面向IP的交换技术

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1、第7章 面向IP的交换技术,7.1 TCP/IP协议 7.2 IP编址方式 7.3 传统路由器的工作原理 7.4 IP与ATM结合的技术 7.5 多协议标记交换技术MPLS 思考题,7.1 TCP/IP 协 议,7.1.1 TCP/IP分层模型 关于协议分层，前面我们曾详细介绍了ISO开放系统互连OSI的网络体系结构模型，同样，TCP/IP也采用分层体系结构。采用分层技术，可以简化系统的设计和实现，并能提高系统的可靠性和灵活性。 TCP/IP共分五层。与OSI七层模型相比，TCP/IP没有表示层和会话层，这两层的功能由最高层应用层提供。同时，TCP/IP分层协议模型在各层名称定义及功能定义等方

2、面与OSI模型也存在着差异，如图7.1所示。,图7.1 TCP/IP分层模型与OSI模型的比较,TCP/IP与OSI模型是不同的，OSI模型来自于标准化组织，而TCP/IP则不是人为制定的标准，它产生于Internet网的研究和应用实践中。根据已经开发出的协议标准，可以将TCP/IP的通信任务划分为相对独立的五层结构：应用层、运输层、网络层、网络接入层和物理层。 物理层包含了数据传输设备(例如工作站、计算机)与传输媒体或网络之间的物理接口。这一层关心的是诸如传输媒体的性能、信号特性、数据速率等问题的定义。,网络接入层关心的是终端系统和与其相直接相连的网络之间的数据交换。发方计算机必须向网络提供

3、目的计算机的地址，这样网络才能沿适当的路径将数据传送给正确的目的计算机。这一层所使用的具体软件取决于应用网络的类型。比如，电路交换、分组交换、局域网等不同类型的网络各使用不同的标准。 网络接入层关心的是连接在同一个网络上的两个端系统如何接入网络，并使数据沿适当的路径通过网络。当通信双方跨越不同网络时，分组如何在网络中选路、转发是网络层要完成的功能。,不论进行数据交换的是什么样的应用程序，通常都要求数据的交换是可靠的。也就是说，我们希望确保所有数据都能顺利到达目的应用程序，并且到达的数据与它们被发送时的顺序是一致的。用于可靠传递的机制就是运输层，传输控制协议(TCP)是提供这一功能的目前使用最广

4、泛的协议。 应用层所包含的是用于支持各种用户应用程序的逻辑。对于各种不同类型的应用程序，如文件传送程序，需要一个独立的专门逻辑负责该应用的模块。,TCP/IP是由许多协议组成的协议簇，其详细的协议分类如图7.2所示。图7.2中同时给出了OSI模型的对应层。对于OSI模型的物理层和数据链路层，TCP/IP不提供任何协议， 由网络接入层协议负责。对于网络层，TCP/IP提供了一些协议，但主要是IP协议。对于运输层，TCP/IP提供了两个协议：传输控制协议TCP和用户数据协议UDP。对于应用层，TCP/IP提供了大量的协议作为网络服务，例如Telnet、FTP等。,图7.2 TCP/IP协议簇,TC

5、P/IP的主要特点如下：高可靠性。TCP/IP采用重新确认的方法和“窗口”流量控制机制以保证数据的可靠传输。安全性。为建立TCP连接，在连接的每一端都必须与该连接的安全性控制达成一致。IP协议在它的控制分组头中有若干字段允许有选择地对传输的信息实施保护。灵活性。TCP/IP对下层支持其协议，而对上层应用协议不作特殊要求。因此，TCP/IP的使用不受传输媒介和网络应用软件的限制。互操作性。从FTP、Telnet等实用程序可以看到，不同计算机系统之间可采用文件方式进行通信。,7.1.2 TCP/IP模型各层的功能 1应用层 TCP/IP应用层为用户提供访问 Internet的一组高层协议，即一组应

6、用程序，例如 FTP、Telnet等。 应用层的作用是对数据进行格式化，并完成应用所要求的服务。数据格式化的目的是便于传输与接收。 严格地说，应用程序并不是TCP/IP的一部分，只是由于TCP/IP对此制定了相应的协议标准，所以将它们作为TCP/IP的内容。实际上，用户可以在Internet网之上(运输层之上)建立自己的专用程序。设计使用这些专用应用程序要用到TCP/IP，但不属于TCP/IP。,2运输层 TCP/IP运输层的作用是提供应用程序间(端到端)的通信服务。为实现可靠传输，该层协议规定接收端必须向发送端回送确认；若有分组丢失时，必须重新发送。该层提供了两个协议： (1) 传输控制协议

7、TCP：负责提供高可靠的数据传送服务，主要用于一次传送大量报文的情况，如文件传送等。 (2) 用户数据协议UDP：负责提供高效率的服务，用于一次传送少量报文的情况，如数据查询等。,运输层的主要功能是：(1) 格式化信息；(2) 提供可靠(TCP协议)和不可靠(UDP协议)传输。,3IP层 TCP/IP网络层的核心是IP协议，同时还提供多种其它协议。IP协议提供主机间的数据传送能力，其它协议提供IP协议的辅助功能，协助IP协议更好地完成数据报文传送。 IP层的主要功能有三点： (1) 处理来自运输层的分组发送请求：收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择路由，然后将数据报发往适当的网络接

8、口。,(2) 处理输入数据报：首先检查输入的合法性，然后进行路由选择；假如该数据报已到达目的地(本机)，则去掉报头，将剩下的部分即运输层分组交给适当的传输协议；假如该数据报未到达目的地，则转发该数据报。 (3) 处理差错与控制报文：处理路由、流量控制、拥塞控制等问题。,网络层提供的其它协议主要有： (1) 地址转换协议ARP：用于将Internet地址转换成物理地址； (2) 逆向地址转换协议RARP：与ARP的功能相反，用于将物理地址转换成Internet地址； (3) Internet报文控制协议ICMP：用于报告差错和传送控制信息，其控制功能包括差错控制、拥塞控制和路由控制等。,4网络接

9、入层 网络接入层是 TCP/IP协议软件的最低一层，主要功能是负责接收IP分组，并且通过特定的网络进行传输，或者从网络上接收物理帧，抽出IP分组，上交给网络层。 网络接入主要有两种类型：第一种是设备驱动程序(例如，机器直接连到局域网的网络接入)；第二种是专用数据链路协议子系统(例如X.25中的网络接入)。,7.2 IP 编 址 方 式,7.2.1 传统分类编址方式 一个IP地址由4个字节共32位的数字串组成，这4个字节通常用小数点分隔。每个字节可用十进制或十六进制表示，如129.45.8.22和0x8.0x43.0x10.0x26就是用十进制和十六进制表示的IP地址。IP地址也可以用二进制表示

10、。 一个IP地址包括两个标识码(ID)，即网络ID和主机ID。,同一个物理网络上的所有主机都有同一个网络ID，网络上的每个主机(包括网络上的工作站、服务器和路由器等)只有一个主机ID与其对应。据此把IP地址的4个字节划分为两个部分：一部分用以标明具体的网络段，即网络ID；另一部分用以标明具体的节点，即主机ID。 在这32位地址信息内有5种定位的划分方式，这5种划分方式分别对应于A、B、C、D和E类IP地址，这样设计是为了不同规模(大规模、中等规模和小规模)组织的需要，具体见表7.1。,表7.1 IP地址分类,A类：一个A类IP地址由1个字节的网络地址和3个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必

11、须是“0”(每个字节有8位二进制数)。 B类：一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高两位必须是“10”。 C类：一个C类地址是由3个字节的网络地址和1个字节的主机地址组成，网络地址的最高三位必须是“110”。 D类：用于多播。第一个字节以“1110”开始。因此，任何第一个字节大于223且小于240的IP地址是多播地址。全零(0.0.0.0)地址对应于当前主机。全“1”的IP地址(255.255.255.255)是当前子网的广播地址。 E类：以“1111”开始，为将来使用保留。,凡是主机段，即主机ID全部设为“0的IP地址称之为网络地址，如129.45.0.

12、0。凡是主机ID部分全部设为“1”的IP地址称之为广播地址，如129.45.255.255。网络ID不能以十进制“127”作为开头，在此类地址中，数字127保留给诊断用，如127.1.1.1用于回路测试；同时，网络ID的第一个8位组也不能全置为“0”，全“0”表示本地网络；网络ID部分全部为“0”和全部为“1”的IP地址被保留使用。 传统分类编址方式使得同一物理网络上的所有主机共享一个相同的网络前缀网络ID在互联网中选路时，只需检查目的地址的网络ID，就可以找到目的主机所在的物理网络。,7.2.2 子网编址方式 20世纪80年代，随着局域网的流行，如果按传统分类编址方式为每个物理网络分配一个独

13、特的前缀，那么会迅速耗尽地址空间，因此人们开发了一种地址扩展来保存网络前缀，这种方法称为子网编址(Subnet Addressing)，它允许多个物理地址共享一个前缀。 子网划分是用来把一个单一的IP网络地址划分成多个更小的子网(subnet)。这种技术可使一个较大的分类IP地址能够被进一步划分。子网划分基于以下原理：,(1) 大多数网络中的主机数在几十台至几百台，甚至更高，而A类地址主机数为224，B类地址主机数为216。A类地址一般只能用于特大型网络。为了充分利用Internet的宝贵地址资源，可以将主机地址进一步细分为子网地址和主机地址，即主机属于子网，以有效地提高Internet地址资

14、源的利用率。,(2) 采用子网划分和基于子网的路由选择技术，能够有效降低路由选择的复杂性，提高选路的灵活性和可靠性。 子网划分的方法如图7.3所示。在Internet地址中，网络地址部分不变，原主机地址划分为子网地址和主机地址。与传统的分类地址一样，地址中的网络部分(网络前缀+子网)与主机部分之间的边界是由子网掩码来定义的。,图7.3 子网划分的原理,图7.4 某公司的子网划分,图7.4给出一个子网划分的例子。B类地址187.15.0.0被分配给了某个公司。该公司的网络规划者希望建立一个企业级的IP网络，用于将数量超过200个的站点互相连接起来。由于在IP地址空间中“187.15”部分是固定的

15、，因此只剩下后面两个字节用来定义子网和子网中的主机。他们将第三字节作为子网号，第四字节作为给定子网上的主机号。这意味着该公司的企业网络能够支持最多254个子网，每个子网可以支持最多254个主机。因此，这个互联网络的子网掩码为255.255.255.0。 这个例子说明了为整个网络定义统一子网掩码255.255.255.0的情况。它意味着每个子网中最大的主机数只能是254台。假如主机数目达到500台，或者主机数目非常少，那么采用固定长度子网掩码就非常不方便。,7.2.3 无分类编址方式CIDR Internet的高速发展给原先的IP地址模式带来很多问题，主要有： (1) 剩余的IP地址将要耗尽，尤其是B类地址。某些中等规模的机构已经申请了B类地址，自己的主机数目又不是很多，这样没有充分发挥B类地址容量大的优势，势必造成B类地址的浪费，使得可用的B类地址趋于耗尽。 (2) Internet上的路由信息严重超载。随着网络技术的高速发展，路由器内路由表的数量和尺寸也高速增长，降低了路由效率，增重了网络管理的负担。,