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1 计算机网络基础 Linux 系统 主要内容 计算机网络概述 第 10 章计算机网络基础 计算机网络协议计算机网络应用计算机网络安全下一代计算机网络 IPv6 1 参考教材 作者 :( 美 ) 库罗斯译者 : 陈鸣等 James F.Kurose 是美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的计算机科学系教授 他曾多次荣获杰出教师奖, 并获得 IEEE Taylor Booth 教育奖章, 还获得通气电气公司提供的研究基金 IBM 教职员发展奖和 Lilly 教学奖 1

2 参考教材 计算机网络 ( 第 5 版 ) 谢希仁电子工业出版社 计算机网络 Andrew. S Tanebaum 计算机网络基础 计算机网络概述 计算机网络概述 计算机网络的发展与形成 计算机网络的发展与形成计算机网络从 20 世纪 60 年代出现到 20 世纪 70 年代 80 年代兴起和发展直到 20 世纪 90 年代大发展进入 21 世纪以后, 计算机网络技术已经成为信息社会的基础设施, 深入到人类社会的方方面面 回顾人类社会通信技术 计算机技术和计算机网络技术发展的历程, 以及涉及到的技术理解计算机网络技术的形成和发展 计算机网络的定义 计算机网络是通过传输介质 通信设施和网络通信协议, 把分散在不同地点的计算机设备互连起来, 实现资源共享和数据传输的系统在上述计算机网络定义中, 涉及到 7 个知识点 : 1 传输介质 ;2 通信协议 ;3 不同地点 ;4 计算机设备 ;5 资源共享 ;6 数据传输 ;7 系统计算机网络的原理和技术围绕这 7 个知识点展开讨论, 对计算机网络的学习就是分析这些知识点的含义, 涵盖的内容, 涉及到的技术 2

3 计算机网络的物理结构计算机网络的物理构成由两级子网组成即通信子网和资源子网 计算机网络的拓扑结构 用拓扑学方法描述计算机网络的连接和构型拓扑图中的线条表示连接的通路拓扑图中的点表示连接节点 计算机网络协议体系结构 计算机网络的硬件和软件 协议是按层次结构设计的, 协议层次的集合构成了协议体系结构网络层次结构包含两个基本内容 : 网络实现的功能分解到若干个层次, 每个功能层的功能用同等层协议来实现 相邻层次之间通过接口交互必要的信息, 构成下层为上层提供服务的关系 计算机网络的硬件包括 计算机设备 ( 各种计算机 打印机 网络存储设备 为信息的发送和接收设备, 同时也是信息处理设备 ) 网络互连设备 ( 中继器 桥接器 路由器和协议转换器 ) 网络连接设备 ( 交换机 集线器 ) 传输介质 ( 有线介质 无线介质 ) 计算机网络的软件包括 网络体系结构网络操作系统网络协议软件网络工具软件网络编程软件网络应用软件 3

4 有关的技术标准 国际组织与有关的标准 Internet 标准及制定组织 RFC 文档 1969 年与 ARPANET 网络一起出现的, 目的是形成 Internet 网络研究的技术文档系列任何人都可以提交 RFC 文档, 但是要成为 Internet 技术标准, 是需要经过审核和验证的 RFC 文档是获得 Internet 技术发展状况与动态的主要信息来源之一,RFC 系列文档用数字命名阅读 RFC 文档时需要注意两个问题 : 一是确定是否为最新的文档二是需要注意文档的类别, 看是否为正式标准 有关 Internet 技术标准的网址 Internet 体系结构委员会 (IAB): Internet 网络信息中心 (InterNIC): Internet 工程任务组 (IETF): Internet 研究任务组 (IRTF): Internet 地址分配授权机构 (IANA): Internet 协会 (ISOC): WWW 联盟 : RFC 编辑组 : 国际电信联盟 (ITU): 美国国家科学基金会 (NSF): 美国计算机学会 (ACM): 美国电子电气工程师学会 (IEEE): 计算机网络协议 计算机网络协议是通信双方使用的语言 计算机网络协议是计算机网络中的计算机设备之间在相互通信时遵循的规则 标准和约定 这里说的计算机设备可以是主机 路由器 交换机等, 也可以认为是网络中的节点 计算机网络协议的格式 在计算机网络中用协议数据单元 (PDU, Protocol Data Unit) 描述通信协议 PDU 由控制部分和数据部分组成 控制部分由若干字段组成, 表示通信中用到的双方可以理解和遵循的协议和规则 人们之间的会话也在使用分层的概念, 人们之所以感觉不到是因为人们已经习惯了 以两个人之间的自然语言通信为例, 可以认为分为三个层次 : 传输层 ; 语言层 ; 知识层 4

5 在发送端协议数据单元 PDU 经过从上层向下层的封装 到达对方后, 再经由底层向上, 每一层去掉协议头, 称为拆包, 此时相当于对等层彼此理解 网络体系结构中的服务 计算机网络中的通信服务有两种不同类型一种是面向连接服务 (connection-oriented service) 另一种是无连接服务 (connectionless service) 开放系统互连 OSI 图示 OSI 参考模型各层的功能物理层 : 对等物理层的协议数据单元为比特流 物理层协议用 4 个特性描述和定义 数据链路层 : 涉及到相邻节点之间可靠传输, 需要完成的功能有链路管理 成帧 差错控制 流量控制和丢失等 网络层 : 涉及到源节点到目的访问节点之间可靠的传输, 是通信子网的最高层次, 需要完成的功能包括路由选择, 网络寻址 网络互连等 运输层 : 涉及到端 ( 主机 ) 到端 ( 主机 ) 之间可靠的运输, 起着承上启下的作用, 为高层屏蔽掉下面通信子网的差异 会话层 : 允许主机上的用户建立会话关系, 在一次会话连接中可以有多个会话内容单元, 提供会话同步 表示层 : 关心所传输数据信息的格式定义, 即信息的语法和语义 应用层 : 为应用进程提供访问计算机网络的途径, 构成不同的应用层协议数据单元 5

6 TCP/IP 层次结构与协议簇 (Protocol Suite) TCP/IP 中层次和地址 Application Presentation Session Transport Applications NFS SMTP FTP TELNET DNS SNMP RPC TCP UDP TFTP Application layer Transport layer TCP Process UDP Domain address Port address Network Data link Physical ICMP IGMP IP ARP Protocols defined by the underlying networks RARP Network layer Data link layer Physical layer IP and other protocols Underlying physical networks IP address Physical address OSI 与 TCP/IP 的比较 TCP/IP 模型与 OSI 模型的一个重要区别是可靠性问题,OSI 模型在所有各层都进行差错校验和处理 而 TCP/IP 仅在 TCP 层, 即仅在端到端进行差错控制 传输介质 有线传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤电信号的传播速度是光速的三分之二, 即 20 万千米 / 秒 无线传输介质 电磁波电信号的传播速度等于光速, 为 30 万千米 / 秒 6

7 双绞线 由一对相互绝缘的导线缠绕在一起构成, 四对双绞线构成一根线 双绞线在 Ethernet 网中用得很多, 它常用作星形拓扑结构连线 双绞线分为屏蔽和非屏蔽两大类 同轴电缆 最早用于数据网和局域网的一种线缆类型 由内向外分为 : 铜芯 绝缘层 屏蔽层 外包层用于局域网的同轴电缆 符合 IEEE 标准 Ethernet 网络环境需要, 阻抗为 50Ω 分为 RG58A/U 标准的细缆和 RG11 标准的粗缆, 细缆的塑料外皮颜色为黑色, 粗缆的塑料外皮颜色为黄色 光纤 光纤通信系统是以光波为载体 光导纤维为传输媒体的通信方式 可以这样理解 : 光源是光波产生的根源, 光纤是传输光波的导体光发送机的功能是产生光束, 将电信号转变成光信号, 再把光信号导入光纤光接收机的功能负责接收从光纤上传输的光信号, 并将它转变成电信号, 经解码后再作相应处理 无线传输介质 电磁波谱在无线传输介质 ( 指自由空间 ) 中, 电磁波沿自由空间传播传播速度为光速无线传输介质也称为非导向传输媒体 无线传输介质需要采用电磁波谱的某些可用频带 7

8 交换技术 交换技术在计算机网络通信过程中是必须要用到的, 对于长距离通信传输, 要用到交换技术 交换技术有 : 电路交换 报文交换分组交换信元交换 (ATM 网络 ) 电路交换 是面向连接的 通信双方在通信之前先建立一条连接, 然后在建立的连接上传输数据, 数据传输完后释放连接 在通信的过程中通信的双方独占这一连接 连接建立过程需要一定的时间 若连接经过的节点和线路有空闲的资源则允许连接建立, 否则不允许建立连接 电路交换适宜实时通信的应用, 生活中的电话通信就是采用电路交换的通信 电路交换 A A 和 B 通话经过四个交换机 A 到 B 的通话先建立一条连接, 然后在建立的连接上进行数据传输 C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话是在建立的连接线上 C 到 D 上进行 用户线 中继线 交换机 中继线 交换机 交换机 ( 交换机 ( C( 用户线 D( B 报文交换 报文交换与节点的存储转发联系双方通信的数据组成报文的格式报文是节点之间传输的数据节点先接收报文, 进行存储然后根据线路的情况决定通过线路向其它节点转发节点的存储转发需要一定的时延报文交换是无连接的报文的大小是不固定的 8

9 报文交换 : 存储 - 转发 L R R R 用 L/R 秒把 L bits 的分组传输 ( 输出 ) 到链路上 ( 速率是 R bps) 全部分组在被传输到下一链路前必须到达路由器 : 存储转发 delay = 3 L/R 例子 : L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps delay = 15 sec 分组交换 分组交换也与存储转发相联系把需要传输的数据 ( 报文 ) 分成长度固定的分组节点对分组进行存储转发分组的大小比报文小的多节点时延比较小, 即使传输有差错, 重传数据量比较小分组交换适合计算机数据的传输 计算机数据传输突发性高, 不适用电路交换, 因为线路的利用率非常低 分组交换可以分为面向连接的虚电路分组交换无连接的数据报分组交换 分组交换 : 报文分段 现在把报文分割成 5000 个分组 添加首部构成分组 每一个数据段 (DATA) 前面添加上首部构成分组 (PACKET) 每个分组 1500 bits 报文 1 ms 分配给每条线路传输 1 个分组每条线路并行工作 首部 P 1DATA DATA DATA P2 延迟从 15 sec 降低到 sec 首部 P 3 首部 9

10 分组交换的传输单元 分组交换网以 分组 作为数据传输单元, 依次把各分组发送到接收端 ( 假定接收端在左边 ) 收到分组后剥去首部 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 P 1 首部 P 1 DATA 首部 P 2 DATA P 3 收到的数据 首部 DATA 首部 P 2 DATA 首部 P 3 DATA 首部 DATA 最后还原成原来的报文 分组的存储转发过程 最后, 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 H2 H 4 以 H 1 向 H 5 发送分组为例 路由器 B D 互联网 报文 数据数据数据 主机 H 1 A E H 6 在路由器 E 暂存, 查找转发表找到转发的端口 在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口 H 3 C H 5 在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机 H5 10

11 三种交换的比较 连接建立 数据传送 连接释放 数据传送的特点 电路交换 data t M 报文交换 M A B C D A B C D A B C D 比特流直达终点报文报文报文分组分组分组 存储转发 M 分组交换 存储转发 时延 (delay 或 latency) 数据经历的总时延就是传输 ( 发送 ) 时延 传播时延 处理时延和排队时延之和 以从结点 A 向结点 B 发送数据为例 在结点 A 中产生处理时延和排队时延 数据 队列结点 A 在发送器产生传输时延 ( 即发送时延 ) 发送器 总时延 = 传输 ( 发送 ) 时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 链路 信号在链路上传播时产生传播时延 结点 B 信元交换 信元交换用在 ATM 网络中 信元长度是固定的 信元可以看作一个很小的快速分组, 长度为 53 个字节, 其中信头占 5 个字节, 数据部分占 48 字节 由于信元比较小, 在交换节点的时延很小多种媒体信息都划分或装配为信元, 使在一个网络中传输多媒体信息成为可能 差错控制 采用编码的方法, 分为检错编码和纠错编码 差错控制过程的描述 在发送端按照差错控制规则计算出校验码 校验码和发送的数据编码组成校验序列 ( 也称为码字 ) 一起发送 在接收端根据同样的差错控制规则判断传输是否正确 校验码并不是真正要传输的数据信息, 是为了检测出差错所必须的冗余信息 11

12 差错检测过程 奇偶检查 (Parity Checking) Single Bit Parity: Detect single bit errors Two Dimensional Bit Parity: Detect and correct single bit errors 0 0 计算机网络基础 计算机网络协议 计算机网络协议 网络中的寻址 网络寻址是最重要的技术, 是网络互连的关键 计算机网络中的主机 ( 计算机设备 ) 也有连接标识, 在因特网中用 IP 地址作为 网络节点 ( 计算机设备 ) 的网络接口的连接标识 这些连接标识是一个逻辑地址, 与计算机设备的物理地址相联系 采用连接标识是为了寻址的方便 在计算机网络中必须使用逻辑地址才有可能实现计算机设备以及网络的互连 12

13 网络中的地址及层次对应 计算机网络中有四种地址 : 域名地址 端口地址 IP 地址 物理地址 自顶向下依次与应用层 运输层 网络层 数据链路层对应 网络地址的使用 访问网络中的计算机设备, 寻址最终要执行物理地址, 才能找到网络中一个主机的位置 网络地址之间的转换 网络中寻址时需进行地址转换, 需要用到地址转换 ( 映射 ) 协议 域名地址通过域名服务器和域名解析协议 (DNS) 找到对应的 IP 地址 IP 地址通过地址解析协议 (ARP) 找到对应的物理地址 IP 地址与端口地址构成套接字 (Socket), 用于标识不同的应用服务进程 运输层协议 端口在运输层与应用层的接口处, 在运输协议数据单元 TPDU 中包含源端口号和目的端口号两个字段运输层的端口号用于区分不同的应用进程 UDP 协议 UDP 的首部很简单只有 8 个字节开销, 由 4 个字段组成, 每个字段都是两个字节 套接字的结构 13

14 UDP 的端口号 (Port Numbers) IP 地址与端口号的比较与联系 应用进程之间的联系通过套接字 TCP 协议 TCP 报文段传输的过程 TCP 协议的功能是屏蔽下面通信子网的差异 TCP 是最复杂的运输层协议 这体现了 TCP/IP 协议把复杂留在端系统, 尽量使通信子网简单的设计思想 TCP 协议采用字节流传输数据 传输的数据按字节编号由于采用双向同时传输 采用捎带确认和累计确认, 不用专门发送确认报文段, 提高了传输效率 TCP 协议支持超时机制 用确认和超时重传确保可靠传输 14

15 TCP 报文段的格式 协议首部的固定部分有 20 个字节, 首部中各字段的设计体现了 TCP 协议的全部功能, 协议首部的固定部分后面为选项部分, 可以是 4N 个字节 TCP 连接与控制管理运输连接有三个阶段 : 连接建立 ; 数据传输 ; 连接释放 TCP 连接与控制管理确保运输连接过程能够正常进行 TCP 的重传机制 若在传输过程中出现错误, 发送方就要重传数据单元 TCP 在每发送一个报文段时, 同时为该报文段设置一次计时器, 即启动超时机制 若在给定的时间间隔内没有收到确认, 就需要重传该报文段 超时控制的时间间隔值的设置是比较重要和复杂的问题 TCP 的重传机制采用自适应算法 网络层协议 网络层是网络核心 ( 通信子网 ) 的最高层, 功能最多 网络层的协议数据单元是分组 (packet) 网络层提供从发送节点 ( 主机 ) 到目的节点 ( 主机 ) 之间的可靠传输和分组的路由选择 发送节点到目的节点之间经过若干个节点 ( 交换节点 ), 节点之间均是点到点的连接 网络层与运输层之间的接口也用做通信子网与端用户的接口 网络层需要解决的问题 : 网络连接的建立和释放, 路由选择, 拥塞控制, 网络互连, 分片和组装, 差错检测处理, 服务选择, 网络寻址 15

16 静态路由选择 静态路由的改变和设置由人工完成的, 一旦确定则在一段时间内一般不会再重新设置路由 也称为非自适应性路由选择 只用在小型的, 网络拓扑结构不会经常变化的局域网中或是查找故障的试验网络中 静态路由选择算法 固定路由选择算法 随机路由选择算法 扩散路由选择算法 (Flooding) 最短路由选择算法 (Shortest Routing) 动态路由选择 动态路由选择是因特网中采用的技术 动态路由选择也称为自适应性的路由选择, 能够适应网络状态的变化, 动态的改变和设置路由 动态路由选择可以分为三类 : 孤立式 只考虑节点本身状况 ( 热土豆算法 反向探知算法 ) 集中式 在网络中心节点计算网络路由分布式 路由选择分散到各个节点 ( 距离矢量路由选择算法 链路状态路由选择算法 ) 因特网的网络层协议 (IP 协议 ) IP 协议实现了网络互连和通信双方的寻址, 对应 5 层网络体系结构中的网络层 IP 分组协议格式 一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成, 首部的固定部分为 20 字节, 首部的可选部分的长度是可变的, 最长为 40 字节 由于 IP 协议用来实现网络以及网络中主机的互连,IP 层也称为网际层 与 IP 协议同属一个层次还有 4 个协议 ICMP(Internet Control Message Protocol) IGMP(Internet Group Management Protocol) ARP(Address Resolution Protocol) RARP(RARP:Reverse Address Resolution Protocol) 16

17 IP 分组的分片当 IP 数据报的数据部分长度不适合底层网络 MTU 的要求时, 需对 IP 数据报进行分片,IP 数据报分片涉及到 3 个字段 : 标识 ; 标志 ; 片偏移 IP 数据报分片情况 例 : 数据报数据部分为 3800B, 规定数据报分片不超过 1420B 设 IP 数据报首部采用固定首部 20B, 每个数据报分片的数据部分不超过 1400B 因此需要分成 3 个数据报分片 假设标识字段的值为 555, 具有相同标识的数据报分片在目的站点重装成原来的 IP 数据报 IP 地址及应用方法 IP 协议中包含源 IP 地址和目的 IP 地址字段, 各占 32 位二进制位 因特网中的每一个节点都有一个全网惟一的 32 位 IP 地址 IP 地址是一个逻辑地址 IP 地址用来惟一标识网络中一个节点的连接, 网络中的节点可以是主机或路由器 IP 地址的编址技术的发展 IP 地址的编址技术的发展经历了 3 个阶段 : 分类的 IP 地址 (A B C 类 ) 1981 年制订的基本编址协议标准子网的划分, 是对基本编址协议的改进, 使 IP 地址层次结构增加了子网标识 1985 年给出 RFC 950 无分类编址方法 (CIDR),1993 年提出用于解决 IP 地址紧缺, 以及汇聚路由实现问题可以进行超网设计 17

18 分类 IP 地址格式 分类 IP 地址是将 IP 地址划分为若干个固定类 IP 地址分为 A B C D E 共五类, 最常用的是 A B C 三类 IP 地址由网络标识字段 (net-id) 和主机标识字段 (host-id) 组成,IP 地址可以标识为 : IP 地址 ::={< 网络标识 >,< 主机标识 >} 分类 IP 地址的默认子网掩码 IP 地址的分配 IP 地址的使用范围和特殊 IP 地址 IP 地址及其表示方法 把整个因特网看成为一个单一的 抽象的网络 IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机 ( 或路由器 ) 分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符 IP 地址现在由因特网名字与号码指派公司 ICANN 进行分配 18

19 分类 IP 地址的确定方法 分类 IP 地址的点分十进制数判定 C 类地址块 网络地址 (Network addresses) 19

20 直接广播的例子 有限广播的例子 获得主机自己 IP 地址例子 在本网络中主机之间通信的例子 20

21 回环测试地址的例子 专用 IP 地址及用途 ICANN 规定了三个 Intranet 专用地址范围, 称为专用 IP 地址, 也称为私有 IP 地址, 用于组建 Intranet 网络时, 在内网对 IP 地址分配和使用 三个 Intranet 的专用 IP 地址范围是 : 一个 A 类地址 10,A 类地址范围 个 B 类地址 ( 地址范围 ) 256 个 C 类地址 (C 类地址范围 ) 问题 : 每个网络可以容纳多少台主机? IP 层转发分组的过程 4 个 A 类网络通过 3 个路由器互连在一起, 路由表项中只包含网络地址, 每个路由器的路由表只包含 4 个表项 子网划分技术 1985 年在 IP 地址中增加了一个 子网号字段, 将两级 IP 地址扩展成三级 IP 地址 子网划分技术文档是 RFC 950, 也称为子网寻址或子网路由选择 子网的划分是将原网络地址的主机地址分成两部分 : 一部分称为子网地址, 也称为子网号 另一部分称为主机地址 这样两级的 IP 地址在本单位内部就变为三级的 IP 地址 : 网络号 + 子网号 + 主机号 或者表示为 : IP 地址 ::={< 网络标识 >,< 子网标识 >,< 主机标识 >} 21

22 划分子网时 IP 地址与子网掩码关系 一个网络划分为 3 个子网 子网掩码 (Subnet mask) 是一个网络或一个子网的重要属性 对 B 类地址进行子网划分的情况 C 类 IP 地址划分 6 个子网的例子 22

23 使用子网掩码分组转发过程 划分子网后分组转发的例子如图所示, 图中主机 H1 分别与处在不同子网中的主机 H2 H3 传输 IP 分组 无分类编址 (CIDR) CIDR 是在变长子网掩码 VLSM(Variable Length Subnet Mask) 的基础上发展起来的 (RFC 1009) CIDR 取消了 A/B/C 类地址以及子网划分, 使用长度可变的网络前缀 (network-prefix) 代替分类网络的网络号和子网号 IP 地址 ::={< 网络前缀 >,< 主机标识 >} CIDR 使用斜线记法 (slash notation), 也称为 CIDR 记法 方法是在 IP 地址后面加一斜线 /, 然后写上网络前缀所占比特数 例如 : / /18 常用的 CIDR 地址块 使用 CIDR 的例子 23

24 最长前缀匹配 使用 CIDR 时, 路由器中路由表的表项需要有网络前缀和下一跳地址 查找路由表时可能有多个符合的匹配结果, 应选择具有最长网络前缀的路由, 称为最长前缀匹配 LPM(Longest Prefix Matching) 因为网络前缀越长, 其地址块就越小, 路由的目的地就越接近 按地理位置分配地址块 依据 CIDR 可以按网络的所在地理位置分配地址块, 这样做可以减少路由表中的路由项目, 提高了路由效率, 也实现了按地理位置转发路由 内部与外部路由协议 (Popular routing protocols) 内部路由协议 RIP RIP 是基于 Bellman-Ford 算法的距离矢量路由协议, 最初是在伯克利 UNIX 系统中开发的 RIP 对距离的定义是所经过路由器的跳数 (hop) RIP 的设计思想是 : 路由器周期地与相邻路由器交换路由刷新信息报文, 报文内容是由若干 (V, D) 组成的表, 其中 : V 代表矢量, 表示该路由器可以到达的目的网络或目的主机 D 代表距离, 指出该路由器到达目的网络或目的主机的跳数路由器在接收到某个路由器的 (V, D) 报文后, 根据最短路径算法更新各自的路由表 RIP 的工作过程包括 路由表的建立和路由表的更新 24

25 Bellman-Ford 算法计算路由的过程 内部路由协议 OSPF 开放最短路径优先 OSPF 协议是内部 ( 网关 ) 路由协议 OSPF 采用链路状态路由选择算法 OSPF 的原理很简单, 但实现起来比较复杂 SPF 的 开放 是指 OSPF 协议的公开发表的任何厂商均可以使用 最短路径优先 是指协议采用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 OSPF 的基本操作 OSPF 的 5 种分组类型中, 问候分组用于确定相邻节点是否可以到达, 其它 4 种分组用来进行链路状态数据库的同步 OSPF 规定, 每两个相邻节点间隔 10 秒交换一次问候分组 OSPF 的基本操作过程描述 问候分组可达性确定问候分组数据库描述 实现链路状态数据库同步 新情况下的同步 链路状态请求 链路状态更新 链路状态确认 25

26 外部路由协议 BGP-4 在 BGP 协议中, 网络由 BGP 路由器及连接它们的线路组成,BGP 路由器起中转的作用 根据 BGP 路由器作用的不同, 将网络分为三类 : 支线网络, 与 BGP 图只有一个连接, 不能用于中转通信 多连接网络, 可用于中转通信 中转网络, 例如主干网络, 可用于传送第三方信息 BGP 采用路径向量 (path vector) 路由选择协议, 与距离向量协议和链路状态协议有很大的区别 BGP-4 采用四种报文 打开 (open) 报文 用于与相邻的 GBP 发言人建立联系 更新 (update) 报文 用于发送一个路径信息, 内容可以是一个新的路径, 也可以是需要撤消的一个或多个旧的路径 保活 (keepalive) 报文 用于确认打开报文, 以及周期性地证实邻站关系 通知 (notification) 报文 用于发送检测到的差错 建立一个 BGP 连接所需的步骤 因特网路由协议的比较 26

27 ICMP 要点 ICMP(Internet Control Message Protocol) 是用于监视与检测网络 报告意外事件的因特网标准协议 (RFC 792) ICMP 将检测的结果封装在 IP 分组中,ICMP 报文作为 IP 分组的数据部分 ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常的报告, 传送到给定的目的地, 以实现对网络的监视和管理 ICMP 分为询问报文和差错报告报文, 定义了十几种网络事件 移动 IP 概述 移动 IP 是发展最快的技术移动 IP 技术的发展历程为了实现网络中的移动通信, 需要通过漫游 (Roaming) 和移动 (Mobile) 技术漫游是指移动节点访问 Internet 上的资源移动是指移动节点不仅要访问 Internet 上的资源, 还要能够让 Internet 上的主机可以访问移动节点支持移动性的 Internet 体系结构与协议称为移动 IP 移动 IP 在网络层增加了新的特性移动 IP 技术不仅可以用于跨越同类传输介质的网络, 也适用跨越不同种类传输介质的网络 移动 IP 技术涉及到的术语 移动节点 (Mobile Node) 通信对端节点 CN(Correspondent Node) 家乡网络 (Home Network) 家乡代理 (Home Agent) 外地网络 (Foreign Network) 外地代理 (Foreign Agent) 家乡地址 (Home Address) 转交地址 (Care of Address, CoA) 移动, 移动绑定, 注册, 绑定授权, 移动报文 移动 IP 的组成和结构 移动 IP 组成包括 : 移动节点 家乡代理 外地代理和通信对端节点 27

28 移动节点具有的功能包括 : 移动检测功能 ; 注册功能 ; 隧道技术功能 移动 IP 的工作原理 移动 IP 的工作过程包括 : 代理发现 注册 分组路由 注销 MAC 地址 LAN 中的地址在 MAC 帧中, 有源 MAC 地址和目的 MAC 地址两个字段 MAC 地址为硬件地址, 也称为物理地址或网卡地址, 有时也称为 LAN 地址地址是识别计算机网络中节点的标识符, 所以寻址很重要 名字指出所要寻找的那个资源, 地址指出那个资源在何处, 路由告诉如何到达资源处局域网以太网中 MAC 地址为 48 位二进制位 使用时用 12 位 16 进制数标识, 源 MAC 地址和目的 MAC 地址各占用 6 个字节 MAC 地址固化在网卡的 ROM 芯片中,MAC 地址编号在全世界是惟一的 C-06-A6-29 或 00:01:6C:06:A6:29 主机网卡和路由器接口的 MAC 地址 不是节点具有 MAC 地址, 是节点的适配器具有 MAC 地址 适配器的 MAC 地址具有平面结构, 不管适配器移到什么位置, 其物理地址都不会改变 IP 地址是一个逻辑地址,IP 地址由网络部分和主机部分构成, 具有层次结构, 当主机移动时, 节点的 IP 地址也需要改变 28

29 MAC 地址和 IP 地址与网络层次的对应 当 IP 数据报放入 MAC 帧中时,IP 数据报是 MAC 帧的数据部分, 在数据链路层看不到数据报的 IP 地址 同理,IP 数据报在网络层传输时, 看不到运输层的端口号地址 ARP 协议格式和位置 ARP 是完成从 IP 地址到 MAC 地址转换的协议从 IP 地址找到对应节点的 MAC 地址的过程称为地址解析源 MAC 地址 目的 MAC 地址在以太网首部和 ARP 请求 / 应答分组中各出现一次 ARP 的工作原理 网络中的主机 B 与同一个网络中的主机 D 通信, 主机 B 只知道主机 D 的 IP 地址, 当一台计算机需要进行地址解析时, 广播发送一个 ARP 请求分组, 其内容是查找给定 IP 地址的主机的 MAC 地址 如 谁的 IP 地址是 在不同 LAN 上 ARP 的解析过程 ARP 解析中更一般的情况是节点在不同的 LAN 上, 节点在两个不同的 IP 网络中, 两个网络用不同网络 ID 标识, 两个网络通过路由器 R1 和 R2 互连 IP 数据报经过 R1 和 R2 路由器转发,IP 数据报首部中源 IP 地址和目的 IP 地址始终不变, 路由器的 IP 地址不出现在 IP 数据报首部中 29

30 RARP 反向地址解析协议 反向地址解析协议 RARP 原理是 : 当主机启动时, 广播一个 RARP 请求分组, 以询问自己的 IP 地址 广播信息中包括本机的 MAC 地址 RARP 服务器接收到该消息后发回 RARP 响应分组 其中包括相应的 IP 地址 RARP 的文档是 RFC 903 以太网概述 (Ethernet) 以太网 (Ethernet) 由施乐 (Xerox) 公司于 1975 年研制成功 以太 二字是当时认为地球表面的空间中充满了可以传播电磁波的 以太 物质, 而后的研究表明, 在大气和真空中是可以传播电磁波的, 但是以太网的名字就一直沿用下来 1976 年 7 月施乐公司的 Metcalf 和 Boggs 发表了里程碑式的以太网论文 1980 年 9 月, 由 DEC Intel 和 Xerox 三家公司成立以太网联盟, 制订出以太网规范 DIX 版本 1 在以太网协议基础上,IEEE 802 委员会于 1983 年制订出 IEEE LAN 标准 快速以太网 (Fast Ethernet) 以太网技术一直跟随着网络技术的发展, 在不断的改进, 以适应网络应用的进步和需要 进步主要体现在传输介质的更新粗同轴电缆 细同轴电缆 双绞线 光纤 数据传输率的不断提高 1990 年的 10Mbps 1995 年的 100 Mbps 1998 年的 1,000 Mbps( 千兆 ) 2002 年的 10,000 Mbps( 万兆 ) 快速以太网产品标识 包含三个内容, 以 100base-T 为例, 其中 : 100 标识数据传输率为 100, 单位是 Mbps base 标识为基带传输, 可以分为基带 base 或宽带 broad T 标识传输介质和网络中两节点之间的大概最大距离, 单位为 100 米 100base-T 表示的以太网产品的技术指标是 : 数据传输率为 100Mbps 采用基带传输使用双绞线作为传输介质节点之间的最大距离为 100 米 30

31 千兆位以太网 1998 年 IEEE802.3z 成为千兆以太网的正式标准, IEEE802.3z 使用 CSMA/CD 信道访问协议 并向下兼容原有的以太网, 可以说千兆以太网的出现开创了局域网技术发展的里程碑, 使以太网技术迅速成为局域网的主流技术 当时并存的局域网技术还有 FDDI 和 ATM 技术, 但两者可以实现的最大数据传输率分别为 100Mbps 和 625Mbps 千兆以太网 IEEE802.3z 的特点是 : 数据传输率为 1000Mbps 采用 IEEE802.3 协议定义的帧格式, 可以在双向同时和双向交替两种方式下工作 在双向交替工作方式下采用的信道访问协议是 CSMA/CD 向下兼容原有的 100Mbps 和 10Mbps 以太网 万兆位以太网 1999 年 3 月,IEEE 成立高速研究组 HSSG(High Speed Study Group), 制订 10GE( 万兆以太网 ) 的技术标准 2002 年 6 月给出万兆以太网标准 IEEE802.3 ae 万兆以太网采用了许多新的技术万兆以太网的出现使以太网的工作范围扩展到了城域网, 甚至到了广域网, 实现了端到端的传输万兆以太网的物理层采用两种标准 : 局域网物理层 (LAN PHY) 数据传输率为 10Gbps, 在应用时, 一个万兆以太网交换机正好可以提供 10 个 1Gbps 以太网端口 广域网物理层 (WAN PHY) 交换式局域网 交换式局域网的核心设备是局域网交换机交换机 (switch) 是一种连接设备 ( 多端口网桥 ), 各个网络段由网桥连接交换可以并行工作, 可以隔离冲突域交换机每个端口都有桥接功能, 它能够在任意一对端口间转发帧每一个端口属于一个冲突域, 按照 CSMA/CD 协议工作 交换机中的电路可以把任意端口的网段与别的端口的网段在数据链路层上连接起来 三层交换的概念 二层交换的问题工作基于 MAC 地址, 不涉及网络层功能, 无路由能力 路由器存在的问题大部分功能均由软件实现, 延时长, 吞吐率受到限制 一个想法是使交换机既保持高性能, 又具有路由能力, 这种思想导致了三层路由交换机的出现 三层交换机能够实现路由器的全部功能, 主要用于企业网的组网 31

32 三层交换机与传统路由器的比较 通过比较可以看出三层交换机只是在广域网 WAN 支持能力上不如传统的路由器, 完全可以在 LAN 中替代传统的路由器 虚拟局域网 VLAN 用集线器 网桥和未划分 VLAN 的交换机组建的传统网络中存在下列问题 : 全网属于一个广播域, 每次广播的数据帧无论是否需要, 都会到达网络中的所有设备, 造成带宽资源极大浪费全网属于一个广播域, 容易引起广播风暴等问题 网络的安全性不高 在这种网络结构中, 所有用户都可以监听到服务器以及其他设备端口发出的数据包, 所以很不安全 虚拟局域网 VLAN(Virtual Local Area Network) 允许一组不同物理位置的用户群共享一个独立的广播域 可以在一个物理网络中划分多个 VLAN 使得不同的用户群属于不同的广播域 这样的逻辑划分与物理位置无关, 通过划分用户群控制广播范围 VLAN 技术能够从根本上解决网络效率与安全性等问题 VLAN 对广播域的划分是通过交换机软件来完成的 VLAN 的划分 共划分了 3 个 VLAN,VLAN 中的数据帧和广播帧在各自的 VLAN 域内进行, 不会直接到达其他区域 32

33 无线局域网概述 1997 年 IEEE 制定出适用有固定基础设施的无线局域网的协议 IEEE ,IEEE 很快也被 ISO/IEC 接纳为国际标准 无线局域网采用的无线传输介质主要是微波和红外线采用微波的 WLAN 的调制方式主要是扩展频谱方式和窄带调制方式 WLAN 的网络接口大都采用从数据链路层接入网络 无线网络不能代替有线网络, 无线网络只能是有线网络的补充 IEEE IEEE 属于基于数据的无连接网络, 提供常用的物理层和 MAC 层规范, 能够改善所有无连接的应用, 只要这种应用的网络层和运输层能够支持 IEEE 的 MAC 层 TCP 协议和 IP 协议是目前最主要的运输层和网络层协议, 几乎所有的因特网的网络应用都可以通过 TCP/IP 协议在 IEEE 的 MAC 层上直接运行 这就是说 IEEE 不需要明确的规定服务的类型常用的 3 种 IEEE 无线局域网 计算机网络基础 计算机网络应用 应用层协议与运输协议的关系 计算机网络应用 进程通过运输层的端口区分不同的应用通过套接字 (Socket) 在网络上发送和接收应用报文 套接字运输层逻辑地址端口号 + 网络层逻辑地址 IP 地址 套接字可以认为是进程的门户是同一台主机内应用层与运输层之间的接口 33

34 应用层协议对应的运输层协议 应用层协议与低层协议的对应联系 域名系统 (DNS) 用类自然语言的字符串域名来对应 IP 地址, 方便访问网络用点分隔的字符串标识一个网络连接, 实现望文生义是一种层次结构的名字, 构成域名空间, 在网络中惟一 DNS 用于域名地址与 IP 地址之间进行解析 DNS 采用 C/S 服务模式 DNS 是一个分布式数据库系统因特网中有许多处在不同位置上的域名服务器在 DNS 系统内提出解析请求的 DNS 客户端被称为解析器 (resolve) 提供域名解析服务 DNS 服务器的被称为域名服务器 (name server) 顶级域名 TLD 各级域名由其上一级的域名管理机构管理, 顶级域名 (Top Level Domain, TLD) 由 ICANN 管理 顶级域名有三类 : 国家顶级域名 ntld 通用组织顶级域名 gtld 基础结构域名 (infrastructure domain), 仅有一个.arpa 34

35 域名地址空间结构 域名地址空间 任何连接在因特网上的主机或路由器都有惟一的层次结构的域名名字 对子域划分的层次数没有限制 域名由字符组成 英文字母 数字 汉字, 不超过 63 个字符 不区分大小写 级别最低的域名在最左边, 顶级域名写在最右边 一个完整的域名长度不超过 255 个字符 DNS 域名解析过程 解析对用户来说是透明的, 先在本地域名服务器上解析 若本地域名服务器上没有对应的记录, 则由本地域名服务器负责向上一级域名服务器申请解析 每一个域名服务器不仅能够进行一些域名地址到 IP 地址的解析, 还要具有连接到其他域名服务器的信息 域名解析过程分为递归查询和重复查询 域名解析过程中涉及到三种域名服务器 : 本地域名服务器 根域名服务器 授权域名服务器 本地域名服务器采用迭代查询 根域名服务器 本地域名服务器 dns.xyz.com 递归查询 m.xyz.com 迭代查询 h.abc.com 的 IP 地址 顶级域名服务器 dns.com 权限域名服务 dns.abc.com 需要查找 h.abc.com 的 IP 地址 35

36 域名 解析过程 DNS 记录和报文 在 DNS 分布式数据库中存储有域名地址与 IP 地址映射的资源记录 RR(resource record) 一个记录占一行, 一个资源记录包含有 4 个字段格式如下 :Name, Value, Type, TTL 万维网 WWW(World Wide Web) 提供信息浏览, 是常用的网络应用之一 包含多种媒体的数据信息就是超文本, 有时候也称为超媒体, 超媒体是对超文本的扩充 使用超文本传输协议 HTTP 超文本传输语言 HTML 传输和组织信息 用 HTML 编写的文档称为 Web 网页, 也叫 Web 文档 一组 Web 网页组成一个 Web 点的信息内容, 站点的第一个 Web 网页称为主页 (home page) 超文本是由节点 (Node) 以及节点之间的超链接 ( HyperLink) 构成的语义网络 万维网的工作过程 客户 浙江大学 浏览器程序 请求文档 链接到 URL 的超链 HTTP HTTP 使用此 TCP 连接 因特网 建立 TCP 连接 HTTP 请求报文 释放 TCP 连接 服务器程序 HTTP 响应报文 响应文档 服务器 36

37 统一资源定位符 URL 统一资源定位符 URL(Uniform Resource Locator) 是一种统一格式的 Internet 信息资源地址的标识方法 URL 在浏览器窗口中的地址栏里输入 URL 由 4 部分组成 : URL 是不区分大小写 协议 :// 主机 : 端口 / 路径 文件传输服务 FTP 在 Internet 中利用文件传输协议 FTP 传输文件 ( 上载 / 下载 ), 是最广泛使用的服务功能之一 FTP 提供交互式访问,FTP 屏蔽了各计算机系统的细节 FTP 允许客户指明所存取文件的类型和格式, 设置用户存取文件的权限 FTP 服务采用典型的 C/S 工作模式提供 FTP 服务的计算机称为 FTP 服务器 客户机通常是用户自己的计算机将文件从服务器传到客户机称之为下载文件将文件从客户机传到服务器称之为上载文件 FTP 服务是一种实时的联机服务访问 FTP 服务器的用户必须进行登录 ( 匿名用户 ) FTP 的工作原理 电子邮件概述 电子邮件的快捷和方便是传统邮件不可比拟的一个电子邮件系统的构成包括 : 电子邮件协议用户代理电子邮件服务器电子邮件服务采用 C/S 模式 电子邮件服务使用的运输层协议是 TCP 37

38 电子邮件系统的组成 电子邮件传输中的客户机和服务器 P2P 概述 P2P 技术是网络应用中的一场革命 P2P 网络环境中的计算机都处于对等的地位 P2P 技术将导致信息数据成本资源向所有用户的计算机均匀分布, 即呈现 边缘化 趋势 P2P 技术的发展可以追溯到 1979 年出现的分布式信息交换系统 USENET( 新闻组 ) P2P 作为一种网络应用软件架构, 可以开发出种类繁多的应用模式 P2P 网络的结构 集中式 P2P 网络在组成结构上有一个中心服务器 38

39 混合式 P2P 网络 混合式 P2P 网络总共包含 3 种节点 : 用户节点 搜索节点 索引节点 P2P 网络和 C/S 网络的比较 P2P 网络中弱化了服务器的功能节点所有者可以随意地将自己的信息发布到网上 P2P 的优点是对等点越多, 网络的性能就越好 P2P 的不足之处就在于不易管理, 网络中数据的安全性难以保证 计算机网络基础 计算机网络安全 计算机网络安全 网络安全 涉通信和网络, 主要是采用加密技术 要求提供信息数据的保密性 真实性 认证和数据完整性, 满足这些要求的安全机制在理解和实现起来是很复杂的 安全机制的设计可能因设计者所处的角度不同, 以及所采用的方法不同, 会存在一些漏洞 网络安全需要考虑到三个方面 : 安全攻击 安全机制 安全服务 39

40 网络安全面临的威胁 计算机网络面临的威胁包括 : 截获 (interception) 中断 (interruption) 篡改 (modification) 伪造 (fabrication) 截获属于被动攻击, 其他属于主动攻击 网络安全评价标准 可信计算机系统评价准则 (TCSEC) 欧洲安全评价标准 (ITSEC) 加拿大安全评价标准 (CTCPEC) 美国联邦准则 (FC) 国际通用准则 (CC) 中国国家安全评价标准 网络安全模型 数据加密过程在发送端, 明文 X 用加密算法 E 和加密密钥 K 处理后得到密文 Y=E K (X), 密文 Y 在信道上传输 Y 到达接收端后, 利用解密算法 D 和解密密钥 K 解出明文, 公式为 : D K (Y)=D K (E K (X)) =X 报文鉴别技术 报文鉴别 (message authentication) 主要用来对付主动攻击中的篡改和伪造报文鉴别是一种过程, 通过这一过程, 接收方可以验证所接收报文的发送者 报文内容 发送的时间 序列等的真伪报文摘要的工作过程是 : 在发送方将可变长度的报文 m 经过报文摘要算法运算后得出固定长度的报文摘要 H(m), 然后对 H(m) 加密, 得出 E K (H(m)), 将其附加在报文 m 后面发送到信道上 接收方把 E K (H(m)) 解密, 得出 H(m), 再把收到的报文 m 进行报文摘要运算, 把得到的报文摘要与 H(m) 比较 若两者一致, 表明是发送方发出的, 否则就不是 40

41 防火墙 firewall 防火墙的四种结构 位于内网和外网之间, 是内外网之间的屏障用来控制内部网络和外部 Internet 的连接 内网称为可信赖的网络而外网被称为不可信赖的网络防火墙是一个分离器 限制器和分析器防火墙有两种基本类型 : 协议包过滤 应用代理 防火墙的四种结构 入侵检测系统 IDS(Intrusion Detection System) 入侵是指违背访问目标的安全策略的行为 入侵检测通过收集操作系统 系统程序 应用程序 网络包等信息, 发现违背安全策略或危及系统安全的行为入侵检测是对企图入侵 进行中的入侵或者已发生的入侵进行识别的过程入侵包括尝试性闯入 伪装攻击 安全控制系统渗透 泄漏 拒绝服务 恶意使用六种类型从数据分析手段看, 入侵检测通常可以分为两类 : 误用 (Misuse) 入侵检测异常 (Anomaly) 入侵检测 41

42 计算机网络基础 下一代计算机网络 IPv6 IPv4 协议存在的问题 下一代计算机网络 IPv6 地址空间的局限性缺乏对安全性的支持 IPv4 网络中节点配置很复杂缺乏对服务质量的支持缺乏对移动性的支持 IPv4 路由问题 IPv6 协议数据单元 IPv6 协议数据单元由固定首部 (base header) 和有效载荷 (payload) 组成, 有效载荷又包括扩展首部 (extension header) 和数据部分 固定首部有 40 字节, 包含有 8 个字段 IPv6 协议与 IPv4 协议的比较 IPv6 协议与 IPv4 协议是互相不兼容的两个网络层协议,IPv6 是在 IPv4 基础上的改进 42

43 IPv6 地址标识方法 IPv6 地址长度是 128 位, 包括 16 个字节 为了便于记忆 识别和应用规定 IPv6 地址有 3 种格式 : 首选格式压缩表示格式内嵌 IPv4 地址的 IPv6 地址格式 地址的例子 例如一个 128 位二进制位的 IPv6 地址 : 把 128 位二进制位的 IPv6 地址每 16 位划分为一个位段, 每一个位段用 4 位十六进制整数表示, 各组之间由冒号 (:) 间隔, 注意这里的冒号需要在英文输入方式下输入, 得出该 IPv6 地址首选格式 : 2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff IPv6 地址空间和 IPv6 前缀 IPv6 地址前缀表示方法与 IPv4 地址中的 CIDR 一样 IPv6 地址前缀格式为 :IPv6 地址 / 前缀长度 IPv6 地址与前缀长度之间以斜杠 / 区分前缀长度是一个十进制值指定该地址中最左边的用于组成前缀的比特数指出了地址中有多少位属于网络标识 IPv6 地址的分类 单播地址用来标识网络节点的单一网络接口多播地址用来标识一组网络接口 ( 通常属于不同的节点 ) 一个多播地址确定一组 IPv6 接口任播地址 用来标识多个网络接口, 这些接口通常属于不同的节点 向一个任播地址发送的数据包将只会被发往这些接口中距离最近的一个节点的网络接口特殊地址及取消广播地址的原因 43

44 IPv6 过渡技术概述 过渡是指某一事物从一种状态逐步演化为另一种状态, 或者逐步转变为另一事物过渡的特征有两个 : 过渡需要一个过程, 需要一定的时间 在过渡过程中, 事物发生了质的变化, 逐渐不同于原来的事物过渡完成以后, 演变成为新的事物在相当一段时间内 IPv4 和 IPv6 会共存在一个环境中, 要提供平稳的转换过程 IPv4 网络向 IPv6 网络的过渡可以分为 4 个阶段 过渡时期采用的 3 种主要技术 IETF 推荐的转换机制有 : 双协议栈技术 隧道技术 翻译技术 双栈技术 采用双栈技术的节点上同时运行 IPv4 和 IPv6 两套协议栈 这是使 IPv6 节点保持与纯 IPv4 节点兼容最直接的方式 隧道技术 隧道技术的设计思路是 : 将 IPv6 分组作为无结构意义的数据部分, 封装在 IPv4 数据报中, 构成 IPv4 分组, 在 IPv4 网络传输为了标识 IPv4 分组携带 ( 封装 ) 的是 IPv6 分组,IPv4 分组中协议字段的值设置为 41 44

45 转换技术 转换 ( 翻译 ) 技术让纯 IPv6 节点能够和纯 IPv4 节点相互通信转换网关除了要进行 IPv4 地址和 IPv6 地址转换, 还要进行协议的转换和翻译,NAT-PT 翻译技术对应的技术文档是 RFC 2766 NAT 最初用于解决 IPv4 地址短缺问题, 通过维护一个地址转换表, 把内网的专用 IP 地址映射到外网的 IP 地址网络地址转换与协议转换 NAT-PT 是一种纯 IPv4 节点和纯 IPv6 节点之间的互通方式无状态 IP / ICMP 转换 SIIT 技术是对 IP 协议和 ICMP 协议进行协议转换 45