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　　第五章 Internet基礎(chǔ)

　　本單元概覽

　　一、Internet的構(gòu)成。

　　二、Internet的接入。

　　三、IP協(xié)議與互聯(lián)層服務(wù)。

　　四、IP地址。

　　五、IP數(shù)據(jù)報。

　　六、路由器與路由選擇。

　　七、差錯與控制報文

　　八、TCP與UDP

　　九、IPV6

　　一、Internet的構(gòu)成

　　從設(shè)計者角度看：Internet是計算機互聯(lián)網(wǎng)實例;從使用者角度看：Internet是一個信息資源網(wǎng)。

　　主要有4部分組成：通信線路、路由器、服務(wù)器與客戶機、信息資源。

　　(1)通信線路：Internet的基礎(chǔ)設(shè)施，包括有線線路和無線線路

　　(2)路由器：網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的橋梁，具有尋址功能。主要任務(wù)是數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)到另一個網(wǎng)絡(luò)時，路由器為它選擇最佳路由。

　　(3)服務(wù)器與客戶機：是信息資源和服務(wù)的載體。所有連接在Internet上的計算機統(tǒng)稱為主機。

　　(4)信息資源：信息資源是用戶最關(guān)注的問題之一。用戶方便、快捷獲取資源一直是Internet的研究方向。

　　二、Internet的接入

　　1、通過電話網(wǎng)接入

　　接入Internet的方法有很多種，但必須借助ISP將自己的計算機接入Internet。

　　電話已經(jīng)普及到家家戶戶，傳輸?shù)囊纛l信號，計算機傳輸數(shù)字信號，需要調(diào)制解調(diào)器連接。一條電話線只能支持一個用戶接入。

　　調(diào)制解調(diào)器的功能是數(shù)字信號與模擬信號的相互轉(zhuǎn)換。

　　調(diào)制：數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號

　　解調(diào)：模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號

　　電話線的傳輸效率比較低。速率最快為56Kbps。

　　2、利用ADSL(非對稱數(shù)字用戶線路)接入

　　ADSL實現(xiàn)普通電話線路上進行高速的數(shù)據(jù)傳輸，利用ADSL調(diào)制解調(diào)器，分為上行和下行兩個通道。下行通道的數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠大于上行的數(shù)據(jù)傳輸速率(非對稱)。

　　上行速率：16～640kbps;下行速率為1.5～9Mbps。

　　ADSL調(diào)制解調(diào)器不但具有調(diào)制解調(diào)功能，還具有網(wǎng)橋和路由的功能。

　　3、使用HFC(混合光纖/同軸電纜)接入

　　除了電話線上網(wǎng)外，還有有線電視網(wǎng)。對有線電視網(wǎng)改造升級，信號首先通過光纖傳輸?shù)焦饫w結(jié)點，再通過同軸電纜到有線電視用戶，即HFC(混合光纖/同軸電纜)。

　　HFC采用非對稱數(shù)據(jù)傳輸速率。上行速率：10Mbps左右。下行速率：10～40Mbps。

　　4、通過數(shù)據(jù)通信線路接入

　　要想獲得更好性能，可選數(shù)據(jù)通信線路。種類有：DDN，ATM,幀中繼等，用戶可以租用。

　　一臺計算機、局域網(wǎng)用戶可利用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)借助ISP的接入Internet。

　　三、IP協(xié)議與互聯(lián)層服務(wù)

　　1、IP互聯(lián)網(wǎng)的工作原理

　　Internet是將提供不同服務(wù)的、使用不同技術(shù)的、具有不同功能的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來形成的。

　　TCP/IP協(xié)議是一個協(xié)議集，它對因特網(wǎng)中主機尋址方式、主機命名機制、信息的傳輸規(guī)則以及各種服務(wù)功能做了詳細的約定。

　　IP協(xié)議運行在互聯(lián)層，屏蔽各種物理網(wǎng)絡(luò)的細節(jié)和差異，是網(wǎng)絡(luò)層向上提供統(tǒng)一的服務(wù)，不要求下層使用相同的物理網(wǎng)絡(luò)。

　　IP協(xié)議精確定義了IP數(shù)據(jù)報格式，并且對數(shù)據(jù)尋址和路由、數(shù)據(jù)報分片和重組、差錯控制和處理等作出了具體規(guī)定。

　　工作原理：假設(shè)主機A發(fā)送數(shù)據(jù)到主機B。主機A的應(yīng)用層形成的數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸層送互聯(lián)層處理;互聯(lián)層將數(shù)據(jù)封裝成IP數(shù)據(jù)報，并決定發(fā)送給最近的路由器;主機A把IP數(shù)據(jù)報利用以太網(wǎng)控制傳送到路由器;經(jīng)由路由器對數(shù)據(jù)報進行拆封和處理;如果仍需傳輸，再封裝后利用互聯(lián)層的廣域網(wǎng)控制程序傳輸;經(jīng)由通信子網(wǎng)傳輸?shù)牡街鳈CB。

　　2、互聯(lián)層服務(wù)

　　提供的服務(wù)有3鐘：不可靠的數(shù)據(jù)投遞服務(wù)、面向無連接的傳輸服務(wù)、盡最大努力投遞服務(wù)。

　　不可靠的數(shù)據(jù)投遞服務(wù)：IP不能證實發(fā)送的報文是否被正確接收。即不能保證數(shù)據(jù)報的可靠傳遞。

　　面向無連接的傳輸服務(wù)：從源結(jié)點到目的結(jié)點的數(shù)據(jù)報可能經(jīng)過不同的傳輸路徑，而且在傳輸過程中數(shù)據(jù)報有可能丟失，也有可能正確到達。

　　盡最大努力投遞服務(wù)：IP數(shù)據(jù)報雖面向非連接的不可靠服務(wù)，但IP并不隨意丟棄數(shù)據(jù)報。只有系統(tǒng)資源用盡，接收數(shù)據(jù)錯誤或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，IP才被迫丟棄報文。

　　3、IP互聯(lián)網(wǎng)的特點：

　　屏蔽了低層物理網(wǎng)絡(luò)差異和細節(jié)，為用戶提供通用的、一致的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。IP互聯(lián)網(wǎng)是一個單一的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

　　不指定網(wǎng)絡(luò)互連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不要求網(wǎng)絡(luò)之間全互聯(lián)。一個網(wǎng)絡(luò)只要通過路由器與IP互聯(lián)網(wǎng)中任意一個網(wǎng)絡(luò)相連，就具有訪問整個互聯(lián)網(wǎng)的能力。

　　能在物理網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，信息可以跨網(wǎng)傳輸。

　　網(wǎng)絡(luò)中計算機使用統(tǒng)一的、全局的地址描述法。

　　IP互聯(lián)網(wǎng)平等對待互聯(lián)網(wǎng)中的每一個網(wǎng)絡(luò)。

　　四、IP地址

　　1、IP地址的作用

　　以太網(wǎng)中利用MAC地址(物理地址)標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的一個結(jié)點，兩個以太網(wǎng)結(jié)點需要知道對方的MAC地址才能通信。

　　以太網(wǎng)不是唯一的網(wǎng)絡(luò)，各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互不相同，讓它們之間通信是需要解決的問題。

　　在互聯(lián)層將各種物理網(wǎng)絡(luò)地址統(tǒng)一。

　　屏蔽各種物理地址的差異，使用IP協(xié)議規(guī)定的地址(IP地址)。IP地址由管理機構(gòu)統(tǒng)一管理和分配，保證在網(wǎng)絡(luò)中的每臺計算機不會產(chǎn)生沖突。

　　IP地址的作用是標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)連接。(嚴(yán)格地說，IP地址指定的不是一臺計算機，而是計算機到一個網(wǎng)絡(luò)的連接，例如一臺計算機有塊網(wǎng)卡，有兩條連接，有兩個IP地址;或多個IP地址綁定在一條物理連接上)

　　2、IP地址的層次結(jié)構(gòu)

　　IP地址有兩層：網(wǎng)絡(luò)號和主機號。

　　網(wǎng)絡(luò)號：標(biāo)識互聯(lián)網(wǎng)中一個特定的網(wǎng)絡(luò);而主機號標(biāo)識該網(wǎng)絡(luò)中主機的一個特定連接。

　　IP地址含有主機的信息和網(wǎng)絡(luò)的地址信息，所以主機從一個網(wǎng)絡(luò)移動到另一個網(wǎng)絡(luò)時，IP地址必須重新分配，否則不能與其他計算機通信。

　　3、IP地址分類

　　IP地址32位(物理地址48位)，為適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，將IP地址分成5類：A、B、C、D、E

　　A類地址的前一個字節(jié)表示網(wǎng)絡(luò)號，后三個字節(jié)表示主機號。且最前端1個二進制位固定是“0”。表示的地址范圍是從1.0.0.0～126.255.255.255。A類地址允許有27―2=126個網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)地址的0和127保留用于特殊目的)，每個網(wǎng)絡(luò)有224―2=16777214個主機。

　　B類地址的前兩個字節(jié)表示網(wǎng)絡(luò)號，后兩個字節(jié)表示主機號。且最前端的2個二進制位固定是“10”。表示的地址范圍是從128.0.0.0～191.255.255.255。B類地址允許有214=16384個網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)有216―2=65534個主機。

　　C類地址的前三個字節(jié)表示網(wǎng)絡(luò)號，后一個字節(jié)表示主機號。且最前端的3個二進制位是“110”。表示的地址范圍是從192.0.0.0～223.255.255.255。C類地址允許有221=2097152個網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)有28―2=254個主機。

　　4、IP地址的直觀表示法：IP地址是32位二進制數(shù)字，便于記憶采用點分十進制標(biāo)記法。每個數(shù)值小于255,中間用”.”間隔開。

　　5、特殊的IP地址形式

　　網(wǎng)絡(luò)地址：包含了一個有效的網(wǎng)絡(luò)號和一個全0的主機號。例如A類地址中113.0.0.0表示該網(wǎng)絡(luò)的地址。

　　廣播地址：IP地址以全1結(jié)尾，分為兩種形式：直接廣播和有限廣播。

　　直接廣播：廣播地址包含有效網(wǎng)絡(luò)號和全1的主機號。

　　有限廣播：32位全1的地址，用于本網(wǎng)廣播。

　　回送地址：A類網(wǎng)絡(luò)中127.0.0.0是一個保留地址，用于網(wǎng)絡(luò)軟件測試以及本地機器進程間通信。

　　本地地址：用戶在本地內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中使用的地址，如果與Internet連接，必須將本地地址轉(zhuǎn)換為 Internet的IP地址。例：10.***.***.***或192.168.***.***

　　6、子網(wǎng)編址

　　為克服IP地址的浪費，可以采用子網(wǎng)編址的方法。

　　(1)子網(wǎng)編址的方法

　　在IP地址的網(wǎng)絡(luò)號部分不變的情況下，在網(wǎng)絡(luò)的主機號部分中“借”位表示子網(wǎng)號部分。

　　每個子網(wǎng)中允許的連接的主機的臺數(shù)相應(yīng)減少。

　　(2)子網(wǎng)表示法

　　如何識別網(wǎng)絡(luò)號，子網(wǎng)號，和主機號，通過子網(wǎng)掩碼實現(xiàn)。

　　子網(wǎng)掩碼也是32位二進制數(shù)字，在子網(wǎng)掩碼中對于網(wǎng)絡(luò)號和子網(wǎng)部分全部用1表示，其它部分用0表示。

　　通過子網(wǎng)掩碼與IP地址的按位求與，屏蔽掉主機位，得到子網(wǎng)號。子網(wǎng)掩碼作用是區(qū)分網(wǎng)絡(luò)上的主機是否在同一網(wǎng)絡(luò)區(qū)段內(nèi)。

　　例如：B類地址128.22.25.6 如果子網(wǎng)掩碼為255.255.240.0，按位求與后，確定的子網(wǎng)號為1

　　7、地址解析協(xié)議(ARP)

　　IP地址屏蔽了物理網(wǎng)絡(luò)地址的差異，但不會對物理地址做任何修改。

　　高層軟件指定源地址與目的地址，低層的物理網(wǎng)絡(luò)則通過物理地址來發(fā)送和接收信息。

　　是以以太網(wǎng)經(jīng)常使用的映射方法，它充分利用了以太網(wǎng)的廣播能力，將IP地址與物理地址進行動態(tài)綁定。

　　ARP協(xié)議主要負(fù)責(zé)將主機的邏輯地址(IP地址)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理網(wǎng)絡(luò)地址。這樣用戶只需給出目的主機的IP地址，就可以找出同一物理網(wǎng)絡(luò)中任意一臺主機的物理地址。

　　五、IP數(shù)據(jù)報

　　1、IP數(shù)據(jù)報的格式

　　IP數(shù)據(jù)報分為兩大部分：報頭區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。其中報頭僅僅是正確傳輸高層數(shù)據(jù)而增加的控制信息，數(shù)據(jù)區(qū)包括高層需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

　　IP數(shù)據(jù)報的主要字段：

　　1)版本與協(xié)議類型：版本是IP協(xié)議版本號(一般是4即IPv4)，不同版本數(shù)據(jù)格式不同;協(xié)議類型是指該數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)的高層協(xié)議類型(如TCP)，用于知名數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)格式。

　　2)長度：分為報頭長度(以32b為單位)和總長度(以8b為單位)。

　　3)服務(wù)類型：規(guī)定本數(shù)據(jù)報的處理方式。該字段為數(shù)據(jù)包分配一個轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級，要求中途轉(zhuǎn)發(fā)器路由器盡量使用低延遲、高吞吐或高可靠性的線路投遞。具體實現(xiàn)擇由路由器的實現(xiàn)方法和底層物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　4)報文的分片與重組控制：IP數(shù)據(jù)報使用標(biāo)識、標(biāo)志、片位移3個域?qū)Ψ制M行控制，分片將在目的主機重組。

　　5)生存周期：設(shè)計一個計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器值為0時，數(shù)據(jù)報刪除，避免循環(huán)發(fā)送。

　　6)頭部校驗和：用于保證IP數(shù)據(jù)報報頭的完整性。注：只有報文頭校驗，沒有數(shù)據(jù)區(qū)校驗。好處是允許上層協(xié)議選擇自己的數(shù)據(jù)校驗方法。

　　7)地址：源地址和目的地址表示發(fā)送與接收的地址。此值保持不變。

　　2、IP封裝、分片與重組

　　當(dāng)IP分組在網(wǎng)上傳輸時，可能跨越多個網(wǎng)絡(luò)，但每個網(wǎng)絡(luò)都規(guī)定了一個幀最多攜帶的數(shù)據(jù)量(此限制稱為最大傳輸單元或MTU),當(dāng)長度超過MTU時，就需要將數(shù)據(jù)分成若干個較小的部分(分片)，然后獨立發(fā)送;

　　目的主機收到分片后的數(shù)據(jù)報后，對分片再重新組裝(重組)。

　　分片獨立傳輸時，需要對分片控制。主要有3個字段：標(biāo)識、標(biāo)志和片偏移;

　　標(biāo)識：源主機賦予IP數(shù)據(jù)報的標(biāo)識符，目的主機利用此標(biāo)識判斷此分片屬于哪個數(shù)據(jù)報，以便重組。

　　標(biāo)志：告訴目的主機該數(shù)據(jù)報是否已經(jīng)分片，是否是最后的分片。

　　片偏移：本片數(shù)據(jù)在初始IP數(shù)據(jù)報中的位置。

　　3、IP數(shù)據(jù)報選項

　　IP數(shù)據(jù)報選項主要用于控制和測試兩大目的。既然是選項，用戶可以使用IP選項也可以不使用選項，但實現(xiàn)IP協(xié)議的設(shè)備必須能處理IP選項。

　　IP選項有3部分組成：源路由、記錄路由、時間戳。

　　源路由：指IP數(shù)據(jù)報穿越互聯(lián)網(wǎng)所經(jīng)過的路徑是由源主機指定。分為兩類：嚴(yán)格路由選項和松散路由選項。

　　(1)嚴(yán)格路由選項：規(guī)定IP數(shù)據(jù)報要經(jīng)過路徑上的每一個路由器，相鄰的路由器之間不能有中間路由器，并經(jīng)過的路由器的順序不能改變。

　　(2)松散路由選項：給出數(shù)據(jù)報必須要經(jīng)過的“要點”，并給出完備的路徑，無直接連接的路由器之間尚需IP軟件的尋址功能補充。

　　記錄路由：記錄IP數(shù)據(jù)報從源主機到目的主機所經(jīng)過的路徑上各個路由器的IP地址。用于測試網(wǎng)絡(luò)中路由器的路由配置是否正確。

　　時間戳：記錄IP數(shù)據(jù)報經(jīng)過每一個路由器時的時間(以千分之一秒為單位)。

　　六、差錯與控制報文

　　1、ICMP差錯控制

　　互聯(lián)層使用的控制協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議(ICMP)，作用是不僅傳輸控制報文，還傳輸差錯報文。

　　ICMP最基本的功能是提供差錯報告，但不提供處理方法。

　　ICMP差錯報文的特點：

　　差錯報文不享受特別優(yōu)先權(quán)和可靠性。

　　差錯報告數(shù)據(jù)中除包含故障IP數(shù)據(jù)報頭外，還包含故障IP數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)區(qū)的前64位數(shù)據(jù)。(利用前64位了解高層協(xié)議的重要信息)

　　IP軟件一旦發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤，首先拋棄出錯報文，然后調(diào)用ICMP向源主機報告出錯信息。

　　ICMP出錯報告包括:目的地不可達報告、超時報告、參數(shù)出錯報告等。

　　目的地不可達報告：路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)出錯時，路由器發(fā)出目的地不可達報告。

　　超時報告：IP數(shù)據(jù)報一旦到達生存周期，立刻將其拋棄，同時產(chǎn)生ICMP超時差錯報告，通知源主機該數(shù)據(jù)報已拋棄。

　　參數(shù)出錯報告：一旦參數(shù)錯誤嚴(yán)重到機器不得不拋棄IP數(shù)據(jù)報時，機器向源主機發(fā)送此報文，指出可能出現(xiàn)錯誤的參數(shù)位置。

　　2、ICMP控制報文

　　互聯(lián)網(wǎng)控制主要包括擁塞控制和路由控制兩部分。ICMP提供對應(yīng)的控制報文是擁塞控制與源抑制報文和路由控制與重定向報文。

　　(1)擁塞控制：路由器被大量涌入的IP數(shù)據(jù)報“淹沒”的現(xiàn)象。原因是：路由器處理速度慢，路由器傳入數(shù)據(jù)速率大于傳出速率。

　　其實質(zhì)原因是沒有足夠的緩沖區(qū)存放大量涌入的IP數(shù)據(jù)報。為控制擁塞，IP軟件采用“源站抑制”技術(shù)，路由器對每個接口進行監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)擁塞，立即向相應(yīng)源主機發(fā)送ICMP源抑制報文，請求源主機降低發(fā)送IP數(shù)據(jù)報的速率。

　　抑制報文的方式有3種：

　　如果路由器輸出隊列已滿，在緩沖器空出前，拋棄新來的IP數(shù)據(jù)報，每拋棄一個數(shù)據(jù)報，向源主機發(fā)送ICMP源抑制報文。

　　為路由隊列設(shè)定一個閾值，超過該值，向源主機發(fā)送ICMP源抑制報文。

　　更為復(fù)雜的源站抑制技術(shù)是選擇性的抑制IP數(shù)據(jù)報發(fā)送率較高的源主機。

　　什么時候解除擁塞，路由器不通知源主機，而是根據(jù)當(dāng)前一段時間內(nèi)是否收到ICMP源抑制報文自主決定。

　　(2) 路由控制與重定向報文

　　在IP互聯(lián)網(wǎng)中，主機在傳輸數(shù)據(jù)的過程中不斷從相鄰的路由器獲得新的路由信息。

　　主機在啟動時都具有一定的路由信息，但路徑不一定是最優(yōu)的。

　　路由器一旦檢測到某IP數(shù)據(jù)報經(jīng)非優(yōu)路徑傳輸，它一方面繼續(xù)將報文轉(zhuǎn)發(fā)出去，另一方面將向主機發(fā)送一個重定向ICMP報文，通知相應(yīng)的目的主機的最優(yōu)路徑。

　　ICMP重定向的優(yōu)點是保證主機擁有一個動態(tài)的、既小且優(yōu)的路由表。

　　3、ICMP請求/應(yīng)答報文對

　　為便于進行故障診斷和網(wǎng)絡(luò)控制，利用ICMP請求/應(yīng)答報文對來獲取某些有用的信息。

　　回應(yīng)請求與應(yīng)答：用于測試目的主機或路由器的可達性。過程是請求者向特定目的IP主機發(fā)送一個包含任選數(shù)據(jù)區(qū)的回應(yīng)請求，當(dāng)目的主機或路由器收到請求后，返回相應(yīng)的回應(yīng)應(yīng)答。如果請求者收到一個成功的應(yīng)答，說明路徑以及數(shù)據(jù)傳輸正常。

　　時戳請求與應(yīng)答：利用該請求與應(yīng)答從其他機器獲得其時鐘的當(dāng)前時間，經(jīng)估算后再同步時鐘。

　　掩碼請求與應(yīng)答：主機箱路由器發(fā)送該請求，路由器發(fā)回應(yīng)答告知主機的子網(wǎng)掩碼。

　　七、路由器與路由選擇

　　1、表驅(qū)動IP進行路由選擇

　　路由器：進行路由選擇的計算機。

　　路由選擇一般采用表驅(qū)動的路由選擇算法。每臺設(shè)備存放一張路由表，該表存儲有關(guān)可能的目的地址及怎樣到達目的的信息。

　　(1)標(biāo)準(zhǔn)路由選擇算法

　　路由表中包含許多(N，R)的有序?qū)�，N是目的地址，R是到N的路徑中下一個路由器的地址。每個路由器中僅保存下一站，并不知完整路徑。

　　為減少路由表長度或提高路由效率，路由表中的N一般使用目的網(wǎng)絡(luò)的地址，不是目的主機地址。

　　(2)子網(wǎng)選擇路由-------標(biāo)準(zhǔn)路由選擇算法的擴充

　　IP采用子網(wǎng)編址后，將路由表改為(M,N,R)，其中M為子網(wǎng)掩碼，N為目的網(wǎng)絡(luò)的地址，R為下一個路由的IP地址。

　　(3)路由表的特殊路由

　　使用網(wǎng)絡(luò)地址可以極大縮小路由表規(guī)模，路由表也可包含兩種特殊的路由表目，即默認(rèn)路由和特定主機路由。

　　默認(rèn)路由：如果路由表沒有指定達到目的的網(wǎng)絡(luò)的路由信息，就可以把數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)到默認(rèn)路由指定的路由器。

　　特定主機路由：主要表項(包括默認(rèn)路由)是基于網(wǎng)絡(luò)地址的。為單個主機指定特別的路徑就是特定主機路由。

　　(4)統(tǒng)一的路由選擇算法

　　允許使用任意的掩碼形式，子網(wǎng)路由選擇算法不但能按照同樣的方法處理網(wǎng)絡(luò)路由、默認(rèn)路由、特定主機路由，還可以將標(biāo)準(zhǔn)路由選擇算法作為一個特例。

　　2、路由表的建立與刷新

　　路由選擇的正確與否依賴于路由表的正確與否。路由表分為靜態(tài)路由表和動態(tài)路由表兩種。

　　(1)靜態(tài)路由表

　　靜態(tài)路由表有人工管理，一般情況下不會發(fā)生變化，但當(dāng)連接或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時，網(wǎng)絡(luò)管理員必須人工對路由表做出更新。

　　優(yōu)點：安全可靠，簡單直觀;缺點：一旦路徑錯誤，路由表的配置比較麻煩。

　　(2)動態(tài)路由表

　　動態(tài)路由是通過自身學(xué)習(xí)自動修改和刷新路由表。它適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

　　為區(qū)分速度快慢，延遲的時間，修改和刷新路徑時需要給每條路徑生成一個數(shù)字，該數(shù)字稱為度量值。度量值越小，路徑越好。

　　度量值的特征如下：

　　跳數(shù)：到達目的地經(jīng)過的路由器的個數(shù)。

　　帶寬：鏈路的數(shù)據(jù)傳輸能力。

　　延遲：數(shù)據(jù)從源到目的經(jīng)過的時間。

　　負(fù)載:網(wǎng)絡(luò)信息流的活動數(shù)量。

　　可靠性：數(shù)據(jù)傳輸過程中的差錯率。

　　開銷：一個變化值，可根據(jù)帶寬、建設(shè)費用、維護費用等因素確定。

　　動態(tài)路由雖然適應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，但修改和刷新路由表本身需要消耗資源。

　　動態(tài)路由應(yīng)用比較廣泛的有兩種：路由信息協(xié)議(RIP)和開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF)。RIP是利用向量-距離算法，OSPF則是鏈路-狀態(tài)算法。

　　3、RIP協(xié)議與向量-距離算法

　　基本思想：由路由器周期性地向其相鄰路由器廣播自己知道的路由信息，用于通知相鄰路由器自己可以到達的網(wǎng)絡(luò)以及到達該網(wǎng)絡(luò)的距離(跳數(shù))，相鄰的路由器根據(jù)收到的信息修改和刷新自己的路由表。

　　RIP協(xié)議：可以在局域網(wǎng)中直接實現(xiàn)。規(guī)定了路由器之間交換路由信息的時間、交換信息格式、錯誤的處理等內(nèi)容。

　　RIP協(xié)議除嚴(yán)格遵守向量距離路由選擇算法外，還做了一些改進，包括：(1)對相同開銷路由的處理。按先入為主的原則處理。(2)對過時路由的處理：出現(xiàn)開銷更小的路由時，代替原有的路由，否則一直保持下去。

　　4、OSPF協(xié)議與鏈路-狀態(tài)路由算法

　　又稱最短路徑優(yōu)先算法�；舅枷耄夯ヂ�(lián)網(wǎng)上的每個路由器周期性的想其他路由器廣播自己與相鄰路由器之間的關(guān)系，每個路由器都可以獲得網(wǎng)絡(luò)中的所有聯(lián)通情況，根據(jù)連通情況和最短路徑算法，計算出自己到達各個網(wǎng)絡(luò)的最短路徑。

　　鏈路狀態(tài)路由算法具有收斂速度快、支持服務(wù)類型選路，適合龐大復(fù)雜環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點。但OSPF協(xié)議的缺點主要包括：

　　要求較高的路由器處理能力：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，對內(nèi)存和CPU的處理能力要求越高

　　一定的帶寬要求：為得到相鄰路由器的信息，要求路由器不斷發(fā)送和應(yīng)答查詢信息，OSPF協(xié)議要具有一定的帶寬要求。

　　靜態(tài)路由一般適應(yīng)小型網(wǎng)絡(luò)、RIP適應(yīng)小到中型的網(wǎng)絡(luò)，而OSPF適應(yīng)大型、多路徑、動態(tài)的IP網(wǎng)絡(luò)。

　　八、IPV6協(xié)議

　　1、IPv4的局限性

　　地址空間的局限性：IP地址空間耗盡制約了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，子網(wǎng)劃分、無類域間路由(cidr)等方法雖使IP地址得到有效的利用，但也僅僅是緩解了地址短缺的矛盾。

　　IP協(xié)議的性能問題：主要目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)可靠、健壯和高效傳輸提供有效機制，但在性能上還有改進的余地。

　　IP協(xié)議的安全性問題：IP協(xié)議對安全性考慮較少。

　　自動配置問題：IP協(xié)議設(shè)計初沒有考慮自動配置問題。后來最優(yōu)DHCP(動態(tài)主機配置協(xié)議)在一定程度上解決了地址自動配置問題，但需要對DHCP服務(wù)器配置，比較麻煩。

　　服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證問題：IP的QoS保證主要依賴于協(xié)議頭中的服務(wù)類型，但其功能有限。Internet需要提供有效的QoS機制，保證實時數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。

　　2、IPv6 地址

　　(1)IPv6的地址表示：128位地址長度。(IPv4地址長度32位)

　　基本表示法：按16位一段，每個位短轉(zhuǎn)換為4位十六進制數(shù)，并用冒號隔開。如：21DA:0000:0000:0000:02AA:000F:FE08:9C5A

　　零壓縮法：在有多個零出現(xiàn)時，用一位0標(biāo)識一個位段。如上面地址描述為：21DA:0:0:0:2AA:F:FE08:9C5A

　　IPv6前綴：與無類域間路由類似，IPv6采用前綴表示法形如“地址/前綴長度”。前綴是IPv6的一部分，用來表示路由或子網(wǎng)標(biāo)識。例如：21DA:D3::/48是一個路由前綴，而21DA:D3:0:2F3B::/64是一個子網(wǎng)前綴

　　(2)IPv6地址類型

　　單播地址：標(biāo)識一個區(qū)域中單個網(wǎng)絡(luò)接口。

　　組播地址：稱多播地址，用于表示一組網(wǎng)絡(luò)接口。數(shù)據(jù)會送到該組的所有接口。

　　任播地址：泛播地址，也用于表示一組網(wǎng)絡(luò)接口，可發(fā)送到組內(nèi)任意接口，但通常發(fā)送到最近的一個，從單播地中分配。

　　特殊地址：全0地址(地址不存在)，回送地址(0：0：0:0:0：0:0:1),IPv4兼容的IPv6的地址，映射到IPV4的IPv6地址等。

　　3、IPv6的數(shù)據(jù)報

　　IPv6的數(shù)據(jù)報由一個IPv6的基本頭、多個擴展頭和一個高層協(xié)議數(shù)據(jù)單元組成�；绢^40字節(jié)長度。一些可選的內(nèi)容放在擴展頭部分實現(xiàn)，此種設(shè)計方法可提高數(shù)據(jù)報的處理效率。IPv6數(shù)據(jù)報格式對IPv4不向下兼容。

　　各域段含義：

　　版本：取值為6，意思是IPv6協(xié)議。

　　通信類型：表示IPv6的數(shù)據(jù)報類型或優(yōu)先級，以提供區(qū)分服務(wù)。

　　流標(biāo)記：流是特定從源到目的結(jié)點之間的數(shù)據(jù)報序列，一個流由源IP地址和非零的流標(biāo)記唯一標(biāo)識。

　　載荷長度：有效載荷長度，包含擴展頭和高層數(shù)據(jù)。

　　下一個報頭：存在擴展頭，該域段的值指明下一個擴展頭的類型;如果無擴展頭，該域段的值指明高層數(shù)據(jù)的類型，如TCP、UDP或ICMPv6等。

　　跳數(shù)限制：IP數(shù)據(jù)報丟棄之前可以被路由器轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)。

　　源地址：源IPv6的地址

　　目的地址：大多情況下，該域段為最終目的結(jié)點的地址，如果有路由擴展頭，目的地址可能為下一個轉(zhuǎn)發(fā)路由器地址。

　　4、IPv6擴展頭

　　IPv6的基本報頭固定40字節(jié)長，一些可選頭信息由IPv6擴展頭實現(xiàn)。IPv6的基本頭中“下一個報頭”字段指出第一個擴展頭類型。每個擴展頭中都包含“下一個報頭”字段用以指出后繼擴展頭類型。最后一個擴展頭中的“下一個報頭”字段指出高層協(xié)議的類型。

　　擴展頭包含的內(nèi)容：

　　逐跳選項頭：類型為0，由中間路由器處理的擴展頭。

　　目的選項頭：類型為60，用于中間節(jié)點或目的結(jié)點指定數(shù)據(jù)報的轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)。

　　路由頭：類型43，用來指出數(shù)據(jù)報在從數(shù)據(jù)源到目的結(jié)點過程中，需要經(jīng)過一個或多個中間路由器。

　　認(rèn)證頭：類型51，用于攜帶通信雙方進行認(rèn)證所需的參數(shù)。

　　封裝安全有效載荷報頭：類型52，與認(rèn)證頭結(jié)合使用，也可單獨使用，用于攜帶通信雙方進行認(rèn)證和加密所需的參數(shù)。

　　5、IPv6的地址自動配置分為兩類：有狀態(tài)地址配置和無狀態(tài)地址配置兩種形式。

　　無狀態(tài)地址配置：128的IPv6地址由64位前綴和64位網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)識符組成。如果主機與本地網(wǎng)絡(luò)的主機通信可以直接通信;如果與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時，主機需要從網(wǎng)絡(luò)中的路由器中獲得該網(wǎng)絡(luò)使用的網(wǎng)絡(luò)前綴，然后與64位網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)識符結(jié)合形成有效的IPv6的地址。

　　有狀態(tài)地址配置：自動配置需要DHCPv6服務(wù)器的支持，主機向DHCPv6服務(wù)器發(fā)多播“DHCP請求信息”，DHCPv6返回“DHCP應(yīng)答消息”中獎分配的地址返回請求主機，主機利用該地址作為自己的IPv6進行配置。

　　九、傳輸控制協(xié)議(TCP)與用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)—(傳輸層)

　　1、端對端通信

　　傳輸層需要提供從一臺主機到另一遠程主機的端對端通信控制。傳輸層利用互聯(lián)層發(fā)送數(shù)據(jù)，每一傳輸層都需要封裝在一個互聯(lián)層的數(shù)據(jù)報中通過互聯(lián)網(wǎng)，到達目的地后，互聯(lián)層再將數(shù)據(jù)提交給傳輸層。

　　注意：傳輸層雖然使用互聯(lián)層來攜帶報文，但互聯(lián)層并不閱讀或干預(yù)報文。傳輸層僅把互聯(lián)層看作一個包通信系統(tǒng)，這一通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)連接兩端的主機。

　　2、傳輸控制協(xié)議(TCP)

　　保證可靠性是傳輸層的主要責(zé)任。

　　(1)TCP提供的服務(wù)：從TCP用戶的角度看，TCP可以提供面向連接、可靠的、全雙工的數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)，保證數(shù)據(jù)在連接關(guān)閉之前被可靠地投遞到目的地。

　　TCP提供的服務(wù)有如下特征：

　　面向連接：發(fā)送數(shù)據(jù)前，應(yīng)用程序首先建立一個到目的主機的連接。

　　完全可靠性：TCP確保通過一個連接發(fā)送數(shù)據(jù)正確到達目的地，不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或亂序�！碓�:考試大網(wǎng)

　　全雙工通信：TCP允許任意一方，任意時刻發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　流接口：TCP提供了一個流接口，應(yīng)用程序利用它可以發(fā)送連續(xù)的數(shù)據(jù)流。

　　連接的可靠性與優(yōu)雅關(guān)閉：建立連接的過程中，TCP保證新連接不會與其他連接混淆;連接關(guān)閉時，TCP確定之前傳遞的所有數(shù)據(jù)都可靠地到達目的地。

　　(2)TCP的可靠性實現(xiàn)

　　TCP建立在IP協(xié)議提供的面向非連接、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)基礎(chǔ)上(IP協(xié)議運行在互聯(lián)層，只報告不負(fù)責(zé)糾正)，因此必須實現(xiàn)可靠傳輸。可靠性問題即包括數(shù)據(jù)丟失后的恢復(fù)問題，又包括連接的可靠性建立問題。

　　(3)數(shù)據(jù)丟失與重發(fā)

　　TCP建立在一顆不可靠的虛擬通信系統(tǒng)上，數(shù)據(jù)的丟失可能經(jīng)常發(fā)生，一般發(fā)送方利用重發(fā)技術(shù)補償數(shù)據(jù)報的丟失。需要通信雙發(fā)協(xié)同解決。

　　接收方正確接收數(shù)據(jù)包，要回復(fù)一個確認(rèn)信息給發(fā)送方;而發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)是啟動一個定時器，在定時器到時之前，如果沒有收到確認(rèn)信息，則重發(fā)該數(shù)據(jù)。

　　(4)連接的可靠建立與優(yōu)雅關(guān)閉

　　為確保連接建立和終止的可靠性，TCP使用了“三次握手”法。簡單說在建立和終止過程中，通信雙方需要交換3個報文。

　　三次握手的過程：第一次，主機A向主機B發(fā)出連接請求，其中保護主機A選擇的初始序列號x。第二次，主機B收到請求后，發(fā)回連接確認(rèn)，其中包含主機B選擇的初始序列號y和對主機A初始序列號x的確認(rèn)。第三次，主機A想主機B發(fā)送序列號x的數(shù)據(jù)，包括對主機B初始序列號y的確任。

　　為保證關(guān)閉連接前所有數(shù)據(jù)都可靠到達目的地，TCP使用第三次握手，一方發(fā)出關(guān)閉請求并不立即關(guān)閉，而要等待對方確認(rèn)，只有收到對方確認(rèn)信息，才能關(guān)閉連接。

　　(5)TCP緩沖、流控與窗口

　　TCP使用窗口機制進行流量控制。當(dāng)連接建立時，連接的每一端分配一塊緩沖區(qū)存儲接收的數(shù)據(jù)，并將緩沖區(qū)的尺寸(大小)發(fā)給另一端。當(dāng)數(shù)據(jù)到達時，接收方發(fā)送確認(rèn)，其中包含自己剩余的緩沖區(qū)尺寸。將剩余的緩沖區(qū)空間的數(shù)量稱為窗口。

　　如果發(fā)生方操作的速度快于接收方的速度，最終接收方的緩沖區(qū)必滿，導(dǎo)致接收方向發(fā)送方通告一個零窗口，發(fā)送方收到零窗口通告后，必須停止發(fā)送，直到接收方重新通告一個非零窗口。

　　窗口和窗口通告可以有效控制TCP的流量，使發(fā)送方的數(shù)據(jù)不會溢出接收方的緩沖空間。

　　(6)TCP連接與端口

　　一個TCP連接的兩端稱為端口，端口用16位的二進制數(shù)表示。TCP可利用端口提供多路復(fù)用功能。

　　3、UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)

　　從用戶角度看，UDP雖處于傳輸層，但UDP提供了面向非連接，不可靠的傳輸服務(wù)。(相似互聯(lián)層的IP協(xié)議)

　　UDP面向非連接，它可以將數(shù)據(jù)直接封裝在IP數(shù)據(jù)報中進行發(fā)送。它不使用確認(rèn)信息對數(shù)據(jù)的到達進行確認(rèn)，也不對收到的數(shù)據(jù)排序。因此UDP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能丟失、亂序或重復(fù)現(xiàn)象。

　　優(yōu)點：運行高效和實現(xiàn)簡單。

　　與TCP相同，有很多端口號被指派給一些著名的應(yīng)用程序，用戶使用時應(yīng)避免使用。

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