第5章 网络互联(新).ppt

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1、网络工程概论第5章网络互联1第5章网络互联5.1网络互联基础5.2因特网路由选择协议5.3虚拟专用网VPN5.4IPV6和IPV4之间的通信机制和方法2本章学习要求：掌握：网络互联基本类型、层次和设备。掌握：因特网路由协议基本知识。掌握：因特网路由协议RIP、OSPF。了解：因特网路由协议BGP和组播协议。掌握：VPN的定义以及VPN在因特网上的连接方法。了解：IPv6与IPv4之间的通信机制和方法。35.1网络互联基础5.1.1网络互联的基本类型5.1.2网络互联的层次5.1.3网络互联设备45.1.1网络互联的基本类型网络可以分为局域网、城域网和广域网。网络互联的基本类型是指这些不同种类网

2、络之间的互联。一般包括以下互联方式：1.局域网和局域网互联2.局域网和广域网互联3.局域网广域网局域网互联4.广域网与广域网互联55.1.2网络互联的层次根据网络在不同层次上的互联，网络互联可以分为：1.物理层互联2.数据链路层互联3.网络层互联4.高层互联65.1.3网络互联设备1.网络传输介质互联设备T形连接器屏蔽或非屏蔽双绞线连接器RJ-45RS232接口(DB-25)VB35同步接口终端匹配器调制解调器72.网络物理层互联设备中继器集线器3.数据链路层互联设备网桥交换机4.网络层互联设备路由器5.高层互联设备网关85.2因特网路由选择协议路由是发现、比较、选择通过网络到达任何目的IP地

3、址的路径的过程。两种基本路由方式：静态路由动态路由距离-向量链路-状态这两种动态路由协议类型的基本区别在于两者发现和计算到目的地新路由的方式不同。9105.2.1路由基本知识1.静态路由路由形式简单，路由配置由互联网络管理员来完成。优点：使网络更安全更有效地利用资源缺点：当网络发生问题或拓扑结构发生变化时，网络管理员必须手动适应这种变化。适用场合：静态路由只适用于小型网络，且到达任一目的地只有一个路径。112.动态路由(1)距离向量路由计算方法路由器周期性地把自己的路由表传给与其直接相连的路由器；每一个接收者在该表上加上自己的距离向量，并把它转发给它的直接邻居。距离向量路由的缺点网络收敛速度慢

4、；不适合于大的、复杂的广域网。距离向量路由的优点非常简单的协议，容易配置、维护和使用；对于非常小的、几乎没有冗余路径且无严格性能要求的网络非常有用。12(2)链路状态路由使用最短路径优先(SPF)算法链路状态路由的不足：在初始发现过程中，链路状态路由协议会在网络传输线路上进行洪泛(Flood)；链路状态路由对存储器和处理器敏感。链路状态路由的优点：可以适合任何大小的网络；具有更好的可扩展性。13145.2.2内部网关协议RIP用于自治系统间接口上的单独的协议称为外部路由协议，简称EGP(ExteriorGatewayProtocol)。用于自治系统内部的路由协议称为内部路由协议，简称IGP(I

5、nteriorGatewayProtocol)。内部路由协议与外部路由协议不同，外部路由协议只有一个，而内部路由协议则是一族。15RIP(RouteInformationProtocol)协议是基于V-D算法(又称为Bellman-Ford算法)的内部动态路由协议。RIP协议是最广泛使用的IGP之一。16RIP协议处于UDP协议的上层，RIP所接收的路由信息都封装在UDP的数据报中，RIP在520号端口上接收来自远程路由器的路由更新信息，并对本地的路由表做相应的修改，同时通知其他路由器。图5 1 路由器协议结构175.2.2.1RIP报文格式RIP报文的格式18命令字段含义命令含义1请求部分的

6、或全部的选路信息2响应，包含发送方选路表内的网络距离序偶3启动跟踪模式(已过时)4关闭跟踪模式(已过时)5保留由Sun Microsystem公司内部使用195.2.2.2RIP协议V-D算法的介绍1.三种路由表的初始化建立方法：第一种，路由器系统起动时，从外存读入一个完整的寻径表，长驻内存使用；系统关闭时再将当前路由表(可能经过刷新)，写回外存，供下次使用；第二种，系统起动时，只提供一个空表，通过执行显式命令(比如批处理文件中的命令)来填充；第三种，系统起动时，从与本路由器直接相连的各网络地址中，推导出一组初始路由，通过初始路由只能访问相连网上的主机。RIP协议中的路由更新算法是距离向量算法

7、，其初始化方式采用的是上述三种初始化方式中的最后一种。202.距离向量算法RIP管理了一个路由数据库目的地址：在算法的IP实现中，这指的是主机或网络的IP地址。下一跳地址：到信宿的路由中的第一个路由器。接口：用于到下一跳物理网络。Metric值：一个数，指明本路由器到信宿的开销。定时器：路由项最后一次被修改的时间。路由标记：区分路由为内部路由协议的路由还是外部路由协议的路由的标记。21具体算法：令D(i,j)代表从实体i到实体j的最佳路由的metric值，d(i，j)代表从i直接到j的开销，因为开销是可加的，算法中最佳路由如此获取表示：D(i，i)=0，对所有的iD(i，j)=MINd(i，j

8、)+D(k，j)，当i不等于k时实体i从相邻路由器k收到k到j的开销的估计D(i，j)，i将D(i，j)加上i到k的开销估计d(i，j)，i比较从所有相邻路由器得到的数值，取得最小数，就得到了它到j的最佳路由。225.2.2.3RIP协议的实现路由器每30s向外广播一个V-D报文，报文信息来自本地路由表。RIP的V-D报文中，其距离以跳步(HOP)计算，最长距离为15跳步。为了保证路由的及时有效性，RIP采用触发刷新技术和水平分割法。23RIP起动和运行的整个过程如下所描述：某路由器刚起动RIP时，以广播的形式向相邻路由器发送请求报文，相邻路由器的RIP收到请求报文后，响应请求，回发包含本地路

9、由表信息的响应报文。RIP收到响应报文后，修改本地路由表的信息，同时以触发修改的形式向相邻路由器广播本地路由修改信息。相邻路由器收到触发修改报文后，又向其各自的相邻路由器发送触发修改报文。24在一连串的触发修改广播后，各路由器的路由都得到修改并保持最新信息。同时，RIP每30s向相邻路由器广播本地路由表，各相邻路由器的RIP在收到路由报文后，对本地路由进行维护，在众多路由中选择一条最佳路由，并向各自的相邻网广播路由修改信息，使路由达到全局的有效。25同时RIP采取一种超时机制对过时的路由进行超时处理，以保证路由的实时性和有效性。RIP作为内部路由器协议，正是通过这种报文交换的方式，提供路由器了

10、解本自治系统内部各网络路由信息的机制。26275.2.3外部网关协议OSPF5.2.3.1OSPF数据包格式在OSPF路由协议的数据包中(如图5-3所示)，其数据包头长为24B，包含如下8个字段：285.2.3.1OSPF数据包格式VersionNumber：定义所采用的OSPF路由协议的版本。Type：定义OSPF数据包类型。Hello：用于建立和维护相邻的两个OSPF路由器的关系，该数据包是周期性地发送的。DatabaseDescription：用于描述整个数据库，该数据包仅在OSPF初始化时发送。LinkStateRequest：用于向相邻的OSPF路由器请求部分或全部的数据，这种数据包

11、是在当路由器发现其数据已经过期时才发送的。29LinkStateUpdate：这是对linkstate请求数据包的响应，即通常所说的LSA数据包。LinkStateAcknowledgment：是对LSA数据包的响应。PacketLength：定义整个数据包的长度。RouterID：用于描述数据包的源地址，以IP地址来表示。AreaID：用于区分OSPF数据包属于的区域号，所有的OSPF数据包都属于一个特定的OSPF区域。Checksum：校验位，用于标记数据包在传递时有无误码。AuthenticationType：定义OSPF验证类型。Authentication：包含OSPF验证信息，长为

12、8B。305.2.3.2OSPF基本算法1.SPF算法及最短路径树SPF算法有时也被称为Dijkstra算法SPF算法将每一个路由器作为根(ROOT)来计算其到每一个目的地路由器的距离，每一个路由器根据一个统一的数据库计算出路由域的拓扑结构图，该结构图类似于一棵树，在SPF算法中，被称为最短路径树。31在OSPF路由协议中，最短路径树的树干长度，即OSPF路由器至每一个目的地路由器的距离，称为OSPF的Cost，其算法为：Cost=100106/链路带宽。在这里，链路带宽以bps来表示。也就是说，OSPF的Cost与链路的带宽成反比，带宽越高，Cost越小，表示OSPF到目的地的距离越近。32

13、332.链路状态算法1)当路由器初始化或当网络结构发生变化(例如增减路由器，链路状态发生变化等)时，路由器会产生链路状态广播数据包LSA(Link-StateAdvertisement)，该数据包里包含路由器上所有相连链路，也即为所有端口的状态信息。342)所有路由器会通过一种被称为刷新(Flooding)的方法来交换链路状态数据。Flooding是指路由器将其LSA数据包传送给所有与其相邻的OSPF路由器，相邻路由器根据其接收到的链路状态信息更新自己的数据库，并将该链路状态信息转送给与其相邻的路由器，直至稳定的一个过程。353)当网络重新稳定下来，也可以说OSPF路由协议收敛下来时，所有的路

14、由器会根据其各自的链路状态信息数据库计算出各自的路由表。该路由表中包含路由器到每一个可到达目的地的Cost以及到达该目的地所要转发的下一个路由器(NextHop)。364)第4个步骤实际上是指OSPF路由协议的一个特性。当网络状态比较稳定时，网络中传递的链路状态信息是比较少的，或者可以说，当网络稳定时，网络中是比较安静的。这也正是链路状态路由协议区别距离矢量路由协议的一大特点。375.2.3.3OSPF协议工作过程OSPF路由协议针对每一个区域分别运行一套独立的计算法则，对于ABR来说，由于一个区域边界路由器同时与几个区域相联，因此一个区域边界路由器上会同时运行几套OSPF计算方法，每一个方法

15、针对一个OSPF区域。381.区域内部路由当一个OSPF路由器初始化时，首先初始化路由器自身的协议数据库，然后等待低层次协议(数据链路层)提示端口是否处于工作状态。如果低层协议得知一个端口处于工作状态时，OSPF会通过其Hello协议数据包与其余的OSPF路由器建立交互关系。一个OSPF路由器会与其新发现的相邻路由器建立OSPF的Adjacency，并且在一对OSPF路由器之间作链路状态数据库的同步。OSPF路由器周期性地产生与其相联的所有链路的状态信息，有时这些信息也被称为链路状态广播LSA(LinkStateAdvertisement)。392.域间路由在OSPF的定义中，所有的区域都必须

16、与区域0相连，因此每一个区域都必须有一个区域边界路由器与区域0相连，这一个区域边界路由器会将其相连接的区域内部结构数据通过SummaryLink广播至区域0，也就是广播至所有其它区域的边界路由器。在这时，与区域0相连的边界路由器上有区域0及其他所有区域的链路状态信息，通过这些信息，这些边界路由器能够计算出至相应目的地的路由，并将这些路由信息广播至与其相连接的区域，以便让该区域内部的路由器找到与区域外部通信的最佳路由。403.AS外部路由一个自治域AS的边界路由器会将AS外部路由信息广播至整个AS中除了残域的所有区域。为了使这些AS外部路由信息生效，AS内部的所有的路由器(除残域内的路由器)都必

17、须知道AS边界路由器的位置，该路由信息是由非残域的区域边界路由器对域内广播的，其链路广播数据包的类型为类型4。41OSPF运行过程11.建立路由器的邻接关系所谓“邻接关系”（Adjacency）是指OSPF路由器以交换路由信息为目的，在所选择的相邻路由器之间建立的一种关系。路由器首先发送拥有自身ID信息（Loopback端口或最大的IP地址）的Hello报文。与之相邻的路由器如果收到这个Hello报文，就将这个报文内的ID信息加入到自己的Hello报文内。如果路由器的某端口收到从其他路由器发送的含有自身ID信息的Hello报文，则它根据该端口所在网络类型确定是否可以建立邻接关系。在点对点网络中

18、，路由器将直接和对端路由器建立起邻接关系，并且该路由器将直接进入到第三步操作：发现其他路由器。若为MultiAccess网络,该路由器将进入选举步骤。42OSPF运行过程22.选举DR/BDR不同类型的网络选举DR和BDR的方式不同。MultiAccess网络支持多个路由器，在这种状况下,OSPF需要建立起作为链路状态和LSA更新的中心节点。选举利用Hello报文内的ID和优先权(Priority)字段值来确定。优先权字段值大小从0到255，优先权值最高的路由器成为DR。如果优先权值大小一样，则ID值最高的路由器选举为DR，优先权值次高的路由器选举为BDR。优先权值和ID值都可以直接设置。43

19、OSPF运行过程33.发现路由器在这个步骤中，路由器与路由器之间首先利用Hello报文的ID信息确认主从关系(RouterID大的为master，小的为servant，Seq只能由master增加)，然后主从路由器相互交换部分链路状态信息。每个路由器对信息进行分析比较，如果收到的信息有新的内容，路由器将要求对方发送完整的链路状态信息。这个状态完成后，路由器之间建立完全相邻（FullAdjacency）关系，同时邻接路由器拥有自己独立的、完整的链路状态数据库。44OSPF运行过程44选择适当的路由器当一个路由器拥有完整独立的链路状态数据库后，它将采用SPF算法计算并创建路由表。OSPF路由器依据

20、链路状态数据库的内容，独立地用SPF算法计算出到每一个目的网络的路径，并将路径存入路由表中。OSPF利用量度（Cost）计算目的路径，Cost最小者即为最短路径。在配置OSPF路由器时可根据实际情况，如链路带宽、时延或经济上的费用设置链路Cost大小。Cost越小，则该链路被选为路由的可能性越大。45OSPF运行过程55维护路由信息当链路状态发生变化时，OSPF通过Flooding过程通告网络上其他路由器。OSPF路由器接收到包含有新信息的链路状态更新报文，将更新自己的链路状态数据库，然后用SPF算法重新计算路由表。在重新计算过程中，路由器继续使用旧路由表，直到SPF完成新的路由表计算。新的链

21、路状态信息将发送给其他路由器。值得注意的是，即使链路状态没有发生改变，OSPF路由信息也会自动更新，默认时间为30分钟。46动画演示475.2.4外部网关协议BGPBGP在TCP/IP网中实现域间路由。BGP是一种外部网关协议(EGP)，即它在多个自治系统或域间执行路由、与其他BGP系统交换路由和可达性信息。图5 4 核心路由器用BGP在AS间路由数据的示意图481.BGP操作BGP执行三类路由：AS间路由、AS内部路由和贯穿AS路由。492.BGP消息类型RFC1771中规定了4种BGP消息类型：初始(Open)消息，更新消息、通知消息和Keep-Alive消息。50初始消息在对等路由器间打

22、开一个BGP通信会话，是建立传输协议后发送的第一个消息，初始消息由对等设备发送的Keep-Alive消息确认，且必须得到确认后才可以交换更新、通知和Keep-Alive消息。更新消息用于提供到其他BGP系统的路由更新，使路由器可以建立网络拓扑的一致视图。更新用TCP发送以保证传输的可靠性。更新消息可以从路由表中清除一条或多条失效路由，同时发布若干路由。通知消息在检查到有错误时发送。通知消息用于关闭一条活动的会话，并通知其他路由器为何关闭该会话。Keep-Alive消息通知对等BGP路由器该设备仍然Alive。Keep-Alive消息发布足够频繁以防止会话过期。515.2.5组播路由协议要想在一

23、个实际网络中实现组播数据包的转发，必须在各个互连设备上运行可互操作的组播路由协议。组播路由协议可分为三类：密集模式协议（如DVMRP，PIM-DM）、稀疏模式协议（如PIM-SM，CBT）和链路状态协议（如MOSPF），下面分别介绍各个协议的工作原理。521.距离向量组播路由协议（DistanceVectorMulticastRoutingProtocol，DVMRP）2.开放式组播最短路径优先协议（MulticastOpenShortestPathFirst，MOSPF）3.协议无关组播（ProtocolIndependentMulticast，PIM）4.有核树组播路由协议（Core-Ba

24、sedTrees，CBT）531.距离向量组播路由协议（距离向量组播路由协议（Distance Vector Multicast Routing Protocol，DVMRP）为了使新加入的组播成员能及时收到组播数据，DVMPR采用定时发送数据包给所有的LAN的方法。然而这种方法导致大量路由控制数据包的扩散，这部分开销限制了网络规模的扩大。另一方面，DVMRP使用跳数作为计量尺度，其上限为32跳。这对网络规模也是一个限制。542.开放式组播最短路径优先协议（MulticastOpenShortestPathFirst，MOSPF）同OSPF类似，MOSPF定义了三种级别的路由：MOSPF区域内

25、组播路由，用于了解各网段中的组播成员，构造（源网络S，组G）对的SPT(ShortestPathTree，最短路径树)；MOSPF区域间组播路由，用于汇总区域内成员关系，并在自治系统（AS）主干网（区域0）上发布组成员关系记录通告，实现区域间组播包的转发；MOSPFAS间组播路由，用于跨AS的组播包转发。553.协议无关组播（ProtocolIndependentMulticast，PIM）(1)PIM-DM56(2)PIM-SM57有核树组播路由协议（有核树组播路由协议（Core-Based Trees，CBT）首先选择一个核，即网络中组播组的固定中心，来构造一棵CBT。主机向这个核发送jo

26、in命令。所有中间路由器都接收到该命令，并把接收该命令的接口标记为属于这个组的树。如果接收到命令的路由器已是树中一个成员，那么只要再标记一次该接口属于该组；如果路由器第一次收到join命令，那么它就向核的方向进一步转发该命令，路由器就需要为每个组保留一份状态信息。当组播数据到达一个在CBT树上的组播路由器时，路由器组播数据到树的核。以保证数据能够发送到组的所有成员。585.3虚拟专用网VPN5.3.1虚拟专用网概述虚拟专用网(VirtualPrivateNetwork，VPN)是利用公共网络基础设施，通过一定的技术手段达到类似私有专网的数据安全传输。VPN首先是虚拟的，也就是说VPN并不是某个

27、公司专有的封闭线路或者是租用某个网络服务商提供的封闭线路。但同时VPN又具有专线的数据传输功能，因为VPN能够像专线一样在公共网络上处理自己公司的信息。595.3.1虚拟专用网概述1.VPN的构成60VPN服务可以是终端计算机也可以是路由器。隧道：数据传输通道，在其中传输的数据必须经过封装。VPN连接：在VPN连接中，数据必须经过加密。隧道协议：封装数据、管理隧道的通信标准。传输数据：经过封装、加密后在隧道上传输的数据。公共网络：如Internet，也可以是其他共享型网络。612.VPN连接的类型和特性(1)远程访问VPN连接远程访问VPN连接由远程访问客户机提出连接请求，VPN服务器提供对V

28、PN服务器或整个网络资源的访问服务。(2)路由器路由器VPN连接路由器路由器VPN连接由呼叫路由器提出连接请求，VPN服务器做出响应。62VPN连接的特性有：(1)数据封装VPN技术提供带寻址报头的数据封装机制。(2)认证VPN连接中包括两种形式的认证。(3)数据加密数据由发送者加密，接收者解密，以确保其在公共网络上的传输安全。(4)IP地址及域名服务器的分配VPN服务器在配置时创建一个虚拟接口，该虚拟接口可与所有VPN连接相对应。633.VPN的优点(1)降低成本(2)容易扩展(3)可随意与合作伙伴联网(4)完全控制主动权645.3.2基于Internet的VPN连接和基于Intranet的

29、VPN连接1.基于Internet的VPN连接(1)通过Internet的远程访问65(2)以Internet为中介的网络互联662.基于Intranet的VPN连接(1)通过Intranet的远程访问67(2)以Intranet为中介的网络互联683.中继VPN连接695.4IPv6和IPv4之间的通信机制和方法1.IPv6通信,它是指IPv6与IPv6之间的通信，主要方法有以下几种：手工配置隧道(ConfiguredTunnel)自动配置的隧道(Auto-configuredTunnel)隧道中介(TunnelBroker)6Over46To4702.IPv6/IPv4通信DualStac

30、kModel(双栈模型)LimitedDualStackModel(限制型双栈模型)SIIT(StatelessIP/ICMPTranslation，无状态IP/ICMP转换)NAT-PT(NetworkAddressTranslation-ProtocolTranslation，网络地址协议转换)BIA(Bump-In-the-API,InternetDraft)71习题11.简述网络互联层次和互联设备，以及它们主要的区别是什么？2.思考路由器路由分组是怎样的过程？3.静态路由与动态路由的优点和缺点各是什么？4.距离向量路由和链路状态路由各自的优点和缺点是什么？5.试比较RIP协议和OSPF协议的优缺点。6.何为组播？组播和单播的区别在什么地方？当前哪些网络应用使用了组播方式？72习题27.当前路由器使用的组播协议是哪个？和其他组播协议相比有何优缺点？8.组播协议的发展方向如何？9.虚拟专用网主要用于哪些地方？有什么优点？10.虚拟专用网的连接方式有哪些，是如何实现的？需要什么技术？11.IPv4有何缺点？IPv6有何优点？两者进行互联有哪些方式？73