2/5/20231第八章路由器及IP交換技術計算機通信的演進和發展TCP/IP基本原理IPv4和IPv6IP/ATM的融合IP交換技術標記交換技術2/5/202328.1計算機通信方法早期的點對點通信結構局域網互連結構互聯網：異構網絡的互連2/5/202332/5/202342/5/202358.2TCP/IP基本原理2/5/202368.2.1IP協議主要功能：無連接數據報傳送、數據報尋址和差錯處理IP地址：由Internet號碼分配權威組織協調（IANA）分配與用戶交互時采用點分十進制表示法特點提供無連接的數據報傳輸機制，不保證傳輸的可靠性點到點的協議2/5/202378.2.1IP數據報格式2/5/202382/5/202392/5/2023108.2.2

地址解析協議和反向地址解析協議ARP的功能：建立IP地址到等價硬件地址的映射關系。RARP的功能：它是ARP的功能擴充，規定了從硬件地址到等價的IP地址的翻譯過程。基本過程：所有ARP請求消息都直接封裝在LAN幀中,廣播給網上的所有計算機,每臺計算機收到這個請求后都會檢測其中的IP地址,與IP地址匹配的計算機發送一個應答,而其他計算機則會丟棄收到的請求,不發任何應答。2/5/2023118.2.3

互連網控制報文協議ICMP原因：簡單的、盡力而為的IP協議導致難于判斷和了解網絡的錯誤情況。---ICMP作用：發送診斷信息，返回網絡問題的報告。注意：ICMP報文的問題不再引發ICMP報告。幀格式（P209圖8.10）錯誤原因（P210）2/5/2023128.2.4TCP協議TCP是面向連接的協議,它提供兩個網絡設備間數據的有保障的順序傳遞（丟失自動重傳處理、排序處理）。TCP與IP-TCP使用IP來攜帶消息,每一個TCP消息封裝成一個IP數據報后通過互聯網。當數據報到達目的主機,IP將數據報的內容傳給TCP。

-TCP只把IP看作一個包通信系統,這一通信系統負責兩個端點的主機連接,而IP只把每個TCP消息看作數據來傳輸2/5/2023138.2.4TCP協議2/5/2023148.2.5

用戶數據報協議(UDP)UDP提供無連接的數據報服務,廣泛用于傾向直接使用數據報服務的應用程序。UDP處理開銷很小，由于簡單,它很適合那些不需要TCP全部特性的應用。UDP不提供有保證的數據傳送,也不保證數據的傳輸順序。2/5/2023152/5/2023168.2.6SMTP簡單郵件傳送協議（SimpleMailTransferProtocol）電子郵件地址：收信人郵箱名@郵箱所在主機域名當發送電子郵件時，郵件傳輸程序只使用地址的后一部分，即目的主機的域名，只有郵件到達目的主機后，接收方計算機服務器才根據地址的前一部分，將郵件送往收件人的郵箱。2/5/2023178.2.6SMTP通信的三個階段：（1）連接建立：在發送主機的SMTP客戶和接收主機的SMTP服務器之間建立TCP連接，并確認SMTP服務器有能力接收郵件；（2）郵件傳送：MAIL，RCPT，DATA（3）連接釋放：QUIT，釋放TCP連接2/5/2023188.2.7DNS域名結構：…三級域名.二級域名.頂級域名頂級域名：國家頂級域名（cn，us，uk等）、國際頂級域名（int）、通用頂級域名（com，net，org，edu，gov，mil等）域名轉換過程：某應用進程需要將主機映射為IP地址時，將待轉換的域名放在DNS請求報文中，以UDP方式發給本地域名服務器，本地域名服務器在查找域名后，將對應的IP地址放在回答報文中返回，應用程序獲得目的主機的IP地址即可進行通信。2/5/2023198.2.8FTP使用TCP協議，采用客戶服務器模式主進程工作步驟（1）打開well-known端口21，使客戶進程能夠連接上（2）等待客戶進程發出連接請求（3）啟動從屬進程處理客戶進程發來的請求（4）回到等待狀態，繼續接受其它客戶進程發來的請求2/5/2023208.2.9Telnet遠程登陸：采用客戶服務器模式，用戶通過Telnet可在其所在地通過TCP連接登錄到遠端另一個主機上，Telnet能把用戶的擊鍵傳到遠地主機，同時也能把遠端主機的輸出通過TCP連接返回到用戶屏幕。2/5/2023218.2.10路由器工作原理2/5/2023228.2.10

路由器工作原理基本功能直接將報文轉發到正確的目的地；維護在路由器中用來決定正確路徑的路由選擇表。2/5/2023232/5/2023248.2.10

路由器工作原理路由表的生成和維護獲取初始路由表的三種方式：啟動時從外存讀入。啟動時通過執行顯式命令(比如批處理文件中的命令)來填充。啟動時從與本路由器直接相連的各網絡的地址中推導出一組初始路由。通過ICMP消息在開機時及開機后周期動態索取更新。2/5/2023258.3IPv4和IPv6IPv4的局限：迫在眉睫的地址資源的耗盡2/5/2023268.3IPv4和IPv6IPv6的特性（1）新的報頭格式（2）巨大的地址空間（3）有效的分級的尋址和路由結構（4）有狀態和無狀態的地址配置（5）內置的安全性（6）更好地支持QoS（7）用新協議處理鄰節點的交互（8）具有可擴展性2/5/2023272/5/2023282/5/2023298.4IP/ATM的融合IP技術與ATM技術的融合：疊加模型和集成模型疊加（Overlay）模型：不更改ATM網絡的協議模塊，將IP協議的功能層疊加在ATM之上，IP和ATM各自保持其標準的地址分配策略和信令協議，兩層之間具有特定的信令關系。集成（Intergrated）模型：具有單一的IP地址空間和單一的IP選路協議，不需要地址解析。采用ATM交換結構，但不采用ITU—T或ATM論壇所定義的ATM信令，而是采用簡單的所謂“輕型信令協議”。2/5/2023308.4IP/ATM的融合疊加模型：典型方案有ClassicalIPOA(IPoverATM)，局域網仿真LANE(LANEmulation)，MPOA(Multi-ProtocoloverATM)。集成模型：典型方案有IPSwitching，TagSwitching，MPLS(Multi-ProtocolLabelSwitching)。2/5/2023318.4.1ClassicalIPOAATM網絡作為邏輯IP子網(LogicalIPSubnet-LIS)的共享媒體，連接到ATM網絡上的IP設備(主機或路由器)除了IP地址以外，還要分配ATM地址。ATM網絡使用自身的編址和選路方案，完全獨立于其上的IP網絡。在一個LIS中的IP主機或IP路由器與LIS的每個成員建立PVC或SVC的鄰接關系，由于接至ATM網絡的IP設備接口的IP地址與ATM地址間并無內在的關系，CIP對于SVC必須提供地址解析機制。因此，要采用ATM地址解析服務器(AddressResolutionServer—ARS)，ARS運行地址解析協議(AddressResolutionProtocol－ARP)。2/5/2023322/5/2023338.4.1ClassicalIPOALIS的成員要在ATMARS中進行登記，LIS成員可從ARS獲得其它成員的IP地址，并可請求ARS將IP地址映射為ATM地址。一旦獲得對方的ATM地址．即可與該成員建立SVC連接。屬于不同LIS的成員之間的分組傳送要通過路由器的轉發，采用下一跳解析協議(NextHopResolutionProtocol－NHRP)。2/5/2023348.4.1ClassicalIPOANHRP是基于客戶/服務器模型，作為客戶(NHC)，主機或路由器可向最近的服務器(NHS)發出請求，以將目的地IP地址映射為ATM地址。這一請求是沿著通常的逐跳轉發的IP通路向IP目的地址發送。沿著這一通路上的NHS如具有該IP地址的解析信息，就向發出請求的NHC回送ATM地址。2/5/2023358.4.2LANELANE將MAC地址映射為對應的ATM地址，LANE采用3種服務器：LAN配置服務器(LANConfigurationServer－LECS)LAN仿真服務器(LANEmulationServer－LES)廣播和未知服務器(BroadcastandUnknownServer—BUS)在接至ATM使用LANE服務的每個設備中，必須有一個邏輯實體，稱為LAN仿真客戶(LANEmulationClient－LEC)。2/5/2023362/5/2023378.4.2LANELECS提供配置信息，例如LAN類型（令牌環或以太網），最大的幀，以及LES的ATM地址。在LEC與LECS之間要先建立配置用的VCC，為此LEC必需知曉LECS的ATM地址。LEC從LECS可以得到LES的ATM地址，與LES之間建立控制用的VCC，使得LEC可以向LES登記有關MAC和ATM地址等信息。2/5/2023388.4.2LANE當某個LECA要向另一個LECB傳送數據時，由LECA向LES發送LANE地址解析協議(LANE-ARP)消息，以得到LECB的ATM地址。LECA得到LECB的ATM地址后，就可以在其間建立VCC并傳送數據。如果LES不能完成所要求的地址解析，LECA要向BUS求助，由BUS將請求消息向所有的LEC廣播。2/5/2023398.4.3MPOAMPOA將LANE與NHRP結合在一起，使得共用同一ATM網絡的不同的LANE之間的通信可以不通過路由器，而直接由ATM的虛連接來實現。MPOA定義了兩個重要的組件，稱為MPOA客戶(MPOAClient—MPC)和MPOA服務器(MPOAServer—MPS)。2/5/2023408.4.3MPOAMPC可駐存在工作站、邊緣設備或路由服務器中，MPC是ATM直達通路的源或目的地。MPC中含有LEC，使MPC可以連接到使用LANE協議的同一子網中的MPS和其它MPC。MPS駐存在路由服務器中，運行標準的選路協議(例如OSPF)，并包含了一個或多個LEC，使其可與一個或多個仿真LAN(EmulatedLAN-ELAN)相接口。此外，MPS中也含有下一跳服務器(NextHopServer—NHS)，運行用于MPOA的下一跳解析協議(NHRP)。2/5/2023412/5/2023428.4.3MPOAMPOA基本的工作過程如下：（1）MPOA設備從LECS獲得配置信息。（2）MPOA設備通過各種LANE控制消息可發現同一子網中其它成員的存在，在LANE控制消息中包含了MPOA消息元素，以類型、長度、值來表示。例如，MPC必須知曉MPS的MAC地址和ATM地址，才能向MPS發送MPOA請求。2/5/2023438.4.3MPOA（3）入口MPC至入口MPS的處理：一旦檢出某個流應以直達ATM連接傳送，入口MPC向入口MPS發出MPOA地址解析請求。如果此入口MPS同時也是服務于目的地的MPS，則即可啟動出口處理。否則，就要向目的地的MPS發送NHRP請求，這時是以入口MPC地址作為源地址。2/5/2023448.4.3MPOA（4）出口MPS至出口MPC處理：出口MPS收到NHRP請求后，使用緩存施加協議(Cacheimpositionprotocol)向出口MPC發送請求。這一協議可在MPC中建立緩存狀態，包括入口MPCATM地址、目的地網絡層地址和數據鏈路層(DataLinkLayer—DLL)頭部等信息；此外，也可用來檢驗出口MPC是否具有足夠資源來建立直達通路。如果出口MPC具有足夠資源來支持直達通路，出口MPC向出口MPS回送響應消息，消息中包含了自身的ATM地址。2/5/2023458.4.3MPOA（5）入口MPS至入口MPC處理：入口MPS收到出口MPS的NHRP回答消息后，轉換成MPOA解析回答而送往入口MPC，于是入口MPC可以建立直達通路至出口MPC。2/5/2023462/5/2023478.5集成模式傳統的IP路由器是在第3層選路，由軟件來查表，采用地址前綴的最長匹配算法，IP包無連接地逐跳轉發，速度較慢。特別是對于持續時間較長的數據流，傳送效率低。集成模式可將第3層選路映射為第2層的轉發。映射完成后，對應于該映射進入的數據流不必進入第3層選路，而直接在第2層建立直通轉發機制。2/5/2023488.5集成模式流的基本概念：IP/ATM網絡互連中經常用到，一個流是指一個源站點（或一個應用進程）與一個或多個目的站點（或多個應用進程）之間的某個數據報（分組）序列，此序列在各路由器享受相同的服務策略。流存在于無連接網絡，與面向連接網絡中的連接connection非常相似。2/5/2023498.5集成模式流-虛連接的映射策略：數據驅動模式和控制驅動模式。數據驅動模式：核心思想是流的分類，如IP交換。控制驅動模式：采取一定的控制策略，如MPLS、標記交換，根據路由協議建立虛連接。2/5/2023508.5集成模式IP交換：最早由Ipsilon公司提出，現已被Nokia收購；標記交換：由Cisco公司提出，MPLS：由IETF提出，與標記交換類似。2/5/2023518.5.1IP交換核心思想：將輸入數據流進行分類，對持續期長、業務量大的用戶數據流在ATM交換機硬件中直接交換；對持續期短、業務量小、呈突發分布的用戶數據流仍然采用傳統路由器跳到跳（hop-by-hop）的存儲轉發方式。2/5/2023522/5/2023538.5.1IP交換IFMP：Ipsilon流管理協議，是IP交換節點之間的協議用于第二層標記（VCI）的分配，使得一個節點可以通知相鄰節點將某一標記與特定的IP流相關聯2/5/2023548.5.1IP交換GSMP：通用交換機管理協議，是IP交換機內部的IP交換控制器與ATM交換器之間的通信協議，使IP交換控制器可以控制ATM交換器的工作。在IP交換機中，IP交換控制器與ATM交換器完全是一種主從的控制關系。2/5/2023552/5/202356

工作過程在系統啟動時，IP交換節點與其各個相鄰的節點之間要建立具有一定VPI／VCI值的默認虛電路，該默認信道用于無連接的分組的逐跳轉發。因此數據首先從默認信道上傳來，IP交換控制器按照傳統路由方式進行選路，并對數據進行分類處理。2/5/202357

工作過程一旦一個業務流被識別為直接的ATM交換，就從該流所進入的輸入端口上選擇—個空閑的標記x，并且在其控制端口上也選擇一個空閑的標記y，從而在輸入端口的VCI＝x與控制端口的VCI＝y之間建立映射關系。并向上游節點發送IFMP的改向(Redirection)消息。改向消息的作用是使上游節點將此后分組頭與流標識相匹配的所有分組，在所指定的VC上傳來。2/5/202358

工作過程業務流就在輸入x/控制y上進行傳送，雖然此時分組仍由IP軟件進行轉發，但由于先前對此流的選路決策已在IP轉發軟件中作高速緩存，可由標記y來檢索，因此轉發速度已加快。在同一IP交換網中，各個IP交換節點通常采用相同的判別準則，因此下游節點通常也會作出建立ATM連接的決定，向本節點發送IFMP消息，消息中包含了下游所分配的VCI。2/5/202359

工作過程經過以上兩步，數據流通過第3層在所分配的出入VC上傳送，但尚未建立ATM交換結構中的直通連接。IP交換控制器通過GSMP消息指示交換器將出入鏈路上的出入VCI相關聯，建立本節點ATM交換器中的虛連接。此后的數據包可以在此ATM連接上直接傳送，而旁路第3層的選路軟件。2/5/2023602/5/202361GSMP協議消息類型配置：了解ATM交換機能力，包括端口的接口類型、信元速率、線路狀態、可支持的優先級別，以及可支持的輸入VPI和VCI的范圍。連接管理：建立和刪除連接，比如AddBranch，DeleteBranch。端口管理：復位、斷開、接入、環回測試等操作。統計：查詢每個VC和每個端口的性能數據。事件：針對特殊事件發出告警，例如端口故障或收到具有無效VPI/VCI的信元。在默認虛通路VPI/VCI=0/15上傳送消息2/5/202362IFMP協議包括鄰接協議和改向協議鄰接協議使主機或路由器可以發現鏈路另一端對等體的標識（IP地址），使鏈路兩端狀態同步，并可交換分配給鏈路的IP地址的清單。改向協議將VCI與一定的流捆合在一起或解除其捆合在默認虛通路VPI/VCI=0/5上傳送消息2/5/2023638.5.2標記交換技術標記交換(TagSwitching)是cisco公司推出的—種基于傳統路由器的ATM承載IP技術。標記交換最本質的特點是沒有脫離傳統路由