Computer Networks Lecture 8

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左于
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1 计算机网络第九讲刘威华中科技大学电信学院 2016

2 第 3 章的问题 : 并非所有的网络都是直连 -2-

3 第 3 章. 网络互联问题 : 并非所有的网络都是直连的 3.1 交换和桥接 3.2 互联网基础什么是互联网? 服务模型全局地址 IP 的数据转发子网划分与无类地址地址转换 (ARP) 主机配置 (DHCP) 差错报告 (ICMP) 虚拟网络和隧道 -3-

4 子网划分问题 IP 地址耗尽问题动机引入新的层次解决方案寻址 : 子网掩码 IP 转发 -4-

5 IP 地址耗尽问题 IPv4 包含 32bit 的地址空间 : 总共包含 40 亿个合法地址并非所有的地址均用于主机或接口标识部分地址用于多播或保留使用为什么 IP 地址会耗尽? Internet 的快速发展低效的地址分配 -5-

6 IP 地址回顾 IP 地址最初采取分类方式管理网络被分为 A, B, C 三类 (a) 0 Network 7 24 Host (b) 1 0 Network Host (c) Network Host -6-

7 低效的地址分配示例 1: 一个包含 10 台主机的网络需要一个 C 类网络号效率 : 10/256 约为 4% 示例 2: 一个拥有 300 台主机的网络需要一个 B 类网络号效率 : 300/65536 约为 0.5% -7-

8 子网划分问题 IP 地址耗尽问题动机引入新的层次解决方案寻址 : 子网掩码 IP 转发 -8-

9 子网划分的动机子网在 IP 地址中引入了新的层次子网划分将拥有同一个网络号的 IP 地址分配给若干个物理网络 ( 子网 ) 子网彼此离得很近, 拥有同一个网络号路由器只能选择一条路由到达任何子网子网可以减少对网络号的需求 -9-

10 子网注意主机号部分为全 0 表示这个网络主机号部分为全 1 表示该网络中的所有主机, 即广播地址 -10-

11 子网划分的效率示例 : 3 个网络, 其中 2 个包含 50 台主机, 另 1 个包含 100 台主机传统分配需要 3 个 C 类网络号效率 : 200/(3x256) 约为 26% 子网划分仅需要 1 个 C 类网络号划分 3 个子网 : 其中 2 个分配 64 的地址, 另 1 个分配 128 个地址效率 : 200/256 约为 78% -11-

12 子网划分问题 IP 地址耗尽问题动机引入新的层次解决方案寻址 : 子网掩码 IP 转发 -12-

13 如何划分子网示例 : 给定一个 C 类网络号 , 划分为 3 个子网, 其中 2 个分配 64 个地址, 另 1 个 128 个地址对于包含 128 个地址的子网, 地址中的主机号部分占有 7bits 子网掩码为对于包含 64 个地址的子网, 地址中的主机号部分占有 6bits 子网掩码为

14 如何划分子网 ( 续 ) 128 = = 子网号子网掩码 IP 地址

15 如何划分子网 ( 续 ) 优先划分较大的子网!! -15-

16 IP 寻址示例网络地址 : 网络号和子网号部分全部为 0 广播地址 : 主机号部分全部为 1 如果一台主机的 IP 地址为 , 子网掩码为 , 则网络地址和广播地址计算如下 : 137 = = 网络地址的最后 8bit 为 = 128 网络地址为广播地址的最后 8bit 为 = 159 广播地址为

17 IP 寻址示例在子网中, 网络地址 ( 全 0) 和广播地址 ( 全 1) 占用了两个额外的地址在实际的以太网中, 选择其他地址作为主机或网关的 IP 地址对于包含 10 台主机的子网, 计算其子网掩码 : 所有地址 = 12, 2^3 < 12 < 2^4 因此主机号部分占有 4bits, 掩码的最后 8bit 为 = 240 子网掩码为

18 子网划分问题 IP 地址耗尽问题动机引入新的层次解决方案寻址 : 子网掩码 IP 转发 -18-

19 转发过程的变化引入子网概念后, 分组的传送目标是子网而非 (A,B, C) 类网络, 转发表记录形式变为 < 子网号, 子网掩码, 下一跳 > 转发算法 D = dst. IP addr. for each entry in forwarding table D1 = SubNetMask & D if D1 = SubNetNum if NextHop is an interface else deliver datagram directly to dst. deliver datagram to NextHop (router) -19-

20 子网划分转发表示例 -20-

21 小结 : 子网划分的优点子网划分通过两种方式解决了网络扩展问题第一, 提高了地址分配效率加入一个新的物理网络时不需要用光 B 类或 C 类网络的所有地址. 第二, 有利于信息聚合. 可以减少路由器为了转发数据报到这些网络所需存储的信息量. -21-

22 无分类路由选择 (CIDR) 问题 IP 地址固定结构的低效性动机 IP 地址不采用固定的分类结构解决方案 CIDR 汇聚路由 -22-

23 固定分类地址的问题示例 : 某 ISP 组建一个包含 1000 台主机的网络如果采用分类地址结构需要一个 B 类网络地址效率 : 1000/65536 约为 0.15% 实际问题网络大小的粒度划分非常粗略网络大小只能为 256, 65k, 17M 即使采用子网划分技术也无法避免该问题 -23-

24 固定分类地址的问题一种可能的解决方案以 256 个地址 (C 类网络地址 ) 为单位分配空间然而, 这个方案会引起一个严重的问题 : 对路由器超量存储的需求. 需要在两者之间达到平衡减少路由器的路由记录数 vs. 有效分配地址汇聚路由 (Route Aggregation): 仅使用转发表中的一条记录来知道如何到达多个不同的网络. -24-

25 无分类路由选择 (CIDR) 问题 IP 地址固定结构的低效性动机 IP 地址不采用固定的分类结构解决方案 CIDR 汇聚路由 -25-

26 动机寻址更加合理的进行网路大小的粒度划分网络可以为任意大小 : 256, 512, 1024, 2048, 路由选择分发多个具有相同前缀的连续 C 类地址块地址块包含数目为 2 的幂次方的 C 类网络 -26-

27 无分类路由选择 (CIDR) 问题 IP 地址固定结构的低效性动机 IP 地址不采用固定的分类结构解决方案 CIDR 汇聚路由 -27-

28 解决方案 CIDR: Classless InterDomain Routing 无分类域间路由选择 RFC 1518 和 RFC 1519, 定义了新的 IP 地址块分配方式以及 IP 分组路由选择的新方法基于变长的子网掩码 (VLSM) 允许分配任意长度前缀 -28-

29 示例示例 : 某 ISP 组建一个包含 1000 台主机的网络成功获得了 4 个连续的 C 类网络地址块假设 C 类地址网络号为这些 C 类地址网络号部分的高 22bit 是相同的基于 CIDR, 可以认为这是一个网络号占用 22 位的网络, 记为 /22 这种标识表示网络号为的高 22 位 -29-

30 CIDR 和转发表转发表网络 / 掩码长度 / / / /24 下一跳 Router A Router B Router C Router D 当路由器收到一个分组查询其目的 IP 地址遍历转发表匹配 : 掩码长度为 n, 目的 IP 地址 ide 高 n 位 = 网络号的高 n 位 -30-

31 31 CIDR: 灵活的层次化地址分配采用前缀进行 Internet 扩展对持续的块进行地址分配 ( 前缀 ) 基于前缀进行路由选择和分组转发至今, 路由表包含约 200,000 个前缀 (vs. 4B) / / / / /16 : : : / / /24 : : / / / / / / /19 : : :

32 最长前缀匹配示例 : 目的 IP 地址为倒数第 2 条记录 : /20 最后一条记录 : /24 均与目的 IP 地址相匹配原则 : 分组与最长的前缀匹配本例选择结果 : /24-32-

33 最长前缀匹配 : 图示说明 -33-

34 小结 IP 的扩展问题 1: 低效的地址空间使用问题 2: 路由表和转发表的记录数量两种改进方法子网划分 : 仅能解决问题 1 CIDR: 同时有效解决问题 1 和 2-34-

35 补充 : 特殊 IP 地址 IP 地址说明在缺省网关 ( 路由器 ) 作为所有不清楚的主机和目的网络的代表限制广播地址, 指本网段内 ( 同一广播域 ) 的所有主机本机地址, 主要用于测试, 别名是 Localhost 组播地址, 从到都是这样的地址 x.x 10.x.x.x x.x~ x.x x.x DHCP 服务器发生故障时, 操作系统会自动分配该地址私有地址, 这些地址被大量用于企业内部网络中使用私有地址的私有网络在接入 Internet 时, 要使用地址翻译 (NAT), 将私有地址翻译成公用合法地址 -35-

36 第 3 章. 网络互联问题 : 并非所有的网络都是直连的 3.1 交换和桥接 3.2 互联网基础什么是互联网? 服务模型全局地址 IP 的数据转发子网划分与无类地址地址转换 (ARP) 主机配置 (DHCP) 差错报告 (ICMP) 虚拟网络和隧道 -36-

37 问题 : 主机内部的 IP 发送 H1 发送 IP 分组至 H2 需要将 IP 地址转换为数据链路层地址 -37-

38 IP 地址与 MAC 地址查找路由表查找路由表主机 H 1 主机 H 2 IP 1 硬件地址 IP 路由器 R 1 路由器 R 2 2 HA 1 HA 3 HA 4 HA 5 HA 局域网局域网 6 局域网 HA 2 通信的路径 H 1 经过 R 1 转发再经过 R 2 转发 H 2

39 从协议栈的层次上看数据的流动主机 H 1 主机 H 2 IP 1 硬件地址 IP 路由器 R 1 路由器 R 2 2 HA 1 HA 3 HA 4 HA 5 HA 局域网局域网 6 局域网 HA 2 主机 H 1 主机 H 2 IP 数据报路由器 R 1 路由器 R 2 IP 1 IP 2 IP 1 IP 2 IP 1 IP 2 IP 1 IP 3 IP 4 IP 5 IP 6 IP 2 IP 层上的互联网 HA 1 HA 3 HA 4 HA 5 HA 6 HA 2 从 HA 1 到 HA 3 从 HA 4 到 HA 5 从 HA 6 到 HA 2 MAC 帧 MAC 帧 MAC 帧

40 在具体的物理网络的链路层只能看见 MAC 帧而看不见 IP 数据报主机 H 1 主机 H 2 IP 数据报路由器 R 1 路由器 R 2 IP 1 IP 2 IP 1 IP 2 IP 1 IP 2 IP 1 IP 3 IP 4 IP 5 IP 6 IP 2 IP 层上的互联网 HA 1 HA 3 HA 4 HA 5 HA 6 HA 2 从 HA 1 到 HA 3 从 HA 4 到 HA 5 从 HA 6 到 HA 2 MAC 帧 MAC 帧 MAC 帧

41 地址转换物理地址数据链路层地址 == 某一物理网络定义的硬件地址地址转换的解决方案方案 1: 直接编码将物理地址编码为 IP 地址的主机号部分 Ethernet 48bit 地址? 方案 2: 表网络管理员在每一个主机内部维护一个 IP 地址物理地址的映射表如何将映射表分发给每一个节点? -41-

42 地址转换协议 (ARP) 给定目的主机的 IP 地址, ARP 可以找到同属一个物理网络内部的目的主机的物理地址 ARP 采用广播机制每一个主机维护一个 ARP 表 : <IP 地址, 物理地址 > 15 分钟记录未更新则超时失效当 ARP 表中无目的 IP 地址的对应记录, 则 ARP 协议开始启动 -42-

43 ARP 工作原理主机 X 广播一个 ARP 请求报文来探寻未知的节点 D 的 IP 地址节点 D 向源节点反馈其物理地址 D 节点在本地 ARP 表中增加或更新节点 X 对应的记录节点 X 将收到的信息写入其 ARP 表同一网络内的其他主机如果本地的 ARP 表中已存在节点 X 的 IP 地址对应的记录, 则更新记录 <IP address of X, physical address of X> 否则, do nothing >> Demo >> -43-

44 主机 A 广播发送 ARP 请求分组 ARP 请求我是 , 硬件地址是 C0-15-AD-18 我想知道主机的硬件地址 ARP 请求 ARP 请求 ARP 请求 X A Y B Z C0-15-AD-18 主机 B 向 A 发送 ARP 响应分组我是硬件地址是 B-00-EE-0A ARP 响应 X A Y B Z C0-15-AD B-00-EE-0A -44-

45 ARP 分组格式将 IP 地址映射为以太网地址的 ARP 分组格式 -45-

46 ARP 的深入讨论 ARP 机制不同的数据链路地址 IP 地址以太网 MAC 地址 IP 地址令牌环网 MAC 地址 IP 地址 ATM 地址 (LANE), RARP 反向地址解析协议数据链路层地址 IP 地址 ARP 表和 ARP 广播风暴 Windows 命令 : arp -46-

47 第 3 章. 网络互联问题 : 并非所有的网络都是直连的 3.1 交换和桥接 3.2 互联网基础什么是互联网? 服务模型全局地址 IP 的数据转发子网划分与无类地址地址转换 (ARP) 主机配置 (DHCP) 差错报告 (ICMP) 虚拟网络和隧道 -47-

48 问题 : 动态 IP 设置对于网络而言, 主机节点必须拥有 IP 地址, 网络掩码以获得网络地址默认路由器和 DNS 服务器的 IP 地址问题 1: IP 地址需要重新配置. IP 地址不仅要求在给定的互联网中唯一, 而且必须能够反映互联网的结构. 问题 2: IP 配置需要自动化. 网络管理员很难手工完成所有节点的地址 Zero Networking Configuration 的需求解决方案 : 动态主机配置协议 (Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP) -48-

49 动态主机配置协议 (DHCP) 目标 : 允许主机加入网络时自动从网络服务器获取 IP 地址需要使用时重新租用地址允许地址重复使用 ( 当节点工作时始终占用地址 ) 支持节点随时加入网络降低大型网络的管理负担 -49-

50 DHCP 工作原理主机与 DHCP 服务器通信的四种标准报文 DHCPDISCOVER ( 从主机到 DHCP 服务器 ) 主机广播该报文 DHCPOFFER ( 从 DHCP 服务器到主机 ) DHCP 服务器给出包含配置参数的提议 DHCPREQUEST ( 从主机到 DHCP 服务器 ) 主机选择并接受某一提议 DHCPPACK ( 从 DHCP 服务器到主机 ) DHCP 服务器确认配置 -50-

51 示例 : DHCP 客户端与服务器协商过程 DHCP 服务器 : DHCP 发现客户端广播 src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 DHCP offer src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 Lifetime: 3600 secs DHCP 请求 time src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs -51-

52 DHCP 深入讨论 DHCP 时间 DHCP 服务器 : 租用时间 4 字节, 1 秒 136 年 DHCP 客户端 : 超时触发器 0.5T 和 0.875T Windows 命令 : ipconfig /release ipconfig /renew -52-

53 第 3 章. 网络互联问题 : 并非所有的网络都是直连的 3.1 交换和桥接 3.2 互联网基础什么是互联网? 服务模型全局地址 IP 的数据转发子网划分与无类地址地址转换 (ARP) 主机配置 (DHCP) 差错报告 (ICMP) 虚拟网络和隧道 -53-

54 问题 : 如何报告错误 Internet 如何处理错误? 当 IP 在数据报传送受阻而要将其丢弃时不能默默地归于失败 Internet 控制消息协议 (ICMP) IP 协议的附属协议当路由器或主机无法成功处理 IP 数据报时向源主机发送错误报文 ( 定义了错误报文集合 ) -54-

network unreachable 3 1 dest host unreachable 3 2 dest protocol unreachable 3 3 dest port unreachable 3 6 dest network

55 Internet 控制消息协议主机和路由之间进行网络层信息的通信错误报告 : 无法到达的主机, 网络, 端口, 协议 echo request/reply (ping 命令 ) 运行于 IP 之上的网络层协议 : ICMP 消息封装于 IP 数据报中 ICMP 报文 : 错误原因 ( 类型, 编码 ) 类型编码描述 0 0 echo reply (ping) 3 0 dest. network unreachable 3 1 dest host unreachable 3 2 dest protocol unreachable 3 3 dest port unreachable 3 6 dest network unknown 3 7 dest host unknown 4 0 source quench (congestion control - not used) 8 0 echo request (ping) 9 0 route advertisement 10 0 router discovery 11 0 TTL expired 12 0 bad IP header -55-

56 ICMP 分组格式前 4 个字节都是一样的 0 类型代码检验和 ( 这 4 个字节取决于 ICMP 报文的类型 ) ICMP 的数据部分 ( 长度取决于类型 ) ICMP 报文首部数据部分 IP 数据报 IP 数据报的数据字段收到的 IP 数据报 IP 数据报首部 8 字节 ICMP 前 8 字节 IP 数据报首部 8 字节 ICMP 差错报告报文首部 ICMP 差错报告报文装入 ICMP 报文的 IP 数据报 IP 数据报 -56-

57 ICMP 的应用 : ping 测试网络上某个主机是否可达的网络调试工具 Ping: Packet Internet Grope Ping 发送一个 ICMP 回声请求 (type 8, code 0) 消息给目的地, 并报告是否收到所希望的 ICMP 回声应答序号 Ping Message 可能原因 1 Request Timed Out 对方主机可能可以到达, 但是超时 TIME OUT, 通常是为对方拒绝接收数据包造成数据包丢失 2 Destination Net Unreachable 对方主机不存在或者没有跟对方建立连接 3 Bad IP address 可能没有连接到 DNS 服务器所以无法解析这个 IP 地址, 也可能是 IP 地址不存在 -57-

58 ICMP 的应用 : traceroute / tracert 跟踪路由的网络调试工具由 VanJacobson 最早开发实现基于 IP 路由过程中对数据包 TTL(Time to Live, 存活时间 ) 的处理当路由器收到一个 IP 包时, 会修改 IP 包的 TTL 检查 TTL 是否是 0 或 1 如果是, 表明这个包还没有到达目的地且剩余时间不多了, 路由器会丢弃该包, 并给源主机发送 ICMP 通知, 说这个包已经超时了 ICMP 的通知信息里包含当前路由器发送时所用的 IP trcertroute 建立一个 UDP 数据包, 不断修改 TTL 值并发送出去, 如果收到 " 超时错 ", 表示刚刚到达的是路由器, 而如果收到的是 " 端口不可达 " 错误, 表示刚刚到达的就是目的主机 Version HLen TOS Length Ident Flags Offset TTL Protocol Checksum SourceAddr DestinationAddr Options (variable) Data Pad (variable) -58-

59 ICMP 的应用 : traceroute 源节点发送若个 UDP 数据报至目的节点第一个数据报的 TTL =1 第二个数据报的 TTL=2, 依次类推. 当第 n 个数据报到达第 n 个路由器 : 路由器丢失数据报向源节点发送一个 ICMP 报文 (type 11, code 0) 报文中包含路由器的名字及 IP 地址当 ICMP 报文到达源节点, 源节点计算 RTT Traceroute 重复执行上述过程 3 次停止原则 UDP 数据报最终到达目的主机目的节点发送 ICMP host unreachable 分组 (type 3, code 3) 当源节点收到该 ICMP 报文, 则停止发送. -59-

60 第九讲参考资料教材系统方法第 3 章网络互联 3.2 互联网基础相关章节吴功宜教材第 6 章网络层 6.3 IPv4 的地址 6.5 Internet 控制报文协议 -ICMP 6.8 地址解析协议 -ARP 谢希仁教材第 4 章网络层 4.3 划分子网和构造超网 4.4 网际控制报文协议 ICMP

Chapter #

Chapter # 第三章 TCP/IP 协议栈本章目标通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型掌握 IP 协议原理理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍主机主机 Internet TCP/IP 早期的协议族全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层应用层主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层