网络层

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1、计算机通信原理第七章 网络层及广域网技术*2007年4月28日星期六4时12分15秒1计算机通信与网络教程计算机 通信与网络教程第7章 网络层及广域网技术的主要内容71 OSIRM中的网络层 72 网络层路由技术 73 网络层流控技术 74 典型交换网络实例 75 虚拟广域网网络层是OSIRM中的第3层，也可说是通 信子网的最高层。一般说来，主要是广域网 具有最重要和最复杂的网络层，因为广域的 通信子网要求有更为复杂和多样的控制与管 理功能，例如：数据传输路径的选择，传输 流量及其分布、拥塞与死锁的控制。网络层 所能提供的功能和服务，直接反映出作为网 络通信设施的这部分对整个网络系统的信息 互

2、通能力与性能所起的重要作用。 71 0SIRM中的网络层 网络层是OSIRM的第3层，该层的主要 功能是面向通信子网的，向端系统(首先接 触的是OSI/RM的传输层实体)提供特定服 务质量的网络服务，其中最核心的服务是 网络联结服务。 图7-1 OSI/RM中网络层的地位和服务关系 711 网络层功能 1网络联结功能 实现实体之间建立端到端的网络联结关系。 如果一对传送实体是在一个子网上的直接端用户 ，则这种网络联结只涉及一个子网范围内的数据 通路的建立、维护和拆除的过程；如果一对传送 实体是在不同子网上的间接端用户，则这种网络 联结涉及到子网之间的互连，以及通过互连的跨 网数据通路的建立、维

3、护和拆除的过程。 2路径选择功能路径选择功能就是为在源宿点之间建立 通路而提供一些控制的过程 3网络数据流控制功能 为避免发生“网络拥塞”和“死锁”现象 ，对进入网络的业务数据流的“量”和“ 分布”实施有效控制 4 网络联结上的数据传输与中继功能 在数据传输中为跨越互连设备进行中继转发 ，并对分组、顺序、差错和速度等多方面的控制 与恢复过程5其他功能网络层还要提供诸如子网接入、网络联结复 用、服务指标选择与协商等基本功能，及在网络 互连环境下的协议转换和服务汇聚功能等。 在OSIRM中，已把网络服务划分为两大 类：面向联结的网络服务CONS和无联结 的网络服务CLNS。在通信子网中对这两类 网

4、络服务的具体实现，分别是虚拟线路 (Virtual Circuit，VC)传输方式和数据报 (Datagram，DG)传输方式。 712 网络层服务 1 面向联结的网络服务CONS CONS具有如下技术特点： n数据传输之前必须先建立虚线路联结的支持；n 端系统必须具有全网地址和对虚线路标识的能 力；n 通信子网要有指定的路由算法来支持虚线路的 建立过程：n 端系统之间的数据传输的通路是确定的而且是 有序的，因而传输服务质量较高。 712 网络层服务 712 网络层服务 2无联结的网络服务CLNS CLNS具有如下技术特点：n数据传输之前不必先建立确定的通路联结；n端系统或源节点要把数据包封装

5、成有全局寻址和寻 径能力数据单元；n网络中所有节点都有指定的路由算法来独立地为数 据报选择最佳路径并转发；n端系统之间的数据传输的通路不确定而且不保证有 序的，要求宿点或宿端系统提供用于卸包、排序和重 装数据的资源和能力；n数据报传输对网络故障的适应性好，网内数据流易 于平衡分布，网络运行效率高，但数据传输服务质量 不如CONS。 网络层的两种传输方式图7-2 通信网的两种工作方式所有的数据分组均事先建 立起来的通路传输所有的数据分组均没有固 定的通路传输路径项 目 数据报方式 虚电路方式 电路建立 不需要 需要 编址 数据分组包含源和目标地 址 数据分组包含虚电路 号 状态信息 通信网不需要

6、状态信息 每条虚电路利用一个信 道 寻址 数据分组独立寻址 按虚电路传输 路由器失败的影响 除了网络崩溃外无影响 路由器失效则虚电路 断链 可靠性 不保证可靠性只是尽力传 输 可靠性好 平衡网络流量 好 差 虚电路和数据报方式主要特点的比较 72 网络层路由技术网络层的路由技术实现通信子网内的路径选择功 能，目的是完成选择和建立一条合适的(符合某个 评判准则的)物理或逻辑的通路，以供进网数据从 源节点传送到达宿点的控制过程。所建立的数据 通路既要有利于数据单元的快速传送，也要有利 于使网内业务分布趋于均匀，以达到网络工作稳 定并提高网络吞吐量之目的。因此，路由问题是 网络层所特有的比较复杂且又

7、很重要的控制问题 。 对一种用来选择数据传输路径的方法(策略)，通常用 相应的路由算法(Routing Algorithm)进行描述。任一种路 由算法的目的，都是为了获得良好的网络性能，即尽可能 提高网络吞吐量和尽可能降低平均报文时延。 1路由算法的要求 正确性：迅速、合理 简单性：减轻节点负荷和软件复杂性，减少开销 可靠性：能适应各种故障引起的拓扑变化 稳定性：在各种环境下均能保持良好的通信性能 健壮性：经的起各种干扰，适应各种环境 公平性：负荷分配合理 最优性：信息传送的性价比最佳，综合性能最佳7.2.1 7.2.1 路由算法的要求和分类路由算法的要求和分类2路由算法的分类 路由算法主要分

8、为两大类 (1)确定型算法(Deterministic Algorithm)这一类算法是基于网络拓扑和平均报文时延的静 态要求，以某一固定的准则来选择报文的路径，算 法结果一般不随业务和拓扑变化而改变。这类算法 包括：扩散式路由算法、随机式路由算法和固定式 最佳路由算法等。(2)适应型算法(Adaptive Algorithm)这一类算法是基于网络状态参数随时间而变化的 动态信息，选择在某一段时间内有效的数据通路， 算法结果尽量地自动适应业务和拓扑的变化。这类 算法又可细分为：集中式自适应算法、孤立式自适 应算法和分布式自适应算法等。 3.实现路由算法的一般方法 将路由策略（算法）转变为实际的

9、控制过程的方 法有源路由法和路由表法。 (1)源路由法源路由法是一种标头指示法。在报文交换网 和虚线路分组交换通信子网中，一个报文的传输 通路在源主机或源节点就被决定了。该报文的通 路信息可以标识在报文的各个分组的标头域中( 一般是作为分组标头域的选项数据来传输)。 图7-3 利用标头指示路由信息 例如，如图7-3所示，假定数据通路为A-C-E-D，其 中A为源节点，D为宿点，C和E为中转节点。可将这4个 节点的编号和相应的输出链路或逻辑通道号(不是必需的 )标识在标头域中。被标识的节点和链路的出现顺序，应 与分组穿越顺序相符。分组每到达一个节点，即根据标 头中标识的指示信息被引向到下一个节点

10、去。 (2)路由表法 在每个节点处理机的内存中始终保持一个路由表 。这个路由表是根据所采用的路由算法预先或实时地 计算出来的，它以表的形式列出了该节点对任一源- 宿点对之间传输分组的路由信息(例如，通向宿点去的 输出链路号或逻辑通道号)。 图7-4所示为某个网络中节点B的路由表例子。表中记 入的每项信息指明对应于一个“源一宿”节点对之间 传输分组经由节点B中转时必须转发去的输出链路号 。由图可看出，该节点有3条链路(l1，l3,l5)与其他 节点相连。例如，有一分组要 从A点传到D点，途 径节点B。在各分组 的标头域中只要标 明“AD”地址信 息，即可知该分组 从节点A来，要到节 点D去。节点

11、B收到 每个分组后，根据 标头信息AD，查 路由表的(A，D)项 ，可得该项记录为 “l3”，说明应将 这个分组引到第3号 链路输出。图7-44.最小费用准则 各种路由算法实质上都是建立在某种形式 的最小费用准则的基础上。路由算法使用了许 多种不同的度量标准去决定最佳路径。复杂的 路由算法可能采用多种度量来选择路由，通过 一定的加权运算，将它们合并为单个的复合度 量、再填入路由表中，作为寻径的标准。通常 所使用的度量有：路径长度、可靠性、时延、 带宽、负载、通信成本等，综合上述因素得到 的通信最小费用。1.扩散法扩散式算法亦称泛洪式算法(源于英文词 Flooding Algorithm)是欧洲

12、RAND公司P.Baran最早 提出的军用分组交换通信网中采用的路径选择方式 ，它具有高度可靠性的优点。根据扩散式路由算法，当一个节点接收到一个 分组并确知需将它转发时，立即将分组复制若干副 本分别发送到所有的相邻节点去，犹如洪水泛滥一 般。若每个中转节点都如此这般地转发分组，可使 一个分组有多条通路到达目的节点。各节点只需拣 取最先到达者即可，将后到者删除。 7.2.2 确定型路由算法 扩散法图7.5 扩散法广播示意图扩散式路由具有两个明显的特性：(1)每个报文或分组及其副本经过了通往目的地的所有可 能的通路。这样，不管哪个节点或链路发生故障，只要保留 最少一条通路是完好的，总会有一个副本到

13、达目的地。(2)所有经过的通路中总有一条通路是最短的，所以总会 至少有一个副本获得最短路径(或最小时延)传输。第一个特性保证了这种路由方案的高度可靠性；第二个 特性保证了最小报文时延的优良性能。除此之外，它还具有 不需要节点路由表、算法简单因而处理时间短、节点费用低 等优点。严重缺点是：网络中的分组副本很多，形成额外的无效 业务量，降低了网络利用率。所以，这种方式只适用于网络 负荷很轻的小规模网络。 2. 固定式最佳路由算法 这种方法的路由选择属于网络设计的 一部分。它是在网络设计时根据网络拓扑 、信息平均时延（和传输距离以及预计的 平均负荷有关）事先确定，通常在网络运 行期间不再改变。基于最

14、短路径的最小时延路由算法， 是固定式算法中的最佳算法。 最小时延路由算法是把当前网络的拓扑和 业务分布、链路容量等参数，折合成各链 路的“费用值”，依此作为寻找每一个数 据流的最短路径的费用标准，以最短路径 算法为基础，以网络平均报文时延作为最 小化目标，迭代地求解对各条链路的流量 分配，最终可得所有进网报文流的最佳通 路。 具体实现时，采用路由表法，所以又 叫做“固定路由表法”。它又可细分为绝 对路由表法和可迂回路由表法。 (1)绝对路由表法对于网络的任一源宿点对之间，路由表中 只给出了一条惟一不变的通路。当这条通路发生 故障时，分组就无法传输。所以，这种方法不能 适应网络拓扑的变化，适应性

15、较差。(2)可迂回路由表法对于网络的任一源宿点对之间，路由表中不 只给出一条路径，而是给出好几条可能的路径。 这样，当其中一条路径因故障而中断时，在路由 表中还可查到能迂回故障点的另一条路径，保证 报文的可靠传输。在几条路径中，一般是以路径 所经历的中转节点(或链路)数目最少(假设这一数 目亦反映了路径的费用值) 的路径作为最优路径 。 2. 固定式最佳路由算法(最短路径算法)图7-6 最短路径算法网络示例7.2.2 确定型路由算法 图7-7 最短路径树和路由表A的下一 个节点A的目标 节点7.2.3 适应型路由算法适应型路由策略是基于某一性能准则( 例如最小平均报文时延)，根据网络当前运 行

16、中不断变化着的实际参数，动态地决定 各节点的路径选择方案。每个报文路径在 传输期间动态地确定，以便及时自动地适 应当前的网络业务或其他条件(例如节点或 链路故障)的变化。所以这种类型的算法称 为自适应路由策略。 图7-8 节点J的迟延时间表和路由表 每条路径的 延迟时间选出的最 佳路径7.3.1流控问题概述 1. 网络的拥塞和死锁现象 7.3 网络层流控技术图7.8 流量控制与拥塞控制比较示意图100Gbit/ s网络(1)(1)拥塞控制与流量控制的区别拥塞控制与流量控制的区别图7.9 拥塞控制的概念 图7.10 死锁的发生J节点缓冲区爆满，B3 无法传送到J节点，K 节点长时间等待B3(2)拥塞控制的概念图76死锁现象 双方 均满一个闭环上的各个节点的相关链路缓 冲池被占满,每个节点均无法接收宿点的 缓冲池 爆满,无 法接收 新数据(3