现代通信网络技术4.docx
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现代通信网络技术4
第4章 IP网络技术
IP网络概述
学习要点及要求：
1．了解IP网络的含义、特点
2．了解TCP/IP协议
一．IP网络含义
IP网络是以TCP/IP协议为基础的互联网络。
二．IP网络组成
IP网络是由各类不同类型和规模的、独立运行和管理的运算机网络组成的全世界范围的运算机网络。
运算机网络：
包括各类局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）等。
将不同国家和地域的各网络通过普通电话线、中高速数据专线、卫星、微波、光缆等通信线路连接起来即组成IP网络。
三．IP网络特点
IP网络作为一种最有进展前景的网络技术，已普遍应用于整个社会，并起着十分重要的作用。
近十年来，全世界电话用户的增加率平均为5%～10%左右，而由于运算机的普遍应用和普及，数据业务呈指数式增加，平均年增加率达25%～40%。
IP：
实质上是运算机网络用于互换信息的大体包（Packet）格式。
IP包：
是一种事前概念好的格式，通常由包头（Header）和一些数据组成。
数据：
能够是部份文件、终端应用程序和E-mail等。
在IP网络上，所有的信息都将被划分为独立的IP包，每一个IP包能够沿自己的路径通过网络传输。
IP网特性：
1．IP网是一个无连接的系统
在Internet上的机械之间没有成立连接，数据被组装成数据分组，分组头有终点地址，沿途路由器按照地址转发数据分组，将数据分组送到终点。
在数据分组的传输进程中并非需要事前成立连接。
2．IP网采用自适应性路由
可依据网络在特按时刻的状况，来选择不同的路由器通过Internet。
自适应路由的可能结果是目标端点的用户接收到包的顺序被打乱了，另一个可能结果是接收方包抵达的速度不同。
3．IP网是“尽其所能”的网络
Internet尽最大尽力传输，可是若是出现了问题或找不到目的主机，数据就被抛弃。
在大多数情形下，常驻终端用户主机的TCP能重发丢失的或损坏的包。
4．IP网在网络层用IP协议互联，避免了异质网络在链路层互联的困难。
5．IP网的基础设施和应用是分离的，便于进展各类应用。
IP网大体模型
IP网采用分层体系结构，其模型包括了层次结构和各功能描述两方面的内容。
每一层提供特定的功能，层与层之间彼此独立，当需要改变某一层的功能时，不会影响其他层。
一．OSI参考模型……开放系统互连模型OSI
OSI是一个描述网络层次结构的模型，其标准保证了各类类型网络技术的兼容性、互操作性。
OSI参考模型将整个网络通信的功能划分为七个层次。
由低到高别离是：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
1至3层负责在网络中进行数据的传送，又称介质层。
4至7层在进行数据传输的基础之上，保证数据传输的靠得住性，又称为主机层。
物理层：
实现两台设备之间的物理连接，涉及到通信在信道上传输的原始比特流。
主要处置各类接口及物理传输介质问题。
数据链路层：
指沿着网络链路在相邻结点之间移动数据的技术规范。
发送方把输入数据分装在数据帧里。
数据链路层负责帧在运算机之间的无过失传递。
数据链路层还支持工作站的网络接口卡所用的软件驱动程序。
网桥和互换器是数据链路层设备。
网络层：
概念网络操作系统通信用的协议，为信息肯定地址，把逻辑地址和名字翻译成物理地址。
为处在两个不同地理位置上的终端设备之间提供连接和路径选择。
传输层：
处置数据的实际操作，负责错误的确认和恢复，确保信息靠得住传递。
在必要时，可对信息从头打包，把太长信息分成小包发送；而在接收端，把这些小包重组成初始的信息。
会话层：
处置两个或多个系统之间连接的成立和保护。
表示层：
它包括了处置网络应用程序数据格式的协议。
从应用层取得数据并把它们格式化以供网络通信利用。
应用层：
为在OSI模型之外的应用程序提供服务。
ISO/OSI参考模型并非是一个现实的网络，实际中许多网络把多层的功能归并在一路来实现。
二．TCP/IP分层模型
TCP/IP是传输控制协议/因特网协议，它代表了一组因特网互联协议。
目的是将各类结构运算机网络或主机通过TCP/IP协议实现互联互通。
TCP/IP采用分层体系结构，每一层完成特定的功能，各层之间彼此独立，采用标准接口传送数据。
数据流动可看做是从一层传递到另一层，从一个协议传递到另一个协议。
TCP/IP共有5个层次：
1．应用层：
直接为IP网络应用提供服务。
应用层间传送应用数据。
2．传输层
以UDP/TCP为标志，允许具有相同IP地址的不同机械独立接收和发送数据，为应用程序提供端到端通信功能。
即传送TCP/UDP数据。
3．网络层
该层以IP为标志，概念了标准的分组格式和协议，提供基于IP地址的、不靠得住的、尽最大能力的、面向无连接的数据传送服务。
网络层间传送IP数据。
4．链路层：
数据组装成数据帧。
负责帧数据在运算机之间的无过失传递。
5．物理层
在两个设备之间成立连接，主要处置各类接口及物理传输介质问题
三．TCP/IP协议簇
TCP/IP协议簇基于分层原则,每层都明确概念功能和用途，各层功能相对独立。
相邻层间都由协议准确概念边界接口，通过接口通信。
如图4-1所示。
1．IP协议……互联网协议
IP是点到点的网络层协议，核心问题是寻径，它向上层提供统一的IP数据报，使得各类物理帧的不同对上层协议不复存在。
主要功能包括：
无连接数据报传送、数据报路由选择。
（1）无连接数据报传输
IP对数据报进行无连接的最优的传送路由选择。
特点：
①不靠得住：
因为分组可能丢失、重复、延迟或不按序抵达等；
②无连接：
每一个分组都是独立对待，从一台运算机发送到另一台运算机的分组序列，可通过不同的传输路径；
③尽力传送：
因为互联网软件尽力发送每一个分组，并非随意地舍弃分组，只有当资源用完或低层网络出现故障时才可能出现不靠得住性。
（2）IP数据报
IP数据报是一个大体传输单元，包括头部和数据。
格式见图4-2。
数据报头部包括了源地址和目的地址和一个标识数据报内容的类型字段。
各字段的概念如下：
版本：
长度为4bit，指示所利用的IP协议版本。
头标长：
长度为4bit，指示以字（字长为32bit）为单位的报头长度。
服务类型：
长度为8bit，规定了数据报的处置方式。
总长度：
长度为16bit，指示整个IP数据报的长度，最长可达216-1个字节。
标识字段：
长度为16bit，标识分组属于哪个数据报，以便重组数据报。
标志字段：
长度为2bit，值为0表示片未完，为1表示不分片。
片偏移字段：
长度为14bit，指示本片数据在原始数据报数据区中的偏移量。
生成时刻字段：
长度为8bit，用于设置本数据报最大生存时刻，以秒为单位。
协议字段：
长度为8bit，指示产生该数据报内传送的第4层协议，大多数IP传输层用的是TCP，实质上表示数据区数据的格式。
头标查验和字段：
长度为16bit，用于确保数据报头数据的完整性。
源IP地址字段和目的IP地址字段：
源IP地址字段和目的IP地址字段各占32bit，表示IP数据报的发送者和接收者。
选项字段：
长度为24bit，用于网络测试、调试、保密及其他。
数据区：
用于封装IP用户数据。
（3）IP数据报传输
IP数据报通过物理网络帧传输，当IP协议收到一个IP数据报时，将物理网络数据帧头加到前面形成一帧。
一个物理网络的数据帧携带一个数据报的这种传输方式叫做数据报封装。
数据报封装是将IP数据报直接映射到网络物理帧的方式。
如图4-3所示。
（4）IP数据报路由选择
IP路由选择是指从源主机到目的主机之间选择一条传输路由的进程。
路由选择方式：
直接路由选择和间接路由选择。
直接路由选择就是将数据报从一台主机直接传送到另一台主机，是物理网络内部的路由选择。
源主机与目的主机不在同一网络，数据报传送将通过若干个网关，间接路由选择指为数据报选择下一个网关的进程。
IP数据报在网络中传输时一次只通过一个节点，并非明白整个路径，而每一个节点都有一张路由表，指明从该节点到目的主机的下一个节点的路径。
2．IGMP协议……互联网组消息协议
IGMP负责点到多点的数据报传输。
3．ICMP……网际控制协议
负责按照网络上的设备状态发出和检查报文，为IP提供过失报告。
ICMP报文必需通过两次封装：
第一次将其封装在IP数据报的数据部份；第二次又将该IP数据报封装在物理网络的数据帧中。
ICMP报文格式如图4-4所示。
其中：
类型占1个字节，指示ICMP报文的类型，如表4-2所示。
代码占1个字节，提供关于报文类型的详细信息，包括错误类型和状态信息；
校验和占2个字节，提供整个ICMP报文的校验和；
数据区，包括过失数据报报头和该数据报的64bit数据，以帮忙肯定犯错数据报。
4．ARP/RARP……地址解析协议/反向地址解析协议
ARP负责由IP地址到物理地址（MAC地址）的转换。
RARP完成物理地址到IP地址的转换。
5．TCP协议/UDP协议……传输控制协议/用户数据报协议
TCP提供面向连接的靠得住的传输服务，可实现流量和过失控制。
UDP成立在IP协议之上，提供无连接数据报传输。
它把用户数据分解为多个数据包后发送给接收方。
数据传输的靠得住性由用户程序保证。
UDP的长处：
执行代码小、系统开销小、处置速度快。
一般情形下，TCP和UDP共存于一个互联网中，前者提供靠得住性服务，后者提供高效率服务。
高靠得住性的TCP用于一次传输要互换大量报文的情形；高效率的UDP用于一次传输互换少量报文的情形，其靠得住性由应用程序提供。
TCP的主要特点是靠得住性很高，因为它提供面向连接的流传输。
流是一个无报文丢失、重复和失序的正确的数据序列。
流相当于一个管道，从一端放入什么，从另一端能够照原样掏出什么。
面向连接是在实际数据传输前，必需在信源端与信宿端成立一条连接。
连接成立成功，则可开始传输数据。
传输完毕，需要释放连接。
面向连接传输的每一个报文都需接收端确认，未确认报文被以为是犯错报文。
TCP采用的技术有：
确认和超时重传、流量控制及拥塞控制等。
（1）TCP段格式
在两个TCP模块之间互换的包称为段，段是TCP传输数据的大体单位，分为头部和数据区两大部份，格式如图4-5所示。
TCP段中各字段的概念为：
源端口：
呼唤端口的号；
目的端口：
被叫端口的号；
序列号：
用于确保数据抵达的正确顺序；
确认号：
用来确认接收到的数据，包括所期待的下一个TCP字段的编号；
头部长度：
报头的字数（字长为32位）；
保留：
设置为0，以备未来利用；
码位：
指出段的目的与内容；
窗口：
接收方能接收的字节数；
校验和：
报头和数据字段的校验和，目的是肯定段抵达时是不是发生错误；
紧急指针：
指出紧急数据的位置；
选项：
用于提供TCP的增强功能；
数据：
上层协议数据。
（2）TCP连接
①连接成立
三次握手的方式：
第一次，发送端机发出连接请求CR，该请求中包括发送端机的初始报文序号；
第二次，接收端机收到CR后，发还连接确认；
第三次，发关端机向接收端机发送数据，并包括对接收端机初始序号的确认。
②数据传输
连接成立后就可以够进行数据传输了。
③确认与超时重发
在数据传输中，由于通信线路存在着干扰和噪声，致使数据会出现过失或丢失。
采用确认与超时重传机制，可保证数据传输的靠得住性。
④连接释放
服务器完成其中工作后，释放连接。
（3）流量控制
数据的流量控制由接收端进行。
在连接成立期间，每一端分派接收缓冲区空间供连接利用。
进来的数据流入接收缓冲区，直到与TCP端口相关的应用程序取走数据进行处置。
（4）拥塞控制
大量数据报进入网关,致使网关超载而引发严峻延迟的现象。
采用滑动窗口技术，通过限制发送端输入报文的速度来控制拥塞。
6．应用层协议
虚拟终端协议TELNET、文件传输协议FTP、简单邮件传输协议SMTP、域名系统DNS、超文本传送协议HTTP、简单网络管理协议SNMP。
四．网络地址
用来标识网络设备，常常利用的网络地址有数据链路层地址，介质访问控制（MAC）地址和网络层IP地址。
1.数据链路层地址
用来标识网络设备的每一个物理网络连接，通常结尾系统只有一个物理连接，即一个数据链路层地址，但路由器等网络互联设备可能有多个物理网络连接，因此，具有多个数据链路层地址。
地址
用于标识局域网数据链路层MAC子层的地址，对于某个局域网接口来讲，MAC地址是唯一的，不会出现两个相同的MAC地址，MAC存储在网络接口卡中。
地址
IP地址存在于网络层，一个IP地址对应一台主机，屏蔽了物理网络地址的不同，目前普遍利用IPv4协议。
IP地址是一个32位的二进制数，通常被写成由句点分开的4个十进制数的形式，如。
每一个IP地址通常由两部份组成，即网络号和主机号，网络号用于标识主机所属的网络，主机号用于标识给定的网络上的某个特定的主机。
在同一个网络中的不同主机应具有相同的网络号，不同的主机号，任意两个可互联的网络应具有不同的网络号。
（1）IP地址分类
通常分成5类：
A类、B类、C类、D类和E类。
图4-6所示。
A类地址空间：
0.0.0.0～类地址空间：
～类地址空间：
～类地址用于组播
E类地址用于实验
网络地址除一般地标识一台主机外，还有几种具有特殊意义的特殊形式：
①广播地址
主机号全为“1”的网络地址用于广播之用，叫做广播地址，又称为直接广播地址。
在网间网上的任何一点都可向其他任何网络进行直接广播。
缺点：
要明白信宿网络的网络号。
②有限广播
32比特全为“1”的网间网地址用于本网广播，该地址叫做有限广播地址。
可不明白本网络网络号。
③“0”地址
列位全为“0”的网络号被解释成“本”网络。
④回送地址
A类网络地址127是一个保留地址，用于网络软件测试和本地机进程间通信，叫做回送地址。
TCP/IP协议规定：
①含网络号127的分组不能出此刻任何网络上；主机和网关不能为该地址广播任何寻径信息。
②主机号全“0”全“1”的地址不能用作一台主机的有效地址。
A类地址主要用于主机数量很多的大规模网络。
每一个A类网络地址都具有一个8位的网络前缀，最多可概念126个网络，每一个网络最多有台主机。
B类地址主要用于中规模网络。
最多能够有16382个网络，每一个网络最多有65534台主机。
C类地址主要用于小规模网络，最多有2097150个网络，每一个网络有254台主机。
（2）IP地址分派
IP地址分派有以下两种方式：
静态地址：
只能由网络管理员按网络编址统一分派、设置和修改。
长处：
配置简单；
缺点：
IP地址的利用率低。
动态地址：
IP地址可由多台设备按需动态利用，当设备连接到网络时，服务器就为设备分派一个IP地址，连接断开后地址收回，供其他设备连接利用。
长处：
IP地址利用率高；
缺点：
配置复杂，需要利用动态IP地址协议。
（3）地址与域名
由于IP地址利用数字表达，比较难以记忆，因此，在因特网中采用域名来表示因特网主机。
域名与IP地址一一对应，例如新浪网主机的域名为（IP地址为），当用户键入域名，相应的主机上的域名服务软件执行一次局部域名的查询，即域名服务器在DNS数据库中查找名字，并找到相应的IP地址。
4．子网及可变长子网掩码
在网络内部，为了向网络管理员提供额外的灵活性，通常将网络分割成多个小的子网，子网地址通常由网络管理员来分派，每一个子网地址是唯一的。
子网地址包括一个网络号、一个在本网络内的子网号，和在本子网内的主机号。
为了创建一个子网地址，网络管理员从主机域“借”位并把它们指定为子网域，例如，网络管理员决定为网络配置64个子网（26），每一个子网最多支持1022个主机（210-2）时，能够从主机域中“借”出6位做为子网号。
子网掩码用于辨别IP地址中哪部份为地址，哪部份为主机地址，由1和0组成，长32位，子网掩码的网络部份和子网部份全都是1，它的主机部份全都是0，默许子网掩码：
A类网络是，B类网络是，C类网络是。
当把一个IP网络分成几个不相等的部份时，每部份将具有自已唯一的子网掩码，可变长子网掩码能够使子网的大小反映出每一个划分中需要的主机地址。
例如：
某公司目前利用的是一个C类地址，它需要成立3个子网。
子网A有50台主机，子网B有25台主机，子网C有10台主机。
利用VLSM，咱们能够设子网A掩码为最多可支持62台主机），子网B掩码为最多可支持30台主机），子网C掩码为最多可支持14台主机）。
在因特网上，一个网络把其他网络看成是一个单一的网络，并非清楚其它网络是不是包括子网。
子网掩码与IP地址结合利用，能够区分出一个网络地址的网络号和主机号。
如有一个C类网络，它的网络地址是，在那个网络内部划分了一些子网，假设另一个IP地址为的一台运算机想将数据发送给该网络中IP地址为的运算机。
数据在因特网上传输，直到抵达该C类网的路由器，路由器的工作是肯定将数据发送给C类网络的哪个子网。
第一，路由器从收到的数据包中提取目的IP地址，肯定其中哪部份是网络域，哪部份是子网域，设该类子网掩码为，将其与IP地址进行以下逻辑与（AND）操作。
这两个数与操作后，取得子网的网络地址为，路由器将把数据发送给该子网。
将子网掩码取反再与IP地址逻辑与（AND）后取得的结果即为主机号0.0.0.2。
设计B类、C类网络时，能够参照表4-3，表4-4来肯定子网数、主机数和子网掩码。
5．子网设计举例
建设一个IP网络，第一要按照用户需要设计完成整个网络编址方案，应该考虑其子网地址足够大，以支持所需要的主机数。
建议按以下步骤概念子网掩码：
（1）将要划分的子网数量转换为2的m次方。
m表示占用主机地址的位数。
（2）将m从高位到低位占用主机地址m位后转换为十进制。
如m为4,则主机地址为，转换为十进制为240，即为最终肯定的子网掩码。
若是是C类网，则子网掩码为；若是是B类网，则子网掩码为；若是是A类网，则子网掩码为。
例：
将一个C类网络分成4个子网，每一个子网可支持62台主机。
若咱们用的网络号为，则该C类网内的主机IP地址就是，现将网络划分为4个部份，步骤如下：
因22=4，取m=2，则二进制为11，占用主机地址的高位即为，转换为十进制为192。
如此就可肯定该子网掩码为：
，4个子网的设计别离为：
子网1：
子网地址=主机地址=广播地址=子网2：
子网地址=
主机地址=～广播地址=子网3：
子网地址=主机地址=广播地址=子网4：
子网地址=主机地址=广播地址=总之，当设计一个VLSM网络时，咱们将要考虑以下问题：
当前或未来在这一级别总共需要多少个子网。
当前或未来在这一级别的子网中，最大的子网需要容纳多少台主机。
在每一个级别，设计者应该保证有足足数量的子网和主机可用，且最好是留有一个比特的余地。
宽带IP网络
学习内容与要求:
1.了解宽带IP网的概念
2.了解DWDM/SDH/ATM网上传输IP的技术
3.熟悉宽带IP网结构及网络构建方案
宽带IP网是指因特网的路由器、中继通信线路、用户接入线路和用户终端都是宽带的，通常中继线带宽为几至几十Gbit/s，接入带宽为1～100Mbit/s。
随着宽带IP技术的进展，在IP网上传输话音、视频等业务，保证服务质量等问题正慢慢取得解决，通信、广播、运算机三网将融合汇聚到宽带IP网上。
IP业务即将成为通信业务的主流，但传统电信传输网的基础网是DWDM、SDH、ATM而不是IP，因此，最近几年进展了在这些网上传输IP的多种方式，如IPOverATM，IPOverSDH，IPOverDWDM等。
一．IPOverATM技术
ATM即异步转移模式，是ITU-T为宽带综合业务数字网制定的信息传递模式。
ATM是面向连接的网络技术，采取资源预定，用虚电路逻辑连接后再通信，存在着相应的信令选路规程和地址结构。
ATM的优势：
具有速度快、容量大、高靠得住的服务质量保证、无级带宽分派、自愈能力强、安全等，它集中了电路互换和分组互换的长处，能够保证话音、数据、图像及多媒体信息传输中的QoS，较适合做骨干网。
IPoverATM的大体原理：
将IP数据包在ATM层封装为ATM信元，数据以ATM信元的形式在信道中传输。
当网络中的互换机接收到一个IP数据包时，先按照IP数据包的IP地址进行处置，按路由转发。
再按已计算的路由在ATM网上成立虚电路（VC）。
数据包在此VC上以直通方式传输而再也不通过路由器的地址解析处置。
利用ATM构建因特网骨干网具有以下长处：
（1）网络带宽大幅度提高，ATM能提供从155Mbit/s到s的端口速度，未来乃至可提供10Gbit/s的端口速度；
（2）服务质量能取得保证；
（3）端口数量多，吞吐量大，能显著降低设备费用；
（4）靠得住性、可扩展性和可管理性大大提高。
IP与ATM技术的结合，能够保证服务质量和靠得住性，知足实时多媒体业务的要求。
难点在于，ATM是面向连接的技术，而IP是面向无连接的技术。
IP协议有自己的寻址方式和相应的选路功能，而ATM技术也存在相应的信令、选路规程和地址结构，且ATM网内部开销较大，IP数据包装在ATM信元中，传输能力损失大约20%。
二．IPOverSDH/SONET技术
IPOverSDH/SONET是指在SDH/SONET网络上直接运行IP业务。
SDH即数字同步体系。
SONET是指同步光网络，我国数字传输平台大规模采用SDH网络。
SDH的主要特点是提供同步复用、标准光接口和功能壮大的网络管理。
长处：
（1）IP数据包通过PPP协议直接映射到SDH/SONET帧结构上，省去了中间的ATM层，简化了IP网络体系结构，提高了数据传输效率；
IPOverSDH具有较高吞吐量，较低协议开销，较高带宽利用率，能够减缓广域网中带宽资源紧张的问题，适用于IP业务占主腹地位的网络环境。
以Internet网为无连接IP网，继续采用路由器为核心构建广域网，简化了网络体系结构，实现相对比较容易，大大降低了建设费用。
（2）将IP网络成立在SDH/SONET传输平台上，兼容各类不同的技术和标准，能够很容易地跨越地域和国界，实现网络互联；
（3）IPOverSDH由于采用PPP协议技术，能够对现有的多种成熟网络协议进行封装，支持多协议传送；
（4）IPOverSDH在单一业务需要大量传送数据报的网络中是比较理想的解决方案。
缺点：
（1）拥塞控制能力差；
（2）不能提供较好的服务质量QoS；
（3）对大规模的网络，需处置庞大、复杂的路由表，而且路由表查找困难，路由信息占用较大的带宽。
三．IPOverWDM
IP是网络层协议，WDM是物理层技术，IP业务不能够直接在WDM网络中进行传输，需要通过中间的数据链路层进行适配，再放到WDM上面进行传输，从而组成了从IP到WDM的多层协议栈。
组成多层协议栈的原因主要为：
（1）IP业务同WDM光波长相较，其线路速度很低，必需通过必然的速度适配才能充分地利用波长带宽；
（2）网络进展初期，各个运营商进展了各自的协议体系和网络结构，在各个运营商网络之间进行信息互换需要必然的协议转换进程；
（3）采用多层协议栈能够兼容现有技术，发挥各协议层的长处。
ATM的目标是承载多业务、提高网络吞吐量和QoS保证；
SDH的目标则主如果针对电路互换式业务提供高容量的传输。
未来光网络进展趋势，从协议层次上来看，目前光网络的主要进展方向是简化从IP到WDM的适配进程，其方案为IP层结合MPLS提供流量工程和QoS保证，将SONET/SDH的一些帧功能在光传输层实现。
从网络结构上来看，目前网络功能正向网络边缘转移，网络核心功
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