网络互连与因特网

网络互连

互连

将两台计算机、客户端或服务器连接起来使之能够通信
将多个异构通信网络连接起来

互连的必要性

多种不兼容的网络将长期共存
由于地域限制，一个网络无法覆盖所有用户
一个网络中结点过多，会导致负载过重，吞吐量下降
可靠性考虑

如何实现互联？
在不同的网络层次进行互联，需要使用到不同的中间设备

因特网

因特网的前身是阿帕网（ ARPAnet）起源于美国军方项目。
大规模民用后迅速发展，取得了成功。
多种接入方式，多种通信终端，丰富多彩的应用和资源。

因特网的优点：

开放的网络
信息量大，资源丰富
不受时间空间限制
接入方便快速，操作简单

通过 TCP/IP 实现的网际互连隐藏了网络的细节（包括底层网络技术、拓扑结构等），提供通用的一致性的网络服务，因特网 (Internet) 在逻辑上是一个统一的、整体的虚拟网络，用户完全可将其看作是一个单一的网络。

TCP/IP体系参考模型

物理层
网络接口层
定义各种介质物理连接的特性
定义在不同介质上信息帧的格式
IP（Internet protocol）层
转发和路由功能：根据分组的目的 IP 地址，将分组从源端转发到目的地。
路由器（router）： TCP/IP 网络中专用的 IP分组转发设备。
TCP/UDP （传输层）
TCP：提供面向连接的、可靠的传输服务
UDP：提供无连接的、不可靠的传输服务
应用层

网络分层与地址转换协议

因特网分层架构

网络分层

各层实现各自的功能
向上一层提供本层实现的通信服务
享受下一层提供给本层的通信服务

TCP/IP 的五层架构
物理层：比特流的透明传输
数据链路层：相同网络中邻居节点之间数据帧的传输
网络层：异构网络中不同主机之间 IP包的传输
传输层：端到端进程之间报文的传输
应用层

各层的地址

除了物理层之外，各层都要实现寻址功能

物理地址，硬件地址MAC 地址
IP地址
端口号或插口
主机名

地址转换

不同层的地址各有不同，实现地址转换是非常必要的。

IP 地址与主机名的转换
- 小型网络：HOSTS 文件记录主机名与IP地址的对应
- 大型网络：在域名系统（DNS ）的名字服务器中存放映射表
IP 地址与主机物理地址的转换
- 根据 IP 地址获得物理地址：
  地址解析协议（ARP Address Resolution Protocol）
- 根据物理地址获得 IP 地址：
  逆向地址解析协议（RARP Reverse Address Resolution Protocol）

地址解析协议：ARP

源主机查自己保存的映射表（ ARP 高速缓存），查找对应的物理地址
若找不到，则广播 ARP 请求，其中携带了目的主机的 IP 地址；
目的主机发出 ARP 响应，告知自己的物理地址；
源主机将目的主机的物理地址映射写入自己的高速缓存

IP地址

在 TCP/IP 体系结构中，实现不同网络的网际互连是通过 IP 协议完成的。
为解决互联网络（ Internet ）中的寻址问题，IP 协议定义了在全网唯一的通用 32 位地址格式—— IP 地址 ( IPv4 版本）。
IP 地址的分配是在统一的管理下进行（ NIC)
IP 地址在网络层上屏蔽了异构网络之间硬件地址等特性的差异，利于网间通信的实现。

IP 地址长度为 32bit ，包括网络号（网络前缀）和主机号
不同地址类型定义了地址中网络前缀和主机号所占的位数
利用地址类型，可快速区分出地址中的网络前缀和主机号

IP 地址表示法：

点分十进制表示法
采用4个小数点分开的十进制整数，每个整数对应于地址中的一个字节。
如：IP 地址 10001001 00000010 00000011 00000100 可表示为192.2.3.4

子网划分

IP 地址在使用时有很大的浪费——划分子网
用子网掩码来区分子网号与主机号的分界线。
子网掩码由一连串的 1 和一连串的 0 组成。
1对应于网络号和子网络号字段；0对应于主机号字段。
不进行子网划分，则其子网掩码即为默认值，此时子网掩码1的长度就是网络号的长度。

路由器的基本结构和工作过程

路由器的基本结构

路由器在网络层连接了多个异构网络
路由器具有多个网络接口，分别接入不同网络，每个接口分配一个IP地址

路由器基本工作概述

利用“最佳路径”将分组从一个网络转发到另一个网络，需要计算分组去往目的地的最佳路径（也就是最短或费用最低的通路）
与其它路由器进行信息交换（各网络的位置、可达性等）
信息交换采用特定协议来完成
跳（ hop ）、下一跳（next hop）路由器：
转发通路上的一个路由器被称为一跳（站）。转发通路上，与某路由器相邻接的下游路由器称为其下一跳路由器。
hop by hop 的选路方式：
在一个路由器中，IP 分组被转发到哪里决定于：
- 该路由器的路由表的内容
- 分组的目的地址

路由器的转发方式

路由器转发 IP 包时按照本节点与目的主机是否在同一个物理网络，可以分为直接转发和间接转发。
直接转发：目的主机与本路由器处于同一个物理网络，可以将 IP 包封装在 MAC 帧中，直接发送到目的主机。
间接转发：目的主机与本路由器不在同一个物理网络，需要根据路由表查询得到下一跳路由器并对应转发 IP 包。

路由表

路由器根据本网络所使用的路由算法生成本地路由表，列出了目的网络和对应的出口。
默认路由（ default routing）：选路时，如果没有在路由表中搜索到与目的地址匹配的表项，那么可以将该分组转发到一个默认的下一跳路由器上。这就是默认路由，由此可以减小路由表的规模，提高查表效率。
特定主机路由（ host specific routing ）：一般而言路由表的表项是基于网络号的，但有时为了某些特殊目的（如管理维护等），也允许在路由表中使用主机地址作为表项，为特定主机指定特定的路由通路。

路由选择

路由协议的分类

因特网规模庞大，使用动态自适应、分布式、分层次的路由协议。
将整个因特网划分成许多小的自治系统（Autonomous System AS）
自治系统内决定采用哪种路由协议。
路由协议可以分为两类：
内部网关协议（域内）：在一个AS内部使用的路由协议，与其他系统无关，如RIP OSPF等
外部网关协议（域间）：两个或多个不同 AS 间通信使用的路由协议，如 BGP 等

RIP

RIP——Routing Information Protocol

最普通、应用最广泛的内部网关路由协议
采用距离向量路由算法
采用转发次数（即 hop ）作为费用的度量参数
RIP 支持的最大网络直径是 15 hop
每 30 秒将整个路由数据库广播一次
好消息传播的快，坏消息传播的慢。

分布式路由选择策略中最基本的算法有两类：
距离向量算法：如 RIP 。
链路状态算法：如 OSPF 。
距离向量算法：每一个路由器将其所了解的网络路由信息，包括已知的所有网络和距离通知邻居路由器，采用的是发布距离向量的形式。
距离向量二元组 {network,cost}

network:目的网络号
cost:去往该网络的费用

费用（ cost ）反映了发布距离向量的路由器与目的网络之间的距离，是一个相对值。在 RIP 协议中，它是指一条通路上所经过的链路或路由器的数量，也就是每经过一个路由器，cost值加 1 。
路由器的路由数据库中记录了距离向量以及去往该网络的邻居路由器。
使用距离向量协议的路由器每隔一段时间会通过路由更新消息向其直接相邻的路由器发布一组距离向量。这些距离向量反映了本路由器已知的路由信息，也是路由数据库中记录的内容。

如何更新本地路由数据库：

将接收到的所有距离向量的费用值与本节点的费用值（一般是 1 ）相加
将计算结果与本地路由数据库中记录的距离向量进行逐项比较，取较小值
用新的距离向量更新路由数据库。即：费用值更新为上一步得到的最小值结果，同时将发布新向量的路由器作为下一跳路由器。
路由数据库更新完之后，可以根据新数据库计算和生成新的路由表。

OSPF

RIP的缺点：规模小，路由信息开销大，收敛时间长。
开放最短通路优先（OSPF Open Shortest PathFirst ）：采用链路状态路由及最短路径优先算法（ Dijkstra 算法）

支持到达相同目的地的多条等价通路
在网络拓扑结构发生变化时，才进行链路状态的发布，因此网络开销小
可扩展性好

路由器将链路状态信息发布给其他路由器：

该路由器与哪些网络和路由器相邻
所需费用

路由器将向整个网络发布链路状态分组（ LSP）

源路由器的标识符
相邻路由器的标识符
二者之间链路的费用

路由数据库，即链路状态数据库，是一张整个网络的拓扑结构图

各个路由器接收到的 LSP 被用于建立和刷新该网络的整体拓扑图
根据该拓扑图，利用 Dijkstra 算法，能够计算出网络中任意两点之间的最短通路
路由器根据网络整体拓扑图来计算生成路由表

工作过程：

各路由器向网络中发布 LSP 分组信息；
路由器接收到其他路由器发布的 LSP ，建立和刷新各自的链路状态数据库；经过一段稳定时间后，各路由器中都维持了统一的网络拓扑结构；
各路由器根据网络拓扑计算各自的最短路径树；
各路由器得到最短路径树后，可据此计算各自的路由表。

LSP

LSP 能够迅速传遍全网，链路状态协议能够快速汇聚。由此快速建立起来网络拓扑的准确视图。
LSP信息仅在网络拓扑发生变化的时候才发送，因此开销也较小，传输较快。
由于各路由器都掌握网络整体拓扑结构，准确性高，也不会产生循环路由。
LSP 能够支持多种网络参数或者信息的传送，因此具有较好的可扩展性。

OSPF 适用于规模较大的网络。将整个网络分成不同的区域。每个区域内部的路由器之间互相发布链路状态信息。
每个区域都有边界路由器 ABR ，各个 ABR 彼此相连构成骨干区域，实现跨区域的通信。
不同区域之间只需传输概括性的信息。

比较

例题讲解

问答题：给出以下IP地址190.210.213.153/19，对应的网络是否划分了子网？如果认为划分了子网，那请给出该子网中可用的主机IP地址范围。

参考答案：是划分了子网。该子网中的可用主机IP地址范围是190.210.192.1到190.210.223.254。

题目中所给出的 IP地址，换算成二进制的表达方式如下：
10111110 11010010 11010101 10011001
根据IP地址分类的规则可知该地址是一个B类地址，应该是前16位代表网络号，后16位代表主机号。 /19代表其二进制表示方法中前19位是网络号 。由此可知，该地址取了高3位的主机位用于划分子网 。因此该 IP地址对应的实际网络号为：
10111110 11010010 110/00000 00000000
一般来说，网络中全 0全1的地址不分配给主机使用，因此可知上述子网中最小和最大的主机号分别应该是：
10111110 11010010 110/00000 00000001
10111110 11010010 110/11111 11111110
换算为点分十进制表示法，即子网的可用主机IP地址为190.210.192.1到
190.210.223.254。

问答题：请给出路由协议的典型分类方法，并举出对应的路由协议例子。
参考答案
根据是在自治系统（ AS ）域内使用或域间使用 ，路由协议可以分为内部网关协议和外部网关协议。其中，内部网关协议的典型代表是RIP协议和OSPF协议 。外部网关协议的典型代表是BGP协议。

注：现代通信技术_北京邮电大学

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