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1、计算机网络,第4章 网络层,2019年10月18日,2,目 录,网络层概述 虚电路和数据报网络 路由器的工作原理 网际协议:因特网中的转发和编址 选路算法 IP组播介绍,2019年10月18日,3,4.1 网络层概述,网络层的目标 实现主机到主机的通信 网络层在计算机网络中的地位 为运输层提供支持 运输层实现进程到进程的通信 运输层功能的实现依赖于网络层提供的服务 为实现从源主机到目标主机成功的移动数据分组，整个路径上的每一台分组交换机上均需实现网络层,网络层属于通信子网的功能,2019年10月18日,4,4.1 网络层概述,网络层的主要功能 在全局范畴为主机之间的通信进行选路，选路的结果反映
2、为分组交换机上的转发表 分组交换机上的网络层根据转发表以及分组头部信息，将分组向适当链路进行转发 对于面向连接的网络层服务，提供连接建立的功能 ATM、X.25和帧中继,2019年10月18日,5,1,2,3,0111,到达分组的首部值,选路算法,本地转发表,首部值,输出链路,0100 0101 0111 1001,3 2 2 1,2019年10月18日,6,4.1 网络层概述,分组交换机的分类 根据链路层首部信息进行转发的链路层节点交换机 根据网络层首部信息进行转发的路由器,2019年10月18日,7,4.1 网络层概述,网络层可能提供的服务 确保交付 具有时延上界的确保交付 有序分组交付
3、确保最小带宽 确保最大时延抖动 ,2019年10月18日,8,4.1 网络层概述,几种实际使用的网络层服务模型 网络体系结构 服务模型 带宽保证 无丢失保证 排序 定时 拥塞指示 因特网 尽力而为 无 无 无 不维持 无 ATM CBR 保证恒定速率 是 有序 维持 无拥塞 ATM ABR 保证最小速率 无 有序 维持 提供指示,2019年10月18日,9,4.2 虚电路和数据报网络,网络层提供的服务 面向连接的服务虚电路，需事先握手 面向无连接的服务数据报，无需握手 网络层与运输层相应服务的区别 网络层是向运输层提供主机到主机的服务，而运输层是向应用层提供进程到进程的服务 网络层仅提供上述两
4、种服务中的一种，不同时提供两种，而运输层则同时提供两种 运输层的服务在网络边缘的端系统中实现，而网络层的服务则在整个网络中实现，含路由器,2019年10月18日,10,4.2 虚电路和数据报网络,虚电路 目标 使收发双方之间的路径表现得如同电话线路一般 工作机制 数据开始流动之前，呼叫建立；流动结束后要断开 每一个分组携带虚电路的标识 (而不是目的主机的地址) 路径上的每一个路由器必须为进行中的连接维持连接状态信息 传输层的连接仅涉及到两个端系统（end system） 链路, 路由器资源 (带宽、缓冲区) 可以分配给虚电路 目的：为了达到类似线路交换的性能,2019年10月18日,11,4.
5、2 虚电路和数据报网络,虚电路的组成 从源到目的主机的路径 VC 号, 沿着该路径的每段链路的一个号码 沿着该路径的每台路由器中的转发表,2019年10月18日,12,4.2 虚电路和数据报网络,路由器R1的转发表:,路由器维持连接状态信息!,12,22,32,1,2,3,VC 号,接口号,R1,R4,R2,R3,2019年10月18日,13,4.2 虚电路和数据报网络,信令协议 用于建立、维护以及断开虚电路 用于 ATM, 帧中继, X.25网络 今天的因特网已经不再使用该协议,1. 启动呼叫,2. 入呼叫,3. 接受呼叫,4. 呼叫连接,5. 数据流开始,6. 接收数据,应用层 传输层 网
6、络层 数据链路层 物理层,2019年10月18日,14,4.2 虚电路和数据报网络,数据报网络 在网络层没有连接建立过程 路由器：在端到端的连接中不维护连接状态信息 在网络层不存在“联接”的概念 传输报文时使用目的主机地址信息 同一对主机间的报文可能会走不同的路径,1. 发送数据,2. 接收数据,2019年10月18日,15,4.2 虚电路和数据报网络,目的地址范围 链路接口 11001000 00010111 00010000 00000000 到 0 11001000 00010111 00010111 11111111 11001000 00010111 00011000 0000000
7、0 到 1 11001000 00010111 00011000 11111111 11001000 00010111 00011001 00000000 到 2 11001000 00010111 00011111 11111111 其他 3,2019年10月18日,16,4.2 虚电路和数据报网络,虚电路 vs 数据报 虚电路网络：聪明的网络，愚笨的终端 数据报网络：简单的网络，复杂的终端 互联不同类型的网络更加容易 启用新服务的速度更快，更简单,2019年10月18日,17,4.3 路由器的工作原理,路由器的结构,2019年10月18日,18,4.3 路由器的工作原理,输入端口,分散式交
8、换: 按照给出的目的地址,使用输入端口的内存中存储的路由选择表，查找输出端口 目标:以“线路速度”完成输入端口的处理 排队：如果数据报到达的速度超过了输入端口将数据报转交给交换结构的速度，则后到的分组会暂时阻塞,线路端接,数据链路处理 （协议、拆封）,网络层处理 排队、 查表、转发 ,交换 结构,物理层: 位流级的接收,数据链路层: e.g.,以太网,2019年10月18日,19,4.3 路由器的工作原理,输入端口排队 如果输入端口的处理速率超过了交换结构的速率，输入端口就可能产生排队 线头阻塞:在输入队列中排队的分组必须等待通过交换结构发送，因为它被位于线头的另一个分组阻塞了。 输入缓冲区溢
9、出可导致排队时延和丢包!,2019年10月18日,20,4.3 路由器的工作原理,交换结构,2019年10月18日,21,4.3 路由器的工作原理,经内存交换 在输入端口和输出端口之间的交换是在CPU（路由处理器）的直接控制下完成的 分组被拷贝到系统内存中，然后在CPU的控制下输送到输出端口 转发速度受限于内存的带宽,2019年10月18日,22,4.3 路由器的工作原理,经总线交换 输入端口经一根共享总线将分组直接传送到输出端口 总线交换的问题: 交换速度受限于总线的带宽 1 Gbps 总线, Cisco 1900:对于运行在接入网或企业网的路由器，通过总线交换的转发速度是足够的。,2019
10、年10月18日,23,4.3 路由器的工作原理,经内联网络 克服总线带宽限制，可以并行交换。 Cisco 12000: 通过内联网络交换速度为若干Gb/s,2019年10月18日,24,4.3 路由器的工作原理,输出端口 缓存管理：当交换结构将分组交付给输出端口的速率超过输出链路速率时 调度原则：在数据报队列中选择数据报进行传输,2019年10月18日,25,4.3 路由器的工作原理,输出端口排队 当通过交换结构到达的分组速率超过了输出链路的速率时，需要对分组进行缓存 输出端口缓冲区溢出会导致分组的排队和丢失!,2019年10月18日,26,4.4 网际协议:因特网中的转发和编址,主机、路由器
11、的网络层组件,ICMP 协议 错误报告 路由器 信令,运输层: TCP, UDP,链路层,物理层,网络层,2019年10月18日,27,31,IP数据报的格式,2019年10月18日,28,4.4 网际协议:因特网中的转发和编址,IP分片和重组 网络链路具有 MTU (最大传输单位)属性是由链路层最大帧的限制决定的 不同类型的链路有不同的MTU值 大的IP数据报在网络中会被分成小的分片 如何识别那些分片是同一个原始分组分出来的？ 如何确保分片的顺序？ 如何判断是否收到所有的分片？,如何进行分片呢？,2019年10月18日,29,4.4 网际协议:因特网中的转发和编址,数据3 (1020),片头
12、,ID = 100 MF = 1 FO = 0 Len = 1500,ID = 100 MF = 1 FO = 185（1480/8） Len = 1500,ID = 100 MF = 0 FO = 370 Len = 1040,注意：以太网MTU为1500字节。,2019年10月18日,30,4.4 网际协议:因特网中的转发和编址,IP 地址 32位主机或路由器的接口标志符 接口:连接主机,路由器之间的物理链路 一般说来，路由器有多个接口 主机也有可能有多个接口 IP 地址只和接口有关, 而与主机,路由器却没有太多关联,2019年10月18日,31,4.4 网际协议:因特网中的转发和编址,I
13、P地址的表示方法 IP地址的结构,223.1.1.1,223,1,1,1,11011111 00000001 00000001 00000001,2019年10月18日,32,4.4 网际协议:因特网中的转发和编址,IP地址的分类,1 1 1 0 组 播 地 址,D 类,31 23 15 7 0,2.常用的三种类别的 IP 地址,IP 地址的使用范围,网络 最大 第一个 最后一个 每个网络 类别 网络数 可用的 可用的 中最大的 网络号 网络号 主机数 A 126 (27 2) 1 126 16,777,214 B 16,383(214 1) 128.1 191.255 65,534 C 2,
14、097,151 (221 1) 192.0.1 223.255.255 254,说明： (1)IP地址中的网络号为全0的地址是保留地址，表示本网络。 网络号为127（01111111）的地址保留为本地回环测试本主机的进程之间的通信 (2)B类网络地址128.0.0.0不指派 (3)C类网络地址192.0.0.0也是不指派的。 (4)全0的主机号字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的网络的网络地址； 全1表示“所有的”，即本网络上的所有主机（广播地址）。,IP 地址的一些重要特点,(1) IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是： 第一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配
15、网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。 第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。,IP 地址的一些重要特点,(2) 实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。 当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。 由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。,IP 地址的一些重要特点,(3) 用转发器或
