Ⅰ 2017年計算機三級《網路技術》:第五章重點
2017年計算機三級《網路技術》:第五章重點
第五章 Internet基礎
本單元概覽
一、Internet的構成。
二、Internet的接入。
三、IP協議與互聯層服務。
四、IP地址。
五、IP數據報。
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的構成
從設計者角度看：Internet是計算機互聯網實例;從使用者角度看：Internet是一個信息資源網。
主要有4部分組成：通信線路、路由器、伺服器與客戶機、信息資源。
(1)通信線路：Internet的基礎設施，包括有線線路和無線線路
(2)路由器：網路互聯的橋梁，具有定址功能。主要任務是數據從一個網路到另一個網路時，路由器為它選擇最佳路由。
(3)伺服器與客戶機：是信息資源和服務的載體。所有連接在Internet上的計算機統稱為主機。
(4)信息資源：信息資源是用戶最關注的問題之一。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、通過電話網接入
接入Internet的方法有很多種，但必須藉助ISP將自己的計算機接入Internet。
電話已經普及到家家戶戶，傳輸的音頻信號，計算機傳輸數字信號，需要數據機連接。一條電話線只能支持一個用戶接入。
數據機的功能是數字信號與模擬信號的相互轉換。
調制：數字信號轉換成模擬信號
解調：模擬信號轉換為數字信號
電話線的傳輸效率比較低。速率最快為56Kbps。
2、利用ADSL(非對稱數字用戶線路)接入
ADSL實現普通電話線路上進行高速的數據傳輸，利用ADSL數據機，分為上行和下行兩個通道。下行通道的數據傳輸速率遠遠大於上行的數據傳輸速率(非對稱)。
上行速率：16～640kbps;下行速率為1.5～9Mbps。
ADSL數據機不但具有調制解調功能，還具有網橋和路由的功能。
3、使用HFC(混合光纖/同軸電纜)接入
除了電話線上網外，還有有線電視網。對有線電視網改造升級，信號首先通過光纖傳輸到光纖結點，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採用非對稱數據傳輸速率。上行速率：10Mbps左右。下行速率：10～40Mbps。
4、通過數據通信線路接入
要想獲得更好性能，可選數據通信線路。種類有：DDN，ATM,幀中繼等，用戶可以租用。
一台計算機、區域網用戶可利用數據通信網藉助ISP的接入Internet。
三、IP協議與互聯層服務
1、IP互聯網的工作原理
Internet是將提供不同服務的、使用不同技術的、具有不同功能的網路互聯起來形成的。
TCP/IP協議是一個協議集，它對網際網路中主機定址方式、主機命名機制、信息的傳輸規則以及各種服務功能做了詳細的約定。
IP協議運行在互聯層，屏蔽各種物理網路的細節和差異，是網路層向上提供統一的服務，不要求下層使用相同的物理網路。
IP協議精確定義了IP數據報格式，並且對數據定址和路由、數據報分片和重組、差錯控制和處理等作出了具體規定。
工作原理：假設主機A發送數據到主機B。主機A的應用層形成的數據經傳輸層送互聯層處理;互聯層將數據封裝成IP數據報，並決定發送給最近的路由器;主機A把IP數據報利用乙太網控制傳送到路由器;經由路由器對數據報進行拆封和處理;如果仍需傳輸，再封裝後利用互聯層的廣域網控製程序傳輸;經由通信子網傳輸的到主機B。
2、互聯層服務
提供的服務有3鍾：不可靠的數據投遞服務、面向無連接的傳輸服務、盡最大努力投遞服務。
不可靠的數據投遞服務：IP不能證實發送的報文是否被正確接收。即不能保證數據報的可靠傳遞。
面向無連接的傳輸服務：從源結點到目的結點的數據報可能經過不同的傳輸路徑，而且在傳輸過程中數據報有可能丟失，也有可能正確到達。
盡最大努力投遞服務：IP數據報雖面向非連接的不可靠服務，但IP並不隨意丟棄數據報。只有系統資源用盡，接收數據錯誤或網路發生故障時，IP才被迫丟棄報文。
3、IP互聯網的特點：
屏蔽了低層物理網路差異和細節，為用戶提供通用的、一致的網路服務。IP互聯網是一個單一的虛擬網路。
不指定網路互連的拓撲結構，不要求網路之間全互聯。一個網路只要通過路由器與IP互聯網中任意一個網路相連，就具有訪問整個互聯網的能力。
能在物理網路之間轉發數據，信息可以跨網傳輸。
網路中計算機使用統一的、全局的地址描述法。
IP互聯網平等對待互聯網中的每一個網路。
四、IP地址
1、IP地址的作用
乙太網中利用MAC地址(物理地址)標識網路中的一個結點，兩個乙太網結點需要知道對方的MAC地址才能通信。
乙太網不是唯一的網路，各種網路技術互不相同，讓它們之間通信是需要解決的問題。
在互聯層將各種物理網路地址統一。
屏蔽各種物理地址的差異，使用IP協議規定的地址(IP地址)。IP地址由管理機構統一管理和分配，保證在網路中的每台計算機不會產生沖突。
IP地址的作用是標識網路連接。(嚴格地說，IP地址指定的不是一台計算機，而是計算機到一個網路的連接，例如一台計算機有塊網卡，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地址的層次結構
IP地址有兩層：網路號和主機號。
網路號：標識互聯網中一個特定的網路;而主機號標識該網路中主機的一個特定連接。
IP地址含有主機的信息和網路的地址信息，所以主機從一個網路移動到另一個網路時，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)，為適應不同的網路規模，將IP地址分成5類：A、B、C、D、E
A類地址的前一個位元組表示網路號，後三個位元組表示主機號。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個網路(網路地址的0和127保留用於特殊目的)，每個網路有224―2=16777214個主機。
B類地址的前兩個位元組表示網路號，後兩個位元組表示主機號。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個網路，每個網路有216―2=65534個主機。
C類地址的前三個位元組表示網路號，後一個位元組表示主機號。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個網路，每個網路有28―2=254個主機。
4、IP地址的直觀表示法：IP地址是32位二進制數字，便於記憶採用點分十進制標記法。每個數值小於255,中間用」.」間隔開。
5、特殊的IP地址形式
網路地址：包含了一個有效的網路號和一個全0的主機號。例如A類地址中113.0.0.0表示該網路的地址。
廣播地址：IP地址以全1結尾，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路號和全1的主機號。
有限廣播：32位全1的地址，用於本網廣播。
回送地址：A類網路中127.0.0.0是一個保留地址，用於網路軟體測試以及本地機器進程間通信。
本地地址：用戶在本地內部網路中使用的地址，如果與Internet連接，必須將本地地址轉換為 Internet的IP地址。例：10.***.***.***或192.168.***.***
6、子網編址
為克服IP地址的浪費，可以採用子網編址的方法。
(1)子網編址的方法
在IP地址的網路號部分不變的情況下，在網路的主機號部分中「借」位表示子網號部分。
每個子網中允許的連接的主機的台數相應減少。
(2)子網表示法
如何識別網路號，子網號，和主機號，通過子網掩碼實現。
子網掩碼也是32位二進制數字，在子網掩碼中對於網路號和子網部分全部用1表示，其它部分用0表示。
通過子網掩碼與IP地址的按位求與，屏蔽掉主機位，得到子網號。子網掩碼作用是區分網路上的主機是否在同一網路區段內。
例如：B類地址128.22.25.6 如果子網掩碼為255.255.240.0，按位求與後，確定的子網號為1
7、地址解析協議(ARP)
IP地址屏蔽了物理網路地址的差異，但不會對物理地址做任何修改。
高層軟體指定源地址與目的地址，低層的物理網路則通過物理地址來發送和接收信息。
是以乙太網經常使用的映射方法，它充分利用了乙太網的廣播能力，將IP地址與物理地址進行動態綁定。
ARP協議主要負責將主機的邏輯地址(IP地址)轉換為相應的物理網路地址。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路中任意一台主機的物理地址。
五、IP數據報
1、IP數據報的格式
IP數據報分為兩大部分：報頭區和數據區。其中報頭僅僅是正確傳輸高層數據而增加的控制信息，數據區包括高層需要傳輸的數據。
IP數據報的主要欄位：
1)版本與協議類型：版本是IP協議版本號(一般是4即IPv4)，不同版本數據格式不同;協議類型是指該數據報的數據區數據的高層協議類型(如TCP)，用於知名數據區的數據格式。
2)長度：分為報頭長度(以32b為單位)和總長度(以8b為單位)。
3)服務類型：規定本數據報的處理方式。該欄位為數據包分配一個轉發優先順序，要求中途轉發器路由器盡量使用低延遲、高吞吐或高可靠性的線路投遞。具體實現擇由路由器的實現方法和底層物理網路技術。
4)報文的分片與重組控制：IP數據報使用標識、標志、片位移3個域對分片進行控制，分片將在目的主機重組。
5)生存周期：設計一個計數器，當計數器值為0時，數據報刪除，避免循環發送。
6)頭部校驗和：用於保證IP數據報報頭的完整性。註：只有報文頭校驗，沒有數據區校驗。好處是允許上層協議選擇自己的數據校驗方法。
7)地址：源地址和目的地址表示發送與接收的地址。此值保持不變。
2、IP封裝、分片與重組
當IP分組在網上傳輸時，可能跨越多個網路，但每個網路都規定了一個幀最多攜帶的數據量(此限制稱為最大傳輸單元或MTU),當長度超過MTU時，就需要將數據分成若干個較小的部分(分片)，然後獨立發送;
目的主機收到分片後的數據報後，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個欄位：標識、標志和片偏移;
標識：源主機賦予IP數據報的標識符，目的主機利用此標識判斷此分片屬於哪個數據報，以便重組。
標志：告訴目的主機該數據報是否已經分片，是否是最後的分片。
片偏移：本片數據在初始IP數據報中的位置。
3、IP數據報選項
IP數據報選項主要用於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IP協議的設備必須能處理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數據報穿越互聯網所經過的路徑是由源主機指定。分為兩類：嚴格路由選項和鬆散路由選項。
(1)嚴格路由選項：規定IP數據報要經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，並經過的路由器的順序不能改變。
(2)鬆散路由選項：給出數據報必須要經過的「要點」，並給出完備的路徑，無直接連接的路由器之間尚需IP軟體的定址功能補充。
記錄路由：記錄IP數據報從源主機到目的主機所經過的路徑上各個路由器的IP地址。用於測試網路中路由器的路由配置是否正確。
時間戳：記錄IP數據報經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
互聯層使用的控制協議是互聯網控制報文協議(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先權和可靠性。
差錯報告數據中除包含故障IP數據報頭外，還包含故障IP數據報數據區的前64位數據。(利用前64位了解高層協議的重要信息)
IP軟體一旦發現傳輸錯誤，首先拋棄出錯報文，然後調用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、參數出錯報告等。
目的地不可達報告：路由選擇和轉發出錯時，路由器發出目的地不可達報告。
超時報告：IP數據報一旦到達生存周期，立刻將其拋棄，同時產生ICMP超時差錯報告，通知源主機該數據報已拋棄。
參數出錯報告：一旦參數錯誤嚴重到機器不得不拋棄IP數據報時，機器向源主機發送此報文，指出可能出現錯誤的參數位置。
2、ICMP控制報文
互聯網控制主要包括擁塞控制和路由控制兩部分。ICMP提供對應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：路由器被大量湧入的IP數據報「淹沒」的現象。原因是：路由器處理速度慢，路由器傳入數據速率大於傳出速率。
其實質原因是沒有足夠的緩沖區存放大量湧入的IP數據報。為控制擁塞，IP軟體採用「源站抑制」技術，路由器對每個介面進行監視，一旦發現擁塞，立即向相應源主機發送ICMP源抑制報文，請求源主機降低發送IP數據報的速率。
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數據報，每拋棄一個數據報，向源主機發送ICMP源抑制報文。
為路由隊列設定一個閾值，超過該值，向源主機發送ICMP源抑制報文。
更為復雜的源站抑制技術是選擇性的抑制IP數據報發送率較高的源主機。
什麼時候解除擁塞，路由器不通知源主機，而是根據當前一段時間內是否收到ICMP源抑制報文自主決定。
(2) 路由控制與重定向報文
在IP互聯網中，主機在傳輸數據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的。
路由器一旦檢測到某IP數據報經非優路徑傳輸，它一方面繼續將報文轉發出去，另一方面將向主機發送一個重定向ICMP報文，通知相應的目的主機的最優路徑。
ICMP重定向的優點是保證主機擁有一個動態的、既小且優的路由表。
3、ICMP請求/應答報文對
為便於進行故障診斷和網路控制，利用ICMP請求/應答報文對來獲取某些有用的信息。
回應請求與應答：用於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主機發送一個包含任選數據區的回應請求，當目的主機或路由器收到請求後，返回相應的回應應答。如果請求者收到一個成功的應答，說明路徑以及數據傳輸正常。
時戳請求與應答：利用該請求與應答從其他機器獲得其時鍾的當前時間，經估算後再同步時鍾。
掩碼請求與應答：主機箱路由器發送該請求，路由器發回應答告知主機的子網掩碼。
七、路由器與路由選擇
1、表驅動IP進行路由選擇
路由器：進行路由選擇的計算機。
路由選擇一般採用表驅動的路由選擇演算法。每台設備存放一張路由表，該表存儲有關可能的目的地址及怎樣到達目的的信息。
(1)標准路由選擇演算法
路由表中包含許多(N，R)的有序對，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，並不知完整路徑。
為減少路由表長度或提高路由效率，路由表中的N一般使用目的網路的地址，不是目的主機地址。
(2)子網選擇路由-------標准路由選擇演算法的擴充
IP採用子網編址後，將路由表改為(M,N,R)，其中M為子網掩碼，N為目的網路的地址，R為下一個路由的IP地址。
(3)路由表的特殊路由
使用網路地址可以極大縮小路由表規模，路由表也可包含兩種特殊的路由表目，即默認路由和特定主機路由。
默認路由：如果路由表沒有指定達到目的的網路的路由信息，就可以把數據報轉發到默認路由指定的路由器。
特定主機路由：主要表項(包括默認路由)是基於網路地址的。為單個主機指定特別的路徑就是特定主機路由。
(4)統一的路由選擇演算法
允許使用任意的掩碼形式，子網路由選擇演算法不但能按照同樣的方法處理網路路由、默認路由、特定主機路由，還可以將標准路由選擇演算法作為一個特例。
IP數據報中每個IP數據報包含一個頭部和一個正文部分，頭部有一個20位元組的定長部分和一個可選的變長部分。IP數據報可能需要經過許多個網路，而源主機並不知道數據報後面要經過的這些網路所能通過的分組的最大長度是多少。而MF在分段中則表示「More Fragments」（更多的分段），除了最後一個分段以外其他所有的分段都必須設這一位，它的用途是，接收方可以知道什麼時候一個數據報的所有分段都已經到達了。