由器地址的图示 地址的前缀标明网络 每个连接需要一个地址 2018/11/19

28 IP 地址分配 一个 IP并不代表一台特定主机 . 相反, 每个IP 地址代表一个主机与网络间的连接.
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29 特殊地址 以上网络地址不用于信息包 loopback仅限于本机 2018/11/19

30 子网和无类编址 不属于最初的方案： 防止地址被耗尽 允许前缀和后缀的边界发生在任一点上 需要额外信息确定边界 IP地址正被耗尽
所有网络只能从三种网络大小中选一种，更加浪费空间。 必须克服这种限制。 防止地址被耗尽 允许前缀和后缀的边界发生在任一点上 需要额外信息确定边界 2018/11/19

31 地址掩码 和IP地址一起使用 32 位二进制数值 指明前缀和后缀边界 例子: B 类掩码 255.255.0.0
I bits cover prefix 0 bits cover suffix 例子: B 类掩码 2018/11/19

32 子网地址掩码 目标: 扩展地址空间 发明于八十年代 只在站点内部有效 技术 分配单个网络前缀给站点 把后缀分为两个部分：站点内的网络和主机
典型功用: 划分B类地址 2018/11/19

33 子网地址的例子 单个的B类数字如 128.10.0.0 分配给站点 站点选择子网界限如 24 位 路由器和主机使用对应的子网掩码进行配置
M= 给定目标地址, D, 用 “logical and” 操作提取前缀 D & M 2018/11/19

34 Classless Addressing：无类编址
目标: 扩展地址空间 发明于九十年代 因特网通用 兼容 原来的分类地址模式 子网掩码 其它形式 2018/11/19

35 Classless Addressing(续上)
技术描述 允许任意前缀大小 用一对数代表网络地址 (地址, 掩码大小) 命名为无类领域内路由(Classless Inter-Domain Routing ，CIDR) 2018/11/19

36 CIDR 使用反斜杠标志 例子 128.211.0.0/17 意味着前缀和后缀之间的边界出现在前17位之后
每个网络按需要可大可小(必须是2的幂) 2018/11/19

37 IP 信息包的动机 因为能连接异构网络，路由器无法传递不同网络的帧。 为了兼容异构性, 互连网必须定义一个硬件-独立的信息包格式。
2018/11/19

38 网络包 是抽象包 由软件产生并解读 包含发送端和目的端的地址 大小取决于携带的数据 称为IP 数据报 2018/11/19

39 IP 数据报的两部分 首部 包含目标地址 定长域 数据区 变长，最大限度 64K 没有最小限度 2018/11/19

40 数据报头 三个主要字段 源IP 地址 目标 IP 地址 包类型 2018/11/19

41 IP 数据报转发 由路由器完成 类似于广域网转发 不同于广域网转发 表驱动 表中指定下一跳节点 使用IP 地址
下一跳节点是路由器或目的地地址 2018/11/19

42 IP 路由表的例子 表 (b) 是 (a)的中间路由器的路由表 2018/11/19

43 路由表大小 因为路由表中的每一个目的地对应于一个网络, 路由表的表目数和互连网的网络个数成比例。 2018/11/19

44 数据报转发过程 给定数据报 找出目的地址字段, D 在路由表中查找D 找出下一跳节点地址, N 把数据报发给 N 2018/11/19

45 关键概念 数据报头的目的地址总是指一个最终地址。 当一个路由器转发数据报到另一个路由器时, 下一个节点的地址并不出现在数据报报头中。
2018/11/19

46 IP 通讯的语义 IP 是无连接的 数据报包含目的地址 每个数据报可独立收发 路由器会在任意时刻改变 2018/11/19

47 IP通讯语义(续上) IP 允许数据报发生： 因此：尽力传送（best-effort delivery）
时延 复制 无序发送 丢失 损坏 因此：尽力传送（best-effort delivery） 动因: IP兼容所有的网络，所以底层硬件可能出错。其结果是IP包被丢失、延迟、乱序或损坏。IP不是负责处理这些问题的协议层，需要更高层的协议软件来处理这些错误。 2018/11/19

48 地址解析 硬件仅使用MAC 地址 IP 只使用 IP 地址 结果: 需要软件来转换 这是网卡的功能 叫做地址解析
协议地址是软件提供的抽象，物理网络硬件不知道怎样 根据协议地址定位一台计算机。 在数据包发送之前，必须将下一跳的协议地址转换为对应的 硬件地址。 2018/11/19

49 地址解析 第二层的协议 给定： 发现： 技术 一个本地网, N N上一台电脑的IP 地址C C的硬件地址 地址解析协议ARP
将协议地址映射为硬件地址的过程称为地址解析。当主机或 路由器向同一物理网络中的另一台计算机发送包时需要使用 地址解析，而在向连接在远程的计算机发包时不需要。 2018/11/19

50 地址解析协议(ARP) 地址联编存放在表中 表的项包括每台电脑的一对地址 IP 地址 硬件地址 根据需要自动建表 2018/11/19

51 ARP 表 只包括本地网的计算机 每行的IP的前缀是一样 的 2018/11/19

52 ARP 地址查询 在ARP表中查找目标 IP 地址, T 找不到，则 从表中返回硬件地址 发送 ARP 请求信息给 T
在表中增加输入项 从表中返回硬件地址 2018/11/19

53 ARP 的插图 W 需要Y的硬件地址 请求通过广播发送 回答通过单播返回 2018/11/19

54 ARP 信息格式(以太网) 硬件地址字段的长度取决于网络的类型 以太网使用 48位地址 2018/11/19

55 ARP信息在帧中的传送 ARP 信息提交到帧的数据区 称为封装 如何区分ARP信息和其他数据类型呢？ 2018/11/19

56 帧类型 帧类型指出信息是否为 ARP 接收方检查帧类型 2018/11/19

57 Key point 因为ARP 软件只是网络接口软件的一部分, 因此所有的高层协议和应用程序都可尽情使用 IP 地址, 而无须考虑识别硬件地址的问题。 2018/11/19

58 总结 互连网络 互连网的概念 解决异质性的问题 包括各种局域网和广域网 虚拟网络：提供通用服务 无缝连接：不必考虑帧格式的不同
统一 ：统一的编址方法 2018/11/19

59 总结(续上) 互连网构架 多种网络 通过路由器连接 路由器 特定用途的计算机系统 两个以上的网络互连 使用表转发数据包 2018/11/19

60 总结(续上) 网络协议(IP) TCP / IP的基本层次 定义 网络地址 发送语义 网络信息格式 (IP 数据报) 2018/11/19

61 总结(续上) 地址解析 需要将IP 地址转换成等价的硬件地址 在网卡中实现 使用表格 自动升级表格的输入项 广播请求 2018/11/19