第六章 路由及IP交换技术.docx
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第六章路由及IP交换技术
第六章路由与IP交换技术
6.1TCP/IP协议
TCP/IP是上百个(用来连接计算机和网络的)协议合起来的共有名字,是把计算机和通讯设备组织成网络的协议大家庭。
我们经常用到两个TCP/IP协议:
远程登录(Telnet)和文件传送协议(FTP)。
TCP/IP的实际名字是来自最重要的两个协议:
TCP和IP。
TCP(TransmissionControlProtocol——传输控制协议)和IP(InternetProtocol—互联网协议)。
IP(Internetprotocol)传输数据从一地到另一地;而TCP(transmissioncontrolprotocol)保证它们都正确地工作。
TCP/IP协议的结构
一、两种模型的比较
OSI参考模型与TCP/IP模型的共同之处是:
他们都采用了层次结构的概念,在传输层定义了相似的功能,但是二者在层次划分与使用的协议上是有很大差别的,也正是这种差别对两个模型的发展产生的两个截然不同的局面,OSI参考模型走向消亡而TCP/IP模型得到了发展。
OSI参考模型分为7层:
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
TCP/IP参考模型是因特网(Internet)的基础。
TCP/IP是一组协议的总称,TCP和IP是其中最主要的两个协议,TCP/IP体系还包含其他协议。
和OSI的7层协议比较,TCP/IP参考模型中没有会话层和表示层。
互联网协议IP(InternetProtocol)是网络层最主要的协议。
传输控制协议TCP(TransmissionControlProtocol)和用户数据包协议UDP(UserDatagramProtocol)是传输层的最主要的协议。
TCP是提供可靠服务、面向连接的协议;UDP是不可靠、无连接的协议。
OSI参考模型和TCP/IP参考模型比较
OSI参考模型和TCP/IP参考模型之共同点
1)都是基于独立的协议栈的概念;
2)它们的功能大体相似,在两个模型中,传输层及以上的各层都是为了通信的进程提供点到点、与网络无关的传输服务;
3)OSI参考模型与TCP/IP参考模型传输层以上的层都以应用为主导。
OSI参考模型与TCP/IP参考模型的主要差别
1)TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互联问题,并将网际协议IP作为TCP/IP的重要组成部门。
但ISO最初只考虑到使用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互联在一起。
2)TCP/IP一开始就对面向连接各无连接并重,而OSI在开始时只强调面向连接服务。
3)TCP/IP有较好的网络管理功能,而OSI到后来才开始这个问题,在这方面两者有所不同。
OSI参考模型和TCP/IP参考模型评价
对OSI参考模型的评价
无论是OSI参考模型与协议,还是TCP/IP参考模型与协议都是不完美的。
造成OSI参考模型不能流行的主要原因是之一是其自身的缺陷。
会话层在大多数应用中很少用到,表示层几乎是空的。
在数据链路层与网络层之间有很多的子层插入,每个子层有不同的功能。
OSI模型将“服务”与“协议”的定义结合起来,使得参考模型变得格外复杂,将它的实现起是困难的。
同时,寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现,必然降低系统效率。
虚拟终端协议最初安排在表示层,现在安排在应用层。
关于数据安全性,加密与网络管理等方面的问题也在参考模型的设计初期被忽略了。
参考模型的设计更多是被通信思想所支配,很多选择不适合于计算机与软件的工作方式。
很多“原语“在软件的很多高级语言中实现起来很容易,但严格按照层次模型编程的软件效率很低。
TCP/IP模型的评价
TCP/IP参考模型与协议也有它自身的缺陷
1)它在服务、接口与协议的区别上不清楚。
一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开来,TCP/IP恰恰没有很好的做到这点,这就使得TCP/IP参考模型对于使用新技术的指导意义不够。
2)TCP/IP的主机-网络层本身并不是实际的一层,它定义了网络层与数据链路层的接口。
物理层与数据链路层的划分是必要和合理的,一个好的参考模型应该将它们区分开来,而TCP/IP参考模型却没有做到这点。
结论
OSI参考模型与TCP/IP参考模型都不完美,但TCP/IP参考模型发展是因为在ISO制定OSI参考模型过程中总是着眼于一次制定达到完美,所以的制定过程中考虑的方面比较多,但去忽略了IP这一协议的重要性,但当ISO认识到时只好在网络层划出一个子层来完成类似的功能,在无连接服务一开始也不在考虑之列,还有就是网络管理功能的过度复杂等,造成了OSI迟迟没有成熟的产品推出的成因,进而影响了厂商对它的支持,而这时的TCP/IP通过实践得到到不断的完善,也得到了大厂商的支持,所以TCP/IP参考模型得到了发展。
二、TCP/IP模型各层的功能
1应用层
应用层协议是特定的应用程序的协议。
应用层的目的就是要告诉后面的程序“我要干什么”,常见的应用层协议包括:
(1)SNMP:
简单网络管理协议
(2)SMTP:
简单邮件传输协议
(3)FTP:
文件传输协议
(4)HTTP;超文本传输协议
2传输层
传输层在理解了应用层的请求后,将用户数据封装成数据包。
封装后的数据包才能被后面的协议理解。
有TCP和UDP两种封装数据包的协议。
3网络层
网络层包括IP协议、ICMP协议、IGMP协议。
4链路层
链路层负责和物理最低端的物理层通信,检查和更正物理层可能会发生错误,负责将物理层传送的数据进行封装,封装后的数据包称为帧。
常见的连接层协议为ARP和RARP。
5物理层
物理层协议的主要功能就是完成比特数据转换为物理数字线路上的电平信号。
6.2路由器工作原理
路由器互联与网络的协议有关,我们讨论限于TCP/IP网络情况。
1、路由与交换的概念
Ø路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机,其任务是分组转发。
Ø分组转发:
将路由器某个输入端口收到的分组,按照分组要去的目的地(即目的网络),将该分组从某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。
Ø路由器的转发分组是网络层的主要工作。
交换是电信网的技术基础,路由是计算机网络的技术基础。
区别:
Ø电信网中的交换基本都是面向连接的,路由技术是无连接的。
Ø电信网有完善的信令机制,存在独立的控制层。
Ø交换机保存信令控制过程中确定的连接信息,路由器是无状态的。
Ø电信交换保证服务质量(QoS)
交换技术和路由技术相互结合是未来通信网络发展的方向。
其他观点:
路由是第三层交换。
6.2.1路由器的功能
1)在网络间截获发送到远地网段的报文,起转发的作用。
2)选择最合理的路由,引导通信。
为了实现这一功能,路由器要按照某种路由通信协议,查找路由表,路由表中列出整个互联网络中包含的各个节点,以及节点间的路径情况和与它们相联系的传输费用。
如果到特定的节点有一条以上路径,则基于预先确定的准则选择最优(最经济)的路径。
由于各种网络段和其相互连接情况可能发生变化,因此路由情况的信息需要及时更新,这是由所使用的路由信息协议规定的定时更新或者按变化情况更新来完成。
网络中的每个路由器按照这一规则动态地更新它所保持的路由表,以便保持有效的路由信息。
3)路由器在转发报文的过程中,为了便于在网络间传送报文,按照预定的规则把大的数据包分解成适当大小的数据包,到达目的地后再把分解的数据包包装成原有形式。
4)多协议的路由器可以连接使用不同通信协议的网络段,作为不同通信协议网络段通信连接的平台。
5)路由器的主要任务是把通信引导到目的地网络,然后到达特定的节点站地址。
后一个功能是通过网络地址分解完成的。
例如,把网络地址部分的分配指定成网络、子网和区域的一组节点,其余的用来指明子网中的特别站。
分层寻址允许路由器对有很多个节点站的网络存储寻址信息。
6.2.2路由原理
当IP子网中的一台主机发送IP分组给同一IP子网的另一台主机时,它将直接把IP分组送到网络上,对方就能收到。
而要送给不同IP子网上的主机时,它要选择一个能到达目的子网上的路由器,把IP分组送给该路由器,由路由器负责把IP分组送到目的地。
如果没有找到这样的路由器,主机就把IP分组送给一个称为“缺省网关(defaultgateway)”的路由器上。
“缺省网关”是每台主机上的一个配置参数,它是接在同一个网络上的某个路由器端口的IP地址。
路由器转发IP分组时,只根据IP分组目的IP地址的网络号部分,选择合适的端口,把IP分组送出去。
同主机一样,路由器也要判定端口所接的是否是目的子网,如果是,就直接把分组通过端口送到网络上,否则,也要选择下一个路由器来传送分组。
路由器也有它的缺省网关,用来传送不知道往哪儿送的IP分组。
这样,通过路由器把知道如何传送的IP分组正确转发出去,不知道的IP分组送给“缺省网关”路由器,这样一级级地传送,IP分组最终将送到目的地,送不到目的地的IP分组则被网络丢弃了。
目前TCP/IP网络,全部是通过路由器互连起来的,Internet就是成千上万个IP子网通过路由器互连起来的国际性网络。
这种网络称为以路由器为基础的网络(routerbasednetwork),形成了以路由器为节点的“网间网”。
在“网间网”中,路由器不仅负责对IP分组的转发,还要负责与别的路由器进行联络,共同确定“网间网”的路由选择和维护路由表。
路由动作包括两项基本内容:
寻径和转发。
寻径即判定到达目的地的最佳路径,由路由选择算法来实现。
由于涉及到不同的路由选择协议和路由选择算法,要相对复杂一些。
为了判定最佳路径,路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表,其中路由信息依赖于所用的路由选择算法而不尽相同。
路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中,根据路由表可将目的网络与下一站(nexthop)的关系告诉路由器。
路由器间互通信息进行路由更新,更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化,并由路由器根据量度来决定最佳路径。
这就是路由选择协议(routingprotocol),例如路由信息协议(RIP)、开放式最短路径优先协议(OSPF)和边界网关协议(BGP)等。
转发即沿寻径好的最佳路径传送信息分组。
路由器首先在路由表中查找,判明是否知道如何将分组发送到下一个站点(路由器或主机),如果路由器不知道如何发送分组,通常将该分组丢弃;否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点,如果目的网络直接与路由器相连,路由器就把分组直接送到相应的端口上。
这就是路由转发协议(routedprotocol)。
路由转发协议和路由选择协议是相互配合又相互独立的概念,前者使用后者维护的路由表,同时后者要利用前者提供的功能来发布路由协议数据分组。
下文中提到的路由协议,除非特别说明,都是指路由选择协议,这也是普遍的习惯。
路由器(Router)是用于连接多个逻辑上分开的网络,所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。
当数据从一个子网传输到另一个子网时,可通过路由器来完成。
因此,路由器具有判断网络地址和选择路径的功能,它能在多网络互联环境中,建立灵活的连接,可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网,路由器只接受源站或其他路由器的信息,属网络层的一种互联设备。
它不关心各子网使用的硬件设备,但要求运行与网络层协议相一致的软件。
路由器分本地路由器和远程路由器,本地路由器是用来连接网络传输介质的,如光纤、同轴电缆、双绞线;远程路由器是用来连接远程传输介质,并要求相应的设备,如电话线要配调制解调器,无线要通过无线接收机、发射机。
其工作原理如下:
(1)工作站A将工作站B的地址12.0.0.5连同数据信息以数据帧的形式发送给路由器1。
(2)路由器1收到工作站A的数据帧后,先从报头中取出地址12.0.0.5,并根据路径表计算出发往工作站B的最佳路径:
R1->R2->R5->B;并将数据帧发往路由器2。
(3)路由器2重复路由器1的工作,并将数据帧转发给路由器5。
(4)路由器5同样取出目的地址,发现12.0.0.5就在该路由器所连接的网段上,于是将该数据帧直接交给工作站B。
(5)工作站B收到工作站A的数据帧,一次通信过程宣告结束。
事实上,路由器除了上述的路由选择这一主要功能外,还具有网络流量控制功能。
有的路由器仅支持单一协议,但大部分路由器可以支持多种协议的传输,即多协议路由器。
由于每一种协议都有自己的规则,要在一个路由器中完成多种协议的算法,势必会降低路由器的性能。
因此,我们以为,支持多协议的路由器性能相对较低。
用户购买路由器时,需要根据自己的实际情况,选择自己需要的网络协议的路由器。
近年来出现了交换路由器产品,从本质上来说它不是什么新技术,而是为了提高通信能力,把交换机的原理组合到路由器中,使数据传输能力更快、更好。
6.2.5路由器的体系结构
从体系结构上看,路由器可以分为第一代单总线单CPU结构路由器、第二代单总线主从CPU结构路由器、第三代单总线对称式多CPU结构路由器;第四代多总线多CPU结构路由器、第五代共享内存式结构路由器、第六代交叉开关体系结构路由器和基于机群系统的路由器等多类。
路由器的构成
路由器具有四个要素:
输入端口、输出端口、交换开关和路由处理器。
输入端口是物理链路和输入包的进口处。
端口通常由线卡提供,一块线卡一般支持4、8或16个端口,一个输入端口具有许多功能。
第一个功能是进行数据链路层的封装和解封装。
第二个功能是在转发表中查找输入包目的地址从而决定目的端口(称为路由查找),路由查找可以使用一般的硬件来实现,或者通过在每块线卡上嵌入一个微处理器来完成。
第三,为了提供QoS(服务质量),端口要对收到的包分成几个预定义的服务级别。
第四,端口可能需要运行诸如SLIP(串行线网际协议)和PPP(点对点协议)这样的数据链路级协议或者诸如PPTP(点对点隧道协议)这样的网络级协议。
一旦路由查找完成,必须用交换开关将包送到其输出端口。
如果路由器是输入端加队列的,则有几个输入端共享同一个交换开关。
这样输入端口的最后一项功能是参加对公共资源(如交换开关)的仲裁协议。
交换开关可以使用多种不同的技术来实现。
迄今为止使用最多的交换开关技术是总线、交叉开关和共享存贮器。
最简单的开关使用一条总线来连接所有输入和输出端口,总线开关的缺点是其交换容量受限于总线的容量以及为共享总线仲裁所带来的额外开销。
交叉开关通过开关提供多条数据通路,具有N×N个交叉点的交叉开关可以被认为具有2N条总线。
如果一个交叉是闭合,输入总线上的数据在输出总线上可用,否则不可用。
交叉点的闭合与打开由调度器来控制,因此,调度器限制了交换开关的速度。
在共享存贮器路由器中,进来的包被存贮在共享存贮器中,所交换的仅是包的指针,这提高了交换容量,但是,开关的速度受限于存贮器的存取速度。
尽管存贮器容量每18个月能够翻一番,但存贮器的存取时间每年仅降低5%,这是共享存贮器交换开关的一个固有限制。
输出端口在包被发送到输出链路之前对包存贮,可以实现复杂的调度算法以支持优先级等要求。
与输入端口一样,输出端口同样要能支持数据链路层的封装和解封装,以及许多较高级协议。
路由处理器计算转发表实现路由协议,并运行对路由器进行配置和管理的软件。
同时,它还处理那些目的地址不在线卡转发表中的包。
6.3IP交换技术
6.3.1IP交换技术的发展
6.3.2IP交换的基本构成及工作原理
IP交换机的体系结构
IP交换机的体系结构
IP交换机由IP交换控制器和ATM交换器构成。
IP交换控制器:
驻存了控制软件的高性能处理机
控制软件:
选路软件+扩充软件(流的判别、Ipsilon流管理协议、通用交换机管理协议)
流的判别:
用来判别是通过ATM连接传送的数据流还是采用传统的IP传输方式传送的数据流。
IP交换机由IP交换控制器和ATM交换器构成。
IP交换控制器:
驻存了控制软件的高性能处理机
控制软件:
选路软件+扩充软件(流的判别、Ipsilon流管理协议、通用交换机管理协议)
流的判别:
用来判别是通过ATM连接传送的数据流还是采用传统的IP传输方式传送的数据流。
Ipsilon流管理协议(IFMP):
IP交换节点之间的协议,用于2层标记(VCI)的分配,一个节点通过该协议通知相邻节点将某一标记与特定的IP流相关联。
通用交换机管理协议(GSMP):
是IP交换机内部IP交换控制器与ATM交换器之间的通信协议,用于IP交换控制器控制ATM交换器的工作。
ATM交换器:
ATM交换结构+输入/输出端口
IP交换的基本原理
IP交换的工作过程:
1)对默认信道上传来数据分组进行存储转发;
2)要求上游节点在所分配的VC上传送分组;
3)从下游节点收到改向消息;
4)在ATM直通连接上传送分组。
IP交换的两种路由
6.3.3IP交换中所使用的协议
IP交换机使用了两种协议:
通用交换机管理协议GSMP(GeneralSwitchManagementProtocol)和Iplison流管理协议IFMP(IpsilonFlowManagementProtocol)。
GSMP(RFC1987/2297)用在IP交换控制器中,完成控制ATM交换的功能。
IFMP(RFC1953)用于IP交换机、IP网关或IP主机中,它把现有网络或主机接入到由IP交换机组成的IP交换网中,用来控制数据传送。
1GSMP协议
GSMP是交换结构的一部分,用于IP交换控制器。
GSMP是一种异步协议,它把IP交换控制器设置为主控制器,而把ATM交换机设置为从属被控设备,使IP交换控制器用来控制ATM交换机的工作。
IP交换控制器利用该协议向ATM交换机发出下列要求:
建立和释放穿过ATM交换机的虚连接;
在点到多点连接中,增加或删除端点;
控制ATM交换机端口;
进行配置信息查询;
进行统计信息查询;
为某个用户流建立新的VPI/VCI。
GSMP按照主从方式、请求——响应式方式工作。
IP交换控制器向ATM交换硬件发送请求,ATM交换硬件在动作完成后给出一个响应。
GSMP有5种基本消息类型:
配置消息、连接管理消息、端口管理消息、统计消息和事件消息。
2IFMP协议
IFMP用于相邻的IP交换机对某个数据流的信元进行重新标记。
IFMP协议消息从IP交换机传递到其上游交换机。
IFMP功能包括关联协议和重定向协议,前者发现链路上的对等IP交换机,后者管理指派给某个数据流的标记(VPI/VCI)。
IFMP消息的发送端用IPv4的分组头封装IFMP信息,目的端IP地址是外部链路另一端的对等IP交换机。
对等IP交换机的IP地址通过关联协议获得。
IFMP重定向协议支持5种类型的消息:
(1)重定向消息:
通知相邻的上游IP交换机在某时间段内把某个标记赋予某个数据流。
(2)重声明消息:
通知相邻的上游IP交换机解除一个或多个流与标记的关联关系,并释放这些标记以便数据流标识符字段能够分配给其他数据流。
当网络拓扑变化或者下游IP交换机的标记不够用时,有必要进行这种操作。
解除关联关系的数据流重新采用缺省的转发工作方式释放标记以便将来使用。
(3)重声明确认消息:
在每个上述的重声明消息成功地释放了一个或多个标记后,相邻的IP交换机利用重声明确认消息给出确认。
(4)标记范围消息:
上游IP交换机向下游IP交换机发出标记范围消息,响应包含标记的重定向消息,指明上游IP交换机(发送端)不能分配该标记。
标记范围消息包含了最小和最大的标记值,上游IP交换机只能支持此范围内的标记值。
(5)出错消息:
对IFMP重定向消息的响应,用来通知下游的IP交换机,发送端由于处于异常状态而无法成功处理重定向消息。
6.4Tag交换技术
Tag交换组件
Tag交换节点由传递元件和控制元件构成。
(对应于IP交换中的ATM交换器和IP交换控制器)
传递元件(转发组件)根据分组中携带的标记信息和交换机中保存的标记传递信息完成分组的传递。
Tag交换器中具有标签转发信息库。
其信息是在控制驱动时将路由映射到标签而形成的。
转发组件的转发机制是基于对固定长度的短标签的精确匹配算法,而不是在网络层采用传统的最长匹配算法,并且转发机制独立于网络层协议。
控制元件(控制组件):
在交换机之间维护标记传递信息,完成标记分配和维护规程。
Tag交换的基本原理
1)传统路由协议hop-by-hop方式,基于目的地址的选路;
2)标签分配和标签的捆合,形成标签信息库TIB;
3)基于标签的数据转发;
4)通信结束,标签清除。
Tag交换具有面向连接的特性。
标签分配与选路功能
标签分配方法:
1)下游分配
2)下游按需分配
3)上游分配
Tag可支持的选路功能:
1)基于目的地的选路
2)分级选路
3)灵活选路
6.5IP电话原理
6.5.1IP电话的由来
IP电话是按国际互联网协议规定的网络技术内容开通的电话业务,中文翻译为网络电话或互联网电话,简单来说就是通过Internet网进行实时的语音传输服务。
它是利用国际互联网Internet为语音传输的媒介,从而实现语音通信的一种全新的通信技术。
由于其通信费用的低廉(每分钟互联网通信费用人民币6分6厘,而普通电话的国际通信费,每分钟需十几元人民币),所以也有人称之为廉价电话。
网络电话、互联网电话、经济电话或者廉价电话,这些都是人们对IP电话的不同称谓,其实质基本都是一个意思,现在用得最广泛、也是比较科学的叫法即“IP电话”。
其原理是将普通电话的模拟信号进行压缩打包处理,通过Internet传输,到达对方后再进行解压,还原成模拟信号,对方用普通电话机等设备就可以接听。
IP电话是按国际互联网协议规定的网络技术内容开通的电话业务,中文翻译为网络电话或互联网电话,简单来说就是通过Internet网进行实时的语音传输服务。
它是利用国际互联网Internet为语音传输的媒介,从而实现语音通信的一种全新的通信技术。
由于其通信费用的低廉(每分钟互联网通信费用人民币6分6厘,而普通电话的国际通信费,每分钟需十几元人民币),所以也有人称之为廉价电话。
网络电话、互联网电话、经济电话或者廉价电话,这些都是人们对IP电话的不同称谓,其实质基本都是一个意思,现在用得最广泛、也是比较科学的叫法即“IP电话”。
其原理是将普通电话的模拟信号进行压缩打包处理,通过Internet传输,到达对方后再进行解压,还原成模拟信号,对方用普通电话机等设备就可以接听。
发展过程
最初的IP电话是个人计算机与个人计算机之间的通话。
通话双方拥有电脑,并且可以上互联网,利用双方的电脑与调制解调器,再安装好声卡及相关软件,加上送话器和扬声器,双方约定时间同时上网,然后进行通话。
在这一阶段,只能完成双方都知道对方网络地址及必须约定时间同时上网的点对点的通话,在普通的商务领域中就显得相当麻烦,因而,不能商用化或进入公众通信领域。
目前,国际上许多大的电信公司又推出了普通电话与普通电话之间的通话,普通电话客户通过本地电话拨号上本地的互联网电话的网关(Gateway),输入帐号、密码,确认后键入被叫号码,这样本地与远端的网络电话通过网关透过Internet网络进行连接,远端的Internet网关通过当地的电话网呼叫被叫用户,从而完成普通电话客户之间的电话通信。
作为网络电话的网关,一定要有专线与Internet网络相连,即是Internet网上的一台主机,
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