第8章廣域網技術及Internet8.1廣域網概述8.2廣域網中的路由8.3網絡互連及TCP/IP協議

8.4IP地址

8.5地址解析協議（ARP）8.6Internet8.7小結習題8.l廣域網概述8.1.1廣域網的構成通常廣域網由許多交換機和計算機所組成，其基本的交換機稱為包交換機(packetswitch)或分組交換機，因為它能把完整的包從一個節點傳送到另一個節點，并且利用其輸入／輸出接口，構建許多不同的網絡拓撲結構。交換機是廣域網的基本組成，一組交換機相互連接構成廣域網。見圖8-1。ABCD交換機2交換機1地址[1,2][1,5]地址[2,1][2,4]8.1.2存儲轉發廣域網允許多個計其機同時發送數據包，如果有許多包都必須送到同一出口，則交換機可以將數據包臨時存儲在存儲器中，直到輸出設備空閑可以轉發。廣域交換系統的基本模式是存儲轉發（storeandforward），為了完成存儲轉發功能，當數據包到達時，交換機的輸入／輸出硬件把一個包的副本放在存儲器的隊列中并通知處理器，當處理器發送完一個包，便從出口隊列中提取下一個包，決定應該送到哪個接口，并把包輸送到輸出硬件進行轉發(forward)操作。8.2廣域網中的路由8.2.1廣域網的物理編址廣域網技術定義了計算機收發幀時的具體格式，而且連到廣域網上的每臺計算機都有一個物理地址。當將幀發送到另外一臺計算機時，發送者必須給出目的計算機的地址。最簡單的層次地址方案把一個地址分為兩部分，第一部分表示交換機，第二部分表示連到交換機上的計算機，并用兩個十進制整數來說明一個地址。見圖8-2。ABCD交換機2交換機1地址[1,2][1,5]地址[2,1][2,4]交換機不必保存所有可能到達的目的地的完整信息。只要包含該包能到達目的地的下一站(nexthop)的信息即可，這也稱為下一站轉發(next-hopforwarding)。圖8-3說明了在一個包交換網絡中的下一站轉發技術。其中包轉發到下一站的過程稱為路由。交換機2目的地下一站[1,2]接口1[1,5]接口1[3,2]接口4[3,5]接口4[2,1]計算機E[2,4]計算機E(a)三個交換機組成的網絡(b)交換機2中下一站轉發信息交換機3C[3,2]D[3,5]接口1接口4E[2,1]F[2,4]A[1,2]B[1,5]交換機18.2.2廣域網中的路由表由圖8-3可見，目的地址的第一部分如果地址相同，數據包將被轉發到同一個交換機。因此說，使用兩部分層次地址轉發包時，首先檢查包的目的地址中與交換機相應的那部分，如果它與該包交換機相一致，就利用第二部分地址把包發送到計算機；否則利用該地址在路由表中選擇下一站。為使廣域網能正確地運行，路由表中的數據必須符合以下條件：（1）普遍性的路由。每個交換機的路由表必須包含有所有可能目的地的下一跳。（2）最佳路由。交換機內路由表中下一跳的值，應該指向目的地的最短路徑。如果圖中每個節點(node)代表一個交換機，若網絡中兩個交換機直接相連，則在圖中的相應節點間用一條邊(edge)或連接(link)表示。從圖8-5可見，節點l的路由表中其它項的下一站都是節點2。在較小的網絡中，路由表中重復的不多。然而，表示大型廣域網的圖中會有非常多的重復項，因此大多數廣域網用一個項來代替路由表中有相同下一跳值的項，稱為缺省路由（defaultroute)。目的地下一站1-2(1,2)3(1,2)4(1,2)站點1目的地下一站1(2,1)2-3(2,3)4(2,4)站點2目的地下一站1(3,2)2(3,2)3-4(3,4)站點3目的地下一站1(4,2)2(4,2)3(4,3)4-站點4目的地下一站1-*(1,2)

站點1目的地下一站1(2,1)2-3(2,3)4(2,4)站點2目的地下一站2(3,2)3-*(3,4)站點3目的地下一站3(4,3)4-*(4,2)站點48.3網絡互連及TCP/IP協議將不同的網絡彼此連接在一起，形成一個更大的網絡，相互連接的網絡系統稱為互聯網絡（internetwork）或互聯網（internet）。一般常用路由器來連接不同的網絡，因為路由器可以將不同技術的網絡連接起來，包括使用不同的介質、不同的物理編址方式和不同幀格式的網絡。8.3.1TCP和UDP協議l.TCP協議傳輸控制協議TCP提供了面向連接的服務，保證從一個應用到另一個應用的可靠傳輸，并且利用滑動窗口的原理調節數據流，進行流量控制。TCP根據內部定時器計時，可以重發數據，識別和丟棄重復的數據等。

2.UDP協議UDP協議是IP協議的一種簡單擴展，提供的是無連接、不可靠的數據報服務，能夠高效率地傳輸數據。用戶數據報都以一個UDP報頭開始。8.3.2IP協議IP協議是Internet協議簇中最重要的協議，通過IP協議實現了Internet異構網絡的互連，體現了TCP/IP技術的包容性。IP協議的主要功能有：無連接數據報傳送、數據報路由選擇和差錯控制。1.IP協議的數據報在IP協議中傳輸的數據單元為數據報，也稱IP數據報，由報頭和數據兩部分組成。2.IP協議的路由選擇在互聯網絡中，每個主機和路由器都有一個路由選擇表，其中，目的地址和路由器地址都是用IP地址表示的，路由器地址指向IP數據報應送往的下一個路由器；忙閑程度是用這個路由器所發送的數據報數量來衡量的，當一個目的地址有多個路由時，IP協議總是選擇忙閑度值最小的路由。8.4IP地址網絡互連的目的是提供一個無縫的通信系統，因此在互聯網絡中，所有主機必須使用統一的編址模式，每個地址必須是惟一的。為了實現這一目的，協議軟件定義了一種獨立于物理層地址的編址模式，在IP協議層提供IP地址。IP地址在集中管理下進行分配，確保網絡中的每臺計算機對應一個IP地址。8.4.1IP地址的分類IP地址由32個二進制位數字組成，每個32位的IP地址被劃分為兩部分，即前綴和后綴，地址的前綴標識了與計算機相連的物理網絡，使每個物理網絡有一個惟一的號碼，稱為網絡號；后綴標識了這個網絡上的獨立計算機。一個IP地址占用32bit或4字節長，用“點分十進制”的方法來表示，點分十進制表示法將IP地址表示為一系列以圓點隔開的十進制教，其中每個數對應一個字節，因此不可能出現大于255的數。例如，32位二進制數為10000001001101000000011000000000，對應的點分十進制數為。根據網絡規模，IP地址分成A類、B類、C類、D類和E類，見圖8-11所示。0網絡地址（7bit）主機地址（24bit）10網絡地址（14bit）主機地址（16bit）110網絡地址（21bit）主機地址（8bit）1110多目廣播地址（28bit）11110留待后用其中A類、B類和C類為基本類地址，D類用于組播傳輸，用戶可根據需要申請不同的IP地址。A類地址，最高比特是0為A類網識別符，網絡地址為7bit，允許126個不同的A類網絡，起始地址為l～126，0和127兩個地址用于特殊目的。主機號有24比特編址，每個網絡的主機地址可達224=16777216個。即主機地址范圍為l.0.0.0～55，適用于有大量主機的大型網絡。B類地址，最高二個比特是10為B類網識別符，網絡地址為14bit，允許214=16384個不同的B類網絡，起始地址為128～191，主機號有16比特編址，每個網絡能容納

216=65536臺主機，這種編址適用于國際性大公司和政府機構等。C類地址的最高三個比特為110，網絡地址為21bit，允許多達221=2097150種不同的C類網絡，起始地址為192～223，主機號僅有8比特編址，每個C類網絡能容納28=256臺主機，特別適用于一些小公司或研究機構，是一個小型網絡。D類地址不標識網絡，最高四比特為1110，其起始地址為224～239，即主機地址范圍為～55，用于特殊用途，表示多播地址。E類地址暫時保留，用于某些實驗和將來使用，其起始地址為240～255，即主機地址范圍為～55。

對應每類的十進制值范圍。類取值范圍A0～127B128～191C192～223D224～239E240～2558.4.2特殊的IP地址TCP/IP網絡中保留了一些IP地址，這些IP地址具有特殊的用途，表8-1給出了這些地址及其所代表的含義8.4.3地址掩碼1.子網編址模式地址掩碼（addressmask）又稱子網掩碼（subnetmask），是指定網絡前綴和主機后綴之間界限的32位值，該32位值稱作地址掩碼。為了充分利用網絡資源，可以將一個較大的網絡劃分成較小的網絡，稱之為子網。如此可以將IP地址中主機號細分為子網號和主機號兩部分，其子網編址模式見圖8-13。IP地址由網間網和本地網兩部分組成，其中本地部分又分為物理子網和主機兩部分，物理網絡用來表示同一IP網絡號下不同的子網，所以一個物理網絡可以用網絡號+子網號來惟一標識。含有1的幾位標記了網絡號，含有0的幾位標記了主機號。原則上0與1可以任意分布，不過一般在設計掩碼時，把掩碼開始連續的幾位設為1。IP地址與掩碼中為1的位相對應的部分為子網地址，其他的位則是主機地址。與A、B、C類地址對應的有一個標準掩碼，見表8-2。類缺省子網掩碼ABC如果已知子網掩碼，可以求出其子網數、有效主機和廣播地址。子網數等于2x-2，x是被借為子網號的位數，即1的個數，減2是指減去子網為全1獲全0。例如，11111000能產生25-2個子網。每個子網的有效主機數等于2y-2，y是沒有被借為子網的位數，即0的個數。例如，11111000能產生23-2個主機。2.IP尋址子網編碼惟一確定或劃分了IP地址，路由器則依據具體的網絡來尋址，它首先要判斷欲轉發的IP地址屬于哪個網絡，然后根據該網絡號，確定轉發的端口等。具體方法是路由器將掩碼與目的地址做“邏輯與”操作，邏輯與運算后獲得的結果就是該IP地址的確切的網絡號。例如：IP=00，mask=40IP11000000101010001001100011001000Mask11111111111111111111111111110000IPandMask11000000101010001001100011000000所以路由器通過計算可以得出，該IP地址所在的網絡號為92。8.4.4IP數據報和數據報轉發TCP/IP網絡中傳輸的數據報又稱數據包，數據包頭中源地址和目的地址是IP地址。當傳輸數據包時，首先要選擇數據包的下一跳，根據路由信息表（routingtable）進行選擇。當路由器啟動時，必須初始化路由表，而且，當網絡拓撲發生了改變或硬件失效時，路由表必須更新。見圖8-14，下面以R2路由器為例，構造實際路由表。

/8/8/8/8

R1

R2R3

在數據包轉發時，路由軟件將掩碼與數據包目的地址做布爾與運算，查表中第i項的計算可以如下表示：if((Mask[i]&D)==Destination[i])forwardtonexthop[i]由上圖可以得出R2路由器的實際路由表。見圖8-15。目的掩碼下一跳

直接傳送直接傳送

8.5地址解析協議（ARP）8.5.1地址解析IP地址是一個虛擬的地址，是使用協議軟件實現的。網絡在轉發數據包時，下一跳的地址和數據包的目標地址都是IP地址，然而，這個協議地址卻不能在物理硬件傳輸的幀中使用，因為硬件不能理解IP地址。所以在實際發送幀之前，下一跳協議地址必須被轉換成對應的硬件地址。從計算機的協議地址轉換成對應的硬件地址的過程稱為地址解析（addressresolution）。地址解析是在本地網絡進行的，兩臺計算機同時連接在同一個物理網絡上才能進行地址解析，因此不能解析遠程網絡中計算機的地址。8.5.2地址解析算法地址解析算法主要有三種方法：1.查表法地址綁定或地址映射被存儲在內存的表中，軟件如果需要解析地址可以去查找這個表。2.closed-form計算用基本的布爾運算和算術運算計算出計算機的硬件地址。硬件地址=IP地址&0xff。3.消息交換如果某臺計算機需要地址解析時，它在網絡中廣播請求地址綁定的消息，所有收到的計算機檢查請求中的地址，如果與自身的地址匹配，則另一臺計算機返回一個含有被請求信息的應答。8.5.3地址解析協議ARP為了保證在地址解析消息的格式和語義上達成一致，TCP/IP協議簇包含一個地址解析協議ARP(AddressResolutionProtocol)，定義了兩種基本消息類型：請求和應答。請求消息含有一個IP地址，請求相應的硬件地址；應答消息含有IP地址和對應的硬件地址。ARP消息是被直接封裝在硬件幀中傳送，見圖8-16。

8.6Internet8.6.1概述1969年，美國高級研究計劃署ARPA(AdvancedResearchProjectAgency)建立了著名的ARPAnet，開發研究和應用分組交換等網絡技術，并進一步利用專線和無線信道開發研究并實現異種網絡之間的計算機互連(Interconnection)和互通（Intercommunication）。國際標準化組織從1977年開始進行開放系統互連標準化工作，1984年ISO發表OSI七層協議參考模型。同時，美國國防部高級研究計劃署也在大力發展異機種網絡互連技術，制定了一組通信協議TCP/IP作為ARPANET的第2代協議標準，并完成了向TCP/IP協議的轉換。Internet描述了通過節點使用TCP/IP協議來通信網絡的集合。這些網絡通過路由器和網關連接到一起，見圖8-17。圖8-17Internet的連接ExternalGatewayEthernet802.5InternalGatewayInternalGatewayInternet8.6.2Internet應用1.客戶/服務器模式Internet上的客戶/服務器模式是建立在TCP或UDP之上的。Internet的應用層服務幾乎都采用客戶/服務器模式。所謂“客戶”和“服務器”均是指進程，即運行的程序，其中，“客戶”指客戶進程；“服務器”指的是一個被動等待通信并提供服務的進程，而不是指具體的計算機。客戶（client）/服務器（server）模式的服務過程通過客戶進程和服務器進程來完成，客戶主動發起與服務器的通信，請求服務。而服務器則是被動地等待來自任意客戶的通信請求，并提供服務。這兩個過程分別稱為客戶和服務器。2.Internet域名與域名系統（l）IP地址和域名的應用在Internet中,IP地址使用長度為32位的點分十進制來表示，對于用戶來說很難記憶。為此，IP地址采用域名（Domainname)來表示。所謂域名，指主機或機構的一種有層次結構的名字，用來代替IP地址。域名采用了與Internet結構一致的層次型結構命名法，橫向多級子域結構，其結構形式為：“本地名.子域名.網點名”。各層名字的排列順序為：低層名字在前，高層名字在后。TCP/IP還專門設計了對域名的管理機制，稱為Internet域名系統（DNS：DomainNameSystem）。域名系統是管理域的命名、管理主機域名、實現主機域名與IP地址解析的系統。（2）Internet的域名系統Internet中的域名系統，實際上是一個分布式的主機信息數據庫，它要求所命名的主機名全局惟一、便于管理、方便映射。域名的層次還與名字空間的管理機構的層次相對應，由網絡信息中心NIC(NetworkInformationCenter)負責維護，即在Internet層次名字管理中，NIC將最高一級名字空間劃分為若干部分，將各部分的管理權授予相應機構，各管理機構將管轄內的名字空間進一步劃分成若干子域，并將子域的管理特權再授予子管理機構。如此下去，便形成層次型域名。域名系統為一個分布式數據庫，它使本地可以負責控制整個數據庫中的部分段，每一段中的數據通過客戶/服務器模式在整個網絡上均可以存取。美國是Internet的發源地，其主機域名的國別代碼常被省略。因此，美國Internet的最高級域名是組織類代碼，共有13種：表8-3域名類型的含義.int國際組織.firm商業公司.store商品銷售企業.com商業組織.web與www相關的實體.edu教育組織.arts文化和娛樂實體.gov政府組織.info提供信息服務的實體.mil軍事組織.nom個體或個人.org非商業組織.net網絡組織但是，其他國家的最高一級域名為國家代碼。國別代碼由兩個字母組成。例如“cn”代表中國，.ca代表加拿大等等。所以，Internet實際主機域名的一般格式是主機名.單位名.類型名.國家代碼但主機域名不能直接用于數字型IP地址的路由選擇中。當用戶使用主機域名進行通信時，必須首先將其映射成IP地址，這種將主機域名映射為IP地址的過程叫做域名解析。域名解析包括正向解析（從域名到IP地址）以及反向解析（從IP地址到域名）。Internet域名到IP地址的映射是由一組域名服務器來完成的（運行域名服務軟件的計算機稱為域名服務器）。對應于域名結構，域名服務器也構成一定的層次結構，應該說DNS作為Internet的域名服務系統已得到廣泛應用。3.Internet上的基本服務隨著Internet的高速發展，在internet上提供的各種服務形式越來越多，包括：遠程登錄TELNET、遠程文件傳輸FTP、電子郵件Email、電子公告板BBS、網絡新聞論壇USENET、實時在線交談IRC、視頻會議VIC、分布式文件查詢系統Gopher、廣域信息服務WAIS，環球信息網WWW等。Internet的基本服務功能有：遠程登錄Telnet、文件傳輸FTP和電子郵件E-mail。（1）.遠程登錄TelnetTELNET客戶和服務器之間互相通信使用的協議就稱TELNET。所謂遠程登錄是指Internet用戶在網絡通信軟件的支持下，使自己的計算機暫時成為遠程計算機仿真終端，使用遠程計算機的硬件和軟件資源的過程。Telnet采用客戶/服務器模式，用戶在本地機上啟動telnet進程即TELNET的客戶進程，通過TCP面向連接的服務發到遠程主機或服務器，向遠程主機發起登錄請求。遠程計算機上運行的TELNET服務器進程就提供登錄服務，并顯示從TCP連接上收到的數據。當用戶使用Telnet登錄遠程主機時，首先應該給出遠程計算機的域名或IP地址，同時該用戶必須在這個遠程主機中擁有合法的帳號和相應的密碼，否則遠程主機將會拒絕登錄。Telnet服務建立在TCP之上。源主機上的telnet客戶為了與目標主機上的Telnet服務器進行通信，首先要建立TCP連接，由源主機的TCP為TELNET客戶進程分配一個未使用的端口號作為標識，該TCP端口號是惟一的，在連接關閉后就釋放，因此說這是一種動態分配方式。例如，現在假設已經為TELNET服務器進程分配了TCP端口號23，則TELNET客戶進程向目標主機的TCP端口23發起連接請求，而TELNET服務器進程則在TCP端口23監聽，它在收到連接請求后就生成一個服務器子進程來接受該連接請求，建立一條連接，這條連接就是TELNET客戶進程和遠程主機的服務器子進程之間傳送數據的邏輯連接或邏輯通道。Telnet的主要用途有：①在用戶終端與遠程主機之間建立有效的連接；②可以共享遠程主機上的軟件和數據資源；③可以利用遠程主機提供的信息查詢服務進行信息查詢。（2）文件傳輸協議FTPFTP是Internet上的文件傳輸標準，該服務解決了遠程傳輸文件的問題。用戶在本地主機上啟動的是FTP客戶進程，與遠程計算機系統進行連接，激活要訪問的遠程計算機上的FTP服務器進程，它為用戶操作遠程計算機上的文件系統。FTP客戶進程和FTP服務器進程之間使用的協議稱為FTP。FTP服務也是建立在TCP之上的面向連接的服務，它們之間經過TCP協議進行通信。需要使用兩條TCP連接來完成文件傳輸，一條連接用于控制（約定FTP服務使用TCP端口21），另一條為數據連接。當用戶要求傳輸文件前，FTP客戶進程首先向遠程計算機的TCP端口21發起連接請求，FTP服務器進程則在TCP端口21監聽，當FTP服務器進程收到一個連接請求，它就生成一個子進程處理到來的連接請求，建立一條連接。這條連接稱為控制連接，用它來傳送客戶端的命令和服務器端的響應等。用戶在登錄后便可以使用傳送文件的put，get等命令，這時服務器進程為了傳送文件要啟動一個輔助進程，該進程建立發起一條連接，這條連接稱為數據連接，只用于數據傳送。數據傳送完成后，連接關閉，輔助進程終止。客戶可以向服務器提出任意多次的請求，一個請求就相當于一個客戶命令。客戶每提出一個請求，服務器便為客戶建立一個數據連接，進行實際的數據傳輸。當數據傳輸結束時，數據連接撤消，但控制連接仍然保持。客戶還可以繼續發出命令，直到客戶撤消了控制連接，雙方的連接才算完全終止。一般的FTP都支持匿名登錄，即FTP服務器的提供者設置了一個特殊的用戶名anonymous提供公眾使用，用戶登錄到這些服務器時無需事先注冊用戶名和口令，只要以“Anonymous”為用戶名和自己的E-mail地址（或guest）作為口令就可以訪問該FTP服務器，并共享這個主機對公眾開放的資源。（3）電子郵件E-mail電子郵件系統采用了簡單郵件傳輸協議SMTP（SimpleMailTransferProtocol），在每個郵件服務器之間必須使用SMTP協議通信，以保證不同類型的計算機之間電子郵件的傳送。簡單郵件傳輸協議SMTP也采用客戶/服務器結構，通過建立SMTP客戶機與遠程主機上SMTP服務器間的連接來傳送電子郵件。電子郵箱（MailBox）是由電子郵件服務的機構（一般是ISP）為用戶建立的。每個電子郵箱都有一個郵箱地址，稱為電子郵件地址（E-mailAddress）。用戶的E-mail地址格式為：用戶名＠主機名，主機名指的是擁有獨立IP地址的計算機的名字，用戶名是指在該計算機上為用戶建立的E-mail帳戶名。電子郵件有固定的格式，它由郵件頭（mailheader）與郵件體（mailbody）兩部分組成。采用存儲轉發的方式，用戶所發送的電子郵件首先傳送到ISP的E-mail服務器的郵箱中，E-mail服務器根據電子郵件的目的地址，通過Internet存儲轉發的方式，將郵件傳送到收信人所在的E-mail服務器。當收信人的計算機開機時，E-Mail服務器將自動地將郵件傳送到收信人的電子信箱中。4.IP電話IP電話是以Internet作為傳送媒體的電話系統。最初Internet只支持計算機之間的語音通信，另一方可以使用普通電話機的Internet話音服務。現在雙方都可以使用電話機，而話音通過Internet傳送。所以IP電話主要可以分為3類：計算機之間的語音通信；計算機到電話機間的語音通信；普通電話機之間的語音通信。（1）計算機之間的語音通信這種網絡電話是利用Internet的語音傳送技術，不通過電話網，不過通話雙方的計算機一定要配置語音卡、音響、話筒和相同的網絡電話軟件，而且當一方呼叫時，另一方的主機必須在網上，并預先運行網絡電話軟件。（2）計算機到電話機間的語音通信計算機到電話機間的語音通信指主叫計算機登錄到網絡電話接入服務器，呼叫信號通過Internet到達遠端交換機后，自動轉接到被叫電話上。（3）普通電話機之間的語音通信在普通電話機之間的語音通信過程中，主叫用戶呼叫首先通