互联网的基本原理与关键技术

5.6.2　互联网的基本原理与关键技术

1.IP地址与域名

（1）IP地址

在互联网中，欲实现计算机之间的正常通信，就必须为网络中的每一台计算机配备一个地址，且该地址必须唯一。在进行数据传输时，通信协议需要在传输的数据中添加发送信息的计算机地址（源地址）和接收信息的计算机地址（目标地址）。在互联网中，为每个计算机分配的这个唯一的识别地址称为IP地址。

目前使用的互联网网际层协议IP协议版本（IPv4）规定IP地址的长度为32位，若将比特换算成字节，则为4个字节。例如，一个采用二进制形式的IP地址是“00001010000000000000000000000001”。显然，采用这种记述方式并不方便，因此IP地址经常被写成十进制的形式，并使用符号“.”区分不同的字节，即点分十进制表示法。采用这种方式，上面的IP地址可以表示为“10.0.0.1”。

现有的互联网是在IPv4协议的基础上运行的。IPv6是下一版本的互联网协议。它的提出是由于出现了IP地址不够用的现象，这一方面是因为IP地址被大量分配；另一方面是许多地址已分配给申请者但没有得到充分的利用。为了扩大地址空间，IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。据估算若采用IPv6，地球每平方米面积上可以分配1 000多个地址。

（2）域名

IP地址是一种数字型网络和主机标识，这种数字型标识不便记忆，因此提出了字符型的域名标识。域名（Domain Name）是由一串用点分隔的名字组成的Internet上某一台计算机或计算机组的名称，用于在数据传输时标识计算机的电子方位，目前域名已经成为互联网的品牌、网上商标保护必备的产品之一。

一台计算机根据需要可以有多个域名，但只能有一个IP地址。一台计算机从一个地方移到另一个地方，当它属于不同的网络时，其IP地址必须更换，但是域名可以保留。

域名采用层次结构，每一层构成一个子域名，子域名之间用圆点隔开，自左至右分别为计算机名、网络名、机构名、最高域名。例如，www.bupt.edu.cn，其中，cn为第一级域名，表示中国，除美国外，其他国家一般采用国家代码作为第一级域名；edu表示教育科研单位；bupt表示北京邮电大学。

（3）地址解析

IP地址不能直接用来通信。因为IP地址只是主机在抽象的网络层中的地址，不能直接在链路层寻址。若要将网络层中传送的IP数据包交给目的主机，需要传送到数据链路层转换为帧后才能发送到实际的网络上，将IP地址转换为物理地址（或MAC）的过程称为地址解析。当数据链路层为以太网时，因特网采用的地址解析协议是ARP协议。

（4）域名解析

主机域名到IP地址的转换过程称为域名解析。实现域名解析的软件称为域名系统（Domain Name System，DNS）。DNS的功能类似电话号码簿，已知一个域名就可以查找到一个IP地址。完整的域名系统可以双向查找，即可以完成域名和IP地址的双向映射。装有域名系统的主机叫做域名服务器。

Lion呼叫Tiger

图5-11　Lion呼叫Tiger的步骤

若域名为Tiger的主机的IP地址为209.0.0.6，网卡的物理地址为08002B00EE0A。当主机Lion呼叫Tiger时，需要完成以下步骤，如图5-11所示：

（1）Lion主机将域名Tiger发送给域名服务器；

（2）域名服务器根据域名Tiger查找IP地址为209.0.0.6；

（3）根据IP地址查找目的主机所在的网络，并根据ARP协议将目的主机的IP地址翻译成为目的主机网卡的物理地址，根据这个物理地址就可以在局域网中寻找目的主机。

2.IP网络的基本原理

（1）IP服务的特点

在IP网络中，提供的服务主要具有以下特点。

·不可靠性：在IP网络中，无法保证投递，分组可能丢失、重复、延迟或不按顺序到达，传递过程中不检测分组是否正确投递，也不提醒收、发双方；

·无连接：每个分组独立选路；

·尽力而为：分组被尽力投递，当且仅当资源用尽或底层网络出现故障时才放弃分组。

（2）IP数据报的发送根据源节点和目的节点的不同，IP数据报在发送过程中可能被直接投递或间接投递。直接投递是指数据报可以从一台计算机上直接传送到另一台计算机。只有当两台计算机处于同一底层物理传输系统时才能进行直接投递。

间接投递是指必须通过路由器才能把数据报从一台计算机传送到另一台计算机的投递方式。在路由表中，主要包括两项基本内容：目的网络地址和下一跳地址。路由器根据目的网络地址来确定下一跳路由器。IP选路软件首先查找是否符合目的地址的特定主机路由（对特定的目的主机指明的路由），如果没有，则在选路表中查找目的网络，若表中没有匹配的路由项，则把数据报发送到一个默认路由器上，若没有默认路由器则路由器向这个数据报的源节点返回错误报告。综上，在互联网中，IP数据报的发送过程如图5-12所示。

图5-12　IP数据报发送流程

（3）IP数据包的封装与传输

由于路由器往往需要连接异构物理网络，为了克服异构物理网络帧格式的不同，互联网络协议软件（IP协议）定义了一种独立于底层硬件的通用的、虚拟的数据报，该报可以无损地在低层硬件中传输。

当主机或路由器处理一个数据报时，IP软件首先选择数据报发往的下一站；然后将IP数据报封装入物理网络帧的数据区内；收、发双方在帧的类型域中的值达成一致，以标识该帧的数据区为一个IP数据报；最后，将下一站的IP地址解析成物理地址，填入帧头的目的地址域。

在接收端，路由器或主机从帧中取出数据报，同时丢弃帧头，若仍需路由器转发，则按照上述步骤重新封装。