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第3章 Internet基础 ​

单选题 11~15 多选题2题

3.1 Internet的组成与其接入方式 ​

  1. Internet的构成
    • 从网络设计者角度考虑——Internet是计算机互联网络
    • 从使用者角度考虑——Internet是一个信息资源网
  2. 主要组成部分
    • 通信线路
      • Internet的基础设施，主要有两类：有线线路（如光缆、同轴铜缆等）和无线线路（如卫星、无线电等）
    • 路由器
      • 路由器负责将数据从一个网络送到另一个网络，数据经过多个路由器的传递，最终被送到目的网络
    • 主机
      • 所有连接在Internet上的计算机统称为主机，它是信息资源和服务的载体。 接入Intermet的主机可以分成两类：服务器和客户机
    • 信息资源
      • Intermnet上信息资源的种类极为丰富，主要包括文本、图像、声音或视频等多种信息类型
  3. Internet的接入方式
    • 通过电话网接入
    • 利用ADSL接入
      • ADSL使用调制解调技术进行高速的数据传输，在数据的传输方向上，ADSL分为ADSL分为上行和下行两个通道
      • “非对称”的ADSL的上行速率可以达到16~640kbps，下行速率可以达到1.5~9Mbps
      • ADSL不仅适用于将单台计算机接入互联网，而且可以将一个局域网接入互联网
    • 使用HFC接入
      • 混合光纤/同轴电缆网(HFC)首先通过光纤传输到光纤节点，再通过同轴电缆传输到有线电视网
      • HFC也采用非对称的数据传输速率。一般的上传速率在10Mbps左右，而下行传输速率在10~40Mbps之间
      • HFC采用共享式的传输方式，所有通过Cable Modem的发送和接受使用同一个上行和下行信道，每个用户的实际可以使用的带宽就越窄
    • 通过数据通信线路接入

3.2 IP服务特点与工作原理及数据报 ​

  1. IP互联网的工作原理

    IP作为一种互联网协议，运行于网络层，屏蔽各个物理网络的细节和差异

  2. IP服务

    运行IP协议的网络层可以为其高层用户提供的服务有三个特点：

    • 不可靠的数据投递服务
    • 面向无连接的传输服务
    • 尽最大努力投递服务

  3. IP互联网的特点

    • IP互联网隐藏了底层物理网络细节，向上为用户提供通用的、一致的网络服务
    • IP互联网不指定网络拓扑结构，与不要求网络之间全互联
    • IP互联网能在物理网络之间转发数据，信息可以跨网传输
    • IP互联网中的所有计算机使用统一的、全局的地址描述法
    • IP互联网平等地对待互联网中的每一个网络，不管这个网络规模是大还是小，也不管这个网络的速度是快还是慢

  4. IP地址

    (1) IP地址的概念

    • IP协议提供了一种互联网通用的地址格式，该地址由32比特的二进制数表示，用于屏蔽各种物理网络的地址差异
    • IP地址由IP地址管理机构进行统一管理和分配，保证互联网上运行的设备不会产生地址冲突

    (2) IP地址的结构

    互联网的IP地址采用了层次结构，IP地址由网络号和主机号两个层次组成。网络号用来标识互联网中的一个特定网络，而主机号则用来表示该网络中主机的一个特定连接。

    (3) IP地址的分类

    • A类 1.0.0.0 ~ 127.255.255.255 网络数 2^7 主机数 2^24 - 2
    • B类 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 网络数 2^14 主机数 2^16 - 2
    • C类 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 网络数 2^21 主机数 2^8 - 2

    (4) 特殊的IP地址形式

    • 网络地址包括一个有效的网络号和一个全“0”的主机号
    • 直接广播地址包括一个有效的网络号和一个全“1”的主机号
    • 有限广播地址为32比特全为“1”的IP地址(255.255.255.255)
    • 回送地址用于网络软件测试以及本地机器进程间通信，A类网络地址127.0.0.0是一个回送地址
    • 本地地址：私有的、不分配给特定Internet用户的，用户可以在本地的内部互联网中使用这些IP地址

    (6) 子网地址

    IP协议规定，在子网掩码中，与IP地址的网络号和子网号部分相对应的位用“1”表示，与IP地址的主机号部分相对应的位用“0”表示。将IP地址和它的子网掩码相结合，就可以判断出IP地址中哪些位表示网络号和子网，哪些位表示主机

  5. IP数据报

    (1) IP数据报的格式 (长度20-60B)

    • 版本：表示该数据报对应的IP协议版本号。最常使用的IP协议版本号为“4”
    • 协议：表示该数据报数据区的高级协议类型（如TCP、UDP），用于指明数据区数据的格式
    • 报头长度：长度以32b双字为单位，表示该报头区的长度。在没有选项和填充的情况下，该值为“5”
    • 总长度：表示整个IP数据报的长度（其中包含头部长度和数据区长度）
    • 生存周期TTL：可以有效地控制路由表发生错误，数据报可能进入一条循环路径
    • 头部校验和：用于保证IP数据报报头的完整性
    • 源IP地址/目的IP地址：在整个数据报传输过程中，两地址一直保存不变

    (2) IP封装、分片与重组

    在数据报通过互联网的整个过程中，帧头并没有累积起来。当数据报到达它的最终目的地时，数据报的大小与其最初发送时是一样的。

    • MTU与分片

      • 最大传输单元(MTU) 表示网络中一个帧最多能够携带的数据量。一个IP数据报的长度只有小于或等于一个网络的MTU，才能在这个网络中进行传输
      • IP互联网通常采用分片与重组技术来解决MTU的值无法被网络直接转发的问题
      • 当一个数据报的尺寸大于将发往网络的MTU值时，路由器会将IP数据报分成若干较小的部分，称为分片，然后再将每片独立地进行发送

    • 重组

      • IP数据报重组是指在接收到所有分片的基础上，主机对分片进行重新组装的过程
      • IP协议规定，只有最终的目的主机才可以对分片进行重组
      • 路由器可以为每个分片独立选择路由，每个分片到达目的地所经过的路径可以不同

    • 分片控制

      在IP数据报报头中，标识、标志和片偏移三个字段与控制分片和重组有关

      • 标识是源主机赋予IP数据报的标识符
      • 标志用来告诉目的主机该数据报是否已经分片，是否是最后一个分片
      • 片偏移指出本片数据在初始IP数据报数据区中的位置，位偏移量以8个字节为单位

    (3) IP数据报选项

    选项码（用于确定该选项的具体内容）、长度、选项数据（选项数据部分的长度由选项的长度字段决定）

    • 源路由

      源路由是指IP数据报穿越互联网所经过的路径是由源主机指定的，区别于主机或路由器的IP层软件自行选路后得出的路径

      • 严格源路由选项：规定IP数据报要经过路径上的每一个路由器，相邻路由器之间不得 有中间路由器，并且所经过路由器的顺序不可更改
      • 松散源路由选项：只是给出IP数据报必须经过的一些要点，并不给出一条完备的路 径，无直接连接的路由器之间的路由尚需IP软件的寻址功能补充

    • 记录路由

      • 记录路由是指记录下IP数据报从源主机到目的主机所经过路径上各个路由器的IP地址
      • 记录路由功能可以通过IP数据报的记录路由选项完成
      • 利用记录路由选项，可以判断IP数据报传输过程中所经过的路径

    • 时间戳

      • 时间戳是记录下IP数据报经过每一个路由器时的当地时间
      • 记录时间戳可以使用IP数据报的时间戳选项
      • 时间戳中的时间采用格林尼治时间(Universal Time)表示，以千分之一秒为单位
      • 时间戳选项提供了IP数据报传输中的时域参数,用于分析网络吞吐率、拥塞情况、负载情况等

3.3 组播技术与IPv6地址表示 ​

  1. 组播技术

    (1) 单播、广播和组播

    (2) IP组播的特点 （D类地址）

    • 组播使用组地址：在组播网中，每个组播组拥有唯一的组播地址，主机不需要和组成员以及发送方协商，可以任意加入和离开组播组
    • 动态的组成员：组播组中的成员是动态的，一个主机（接收方或发送方）可以参加某个特定的组，也可以在任意时间退出该组
    • 底层硬件支持的组播：组播数据报传送到这些以太网时，以太网就利用硬件进行组播，交付给属于该组成员的主机

    (3) IP组播组管理协议

  • 组管理协议在 终端和直接连接终端所在子网的组播路由器(MR) 之间运行
    • 组播管理协议包括Internet组管理协议(IGMP)和Cisco专用的组管理协议(CGMP)

  1. IPv6

    • IPv6采用128位地址长度，按每16位划分为一个位段，每个位段被转换为一个4位的十六进制数，位段间用冒号隔开
    • 采用零压缩法简化IPv6地址的表示
      • 采用“::”简化几个连续位段的值都为0
      • 可以省略高位0，但是不可以省略有效位段的0
    • 在IPv6的地址表示中，通常采用前缀长度表示法，即表示成“地址/前缀长度”，不采用子网掩码表示法。“前缀长度”表示这个IP地址的前多少位为网络号部分
    • IPv6地址分类
      • 单播地址——在区域中，单播地址是唯一的
      • 组播地址—— 也称多播地址，用于表示组网络接口
      • 任播地址—— 也称泛播地址，也用于表示一组网络接口
      • 特殊地址
        • 全零地址(表示地址不存在)
        • 回送地址(0:0:0:0:0:0:0:1)
        • IPv4兼容的IPv6地址
        • 映射到IPv4的IPv6地址

3.4 路由与路由选择 ​

  1. 标准路由选择算法

    • 一个标准的IP路由表通常包含许多(N, R)对序偶，其中N指的是目的网络的IP地址，R 是到网络N路径上的 “下一个”路由器的IP地址
    • 需要注意的是，为了减小路由设备中路由表的长度，提高路由算法的效率，路由表中的N 使用目的网络的网络地址，而不是目的主机地址

  2. RIP协议与向量-距离算法

    (1) RIP协议的概念

    • 向量-距离(Vector-Distance, V-D)路由选择算法，也称为Bellman-Ford算法。其基本 思想是路由器周期性地向其相邻路由器广播自己知道的路由信息，用于通知相邻路由器自 己可以到达的网络以及到达该网络的距离（通常用“跳数”来表示，最大跳数为15，16为不可达），相邻路由器根据收 到的路由表修改和刷新自己的路由表
    • RIP协议可以采用限制路径最大“距离”对策、水平分割对策、保持对策和带触发刷新的毒性逆转对策等方法解决收敛速度问题

    (2) 路由表更新规则

    • 新的路由信息加1后与原路由表相比，取小的距离

  3. OSPF协议与链路-状态算法

    • OSPF是互联网上的每个路由器周期性地向其他路由器广播自己与相邻路由器的连接关系，以 使各个路由器都可以画出一-张互联网拓扑结构图。利用这张图和最短路径优先算法，路由器 就可以计算出自己到达各个网络的最短路径
    • OSPF路由选择协议具有收敛速度快、支持服务类型选路、提供负载均衡和身份认证等特点， 非常适合于在规模庞大、环境复杂的互联网中使用

3.5 ICMP、UDP与NAT ​

  1. ICMP差错报文

    特点：

    • 差错报告不享受特别优先权和可靠性，作为一般数据传输
    • ICMP差错报告数据中包含故障IP数据报报头和故障IP数据报数据区的前64比特数据
    • ICMP差错报告是伴随着抛弃出错IP数据报而产生的
    • ICMP出错报告包括目的地不可达报告、超时报告、参数出错报告等
    • 子协议包含ping和tracert

  2. 用户协议UDP

    • 用户数据报协议UDP位于传输层
    • 从用户的角度看，用户数据报协议UDP提供了面向非连接的、不可靠的传输服务
    • UDP协议的最大优点是运行的高效性和实现的简单性
    • UDP的端口使用16位二进制数表示

  3. 网络地址转换NAT

    • 静态NAT（1对1）：确定一个内部IP地址与一个全局IP地址的对应关系
    • 动态NAT：建立内部IP地址与全局IP地址之间的映射（用完后可释放）
    • 网络地址端口转换NAPT：利用TCP/UDP的端口区分NAT地址映射表中的转换条目，可以使内部网中的多个主机共享一个（或少数几个）
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