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1 第六章网络互连与因特网 数据通信与计算机网络面向专业 : 信通系授课教师 : 刘剑毅 路由器 Router 本质上是一台 MIMO 的专用计算机 工作在 OSI 第三层 ( 网络层 ) 功能 : 在网络之间转发网络分组 ; 为网络分组寻找最佳传输路径 ; 实现子网隔离, 限制广播风暴 ( 目的地址无法识别时, 路由器将其丢弃, 而不是广播 比较网络交换机 ) 提供广域网服务 应用 : 把 LAN 连入广域网的核心连接设备 路由器与交换机的主要区别 : 用路由器连接起来的若干个网络, 它们仍是各自独立的 要想从一个网络访问用路由器连接起来的另一个网络中的站点, 必须指定该站点的逻辑地址 (IP 地址 ), 通过广播是无法与之进行通信的 用路由器进行网络互联 路由器的层次结构 路由器 路由器可以隔离冲突域和广播域 路由器 主机 1 主机 2 HUB 冲突域 1 广播域 1 HUB 冲突域 2 广播域 2 HUB 冲突域 3 应用层传输层互连网层数据链路层物理层 路由器互连网层 DL DL PHY PHY 应用层传输层互连网层数据链路层物理层 子网 1 子网 2 路由器的路由选择原理 也采用存储转发的方法 :( 类似于网桥 ) 接收并缓存 IP 数据分组 ; 提取分组中的目的主机的 IP 地址 ; 解析出目的主机所在的网络地址 ; 用目的网络地址查找路由表决定转发路径 : 如果目的网络地址就是与输入接口连接的网络, 则丢弃 ; 如果找到匹配项, 则通过对应接口转发出去 ; 未查到, 丢弃该分组 比较 : 交换机也用查表的方法决定转发路径, 但该表是 端口 -MAC 地址 表, 存放的是端口与目的 MAC 地址之间的关系, 要用帧中的 MAC 地址查表 ; 而路由器中的路由表是 端口 - 网络地址 表, 存放的是端口与目的网络地址之间的关系, 故要从分组中提取 IP 地址, 并解析出其中的网络地址部分来查表 路由处理器 CPU RAM 路由表 路由协议 ( 路由算法 ) 路由器的结构 网络接口 (LAN WAN CONSOLE) 交换结构 (Switching Fbric) 1

2 三种交换结构 存储器 : 基于通用的计算机, 采用中断方式触发路由动作, 交换速率 < 存储器读写带宽 /2 共享总线 : 任何瞬时总线上只允许存在一个分组, 其他分组只能排队等待 ( 类似于 CSMA) 交换速率 < 总线带宽 交换阵列 : 2N 条总线 转发的路径通过交叉点的通断来实现 相比共享总线, 拥有更高的交换速率 物理层 : 位的接收 路由器实现三层的网络结构 数据链路层 : 如以太网等 分散化的交换 : 按数据报目的地址, 在路由表中查找输出端口 目标 : 以线速实现输入端口处理 ; 排队 : 若数据报到达太快而来不及处理时, 会发生溢出 网际协议 IP 贡献 : 使世界范围内的无数异构网络统一在一起, 对用户呈现出如同在一个网络 (Internet) 上的通信服务 IP 协议簇 : IP 地址的演进 : 分类地址 (A ~E): 最早的编址方案 已成为历史 子网掩码 : 改进的方案 广泛使用中 CIDR: 进一步的改进 延长了 IPv4 的使用寿命 IPv6: 地址空间问题的终极解决方案 (128bit) 目前已处于市场化的前夜 network 分类的 IP 地址 二级编址方案 IP ddress ::={<net-id>,<host-id>} clss A B C D host 1 network host 11 network host 111 multicst ddress 32 bits 1... to to to to 分类的 IP 地址 分类的初衷 : 用 3 种网络尺寸来适应不同用户的网络规模,host-id 则由用户自行分配管理 点分十进制 : 提高 IP 地址的可读性 特殊的地址 : 全 : 本机或本网络 全 1: 广播地址 127: 留做测试用 路由器身兼数网, 必拥有多个 net-id( 多个 IP 地址 ) 转发器或桥接器所连接的网络则身处同一个网络, 使用一个 netid Motivtion: 划分子网 3 类地址所容纳的主机数有时对某些单位而言仍显过大, 需要进一步划分 过大的网络规模 -> 过大的网络负载 -> 恶化的吞吐量 Method: 三级的编址方案 : 保持 net-id 不变, 而占用一部分 host-id 字段, 分割出一段做为 subnet-id IP ddress ::={<net-id>, <subnet-id>, <host-id>} 引入子网掩码 : 因为原始的 IP 地址中并未提供子网的任何信息 2

3 子网掩码 Subnet ddress = AND(IP ddress, subnet msk) Host-id = AND(IP ddress, NOT(subnet msk)) 不划分子网时的子网掩码 : 保持协议一致性 A: B: C: 改进之处 : 将网络号与主机号的分割粒度 (grnulrity) 由 byte 细化到 bit, 从而带来更大的灵活性 代价 : 减少了原本网络可以容纳的主机数量 e.g. 一个 B 类网络的主机数 =65534 假设 6bit 的子网号, 则子网数目 =pow(2,6)-2=62 每个子网的主机数目 =pow(2,1)-2=122 主机总数 =62 122=63364 无分类域间路由选择 CIDR CIDR: Clssless InterDomin Routing 完全摒弃了 A B C 等地址类别的划分 又回归到了二级的编址方案 IP ddress ::={<net-prefix>,<host-id>} 拓展子网的 ide 到超网, 地址的网络前缀部分长度可以任意, 以史无前例的灵活性分配 IPv4 地址空间, 事实上它的使用已经推迟了 IPv4 地址耗尽的日期 地址格式 :.b.c.d/x, 这里的 x 表示地址中网络前缀部分的位数 一个 CIDR 地址块的例子 : network host prt prt /23 IP 地址 v.s. MAC 地址 MAC 地址又称物理地址 硬件地址 Router 根据 IP 地址选择路由, Router 身兼数网, 必拥有多对 IP 和 MAC 地址 ; IP 包中的源宿地址在整个传递过程中都不被篡改 ; 而 MAC 地址则在不同网段不断变化 IP 地址到 MAC 地址的翻译由地址解析协议 (ARP) 完成 ( 不翻译则无法实现数传,why?) 分组的旅行过程 基于分类 IP 地址的分组转发过程 : 路由器上的操作 : 1 当收到一个 IP 包, 从中提取目的站 IP 地址, 并解析出网络地址 ; 基于类别 Flg 决定网络地址的 byte 数 ; 2 若该地址对应的网络与本 router 直连, 则通过该直连网络把分组直接交付给目的站 ;( 分组不会发生回流, 即不会产生重复发送,why?) 3 否则查表, 转发往对应的下一跳 (next hop) 的 router 地址 ; Tips: IP 包中填入的 S 和 D IP 地址在整个历程中都不被改动 ; IP 包中对路由起作用的是目的 IP 地址 ; 路由表基于目的站所在网络地址而非其 IP 地址来组织 ; Exmple: 3

4 基于子网掩码的分组转发过程 : 路由器上的操作 : 1 从 IP 包中提取目的站 IP 地址, 2 用与本 router 直连的子网的掩码逐个与目的 IP 相位与, 解析出网络地址 ( 子网地址 ), 若有匹配项, 则通过该直连子网直接交付给目的主机 ( 同样这里不会发生回流现象 ) Subnet ddress = AND(IP ddress, subnet msk) ; 3 否则继续查表 ; 与其余表项的掩码相位与, 解析出网络地址 ( 子网地址 ), 若有匹配项, 则转发往对应的下一跳 (next hop)router 地址 ; Tips: 子网地址是 <net-id> 与 <subnet-id> 的和集, 即子网号并不单独使用 ; subnet msk 存在于路由表中, 而 IP 包中并不体现 ; Exmple: 目的子网地址 子网掩码 下一跳 Port Port 首次匹配原则 : 当找到匹配子网地址表项后, 就不用再继续查表了 路由表由子网地址 子网掩码 和下一跳构成 ; 引入子网概念后, 一个单位可以在其内部自行切分网络, 并在子网间享受如同广 域网的路由功能, 而不用向 ICANN 申请网络号 ; 切分后的额子网对外仍呈现一个整体的网络 基于 CIDR 的分组转发 : CIDR 地址块 通过路由表的表项, 即网络前缀 掩码来体现, 路由表指示它们的下一跳 ; 使用 Msk 而非 Subnet Msk, 它根据 slsh 后的数字生成 转发算法与子网掩码的处理方式基本相同 ; Net prefix = AND(IP ddress, msk) ; 引入分层路由的思想, 又称地址聚合, 解决庞大路由表的问题 ( 右图 ), 最长匹配原则 : 查表时对于获得的多个网络前缀匹配结果, 选择最长前缀对应的下一跳 因为地址块越小, 路由就越具体 IP 协议版本号 首部长度 (bytes) 服务 类型 余留步跳 ( 在经过每个路由器后递减 ) 用来递交有效负荷的上层协议 IP 数据报格式 ver 32 bits hed. type of len service length 16-bit identifier flgs time to live protocol heder checksum 32 bit source IP ddress dt ( 可变长度, 一般为一个 TCP 或 UDP 数据段 ) frgment 32 bit destintion IP ddress Options (if ny) 总长度 (bytes) 用于分包 / 重装 E.g. 纪录路由标记, 定义要访问的路由器 网络链路具有 MTU ( 最大传输单位 ) 属性 是有链路层最大帧的限制决定的. 不同类型的链路, 不同的 MTUs 较大的 IP 分组在网络中会被分割 ( frgmented ) 一个分组就被分成了若干分组 分组只是在最终的信宿站点被重新 组装 - ressembled 在 IP 分组的首部有些位标记用来确认和排序相关的组 片 IP 分包 & 重组 ressembly frgmenttion: in: one lrge dtgrm out: 3 smller dtgrms IP 分片和重组 : 例 length ID =4 =x MF = DF =1 = 一个大的分组被划为若干较小的分组 length =15 length =15 length =14 ID =x ID =x ID =x MF =1 MF =1 MF = DF = DF = DF = = = 148 = 296 4

5 IP 协议簇的其他成员 : 地址解析协议 (ARP) IP ddress->mac ddress, 路由转发过程中的必要环节 ; 与域名系统 (DNS) 的区别 : 层次 ; 对象 逆向地址解析协议 (RARP) MAC ddress -> IP ddress, 并不出现在路由过程中 ( 对比 Modem,Codec) 多用于无盘工作站的启动 控制报文协议 (ICMP) 在节点 ( 主机 router) 间传递控制信息 ( 类比 :HDLC 的 U 帧 ) 封装于 IP 包的 SDU 中, 但仍属于 Lyer3 协议 ; i.e. Echo 请求报文 ; 地址掩码请求报文 因特网的分层路由选择 多个路由器可以聚合成分区, 自治系统 (utonomous systems,as) 在同一 AS 中的路由器运行同样的路由选择协议 intr-as 路由选择协议 不同 AS 中的路由器可以运行不同的 intr- AS 路由选择协议 网关路由器 AS 中的特殊路由器 与其他同一 AS 中的路由器使用 intr-as 路由选择协议进行交往 同时负责同 AS 以外的信宿进行交往或路由选择 运行 inter-as 路由选择协议与其他的网关路由器进行交互 Intr-AS 和 Inter-AS 路由选择 C C.b b d A A. b inter-as, intr-as routing in gtewy A.c A.c c B. B c 网关 : 在网关服务器之间进行 inter-as 路由选择 b 在 AS 内部进行 intr-as 路由选择 network lyer link lyer physicl lyer Intr-AS 和 Inter-AS 路由选择 Inter-AS C.b routing between A. A nd B b A.c C Host d h1 c A b Intr-AS routing within AS A B. Host c h2 b B Intr-AS routing within AS B Intr-AS 路由选择 也称为内部网关协议 Interior Gtewy Protocols (IGP) RIP: Routing Informtion Protocol( 路由选择信息协议 ) 基于距离向量算法 (Distnce vector lgorithm) 每隔规定时间周期 ( 如 3 秒 ), 相邻路由器互相交换信息 ( 路由表 ), 以此来传递网络信息的变化 距离的度量单位 : 跳数 ( hop) 每经过一个路由器,hop++; mx = 15 hops(16 mens 不可达 ), 故 RIP 只适用于小型网络, 目前仍较常用 例子 : R1 R2 R3 D-Net-id Next-R hop D-Net-id Next-R hop D-Net-id Next-R hop D-Net-id Next-R hop D-Net-id Next-R hop D-Net-id Next-R hop

6 RIP 协议的主要缺点 :( 即距离向量法的缺陷 ) The Count-to-Infinity Problem: Rect rpidly to good news, but leisurely to bd news. OSPF (Open Shortest Pth First) 开放式最短路径优先 ( 协议 ) 集成多种算法 ( 最短路径 ; 链路状态 ; 洪泛 ; 分层 ) 的 IGP 路由协议, 复杂而强大 使用链路状态法 (Link Stte lgorithm) 在每个结点保有链路状态数据库, 存放全网络的拓扑 + 度量 ( 相比距离向量法仅记录邻站信息 ) 各节点基于该库计算出自己的路由表 ( 使用 Dijkstr 算法 ) 数据库的初始化 : 相邻节点间交互链路状态信息 ( 分布式路由思想 ), 直到各节点完成建立各自的数据库 数据库的更新 :( 动态算法的要求 ) 发现链路状态变化的路由器通过泛洪法向全网通知 因此更新速度很快, 不存在 Count-to-Infinity Problem 如何解决洪泛带来的 广播风暴 问题? OSPF 中的分层机制 : 在一个 AS 内部再划分若干 re, 上述的洪泛被规定在每个 re 内部 极大减少了区域内交互信息的流量, 使 OSPF 可以适用于更大型的网络 AS Inter-AS 路由选择 因特网的 inter-as 路由选择 BGP (Border Gtewy Protocol, 边界网关协议 ): 事实上的标准 路径向量 (Pth Vector) 协议 : 与距离向量协议类似 每个边界网关 (Border Gtewy) 与其相邻的对等站 (peers) 互换路由信息 ( 完整路径 ) e.g., 网关 X 向对等网关 W 发送了它存有的通往信宿 Z 的路径 : Pth (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,,Z W 可以选择或不选择 X 所提供的路径 出于政治 安全 经济等考虑 ( 与 IGP 的区别 ). 如果 W 选择了 X 提供的路径, 那么 : Pth (W,Z) = w, Pth (X,Z) 不存在 Count-to-Infinity Problem 6

7 为什么 Intr- 和 Inter-AS 路由选择不同? 策略 : Inter-AS: 网管需要控制自己信息流通的路经, 还有谁能路经并通过其管辖的网络. Intr-AS: 无需选择策略 性能 : Intr-AS: 将注意力集中在性能上 (i.e. 最短路径 ) Inter-AS: 策略的考虑要超过对性能的要求 网络层中的组播 因特网的 IP 协议实际上解决的是点对点的数据传输, 也称为单播 (unicst) 在网络中存在大量的应用需要解决一个发送方须将数据发送到一组接收方 一个网络软件的升级 流媒体的发送 ( 网上实况转播 ) WWW 的镜像站点的更新 此类应用的抽象称为多播或组播 (Multicst) 当前网络研究的热点之一 组播的示意图 源主机只用送出数据报的一份拷贝, 该数据报在路径分岔时复制转发 支持多播协议的称多播路由器 组播地址 在因特网和 ATM 网络中, 使用了地址间接 (ddress indirection) 的方法, 也就是一组用户使用唯一性的单一的标识 多播的分组使用该标识将分组传到所有加入该组的接收方 在因特网中, 专门保留了一类地址 (Clss D) 用来处理多播, 每个 D 类地址标志一组主机, 称为多播组 (multicst group), 它们接受同样的数据报 D 111 multicst ddress to bits IGMP, Internet Group Mngement Protocol 该协议在主机和其直接连接的路由器之间进行交互, 帮助多播路由器识别多播组成员主机 IGMP 报文封装于 IP 数据报之中, 但仍隶属 IP 协议簇 因为它向 IP 提供服务 IGMP 报文工作过程 (p.226) IGMP 报文类型 Membership query: generl Membership query: specific Membership report Leve group 发送方路由器 路由器主机 主机 目的查询加入多播组的主机查询加入多播组的特定主机报告申请或已经加入多播组报告推出特定的多播组 IGMP Wide re Multicst routing Query report 7

8 目标 : 找出以源主机为 root 的多播树 现实的问题是, 因特网中具有多播功能的路由器是极少数, 处于 孤岛 状态的多播路由器如何与现有网络兼容? 用 隧道技术 (IP in IP) 加以解决 : 隧道技术 在 IPv6 中的应用 多播路由选择 路由器的原理与结构 IP 地址的演进 本章小结 IP 分组的转发 ( 路由的实现 ) IP 数据报格式 因特网的路由选择协议 组播的概念 8