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亦祖
5 years ago
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1 计算机网络计算机学院

2 第 10 章主要内容下一代网际协议 IPv6 (IPng) 多协议标记交换 MPLS P2P 文件共享

3 10.1 下一代的网际协议 IPv6 (IPng) 解决 IP 地址耗尽的措施从计算机本身发展以及从因特网规模和网络传输速率来看, 现在 IPv4 已很不适用最主要的问题就是 32 位的 IP 地址不够用要解决 IP 地址耗尽的问题的措施 : 采用无类别编址 CIDR, 使 IP 地址的分配更加合理采用网络地址转换 NAT 方法以节省全球 IP 地址采用具有更大地址空间的新版本的 IP 协议 IPv6

4 IPv6 的基本首部 IPv6 仍支持无连接的传送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 位增大到了 128 位扩展的地址层次结构灵活的首部格式改进的选项允许协议继续扩充支持即插即用 ( 即自动配置 ) 支持资源的预分配

5 IPv6 数据报的首部 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

6 IPv6 数据报的一般形式基本首部扩展首部 1 选项有效载荷扩展数据部分首部 N IPv6 数据报

7 位版本通信量类流标号有效载荷长度下一个首部跳数限制 IPv6 的基本首部 (40 B) 源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 ) IPv6 的有效载荷至 64 KB) 有效载荷 ( 扩展首部 / 数据 )

8 位版本通信量类流标号有效载荷长度下一个首部跳数限制 IPv6 的基本首部 (40 B) 源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 t) IPv6 的有效载荷至 64 KB) 有效载荷 ( 扩展首部 / 数据 / 数据 )

9 位 IPv6 的基本首部 40 B 版本通信量类流标号有效载荷长度下一个首部跳数限制源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 ) 版本 (version) 4 位它指明了协议的版本, 对 IPv6 该字段总是 6

10 位 IPv6 的基本首部 40 B 通信量类版本流标号有效载荷长度下一个首部跳数限制源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 ) 通信量类 (traffic class) 8 位这是为了区分不同的 IPv6 数据报的类别或优先级目前正在进行不同的通信量类性能的实验

11 位 IPv6 的基本首部 40 B 版本通信量类有效载荷长度下一个首部跳数限制源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 ) 流标号流标号 (flow label) 20 位流是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报, 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

12 位 IPv6 的基本首部 40 B 版本通信量类流标号有效载荷长度源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 ) 下一个首部跳数限制有效载荷长度 (payload length) 16 位它指明 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

13 位 IPv6 的基本首部 40 B 版本通信量类流标号有效载荷长度下一个首部源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 ) 跳数限制下一个首部 (next header) 8 位它相当于 IPv4 的协议字段或可选字段

14 位 IPv6 的基本首部 40 B 版本通信量类流标号有效载荷长度下一个首部源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 ) 跳数限制跳数限制 (hop limit) 8 位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

15 位 IPv6 的基本首部 40 B 版本通信量类流标号有效载荷长度下一个首部跳数限制源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 ) 源地址 128 位是数据报的发送站的 IP 地址

16 位 IPv6 的基本首部 40 B 版本通信量类流标号有效载荷长度下一个首部跳数限制源地址 (128 位 ) 目的地址 (128 位 ) 目的地址 128 位是数据报的接收站的 IP 地址

17 IPv6 的扩展首部 1. 扩展首部及下一个首部字段 IPv6 把原来 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 ) 这样就大大提高了路由器的处理效率

18 六种扩展首部在 RFC 2460 中定义了六种扩展首部 : 逐跳选项路由选择分片鉴别封装安全有效载荷目的站选项

19 IPv6 的扩展首部基本首部下一个首部 = TCP/UDP 无扩展首部 TCP/UDP 首部和数据 (TCP/UDP 报文段 ) 有效载荷有扩展首部基本首部下一个首部 = 路由选择路由选择首部下一个首部 = 分片分片首部下一个首部 = TCP/UDP TCP/UDP 首部和数据 (TCP/UDP 报文段 ) 有效载荷

20 2. 扩展首部举例 IPv6 把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 分片扩展首部的格式如下 : 位下一个首部保留片偏移保留 M 标识符

21 扩展首部举例 200 字节 IPv6 数据报的有效载荷长度为 3000 字节下层的以太网的最大传送单元 MTU 是 1500 字节分成三个数据报片, 两个 1400 字节长, 最后一个是 200 字节长扩展首部 IPv6 基本首部分片首部 1 第一个分片 1400 字节 IPv6 基本首部分片首部 2 第二个分片 IPv6 基本首部分片首部 3 第三个分片 1400 字节

22 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

23 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 (3) 任播 (anycast) 这是 IPv6 增加的一种类型任播的目的站是一组计算机, 但数据报在交付时只交付其中的一个, 通常是距离最近的一个

24 结点与接口 IPv6 将实现 IPv6 的主机和路由器均称为结点 IPv6 地址是分配给结点上面的接口一个接口可以有多个单播地址一个结点接口的单播地址可用来唯一地标志该结点

25 冒号十六进制记法 (colon hexadecimal notation) 每个 16 位的值用十六进制值表示, 各值之间用冒号分隔 68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF 零压缩 (zero compression), 即一连串连续的零可以为一对冒号所取代 FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以写成 :FF05::B3

26 点分十进制记法的后缀 0:0:0:0:0:0: 再使用零压缩即可得出 : :: CIDR 的斜线表示法仍然可用 60 位的前缀 12AB CD3 可记为 : 12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/6 0 或 12AB::CD30:0:0:0:0/60 或 12AB:0:0:CD30::/60

27 2. 地址空间的分配 IPv6 将 128 位地址空间分为两大部分第一部分是可变长度的类型前缀, 它定义了地址的目的第二部分是地址的其余部分, 其长度也是可变的 128 位长度可变类型前缀长度可变地址的其他部分

28 3. 特殊地址未指明地址这是 16 字节的全 0 地址, 可缩写为两个冒号 :: 这个地址只能为还没有配置到一个标准的 IP 地址的主机当作源地址使用环回地址即 0:0:0:0:0:0:0:1( 记为 ::1) 基于 IPv4 的地址前缀为保留一小部分地址作为与 IPv4 兼容的本地链路单播地址

29 前缀为的地址前缀为是保留一小部分地址与 IPv4 兼容的, 这是因为必须要考虑到在比较长的时期 IPv4 和 IPv6 将会同时存在, 而有的结点不支持 IPv6 因此数据报在这两类结点之间转发时, 就必须进行地址的转换 IPv4 映射的 IPv6 地址 80 位 16 位 32 位 FFFF IPv4 地址

30 4. 全球单播地址的等级结构 IPv6 扩展了地址的分级概念, 使用以下三个等级 : (1) 全球路由选择前缀, 占 48 位 (2) 子网标识符, 占 16 位 (3) 接口标识符, 占 64 位第一级第二级第三级位全球路由选择前缀子网标识符接口标识符 (48 位 ) (16 位 ) (64 位 )

31 EUI-64 IEEE 定义了一个标准的 64 位全球唯一地址格式 EUI-64 EUI-64 前三个字节 (24 位 ) 仍为公司标识符, 但后面的扩展标识符是五个字节 (40 位 ) 较为复杂的是当需要将 48 位的以太网硬件地址转换为 IPv6 地址

32 把以太网地址转换为 IPv6 地址 G/L 位 I/G 位位 IEEE 802 地址 cccccc0gcccccccccccccccc 低 24 位位接口 cccccc1gcccccccccccccccc 低 24 位标识符 G/L = 1 0xFFFE

33 从 IPv4 向 IPv6 过渡向 IPv6 过渡只能采用逐步演进的办法, 同时, 还必须使新安装的 IPv6 系统能够向后兼容 IPv6 系统必须能够接收和转发 IPv4 分组, 并且能够为 IPv4 分组选择路由双协议栈 (dual stack) 是指在完全过渡到 IPv6 之前, 使一部分主机 ( 或路由器 ) 装有两个协议栈, 一个 IPv4 和一个 IPv6

34 用双协议栈进行从 IPv4 到 IPv6 的过渡双协议栈 IPv4 网络双协议栈 IPv6 IPv6/IPv4 IPv6/IPv4 IPv6 A B C D E F 流标号 :X 源地址 :A 目的地址 :F 源地址 :A 目的地址 :F 源地址 :A 目的地址 :F 流标号 : 无源地址 :A 目的地址 :F 数据部分数据部分数据部分数据部分 IPv6 数据报 IPv4 数据报 IPv6 数据报

35 使用隧道技术从 IPv4 到 IPv6 过渡双协议栈双协议栈 IPv6 IPv4 网络 IPv6/IPv4 IPv6/IPv4 IPv6 A B 隧道 E F 双协议栈双协议栈 IPv6 IPv6/IPv4 IPv4 网络 IPv6/IPv4 A B C D E F IPv6 流标号 :X 源地址 :A 目的地址 :F 源地址 :B 目的地址 :E IPv4 网络源地址 :B 目的地址 :E 流标号 :X 源地址 :A 目的地址 :F 数据部分 IPv6 数据报 IPv6 数据报 IPv6 数据报数据部分 IPv6 数据报 IPv4 数据报 IPv4 数据报

36 ICMPv6 ICMPv6 的报文格式和 IPv4 使用的 ICMP 的相似, 即前 4 个字节的字段名称都是一样的但 ICMPv6 将第 5 个字节起的后面部分作为报文主体 ICMPv6 的报文划分为四大类差错报告报文提供信息的报文多播听众发现报文邻站发现报文

37 10.2 多协议标记交换 MPLS (MultiProtocol Label Switching) MPLS 的产生背景在 20 世纪 80 年代, 出现了一种思路 : 用面向连接的方式取代 IP 的无连接分组交换方式, 这样就可以利用更快捷的查找算法, 而不必使用最长前缀匹配的方法来查找路由表这种基本概念就叫做交换 (switching) 人们经常把这种交换概念与异步传递方式 ATM (Asynchronous Transfer Mode) 联系起来, 在传统的路由器上也可以实现这种交换

38 为了实现交换, 可以利用面向连接的概念, 使每个分组携带一个叫做标记 (label) 的小整数当分组到达交换机时, 交换机读取分组的标记, 并用标记值来检索分组转发表 0 1 S 2 S 1 0 标号转发接口 S 1 的转发表 1 0 S 3

39 MPLS 的特点支持面向连接的服务质量支持流量工程, 平衡网络负载有效地支持虚拟专用网 VPN

40 MPLS 的工作原理 1. 基本工作过程 MPLS 对打上固定长度标记的分组用硬件进行转发, 使分组转发过程中省去了每到达一个结点都要查找路由表的过程, 因而分组转发的速率大大加快采用硬件技术对打上标记的分组进行转发称为标记交换交换也表示在转发分组时不再上升到第三层用软件分析 IP 首部和查找转发表, 而是根据第二层的标记用硬件进行转发

41 MPLS 协议的基本原理打上标记 A LDP MPLS 域 B LDP LDP 去除标记标记交换标记交换 C D 标记交换 MPLS 入口结点 MPLS 出口结点普通 IP 分组普通路由器打上标记的分组标记交换路由器 LSR

42 MPLS 的基本工作过程 MPLS 域中的各 LSR 使用专门的标记分配协议 LDP 交换报文, 并找出标记交换路径 LSP 各 LSR 根据这些路径构造出分组转发表分组进入到 MPLS 域时, MPLS 入口结点把分组打上标记, 并按照转发表将分组转发给下一个 LSR 以后的所有 LSR 都按照标记进行转发每经过一个 LSR, 要换一个新的标记当分组离开 MPLS 域时,MPLS 出口结点把分组的标记去除再以后就按照一般分组的转发方法进行转发

43 2. 转发等价类 FEC (Forwarding Equivalence Class) 转发等价类就是路由器按照同样方式对待的分组的集合划分 FEC 的方法不受什么限制, 这都由网络管理员来控制, 因此非常灵活入口结点并不是给每一个分组指派一个不同的标记, 而是将属于同样 FEC 的分组都指派同样的标记 FEC 和标记是一一对应的关系.

44 虚电路合并 (VC merging) FEC 可以有不同的粒度细粒度的例子 : 为特定源主机和目的主机之间的特定应用指派的 FEC 粗粒度的例子 : 与特定出口 LSR 相关联的 FEC 是许多应用流聚合到出口 LSR 离开 MPLS 域, 它的根在出口 LSR 这种应用流的聚合也称为虚电路合并这样做可以大大减少转发表中的项目数

45 应用流聚合到出口 LSR 入口 LSR 入口 LSR 入口 LSR 1 3 S 出口 LSR 入口 LSR 3 S 3 S S 入口 LSR 入口 LSR

46 FEC 用于负载平衡 H 1 A B C H 3 H 2 D E H 4 (a) 传统路由选择协议使最短路径 A B C 过载 H 1 A B C H 3 D E H 2 H 4 (b) 利用 FEC 使通信量分散

47 MPLS 首部的位置与格式 MPLS 的一个重要功能就可以构成标记栈 MPLS 标记的格式以及标记栈 : 位标记值试验 S 生存时间 TTL 以太网帧栈顶栈底帧首部 MPLS 标记 MPLS 标记 IP 首部数据部分帧尾部发送在前 MPLS 标记栈 IP 数据报

48 MPLS 标记 MPLS 标记一旦产生就压入到标记栈中, 而整个标记栈放在数据链路层首部和 IP 首部之间栈是一种后进先出的数据结构 MPLS 协议规定, 标记栈的栈顶 ( 最后进入栈的标记 ) 最靠近数据链路层首部, 而栈底最靠近 IP 首部在最简单的情况下, 标记栈中只有一个标记

49 A MPLS 标记栈的使用厂区 1 厂区 2 B C D MPLS 域 1 A B MPLS 域 2 C D 标记入栈标记入栈标记出栈标记出栈

50 10.3 P2P 文件共享自从因特网能够提供音频 / 视频服务后, 宽带上网用户数也急剧增长很多用户使用宽带接入的目的就是为了更快地下载音频 / 视频文件 P2P 工作方式受到广大网民的欢迎这种工作方式解决了集中式媒体服务器可能出现的瓶颈问题在 P2P 工作方式下, 所有的音频 / 视频文件都是在普通的因特网用户之间传输这是相当于有很多分散在各地的媒体服务器向其他用户提供所要下载的音频 / 视频文件

51 Napster 最早出现的 P2P 技术, 可提供免费下载 MP3 音乐 Napster 能够搜索音乐文件, 能够提供检索功能所有的音乐文件地址集中存放在一个 Napster 目录服务器中使用者可很方便地下载需要的 MP3 文件用户要及时向 Napster 的目录服务器报告自己存有的音乐文件当用户想下载某个 MP3 文件时, 就向目录服务器发出询问目录服务器检索出结果后向用户返回存放此文件的 PC 机的 IP 地址 Napster 的文件传输是分散的, 但文件的定位则是集中的这种集中式目录服务器的缺点就是可靠性差 Napster 被判决属于间接侵害版权, 因此在 2000 年 7 月底 Napster 网站就被迫关闭了

52 Gnutella Gnutella 是第二代 P2P 文件共享程序, 它全分布方法定位内容的 P2P 文件共享应用程序 Gnutella 与 Napster 最大的区别就是不使用集中式的目录服务器, 而是使用洪泛法在大量 Gnutella 用户之间进行查询为了不使查询的通信量过大,Gnutella 设计了一种有限范围的洪泛查询这样可以减少倾注到因特网的查询流量, 但由于查询的范围受限, 因而这也影响到查询定位的准确性

53 第三代 P2P 共享文件程序 emule 使用分散定位和分散传输技术, 把每一个文件划分为许多小文件块, 并使用多源文件传输协议 MFTP 进行传送因此用户可以同时从很多地方下载一个文件中的不同文件块由于每一个文件块都很小, 并且是并行下载, 所以下载可以比较快地完成 emule 用户在下载文件的同时, 也在上传文件, 因此, 因特网上成千上万的 emule 用户在同时下载和上传一个个小的文件块

54 emule 的其他特点 emule 使用了一些服务器这些服务器并不是保存音频 / 视频文件, 而是保存用户的有关信息, 因而可以告诉用户从哪些地方可以下载到所需的文件 emule 使用了专门定义的文件夹, 让用户存放可以和其他用户共享的文件 emule 的下载文件规则是鼓励用户向其他用户上传文件用户上传文件越多, 其下载文件的优先级就越高 ( 因而下载就越快 )

第 7 章下一代网际协议 IPv6 141 足的措施只能是权宜之计 (3) 路由表膨胀早期 IPv4 的地址结构也造成了路由表的容量过大 IPv4 地址早期为网络号 + 主机号结构, 后来引入

第 7 章下一代网际协议 IPv6 141 足的措施只能是权宜之计 (3) 路由表膨胀早期 IPv4 的地址结构也造成了路由表的容量过大 IPv4 地址早期为网络号 + 主机号结构, 后来引入第 7 章下一代网际协议 IPv6 本章是有关下一代网际协议 IPv6 的描述, 重点介绍 IPv6 的产生原因 IPv6 的地址与 IPv6 首部格式等通过本章的学习, 读者应重点掌握和理解以下内容 : IPv4 向 IPv6 发展的必然性 IPv6 的新特性 IPv6 地