《计算机网络基础 》第5章网络互联与系统调试

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网络互联解决方案
5.1 .1面向连接的解决方案 –通信之前建立连接，通信过程中保持连接，通 信结束拆除连接。
5.1.2 面向非连接的解决方案 –通信双方不需要建立和维持连接
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网络互联方法 — 级联虚电路
级联虚电路(Concatenated Virtual Circuits)的工作过程 建立连接 • 当目的主机不在本子网内时，则在子网内找一个离目的网络最近的路 由器，与之建立一条虚电路；该路由器与外部网关建立虚电路；该网 关与下一个子网中的一个路由器建立虚电路。 • 重复上述操作，直到到达目的主机。 传输数据 • 相同连接的分组 沿同一虚电路按 照顺序传输； • 网关根据需要转 换分组格式和虚 电路号。 拆除连接
头部校验和
头校验和(Header Checksum)：头校验和字段用于保证头部数据的正确性。
保证IP数据报报头的完整性，节省路由器处理IP数据报报头时间
地址
源IP地址 目标IP地址
源和目的地址(Source/Destination IP Address)：源端地址和目的地址， 分别表示该报文的发送者及接收者。
IP是TCP/IP协议集的核心协议之一，协议的内容包括：基本传输单 元的格式，也就是IP报文的类型与定义、IP报文的地址以及分配方 法、IP报文的路由转发以及IP报文的分段与重组。 IP数据报(packet)是IP协议的基本处理单元，它由两部分组成：报 文头和数据部分，如图5-4所示。 报文头 数据部分 所有的TCP、UDP及ICMP数据 都以IP数据报格式传输。
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网络互联方法 — 无连接网络互联
无连接网络互联(Connectionless Internetworking)的工作过程 无连接网络互联的工作过程与数据报子网的工作过程相似。 每个分组独立路由，不保证分组按顺序到达，提高网络利用率 。其中， 连接不同子网的多协议路由器做协议转换，包括分组格式转换和地址转 换等。
A 网络 1 M TU = 1500 B
网络
R1 (a)
3
R2
网络
2
M T U= 6 2 0
M TU = 1500
多 个 拥 有 不 同 M TU
值的网络
0 ( b) 原 始 IP 报 文
2 0B IP 报 文 头 数据 ( 1 4 0 0B )
分段 1
分段
1 的头 ( 偏移为 0 )
数据片
1
( 6 0 0B ) 数据片 2
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面向连接与无连接服务比较
面向连接服务
参考模式 特点
无连接服务 邮政系统 动态分配资源
电话系统
静态分配资源；传输 前需要建立连接
提供可靠的报文流服务 仅在连接阶段需要完整的 目的地址
可靠性
对目的地址 的要求 适用场合
Leabharlann Baidu
不能防止报文的丢失、损 坏、重复和失序 需要为每一个报文提供完 整的目的地址
当DF位被置为1，则该报文不能被分段。假如此时IP数据报的长度大于网络的MTU值，则根据 IP协议把该报文丢弃，同时向源端返回出错信息。 MF标志位置为0时，说明该分段是原报文的最后一个分段。 分段偏移值：指出本分段的第1个字节在初始的IP报文中的偏移值，该偏移量以8字节为单位。 协议类型(Protocol)：协议类型字段的内容指出IP报文中数据部分是属于哪一种协议(高层协议)的， 接收端则根据该协议类型字段的值来确定应该把IP报文中的数据交给哪个上层协议去处理。常见的 上层协议包括TCP，UDP，ICMP，IGMP等。其对应的协议类型分别为6，17，1，2。
R3路由表
目的地 10.0.0.0 20.0.0.0 30.0.0.0 40.0.0.0 掩码 255.0.0.0 255.0.0.0 255.0.0.0 255.0.0.0 下一跳 20.0.0.1 直接连接 20.0.0.4 直接连接
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5.2.3 IP数据报的分段与重组
IP报文要交给数据链路层，封装成帧之后才能发送。理想情况，IP报文正好放在一个物理帧中，这样可以使得网络传 输的效率最高。而实际的物理网络所支持的最大帧长各不相同。例如，以太网帧中最多可以容纳1500字节，而一个FDDI帧中 可以容纳4470字节的数据。我们把这个上限称为物理网络的最大传输单元MTU(Maximum Transfer Unit)。有些网络的MTU非 常小，其值可能只有128个字节。
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5.2.2 IP数据报在INTERNET上的传输
要点： 要有目标地址 IP经过路由要转换
R1路由表
目的地 10.0.0.0 20.0.0.0 30.0.0.0 40.0.0.0 掩码 255.0.0.0 255.0.0.0 255.0.0.0 255.0.0.0 下一跳 直接连接 直接连接 10.0.0.2 20.0.0.3
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如果主机A现在发送给B一个长度超过620字节的IP报文，首先在经过路由器R1时，就 必须把该报文分成多个分段。 在进行分段时，每个数据片的长度依照物理网络的MTU而确定。由于IP报文头中 的偏移字段的值实际上是以8字节为单位，所以要求每个分段的长度必须为8的整数倍 (最后一个分段除外，它可能比前面的几个分段的长度都小，它的长度可能为任意值) 。 图(b)是一个包含有1400字节数据的IP报文，在经过图(a)所示网络环境中路由器 R1后，该报文的分段情况。 从图中可以看出，每个分段都包括各自的IP报文头。而且该报文头和原来的IP报 文头非常相似，除了MF标志位、分段偏移、校验和，等几个字段外，其它内容完全一 样。 重组(Reasembly)是分段的逆过程，把若干个IP分段重新组合后还原成原来的IP 报文。 在目的端收到一个IP报文时，可以根据其分段偏移和MF标志位来判断它是否一个 分段。如果MF位是0，并且分段偏移为0，则表明这是一个完整的IP数据报。否则，如 果分段偏移不为0，或者MF标志位为1，则表明它是一个分段。这时目的地端需要实行 分段重组。IP协议根据IP报文头中的标识符字段的值来确定哪些分段属于同一个原始 报文，根据分段偏移来确定分段在原始报文中的位置。如果一个IP数据报的所有分段 都正确地到达目的地，则把它重新组织成一个完整的报文后交给上层协议去处理。
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5.1 面向连接和面向无连接的解决方案
连接：通信系统中两个对等实体为数据交换而采 用的结合方式。 连接是计算机网络通信中一个非常重要的概念， 表明了通信双方的以何种方式建立通信的渠道。 计算机网络的通信要么是面向连接的，要么是无 连接的。这些方法揭示了网络上实现通信的两种 途径。
0 优先权 2 3 D 4 T 5 R 6 7 保留
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生存周期
防止死循环的发生
数据报生存时间(TTL，Time to live)：IP协议中提出了的生存时间TTL(Time To Live)的控制，它限制了一个报文在网络中的存活时间。报文头的生存时间 被初始化设置为最大值 255。在报文每经过一个路由器时，其TTL值减1，直到 它的值减为0时，则丢弃该报文。这样，即使在网络中出现循环路由，循环转发 的IP报文也会在有限的时间内被丢弃。
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分段(fragment)：可以在任何必要的中间路由器上进行，而重组仅在目的主机处进行。在IP 包头中，共有三个字段用来实现对数据报的分段和重组：标识符(identification)、标志域(flag) 和分段偏移值(fragment offset)。 标识符：是一个无符号整型值，它是IP协议赋予报文的标识，属于同一个报文的分段具有相 同的标识符。标识符的分配绝不能重复，IP协议每发送一个IP报文，则要把该标识符的值加1，作 为下个报文的标识符。 报文标志域：为三个比特，但只有低两位比特有效。每个比特的意义如下： 比特0 (MF位)， 最终分段标志 (More Fragment) 比特1 (DF位)， 禁止分段标志 (Don’t Fragment) 比特2， 未用
计算机网络 技术基础
第5章 网络互联与系统调试
主编：周鸿旋
本章学习要点
了解面向连接和面向无连接服务的基本概 念。 掌握IP数据报的基本组成及结构，掌握IP
数据报的传输、封装和重组。
掌握TCP、UDP和ICMP协议原理、组成和应 用 熟练使用Windwos下的基本网络命令和工 具。
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15
16 总长度 标志 段偏移值 头校验和
31
报头
数 据 ( 0 -- 6 4k )
数据
上图给出了IP数据报的格式。IP数据报的报文头包含一些必要的控制信 ，它本身有20个字节的固定部分和变长的可选项(option)部分构成。
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1、版本号(Version)：IP协议的版本号，它占用4位。 2、长度字段：头长度(Header Length)和总长度(Total Length)。头长度字段占用4位，表示报文头的长度。它的数值是以4字 节为单位表示长度，即IP报文头中真正的字节数应该等于头长度值乘 以4。IP报文头又分为固定部分和选项(option)部分，固定部分正好是 20个字节，而选项部分为变长，因此需要有用一个字段来给出IP报文 头的长度。而且若选项部分长度不为4的倍数，则还应根据需要填充 (padding)1到3个字节以凑成4的倍数。总长度字段表示整个IP报文的 长度(即包括报文头又包括数据部分)，它以字节为单位。总长度字段 占用16位，所以IP数据报最长可达64K字节。 3、服务类型(Type of Service)和优先级：IP报文头中的服务 类型字段规定了对于本数据报的处理方式。该字段总共为1个字节，被 分为5个子域。其结构如下图：
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级联虚电路与无连接网络互联的比较
级联虚电路 优点 • 路由器预留缓冲区等资源，保证服务质量。 • 分组按序号传输。分组的报文头部较短。 缺点 • 路由器需要大量内存存储虚电路信息。 • 一旦发生拥塞，没有其它路由，健壮性差。 • 如果网络中有一个不可靠的数据报子网，级连虚电路很难实现。 无连接网络互联 优点 • 能够容忍拥塞，并能适应拥塞。 • 健壮性好。 • 可用于多种网络互联。 无连接网络互联的缺点 • 分组的报文头部较长。 • 不能保证分组按序号到达。 • 不能保证服务质量。
IP协议提供的是一种无连接的、不可靠的、尽力发送的服务，把数 据从源端发送到目的端。IP数据报在经过网络传输时，有可能因为 网络拥塞、链路故障等原因而造成丢失或出错。对此，IP协议仅具 有有限的错误报告功能，它调用ICMP协议来实现差错报告。数据报 内容的差错捡测和恢复则交给高层(传输层协议--TCP)去完成。
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IP数据报
IP数据报的格式 IP数据报(packet)是IP协议的基本处理单元，它由两 部分组成：报文头和数据部分。
0 版本号 3 4 头长度 标识符 生存时间 协议类型 源 IP 地 址 目 的 IP 地 址 可选项 ( 0或多个 )
填充 ( 可选)
7
8 服务类型
5.1面向连接和面向无连接的解决方案
网络互联的动力：更大范围的资源共享
网络互联：HOST-LAN、LAN－LAN/WAN
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为什么需要网络互联
互联网(internet)：两个或多个网络构成互联网。 为什么会存在多种不同的网络(协议)？
历史原因：不同公司的网络产品大量使用。 价格原因：网络产品价格低使很多人有权决定使用何种网 络。 技术原因：不同网络采用不同技术、不同硬件、不同协议。
分段 2
分段 2 的头 ( 偏 移 为 600 ) 分段 3 的头 ( 偏 移 为 1 2 0 0)
( 6 0 0B ) 数据片 3 ( 2 0 0B )
分段 3
上图给出了一个对IP报文进行分段的网络环境示例。 在上图(a)中，两个以太网通过一个远程网互联起来。以太网的MTU都是 1500，但是中间的远程网络的MTU为620个字节。
在一段时间内向同一目的地 发送大量报文; 实时性要求 少量零星报文
1.可靠消息流 - 文件传输 2.可靠字节流 - 远程登录 3.不可靠连接 - 数字化声音 1.数据报 - 广播/组播 2.可靠的数据报- 挂号邮件 3.请求应答 - 数据库查询
分类及示例
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5.2 IP数据报
IP是网络互连协议(Internet Protocol)的简称。IP协议具有良好的 适应性，因此，IP协议得到广泛使用，成为支撑Internet的基础。