物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)2

1、物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)信息工程系 韋崇順 2.1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述物聯(lián)網(wǎng)有兩層含義：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，物聯(lián)網(wǎng)的用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步推動(dòng)IPv6的部署與應(yīng)用。IETF 6LoWPAN技術(shù)具有無線低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)感知層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)。第2章 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 2.2TCP/IPTCP/IP協(xié)議最畢由美國(guó)斯坦福大學(xué)的兩名研究人員提出。TCP/IP協(xié)議具有跨平臺(tái)特性，支持異種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。TCP/IP協(xié)議是一個(gè)協(xié)議集合，它包括了T CP協(xié)議、IP協(xié)議，此外還包

2、括其他一些協(xié)議。 2.2TCP/IP按照TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)劃分為4個(gè)層次，分別是網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)用層。 2.2TCP/IP2.2.1 分類的IP地址1、IP地址及其表示方法IP地址是給Internet上的每一個(gè)主機(jī)分配一個(gè)在全世界唯一的32位的標(biāo)識(shí)符。IP地址的結(jié)構(gòu)使得人們可以在Internet上很方便地進(jìn)行尋址。IP地址由因特網(wǎng)名字和號(hào)碼指派公司ICANN進(jìn)行分配。兩級(jí)的IP地址可以記為“IP地址:=、”。 2.2TCP/IP2.2.1 分類的IP地址2、常用的3種類別的IP地址IP地址又分為A、B、C、D、E幾個(gè)固定的類別，其中A、B、C類地址是常用的，如表2-1

3、所示。 2.2TCP/IP2.2.1 分類的IP地址2、常用的3種類別的IP地址1）、特殊的IP地址不使用 2.2TCP/IP2.2.1 分類的IP地址2、常用的3種類別的IP地址2）、可用的IP地址范圍 2.2TCP/IP2.2.1 分類的IP地址2、常用的3種類別的IP地址3）專用網(wǎng)絡(luò)使用的IP地址，不能用于Internet訪問。A類：10.0.0.0 10.255.255.255B類： 172.16.0.0 172.31.255.255；C類： 192.168.0.0192.168.255.255。 2.2TCP/IP2.2.2 IP地址與硬件地址從層次的角度看，物理地址是數(shù)據(jù)鏈路層和物

4、理層使用的地址，而IP地址是網(wǎng)絡(luò)層和以上各層使用的地址，是一種邏輯地址。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)從高層到低層，在通信鏈路上傳輸。使用IP地址的IP數(shù)據(jù)報(bào)一旦交給了數(shù)據(jù)鏈路層，就被封裝成MAC幀。MAC幀在傳送時(shí)使用的源地址和目的地址都是硬件地址，硬件地址寫在MAC幀的首部。 2.2TCP/IP2.2.2 IP地址與硬件地址 2.2TCP/IP2.2.2 IP地址與硬件地址 2.2TCP/IP2.2.3 地址解析協(xié)議ARP與反向地址解析協(xié)議ARP 2.2TCP/IP2.2.3 地址解析協(xié)議ARP與反向地址解析協(xié)議ARP從IP地址到硬件地址的解析是自動(dòng)進(jìn)行的，主機(jī)的用戶對(duì)這種地址解析過程是不知道的。只要

5、主機(jī)或路由器要和本網(wǎng)絡(luò)上的另一個(gè)已知IP地址的主機(jī)或路由器進(jìn)行通信，ARP協(xié)議就會(huì)自動(dòng)地把這個(gè)IP地址解析為鏈路層所需要的硬件地址。 2.2TCP/IP2.2.3 地址解析協(xié)議ARP與反向地址解析協(xié)議ARPARP使用的幾種典型情況如下-（1）發(fā)送方是主機(jī)，要把IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到本網(wǎng)絡(luò)上的另一個(gè)主機(jī)。這時(shí)用ARP找到目的主機(jī)的硬件地址。（2）發(fā)送方是主機(jī)，要把IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)主機(jī)。這時(shí)用ARP找到本網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)路由器的硬件地址。（3）發(fā)送方是路由器，要把IP數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)主機(jī)。這時(shí)用ARP找到目的主機(jī)的硬件地址。（4）發(fā)送方是路由器，要把IP數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)

6、上的一個(gè)主機(jī)。這時(shí)用ARP找到本網(wǎng)絡(luò)上的另一個(gè)路由器的硬件地址。 2.2TCP/IP2.2.3 地址解析協(xié)議ARP與反向地址解析協(xié)議ARPARP系統(tǒng)一個(gè)很突出的問題是：如果某臺(tái)設(shè)備不知道自身的IP地址，它就無法發(fā)出請(qǐng)求或做出應(yīng)答。通常，一臺(tái)新入網(wǎng)的設(shè)備會(huì)發(fā)生這種情況，它只知其物理地址。解決這個(gè)問題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是利用反向地址解析協(xié)議RARP 。RARP的作用是解析已知MAC地址的IP地址，即與ARP過程相反，它通過趴處協(xié)議發(fā)送廣播式請(qǐng)求報(bào)文來請(qǐng)求自己的IP地址，而RARP服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)該請(qǐng)求做出應(yīng)答。這樣，不知道IP地址的主機(jī)可以通過以RARP來獲取自己的IP地址。 2.2TCP/IP2.2.4

7、劃分子網(wǎng)與構(gòu)造超網(wǎng)1、劃分子網(wǎng)(1)將一個(gè)單位內(nèi)部的不同網(wǎng)絡(luò)看作是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)，子網(wǎng)的劃分是一個(gè)單位內(nèi)部的事情。(2)將一個(gè)單位可自行分配的host-id部分中的若干比特作為子網(wǎng)號(hào)subnet-id,剩下的部分作為子網(wǎng)中的主機(jī)號(hào)，這樣一個(gè)單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的IP地址就包括了 3個(gè)部分：網(wǎng)絡(luò)號(hào)net-id、子網(wǎng)號(hào)subnet-id和主機(jī)號(hào)host-id。 2.2TCP/IP2.2.4劃分子網(wǎng)與構(gòu)造超網(wǎng)1、劃分子網(wǎng)子網(wǎng)掩碼的作用是用來區(qū)分IP地址中的net-id、subnet-id及host-id到底各占幾位。子網(wǎng)掩碼的長(zhǎng)度和IP地址的長(zhǎng)度一樣都是32位，由一串1和一串0組成，其中1對(duì)應(yīng)的是IP地址中

8、的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和子網(wǎng)號(hào)，而0對(duì)應(yīng)的是IP地址中的主機(jī)號(hào)。 2.2TCP/IP2.2.4劃分子網(wǎng)與構(gòu)造超網(wǎng)1、劃分子網(wǎng)在這樣劃分子網(wǎng)的情況下，網(wǎng)絡(luò)地址（net-id和subnet-id兩部分）就是主機(jī)號(hào)host-id為全0的IP地址，可通過子網(wǎng)掩碼和IP地址的按位“與”（AND)運(yùn)算得到，如表2-5所示。 2.2TCP/IP2.2.4劃分子網(wǎng)與構(gòu)造超網(wǎng)2、無分類編址無分類域間路由選擇CIDR的基本思想：(1) IP地址由兩部分組成，前一部分是可變長(zhǎng)度的網(wǎng)絡(luò)前綴（Network Prefix),后面的部分是主機(jī)號(hào)。故而，在CIDR中沒有傳統(tǒng)的A、B、C類地址以及劃分子網(wǎng)的概念，且沒有分類地址中1B、2B

9、、3B網(wǎng)絡(luò)地址的限制。 2.2TCP/IP2.2.4劃分子網(wǎng)與構(gòu)造超網(wǎng)2、無分類編址無分類域間路由選擇CIDR的基本思想：(2)在CIDR中，采用斜線記法即CIDR記法來表示IP地址中網(wǎng)絡(luò)前綴所占的比特?cái)?shù)。例如，208.128.0.0/11表示在該IP地址中前11 bit是網(wǎng)絡(luò)前綴，后面的21 bit為主機(jī)號(hào)。 2.2TCP/IP2.2.4劃分子網(wǎng)與構(gòu)造超網(wǎng)2、無分類編址無分類域間路由選擇CIDR的基本思想：(3)網(wǎng)絡(luò)前綴都相同的連續(xù)的IP地址組成“CIDR地址塊”。一個(gè)CIDR地址塊是由地址塊的起始IP地址和地址塊中的地址個(gè)數(shù)來定義的。CIDR地址塊也可以用斜線記法來表示，如208.128.

10、0.0/22表示的地址塊起始IP地址為208.128.0.1，共有210-2個(gè)地址。 2.3路由技術(shù)路由技術(shù)主要指路由選擇算法。因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議的特點(diǎn)及分類。其中，路由選擇算法可以分為靜態(tài)路由選擇算法和動(dòng)態(tài)路由選擇算法。因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議的特點(diǎn)是：屬于自適用的選擇協(xié)議；采用分層次的路由選擇協(xié)議，即分自治系統(tǒng)內(nèi)部和自治系統(tǒng)外部路由選擇協(xié)議。因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議劃分為兩大類：內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP,具體的協(xié)議有RIP和OSPF等）和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EGP，目前使用最多的是BGP)。 2.3路由技術(shù)2.3.1 路由和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地的整個(gè)過程分為5步：(1)隨著幀的報(bào)頭到達(dá)路由器入站接

11、口, MAC過程就根據(jù)接口燒錄的MAC地址，廣播地址和接口所監(jiān)聽的任意組播地址來檢查硬件目的地址。如果MAC過程發(fā)現(xiàn)硬件目的地址可用，就對(duì)幀執(zhí)行循環(huán)冗余檢驗(yàn)以確信幀沒有被破壞。如果幀通過這些CRC，就從幀中取出數(shù)據(jù)包。然后丟棄幀，將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在路由器的主存儲(chǔ)器中。 2.3路由技術(shù)2.3.1 路由和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)(2)路由器搜索路由表，找出數(shù)據(jù)包報(bào)頭中所發(fā)現(xiàn)的目的地址最長(zhǎng)的匹配，如果路由器未找到匹配，且沒有默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，路由器就丟棄數(shù)據(jù)包，并給源設(shè)備發(fā)送一項(xiàng)ICMP目的不可達(dá)消息。如果路由器找到匹配項(xiàng)，路由器將為此路由找到下一跳地址或直連接口，如果路由指向一個(gè)直連接口，就無須執(zhí)行遞歸查找，可以跳過下一步

12、。 2.3路由技術(shù)2.3.1 路由和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)(3) 一旦知道了下一跳地址，路由器就執(zhí)行遞歸查找。這是為了在路由器上定位直連的接口，以將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去，找到帶有流出接口的表項(xiàng)前可能要進(jìn)行多次迭代。如果所有遞歸接口查找都指向路由表沒有表項(xiàng)的丨P地址，并且未設(shè)置默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，那么路由器將丟失該數(shù)據(jù)包并通過ICMP通知數(shù)據(jù)包源。 2.3路由技術(shù)2.3.1 路由和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)(4)數(shù)據(jù)包被交換到出站口緩沖器。假設(shè)出站接口使用第二層尋址，路由器試圖學(xué)習(xí)下一跳接口的MAC地址或第二層標(biāo)識(shí)，從而將第三層地址映射到第二層地址。路由器査找像ARP高速緩存這樣適當(dāng)?shù)谋镜乇?。在使用ARP的情況下，如果未找到第三層映射，路

13、由器將通過出站接口向本地連接的網(wǎng)段廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求，以請(qǐng)求與下一跳設(shè)備的本地網(wǎng)段相關(guān)的接口的MAC地址，該設(shè)備可能是另一臺(tái)路由器或最終目的地。 2.3路由技術(shù)2.3.1 路由和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)(5)己知直連接口和下一跳地址之間的連接類型。路由器就可以根據(jù)連接類型數(shù)據(jù)包封裝為合適的數(shù)據(jù)鏈路幀。出站接口將帶有下一跳設(shè)備的第：層地址的幀放在傳輸線上。這個(gè)過程在數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的每臺(tái)路由器h繼續(xù)進(jìn)行，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地。 2.3路由技術(shù)2.3.2 靜態(tài)路由靜態(tài)路由選擇算法就是非自適應(yīng)路由選擇算法，這是一種不測(cè)量、不利用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，僅僅按照某種固定規(guī)律進(jìn)行決策的簡(jiǎn)單的路由選擇算法。靜態(tài)路由選擇算法的特點(diǎn)就是

14、簡(jiǎn)單和幵銷小，但是不能適用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。靜態(tài)路由選擇算法主要包括擴(kuò)散法和固定路由表法。靜態(tài)路由是依靠手工輸入的信息來配置路由表的方法。 2.3路由技術(shù)2.3.2 靜態(tài)路由靜態(tài)路由具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：減少了路由器的日常幵銷；在小型互聯(lián)網(wǎng)上很容易配置；可以控制路由選擇的更新。靜態(tài)路由在網(wǎng)絡(luò)變化頻繁出現(xiàn)的環(huán)境中并不會(huì)很好的工作。在大型的和經(jīng)常變動(dòng)的互聯(lián)網(wǎng)中，配置靜態(tài)路由是不現(xiàn)實(shí)的。 2.3路由技術(shù)2.3.2 動(dòng)態(tài)路由動(dòng)態(tài)路由選擇算法就是自適應(yīng)路由選擇算法，是依靠當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息進(jìn)行決策，從而使路由選擇結(jié)果在一定程度上適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信量的變化。 2.3路由技術(shù)2.3.3 動(dòng)態(tài)路由動(dòng)態(tài)路由選擇算

15、法的特點(diǎn)是能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，但是實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，幵銷也比較大。動(dòng)態(tài)路由選擇算法一般釆用路由表法，主要包括分布式路由選擇算法和集中式路由選擇算法。 2.3路由技術(shù)2.3.3 動(dòng)態(tài)路由分布式路由選擇算法是每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過定期的與相鄰節(jié)點(diǎn)交換路由選擇的狀態(tài)信息來修改各自的路由表，這樣使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由選擇經(jīng)常處于一種動(dòng)態(tài)變化的狀況。集屮式路由選擇算法是網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)絡(luò)控制中心（Network Control Center，NCC）負(fù)責(zé)全網(wǎng)狀態(tài)信息的收集、路由計(jì)算及最佳路由的實(shí)現(xiàn)。最簡(jiǎn)單的方法是將最新路由定期發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)上去。 2.3路由技術(shù)2.3.4 OSPF路由協(xié)議OSPF

16、 (Open Shortest Path First, 開放式最短路徑優(yōu)先）是一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Interior Gateway Protocol，IGP)，用于在單一自治系統(tǒng) (Autonomous System, AS) 內(nèi)決策路由。與RIP相比，OSPF是鏈路狀態(tài)（Link-state)協(xié)議，而RIP 是距離矢量協(xié)議。 2.3路由技術(shù)2.3.4 OSPF路由協(xié)議OSPF由IETF在20世紀(jì)80年代末期開發(fā)，是SPF類路由協(xié)議中的開放式版本。最初的OSPF規(guī)范體現(xiàn)在RFC 1131中。RFC 1247 OSPF稱為OSPF版本2，是為了明確指出其在穩(wěn)定性和功能性方面的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。接下來的一

17、些規(guī)范出現(xiàn)在RFC 1583、2178和2328中。OSPF版本2的最新版體現(xiàn)在RFC2328 中。 2.3路由技術(shù)2.3.4 OSPF路由協(xié)議OSPF定義的5種網(wǎng)絡(luò)類型：(1)點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（Point-to-Point)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)鄰居.不選舉DR/BDR，Hello時(shí)間10s。(2)廣播型網(wǎng)絡(luò)(Broadcast),自動(dòng)發(fā)現(xiàn)鄰居，選舉DR/BDR，Hello時(shí)間10s。(3)非廣播型網(wǎng)絡(luò)（Non-broadcast)，手工配置鄰居，選舉DR/BDR，Hello時(shí)間30s。(4)點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（Point-to-Multipoint)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)鄰居，不選舉DR/BDR，Hello時(shí)間30s。(5)點(diǎn)到多點(diǎn)非廣播，手動(dòng)配置鄰居，不選平丨)R/BDR， Hello時(shí)間30 s。 2.3路由技術(shù)2.3.4 OSPF路由協(xié)議OSPF協(xié)議主要優(yōu)點(diǎn)：(1) OSPF是真正的Loop-Free (無路由自環(huán)）路由協(xié)議。源自其算法本身的優(yōu)點(diǎn)。(鏈路狀