Internet 应用基础

1. Internet应用基础 第二章 Internet基础 第一讲 Internet的发展、功能、特点以及IP地址的结构与分类

2. 内容提要 • 2.1 Internet概述 • 2.1.1 Internet的形成与发展 • 2.1.2 Internet的特点与功能 • 2.1.3 Internet的发展方向 • 2.2 Internet地址 • 2.2.1 Internet的地址结构 • 2.2.2 IP地址分类 • 2.2.3 特殊IP地址及专用IP地址 • 2.2.4 地址类的确定及NETID和HOSTID的提取 • 2.2.5 地址解析 • 2.2.6 域名系统 • 2.2.7 DNS域名空间 • 2.2.8 DNS顶级域名 • 2.2.9 DNS域名服务的工作原理 • 2.2.10 域名解析及应用举例 • 2.2.11 域名系统的管理 • 2.2.12 MAC地址、IP地址以及域名地址的关系 • 2.3 IPv6地址简介

3. 2.1.1 Internet的形成与发展 • Internet最早产生于美国。 • 1969年美国政府为了军事目的，成功地开发研究出了ARPANET网络（美国国防部高级研究计划局网络） 。ARPANET是一个广域网。 • 在70年代，一些学术性网络，如USENET、BITNET相继建成 。英国、挪威也在1973年宣告加入ARPANET网，从而使之变成洲际网，Internet初步形成。这期间TCP/IP协议得以建立和发展 。 • 美国国家自然科学基金会（NFS）于1986年开发成功了美国国家自然科学基金网络（NFSNET），它通过5个超级计算机中心将美国的研究人员联系起来。向全社会开放，并逐步走向世界，成为一个国际性网络。 • Internet发展中的主要技术事件 • 1983年，TCP（Transmission Control Protocol）、IP（Internet Protocol）协议的研制成功（ARPA的鲍勃•凯恩，斯坦福的温登•泽夫合作） 。 • 1986年，Cisco公司的多协议路由器研制成功并投入使用。 • 1984年，日内瓦欧洲粒子物理实验室，Time Berners-Lee提出了超文本（Hypertext)语言HTML；1989年研制成功WWW（world wide web）,1991年公布 。 • 1990年开始，电子邮件，FTP，消息组等Internet 应用受到人们的欢迎，TCP/IP协议在UNIX系统中的实现，更进一步推动了这一发展 。 • 1993年，美国伊利诺依大学国家超级计算机中心开发成功了浏览工具Mosaic（依利诺依大学，NCSA的青年科学家 Marc Andreeason），1994年进而发展成为Netscape；后来，1996年，又出现了Internet Explorer。 • 90年代网络的交换技术，ATM，GB以太网等技术的发展。 • Java技术: 1995， SUN公司（James Cosling），网络程序设计语言、Write once run anywhere 、Applet 小程序、虚拟机、平台无关、人们称是一场“革命”。

4. 2.1.2 Internet的特点与功能 • 特点 • 开放性、共享性、平等性、低廉性、交互性 • 另外，Internet还具有合作性、虚拟性、个性化和全球性的特点。 • 功能 • 信息的获取与发布 • 网上交流 • 电子商务、电子政务 • 网络电话 • 网上事务处理

5. 2.1.3 Internet的发展方向 • Internet将朝着无线互联网和宽带互联网发展 ； • 从被动网络向主动网络发展； • 在应用上，Internet将向如下几个方向发展 • 1、未来INTERNET的用户需求将向WWW、移动性和多媒体方向发展； • 2、未来INTERNET的应用将包括与广播媒体、通信业务以及出版媒体的综合； • 3、INTERNET社会就是信息社会。信息社会将具有五大特征：技术的多样性、业务的综合性、行业的融合性、市场的竞争性和用户的选择性。 • 4、未来INTERNET将给任何人（ANYBODY）、在任何时间（ANYTIME）任何地点（ANYWHERE）、以任何接入方式（ANY CONNECTION）和可承受的价格，提供任何信息（ANY INFORMATION）并完成任何业务（ANY SERVICE）。

6. 2.2 Internet地址 • 在TCP/IP体系结构中，IP 地址是一个基本的概念。但是要想让人们记住主机的IP 地址是很困难的，于是人们就又为每台主机起了个名字，这就是域名。 • 在TCP/IP协议的IP层使用的标识符叫做因特网地址或IP地址。 • 因特网采用一种全局通用的地址格式，为全网的每一网络和每一主机都分配一个唯一的因特网地址。

7. 2.2.1 Internet地址的结构 • 目前因特网地址使用的是IPv4（IP第4版本）的IP地址，它是一个32位的二进制（4个字节）地址，通常用4个十进制来表示，十进制数之间用“.”分开，这种标识方法叫做点分十进制。 11001010 01110010 11001110 11001010 202.114.200.202 • IP地址全局唯一的定义了因特网上的主机或路由器。一个IP地址只能被一个网络设备所使用，但一个网络设备可以同时使用多个IP地址。 • IPv4的IP地址包括4个字节，它定义了两个部分：NETID和HOSTID。其中NETID标识一个网络，而HOSTID标识在该网络上的一个主机。 • IP地址的一般格式为 1）类别：用来区分IP地址的类型： 2）网络标识（Netid）：表示入网主机所在的网络； 3）主机标识（Hostid）：表示入网主机在本网段中的标识。

8. 2.2.2 IP地址的分类 • 通常将因特网IP地址分成5种类型：（A类、B类、C类、D类、E类）。 • 1、A类地址 • 网络标识占1个字节，第1位为“0”，允许有27-2=126个A类网络，每个网络大约允许有1670万台主机。通常分配给拥有大量主机的网络，如一些大公司（如IBM公司等）和因特网主干网络。 A类地址结构

9. IP地址的分类（B类、C类） • 2、B类地址 • 网络标识占2个字节，第1，2位为“10”，允许有214=16383个网络，每个网络大约允许有65533台主机。通常分配给结点比较多的网络，如区域网。 • 3、C类地址 • 网络标识占3个字节，第1，2，3位为“110”，允许有221=2,097,151个网络，每个网络大约允许有254台主机。通常分配给结点比较少的网络，如校园网。一些大的校园网可以拥有多个C类地址。 B类地址结构 C类地址结构

10. IP地址的分类（D类、E类） • 4、D类地址 • 前4位为“1110”，用于多址投递系统（组播）。目前使用的视频会议等应用系统都采用了组播技术进行传输。 D类地址结构 • 5、E类地址 • 前4位为“1111”，保留未用。

11. 2.2.3特殊IP地址及专用IP地址

12. 专用IP地址 • 仅用于组织的专用网内部——本地主机 。 • 本地主机必须经过网络地址转换服务器（NAT或代理服务器）才能访问因特网。 • RFC1918定义的专用IP地址 • 10.0.0.0 — 10.255.255.255 1个A类地址； • 172.16.0.0 — 172.31.255.255 16个连续的B类地址； • 192.168.0.0 — 192.168.255.255 256个连续的C类地址。 内部网使用专用IP 地址访问网络

13. 2.2.4 IP地址类的确定及NETID和HOSTID的提取 • 1、确定一个IP地址的类 • A、如果地址是二进制形式，只要观察前几个比特就可直到该地址的类。 • 若第一位为0，则地址为A类地址； • 若第一位是1且第二位是0，则地址为B类地址； • 若第一二位都是1且第三位是0，则地址为C类地址； • 若前三位都是1且第四位是0，则地址为D类地址； • 若前四位都是1，则地址为E类地址。 • B、如果地址是点分十进制，则只需要检查第一个数据就可以确定地址的类。 • 若第一个数字在0到127（含0和127）之间，则为A类地址； • 若第一个数字在128到191（含128和191）之间，则为B类地址； • 若第一个数字在192到223（含192和223）之间，则为C类地址； • 若第一个数字在224到239（含224和239）之间，则为D类地址； • 若第一个数字在240到255（含240和255）之间，则为E类地址。

14. 提取NETID和HOSTID • 若地址为A类，则第一个八位组（第一个数）就是NETID，剩下的三个八位组（三个数）就是HOSTID； • 若地址为B类，则前两个八位组（前两个数）就是NETID，剩下的两个八位组（两个数）就是HOSTID； • 若地址为C类，则前三个八位组（前三个数）就是NETID，剩下的一个八位组（一个数）就是HOSTID； • 若地址为D类，则没有HOSTID和NETID。整个的地址都是用于多播； • 若地址为E类，则没有HOSTID和NETID。整个的地址都保留作为特殊用途。

15. Internet 130.n.0.0 网络1 130.1.0.0 网络n 130.1.1.0 子网1 子网m 130.1.m.0 130.n.*.* 130.1.1.1 130.1.m.11 主机 主机 主机 主机 主机 主机 IP地址的特性 • 提供全网统一、有效的地址模式 • 屏蔽不同物理网络的地址差异 • 为IP层的“尽力传递”提供基础 • 地址结构对应网络的层次结构

16. 2.2.5 地址解析 • IP地址，32bit——网络层，ISO/RM的第三层； • MAC地址，48bit——数据链路层，ISO/RM的第二层。 • 数据是在数据链路层转变成MAC帧后，交由物理层进行传送到网络上。 • 数据包中的IP地址转换成MAC地址或MAC地址转换成IP地址的过程，就叫地址解析。 • ARP：将IP地址解析成MAC地址的协议。 • RARP：将MAC地址解析成IP地址的协议。

17. ARP地址解析过程

18. ARP与RARP地址解析 • ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址到MAC地址的映射问题。如果所要查找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要借助于路由器进行地址解析了，即主机A先获得它所在局域网的路由器的MAC地址，然后将要发送的数据交给路由器来处理。 • 另外，从IP地址到MAC地址的解析过程是主机自动进行的。 • 无盘工作站应用RARP协议从RARP服务器中获取IP地址。

19. 2.2.6 Internet 的域名系统DNS • 域名服务DNS（Domain Name System）是Internet上最重要的服务，没有它，其他服务无法进行。 • DNS域名系统就是一种帮助人们在Internet上用名字来唯一标识自己的计算机，并保证主机名和IP地址一一对应的网络服务。

20. 2.2.7 DNS域名空间 • DNS域名系统: 分级、基于域的命名机制、分布式命名数据库系统。 • DNS将整个Internet视为一个域名空间（Name Space）。 • 在DNS中，一个域代表该网络中要命名资源的集合。这些资源通常代表工作站、PC机、路由器等。 • 域名服务器负责管理存放主机名和IP地址的数据库文件，以及域中的主机名和IP地址映射。 • 域名服务器分布在不同的地方，它们之间通过特定的方式进行联络，这样可以保证用户可以通过本地的域名服务器查找到Internet上所有的域名信息。 • 所有域名服务器中的数据库文件中的主机和IP地址的集合组成DNS域名空间。

21. DNS域名空间 • DNS的域名空间是由树状结构组织的分层域名组成的集合。 • DNS域名空间树的最上面是一个无名的根（root）域，用“.”表示。这个域只是用来定位的，并不包含任何信息。在根域之下就是顶级域名，目前包括下列域名：com、edu、gov、org、mil、net、arpa等等。所有的顶级域名都由InterNIC（Internet网络信息中心）控制。 下面是对顶级域名的说明。

22. 2.2.8 DNS顶级域名 域名 　　　　　　含　　义 .com 商业组织 .edu 教育机构 .gov 政府部门 .mil 军队组织 .net 网络组织和ISP等 .org 非商业组织 .arpa 用于返向地址查询的 .cn 用于国家代码的域名，cn 表示“中国” .firm 　 商业或公司 .web 主要活动与WWW有关的实体 .arts 以文化活动为主的实体 .info 提供信息服务的实体 ……

23. DNS顶级域名 • 顶级域名主要分为两类：组织性的和地域性的。 • 顶级域名之下是二级域名。二级域名通常是由NIC授权给的其他单位或组织自己管理的。一个拥有二级域名的单位可以根据自己的情况再将二级域名分为更低级的域名授权给单位下面的部门管理。 • DNS域名树的最下面的叶节点为单个的计算机。域名的级数通常不多于5个。 • 在DNS树中，每一个节点都用一个简单的字符串（不带点）标识。这样，在DNS域名空间的任何一台计算机都可以用从叶节点到根节点、中间用点“.”相连接的字符串来标识： 叶节点名.三级域名.二级域名.顶级域名 www.cugnc.com cugnc.cug.edu.cn

24. 根 com net org edu gov mil ca cn uk jp arpa… ac com edu gov net org bj sh hk … IBMHPDELLINTEL … pku tsinghua bupt fudan sjtu seu tju nakai … cs math chem phy geo gsm ele hist … mail sunsite ftp www ….

25. 2.2.9 DNS域名服务的工作原理 • DNS 域名服务在Internet中起着至关重要的作用，其他任何服务都有赖于域名服务。因为任何服务，都需要进行域名到IP地址，或IP地址到域名的转换，也就是所谓的域名解析。域名解析通常是发生在用户输入一些命令之后，比如输入命令：ftp ftp.microsoft.com 这时客户机要首先从DNS服务器获得 ftp.microsoft.com对应的IP地址，才能和远地服务器建立连接。 • DNS域名空间的域名是由分布在不同地方的域名服务器来管理的，域名解析是由用户指定的域名服务器来完成的。域名服务器和用户的计算机在同一个域中。

26. DNS域名服务的工作原理 • DNS域名服务采用的是客户/服务器（client/server）工作模式。域名服务的客户方被称为解析过程函数(resolver)，它们是嵌套在其它应用的客户程序之内的。当用户运行这些应用程序时，这些应用程序就会调用域名解析过程函数，发送请求给指定的域名服务器，通常是本地域名服务器。本地域名服务器始终运行它的域名服务器进程（named），该进程收到客户请求时，就开始进行域名解析。 • 下面以查找“ftp.microsoft.com”的IP地址为例，看一下域名解析的具体步骤：

27. 2.2.10 DNS域名服务的举例 • 本地域名服务器查找它缓存的域名信息。如果缓存中有要查找的主机域名或IP地址，服务器进程就将结果返回给客户程序；如果在本地缓存中没有相应的记录，则本地域名服务器会询问其他名字服务器，或直接向根名字服务器发送一个迭代查询。根域名服务器的信息是在域名服务器进程启动时直接从一个文件中读入缓存的。 • 根名字服务器返回它所知道的结果。在这个例子中，根名字服务器所能给的只是有关“com.”的域名服务器的名字和它们的IP地址。 • 本地名字服务器根据返回结果继续查询“com.”的一台名字服务器，同样采用迭代查询方式.

28. DNS域名服务的举例 • “com.”的名字服务器返回它所知道的最佳结果，也就是“microsoft.com.”的名字服务器的域名和IP地址。 • 本地域名服务器和一台“microsoft.com.”的名字服务器建立连接，发送和以前一样的查询请求。 • “microsoft.com.”域名服务器返回ftp.microsoft.com 的IP地址，由本地服务器将该查询最后结果返给客户。 客户系统获得相应IP后，客户方命令继续执行。

29. 迭代解析过程图解

30. 递归解析过程图解

31. 2.2.11 域名系统的管理 • Internet的最高管理机构为IAB，即Internet体系结构委员会。 • 域名的注册由位于美国的Internet网络信息中心InterNIC及其设在世界各地的分支机构负责审批 。 • 在国家顶级域名下注册的二级域名由该国家自行确定，在我国则将二级域名划分为“类别域名”和“行政区域名”两大类。其中“类别域名”共6个，分别为：.ac表示科研机构；.com表示工、商、金融等企业；.edu表示教育机构；.gov表示政府部门；.net表示互联网络、接入网络的信息中心和运行中心；.org表示各种非盈利性的组织。“行政区域名”34个，适用于我国的各省、自治区、直辖市。如.hb为湖北省。 • 在我国，在二级域名.edu下申请注册三级域名由中国教育和科研计算机网网络中心（网址：http://www.nic.edu.cn）负责。 • 在二级域名.edu之外的其他二级域名下申请注册三级域名的，则由中国互联网网络信息中心CNNIC（网址：http://www.cnnic.cn）负责。

32. 域名申请注意事项 • 对于域名地址的申请，要注意以下几点： • 1）域名地址在Internet种必须是唯一的，不允许重复； • 2）大小写字母在域名地址中没有区别； • 3）确定域名地址时，应尽量使用有意义的字符串； • 4）向专门的申请机构申请域名，一般在申请IP地址的时候同时申请域名； • 5）可以向“中文国际域名认证注册商”申请购买中文域名。

33. 2.2.12 MAC地址、IP地址以及域名地址的关系 • 一个域名地址可以对应多个IP地址，但在同一时间对某个指定用户而言，一个域名地址唯一的指向一个IP地址。 • 一个IP地址可以对应多个域名地址。 • 域名地址通过域名解析可以得到对应的IP地址，IP地址通过反向域名解析也可以找到相对应的域名地址。 • MAC地址是设备（网卡、交换机、路由器）的物理地址。一块网卡或交换机的一个端口对应一个全球唯一的MAC地址。 • 一块网卡可以绑定多个IP地址，即一个MAC地址可以对应多个IP地址。一个IP地址在某一个指定时刻只能绑定给一个MAC地址。 • IP地址通过ARP地址解析，可以得到唯一对应的MAC地址；MAC地址通过RARP反向地址解析可以从RARP服务主机中获取一个IP地址。 • 域名地址、IP地址和MAC地址在特定时刻都唯一的确定了一个主机资源。

34. 2.3 IPV6地址简介 • IPv4存在的问题 • 地址不够用； • 安全性不够； • 网络传输速率慢； • 对实时应用支持不够。 • 为此，IETF在1992年6月提出制订下一代的IP，即IPng（IP Next Generation）。由于IPv5打算用作面向连接的网际层协议，因此IPng现正式称为IPv6。

35. 2.3.1 IPv6的特点 • 更大的地址空间 • IPv6把地址增大到128比特，使地址空间增大了296倍。 • 灵活的首部格式 • IPv6用一种全新的数据报格式，且允许与IPv4在若干年内共存。它使用一系列固定格式的扩展首部取代了IPv4中可变长度的选项字段。 • 简化了协议 • 加快了分组的转发。如取消了首部检验和字段，分片只在源站进行。 • 允许对网络资源的预分配 • 支持实时视像等要求保证一定的带宽和时延的应用。 • 允许协议继续演变，增加新的功能，使之适应未来技术的发展。

36. 2.3.2 IPv6地址的表示方法 • IPv6使用冒号十六进制记法（colon hexadecimal notation，简写为colon hex），它把每个16比特的量用十六进制值表示，各量之间用冒号分隔。 686E:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:96A:FFFF

37. 冒号十六进制记法的优点 • 1、允许零压缩，即一连串连续的零可以用一对冒号代替。如： FF05:0:0:0:0:0:0B3可以写成 FF05::B3 • 2、冒号十六进制记法可结合有点分十进制法的后缀。这种结合在IPv4向IPv6的转换阶段特别有用。如： 0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 也可写成 ::128.10.2.1