Microsoft PowerPoint - 12-CompNet(I)

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1 计算机网络 (I) 华中科技大学电子信息与通信学院通信工程系陈京文

2 内容提要 计算机网络简介 物理层及链路层 网络互联及 IP IP 网络编址 IP 数据报传输 现代通信网 2

3 计算机网络 计算机网络 : 互相连接 自主的计算机的集合 以其通用性支持各种各样的网络应用, 而不是用于特定通信业务 基本需求 : 网络连通性 成本合算的资源共享 支持共性服务 系统元素 计算机 ( 主机 ): 包含各种网络应用 中间节点 ( 交换机 / 路由器 ): 用于主机之间的数据转发 链路 : 点到点链路 广播媒质 网络连通性 : 提供任意两台计算机之间的连接 直接连接 : 点到点链路 广播媒质 间接连接 : 通过一或多个中间节点 计算机网络 3

4 网络分层与数据传输 :IP 网络 host HTTP HTTP message host HTTP TCP TCP segment TCP router router IP IP packet IP IP packet IP IP packet IP Ethernet interface Ethernet interface SONET interface SONET interface Ethernet interface Ethernet interface Ethernet frame SONET frame 现代通信网 Ethernet frame 4

5 网络交换设备 集线器 (hub): 物理层设备, 简单的广播式复制 交换机 (switch): 通常指数据链路层交换机 基于单一的数据链路层协议 网桥 (bridge): 数据链路层转发设备 早期的网桥可用于多个 多种局域网的连接 ( 桥接, bid bridging), i 端口有限 现在局域网交换机即为多端口网桥 路由器 (router): 网络层转发设备 现代通信网 5

6 计算机网络应用 信息发布 WWW, BBS 资源共享 文件服务器, 数据库服务器, BitTorrent t (BT) 个人通信 电子邮件 ( ), 即时通信 (instant messenger), 视频会议 (video conference) 娱乐网络游戏 (online game), 视频点播 (video on demand), 视频直播 (live streaming) 计算机网络 6

7 内容提要 计算机网络简介 物理层及链路层概述 网络互联及 IP IP 网络编址 IP 数据报传输 现代通信网 7

8 物理层 物理层 : 物理链路中的比特流传输 物理链路 有线 无线 专用线路 租用线路 点到点 广播式 接入网链路 编码 NRZ,NRZI,,, 曼彻斯特, 网络接口 机械, 电气, 功能, 规程 现代通信网 8

9 数据链路层 : 直连网络 (1) 数据链路层 : 网络接口之间的帧传输 成帧 : 确定比特流中一帧的起点和终点 面向字节 面向比特 差错检测 二维奇偶校验 循环冗余校验 校验和 可靠传输 : 确认 超时 重传 停止等待 滑动窗口 现代通信网 9

10 数据链路层 : 直连网络 (2) 以太网 ( 共享式 ) 帧结构 最小帧长 媒体接入控制 (MAC): CSMA/CD 现代通信网 10

11 数据链路层 : 交换网络 (1) 分组交换 : 如何转发 / 交换所收到的分组 数据报, 虚电路 数据报交换 : 每分组转发处理 对于每个分组, 查询交换表 / 转发表, 确定输出端口并排队输出 Host D 3 0 Switch 1 1 Host E Host F Host C Switch Host A Host G 0 Switch Host B 2 现代通信网 Host H 11

12 数据链路层 : 交换网络 (2) Switch 1 2 Switch Switch Host A 虚电路交换 : 基于逻辑连接 ( 虚电路 ) 2 Host B 每个分组包含虚电路标识 (VCI), 据此查询虚电路表确定输出端口 数据链路层交换机转发表生成维护 自学习 生成树 交换机设计 性能考虑 : 吞吐量 可扩展性 结构 : 输出缓存, 交换矩阵 现代通信网 12

13 内容提要 计算机网络简介 物理层及链路层 网络互联及 IP IP 网络编址 IP 数据报传输 现代通信网 13

14 网络互联 网络互联 (Internetworking): 连接多个 单一 类型 ( 如以太网,WiFi 等 ) 的网络, 使得这些不同类型网络中的主机能够相互通信 单一 类型网络 采用单一类型网络技术, 如点到点链路 多路接入网络 链路层交换机等 互联网络 (Internetwork) 多个 单一 类型网络互联的集合 基于各种 单一 类型网络构建而成 最佳实例 : 因特网 (Internet) 现代通信网 14

15 互联网络 : 示例 现代通信网 15

16 互联网络 : 示例 ( 续 ) 现代通信网 16

17 网络互联的基本技术挑战 底层网络的异质性 (Heterogeneity) 编址 (addressing) 媒质接入控制 (media access control) 路由 (routing) 服务模型 (service model) 可扩展性 (Scalability) 编址 : 地址空间 分层次 (hierarchical) 或平铺式 路由 : 计算路径, 转发表及其规模 现代通信网 17

18 网络互联基本问题 分组交换机制? 交换方式 : 数据报 虚电路 编址 : 与交换方式相关 路由 ( 交换 / 转发表构建 )? 获取网络拓扑信息, 计算端到端传输路径 ( 即路由计算 ) 配置交换 / 路由节点, 实现路由计算结果 传输服务? 传输质量 : 可靠性, 速率等 其它? 速率控制 : 发送端发送速率自适应于接收端速率 网络当前容量 网络资源分配 现代通信网 18

19 IP 协议 IP Internet Protocol 连接不同类型网络的网络层协议 网络互联设备 :IP 路由器 (router) 包含分组格式 分组转发 控制协议 与上层协议接口分组转发等的规范 当前版本为 IPv4, 新版本 IPv6 尚未广泛部署 最成功的网络互联协议, 还在发展演进中 现代通信网 19

20 IP 服务模型 设计思路 : 最小服务 (minimal service) 可与任意类型网络技术协同工作, 甚至包括将来 ( 尚未出现 ) 的网络技术 新的网络技术出现时, 对于 IP 的影响最小 IP 服务模型 (service model) 数据报传送 尽力交付服务 分层次编址 (hierarchical addressing) 可运行于任何底层网络 (running over anything) 现代通信网 20

21 IP 服务模型 ( 续 ) 数据报传送 (Datagram delivery) 数据报交换 : 无连接, 每数据报处理, 健壮性 较虚电路交换简单 尽力交付服务 (Best effort service): 尽其努力传送数据报 不保证成功交付 不可靠传送服务 但并不表明数据报会丢失 背后的考量 复杂的操作 ( 如实现可靠传输 ) 留给终端主机完成 概念延伸 : 简单的网络核心, 复杂的边缘网络 现代通信网 21

22 IP 数据报格式 IP version Time to Live, i.e., max # hops allowed, decremented each hop upper layer protocol to deliver data hdr. length (bytes) type of service (not used) Version HLen TOS Length Ident Flags Offset TTL Protocol Checksum SourceAddr DestinationAddr Options (variable) Data Pad (variable) total datagram length (bytes) 65535B max. for fragmentation/ reassembly e.g. timestamp, record of route taken, specified list of routers to visit. 现代通信网 22

23 内容提要 计算机网络简介 物理层及链路层 网络互联及 IP IP 网络编址 IP 数据报传输 现代通信网 23

24 IP 编址 网络互联的编址问题 : 底层网络采用不同的编址方案 解决方案 : 制定网络互联编址方案, 用于不同底层网络中的主机之间的寻址 IP 编址 长度为 4 字节 通常记为点分十进制形式, 如 分层次编址 以应对可扩展性问题 现代通信网 24

25 分级地址空间 每个 IP 地址包含两个部分 网络号 + 主机号 IP 地址类别 :A, B, C, D, E 其网络号由先导比特表征, 长度取决于地址类别 (a) 0 Network 7 24 Host (b) Network Host (c) Network Host 现代通信网 25

26 IP 地址与网络接口 现代通信网 26

27 IP 编址原则 IP 地址中的网络号唯一地标定一个网络 ( 子网 ) 连接至同一网络的所有主机和路由器网络接口,IP 地址具有相同的网络号 给定一个 IP 地址, 路由器可以确定其网络号 ( 即该地址所属网络 ) 现代通信网 27

28 IP 有类别编址方案的可扩展性 IP 基本编址方案基于类别 (A, B, C, ), 称为有类别的 (classful), 存在两个问题 问题 1: 地址空间的低效使用 问题 2: 路由 ( 转发 ) 表较长 IP 基本编址方案的两种改进 子网划分 (subnetting): 解决问题 1 无类别域间路由 (Classless l Inter-Domain Routing, CIDR): 解决问题 1 和 2 现代通信网 28

29 IP 地址耗尽问题 IPv4 地址空间为 32bit, 总的地址数量约为 4G 并非所有地址均为主机及其网络接口所用 部分空间用于组播 (multicast) 或预留用于其它用途 IP 地址耗尽的主要原因 因特网的快速增长 低效的地址分配 示例 1: 连接 10 台主机的网络 根据有类别的 IP 编址方案, 需要一个 C 类地址块 效率 : 10/256, ~4% 示例 2: 连接 300 台主机的网络 需要一个 B 类地址块 效率 : 300/65536, ~0.5% 现代通信网 29

30 基于子网的地址分配 通过子网划分 (Subnetting), 将一个网络分成多个小的网络, 即子网 (subnet) 示例 :3 个网络, 主机数分别为 IP 基本编址方案 需要 3 个 C 类地址块 效率 : 200/(3x256), ~26% 子网划分方案 只需 1 个 C 类地址块 分为 3 个子网 : 地址数分别为 分别容纳 台主机 效率 : 200/256, ~78% 现代通信网 30

31 划分子网 示例 : 给定一个 C 类 IP 地址块 , 将其分为 3 个子网, 分别包含 个地址 Subnet Number Subnet Mask Addresses 注意 主机号为全 0 表示该网络整体 主机号为全 1 表示该网络的所有主机, 即广播地址 现代通信网 31

32 划分子网 ( 续 ) 现代通信网 32

33 划分子网 ( 续 ) 现代通信网 33

34 子网划分指导原则 根据子网主机数目从大到小的顺序 算出子网主机数目所需的编址二进制位数 (bit), 记为 x 示例 :14 个地址 4 bits Q: 16 个地址? 子网地址开头的 (32-x) 位 ( 二进制 ) 应相同 该子网的网络掩码 (network mask) 前 (32-x) bits 为 1, 其余为 0 现代通信网 34

35 提出 CIDR 的动机 CIDR - Classless Interdomain Routing ( 无类别域间路由 ) 示例 : 一个 ISP (Internet Service Provider) 网络包含 1000 台主机 如采用 IP 基本地址分配方案 (classful), 则需要一个 B 类地址块 效率 : 1000/65536, ~0.15% 问题 IP 基本地址分配方案中, 地址块划分颗粒度 (granularity) 太粗, 只能为 256, 65k, 17M 解决方案 使得网络大小的颗粒度更精细 示例 : 给定多个 C 类地址块 网络大小可以为 be 256, 512, 1024, 2048, 现代通信网 35

36 CIDR 示例 一个 IP 网络包含 1000 台主机, 拥有 4 个连续的 C 类地址块 地址分别为 显然这 4 个 C 类网络地址的前 22 bits 相同 采用 CIDR, 即为网络号为 22 bits 的 IP 网络 这一无类别网络号 (classless network number) 记为 /22, 即网络号由 中的前 22 bits 给定 现代通信网 36

37 CIDR 需要连续的地址块 CIDR 实际上聚合了网络地址信息, 但只能用于连续的地址块 示例 : 与前例类似 拥有的 C 类地址块不连续, 分别为 , , , 不能聚合, 即不能以单一的 CIDR 地址块呈现 CIDR 要求 : 连续地址块 + 所有地址块的高位相同 例如 ~ , 可由 /22 表征 对于 ~ , 则无法适用 CIDR 现代通信网 37

38 内容提要 计算机网络简介 物理层及链路层 网络互联及 IP IP 网络编址 IP 数据报传输 现代通信网 38

39 IP 数据报传输 数据报交换 任何主机任何时候均可发送分组 交换节点根据分组的目的地址, 查询其交换 / 转发表, 确定输出端口以转发该分组 IP 网络是数据报交换的实例 数据报 : IP 数据报 ( 数据包 ) 交换节点 : IP 路由器 地址 : IP 地址 IP 的分层次编址机制为 IP 路由和转发带来可扩展性 #network << #host, 路由器以网络为单位进行路由转发, 不区分单个的主机地址 现代通信网 39

40 IP 数据报传输 ( 续 ) 主机节点 if (NetNum of dst. == my NetNum) deliver pkt. to dst. directly else deliver pkt. to default router 路由节点 if (NetNum of dst. == NetNum of one of my interfaces) deliver pkt. to dst. over that interface else if (NetNum of dst. == NetNum of an entry in my forwarding table) deliver pkt. to NextHop given in this entry else deliver pkt. to default router 现代通信网 40

41 IP 数据报传输 : 同一网络 H1 和 H2 的 IP 地址网络号相同, 因此 H1 意识到可通过二层网络 ( 以太网 ) 直接将数据报发给 H2 H1 H2 H3 Network 1 (Ethernet) H7 R3 H8 Network 2 (Ethernet) R1 Network 4 (point-to-point) R2 H4 Network 3 (FDDI) Dst: Network2 现代通信网 H5 H6 41

42 IP 数据报传输 : 网络之间 给定目的地址,H1 知道这一数据报应发给默认路由器 R1 H1 H2 Network 2 (Ethernet) R1 的缺省路由器是 R2,R1 随后通过 FDDI 网络将数据报发给 R2 H3 R1 Network 1 (Ethernet) H7 R3 H8 R3 与 H8 在同一网络, 因此将数据报直接 Network 发给 4 H8 (point-to-point) R2 Dst: Network1 H4 Network 3 (FDDI) 根据转发表,R2 确定下一跳为 R3 H5 H6 现代通信网 42

43 IP 数据报转发 IP 数据报转发 : 路由节点中从一个端口收取数据报, 并将其经一个或多个端口输出的过程 基于路由节点中的转发表 转发表 每条记录包含 <NetNum, NextHop> 注 : 如果 IP 编址不分层次, 转发表中记录的形式为 <IPAddr, NextHop> NextHop 通常由路由模块运行某种路由协议计算得到 现代通信网 43

44 确定 IP 网络号 主机和路由节点中的 IP 数据报传输, 均需确定 IP 地址的网络号部分 (Network Number, NetNum) 由于子网划分和 CIDR, 网络号对应的比特数不再固定, 因此引入网络掩码 (Network mask) 以确定网络号 例 1: 某一网络接口的 IP 地址为 , 相应的网络掩码为 ( 即 24 个连续 1, 随后 8 个连续 0 ), 即其网络号由 /24 给定, 其中 24 表明该地址中的前 24 位标定网络号 例 2: IP 地址 , 网络掩码为 例 3: /22? 现代通信网 44

45 IP 转发表查询 基于 NetAddr/MaskLen 所给出的网络号 NetNum, 如 /24, IP 转发表形如 NetAddr/MaskLen / / / /24 Next Hop Router A Router B Router C Router D 路由节点中 IP 转发表查询 : if (NetNum of dst. == NetNum of an entry in forwarding table), 遍历转发表中的所有记录, 直到发现匹配记录 对于某一条记录 Net/m (NetAddr/MaskLen), 目的 IP 地址的前 m 比特 = Net 的前 m 比特 现代通信网 45

46 最长前缀匹配 示例 : 目的 IP 地址为 , 转发表中 /20 和 /24 两条记录均匹配这一地址 Q: 应选择哪一条记录以确定输出端口? 匹配原则 : 最长前缀匹配 (longest prefix match) 选择前缀匹配位数最多的记录 对于上述例子, 应选择 /24 现代通信网 46

47 小结 计算机网络简介 物理层及链路层 网络互联及 IP 基本问题,IP 简介 IP 网络编址 有类别编址及问题, 子网划分,CIDR IP 数据报传输 终端主机 路由节点中的 IP 数据报传输, 网络号确定 参考文献 - 教材第 7 章 现代通信网 47