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1、计算机通信网第五章 网络层作者：段景山作者：段景山Link Layer Overviewl链路层通信范围物理层链路层高层物理层链路层高层点对点链路 局限在两个站点之间通信物理层MAC高层物理层MAC高层物理层MAC高层物理层MAC高层局域网 局限在小范围内多个站点之间通信Link Layer Overviewl链路层仅实现了数据单元(DU)在信道上的传输物理层链路层 物理层链路层物理层MAC物理层MAC物理层MAC物理层MAC链路层将DU向某个/某些站点传输物理层链路层 物理层链路层形成网络的基础 在上层，将DU再次传送出去 ，扩大DU的传输范围DU在一个设备 内部实现链路层将DU向对方站点传
2、输Introductionl由任意多个局域网和点对点链路的任意连接结构网络基本元素L1L2 L1L2 L1L2 L1L2L3= 点对点局域网 (总线、环形、)路由器在L3中继DU任意连接结构Introductionl连接细节点对点信道物理层链路层L3物理层链路层L3 点对点信道物理层macL3物理层mac 物理层mac 物理层mac总线连接方式(其它连接方式以此类推)路由器信道接口内的L1L2与所连网络(链路对端)的L1L2相同Introductionl简化模型“链路层” “物理层” “信道”简化成链路(线条)DU从源站点的L3出发，经过中间多个L3的转发，最终到达目的站l基本问题站点标识问题
3、局域网站点有地址标识，但仅限在局域网内部点对点信道站点没有地址L3转发DU问题(微观问题)若DU是纯数据，L3就不知道DU从何而来，要到何处要在DU中占用一部分字节作为转发信息(L3的PDU)L3转发DU问题(宏观问题)DU在网络上如何沿传输路径前进？DU传输路径问题从源到目的的路径该如何确定6L3L3L3L3L3L3链路1链路2链路3链路4链路5链路6链路7源站点目的站点7IP网络层实例l源站和目的站的应用软件间的通信利用IP网络中的IP分组传递实现IPIP分组分组IPIP协议协议IPIP协议协议IPIP协议协议PPPPPP链路链路以太网链路以太网链路IPIP分组分组 = = 首部首部( (
4、源源IPIP地址，目的地址，目的IPIP地址，其它信息地址，其它信息) )，Data BlockData Block首部首部Data BlockData BlockIPIP分组分组BlockBlock源站源站目的站目的站路由器路由器85.1 网络层要素l站点标识：网络地址在全网范围内统一定义“网络地址”每个站点至少分配一个全网范围内唯一地址网络地址分配网络地址分配N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11 N12N13点对点信道的站点 至少有一个地址：“网络地址”局域网站点 至少有两个地址：“局域网地址”和“网络地址” 这两个地址应用范围和层次不同网络层要素lL3转发DU微观问题需要在D
5、U中携带转发信息，L3才能处理L3接收DU、寻找路径、转发DU功能构成L3协议l定义协议数据格式(分组，Packet)DU = 网络层Packet=协议首部+Data_Block协议首部=类型、状态、方向等信息Data-Block=携带的数据块(若干字节数据)9HHDataDataDUDU网络层分组网络层分组链路层链路层DUDU链路层链路层HH DataData根据首部信 息选择转发 出口链路L3网络层要素lL3转发DU宏观问题全局配合的转发机制10HH DataData转发信息=目的地址 根据地址选择出口链路根据目的地址选择转发路径HH DataData转发信息=ID 根据ID选择出口链路1
6、 1 2 2 3 3n nj jk kmm路由器转发规则根据ID选择转发路径每个路由器需要掌握到 所有目的站点的路径每个路由器需要预先建 立ID之间的转发关系网络层要素lDU传输路径问题11HH DataData转发信息=目的地址 根据地址选择出口链路 到X，走AA到X，走C到X，走QQX1 1 2 2 3 3n nj jk kmm1 1 2 2k k n nj jk kmm1 1 2 2i in nj jk kmmHH DataData原始转发信息1 13 3HH DataDataHH DataDataHH DataDatammk k根据首部的不同ID，从同一源站 点发出的分组将走不同的路径
7、， 同时，分组首部ID也随之改变根据首部不同目的地址，从同一 源站点发出的分组将走不同的路 径，分组首部不发生改变HH DataData网络层要素l路由协议寻找各处站点，在本地建立路径的方向12转发表(FIT）路由协议路由协议设置路由信息13网络层要素l路由协议每个站点的FIT表内容表示从自己出发达到任意目的 地址的“最短路径”。(不同站点FIT内容不同)站点间路由信息交互(路由协议)计算到任意站点的最短路由，生成FIT表的内容5.1.1 网络地址l网络地址的编址需求每个站点至少有一个惟一网络地址来标识自己网络地址有助于站点位置的查找全网统一编址l两个编址参考实例邮政编码 6100xx6102
8、xx6117xx郫县成都双流清水河校区沙河校区61830000832000008320111483201120832011198320345661830114618301196183012061834321电话号码特点：区域编址 内部子区域编码任意编排特点：中心编址 按中心接口位置编排网络地址编码l局域网的网络编址：区域编址方案(IP网络)局域网站点的地址与接入点位置无关202.112.1.1202.112.1.2202.112.1.x202.112.1.y202.112.2.1202.112.2.2202.112.2.x202.112.2.y网络：202.112.2.0 202.112.2.
9、255网络：202.112.1.0 202.112.1.255202.112.1.1IP地址结构：固定长度网络区域区分内部站点注：IP地址还有更灵活的区分网络和区分站点的编 码表示方法，在TCP/IP课程中学习站点的地址在满足网络区域编码 和惟一性条件下可自主设定网络地址编码l点对点信道编址结构：中心编址方案61830000 0001 0002 0005 0015=61830015=61830001=61830002=61830005站点地址不能自 主设定，由接入 的接口决定83200000 0001 0002 0005 0015=83200015=83200001=83200002=8320
10、0005地址结构：可变长度aabbb83200015接口号中心号区号国家号8328000028区(成都)网络地址编码l对比以太网MAC地址编码MAC地址：xx-xx-xx-xx-xx-xxIP地址：aaa.bbb.ccc.ddd平面地址，地址与站点位置无关结构地址，地址与站点位置相关：位置 在某个网络(aaa.bbb.ccc.0)区域内结构地址为网络协议提供了寻找站点所在位置的部分 线索，但这对于寻找网络站点还远远不够！网络编址和寻址l考虑站点A向站点B传递报文ABR1R2R3R4R5传递过程可以分解为： 1、A将报文传递到R1上 2、R1设法找到B所在的区域位置(R5),并寻找到R5的路径，
11、沿路径传递报文 3、R5将报文传递到B上寻址的关键点：是各个R如何找出目的R在何处、及确定传输路径的 问题，与源网络或目的网络关系不大。(中心编址方案亦如此)网络编址和寻址l区域编址与中心编址方案的寻址差异区域编址可能有多个目的R 带来寻址灵活性的同时，也带来了寻址计算的复杂性中心编址只仅有一个目的R 寻址方式简便、单一205.1.2 网络层分组格式l无连接模式分组标志：首部包含源地址和目的地址l连接模式分组标志：首部包含流ID号(可能名称不同)Ver HLenTOSTotal LengthIdentifierFlagsFrag OffsetTTLProtocolHCSSource IP Ad
12、dressDestination IP Address Data BlockIP分组格式GPILGN LCN 分组类 型Data BlockX.25分组格式(源地址、目的地址)(逻辑信道号=流ID)215.1.3 无连接通信体制特性l基于目的地址的选路与中继l微观特性FIT表包含所有目的站点的转发路径从接收的Packet中提取“目的地址”，实现转发Packet原样转发(不加修改)l宏观特性源站为Packet提供“目的地址”Packet可随时切换到其它路径(修改FIT)健壮的通信PacketFITFITx225.1.4连接模式通信体制特性l基于流ID的选路与中继l微观特性(1)考察：两个站点都用
13、ID=1与各自的对方通信 Packet中继时，其中的ID号被修改1 1DataData1 1DataData1 11 11 1如果原样转发如果原样转发无法区分不同的流无法区分不同的流1 11 1出口处修改出口处修改IDID号号可区分，并在出口可区分，并在出口 处继续修改处继续修改IDIDa a b ba a b bR1R1R2R2x xy y1 1DataData1 1DataData1 1DataData1 1DataDatax xDataDatay yDataData?23连接模式通信体制特性l微观特性(2)一般化中继模型流ID的数值范围=1,2,n不同Link上的流(即使是相同的ID)是
14、互不相关的FIT：各Link上的流ID的对应转发及ID变换关系若Packet的ID没有对应关系，则丢弃PacketLink-1Link-1Link-2Link-2Link-iLink-iLink-kLink-k1 12 2n n1 12 2n n1 12 2n n1 12 2n nLinkIDLinkID 11i2 2k1 n22 21kn21nn- i1-211n- k1122-n21FITFIT24连接模式通信体制特性l微观特性(3)建立ID对应关系源站找出一个空闲的流ID，发出呼叫分组建立Link间Packet转发的流ID变换关系呼叫分组沿途前行，直到目的站点为止后续通信发起方：流ID为
15、发起呼叫的ID被叫方：流ID为接收呼叫的IDLink-1Link-1Link-2Link-2Link-iLink-iLink-kLink-k1 12 2n n1 12 2a a n n1 12 2b b n n1 12 2n nGPILGN LCN 呼叫分组 源地址目的地址呼叫呼叫取出目的地址，根据路由选择出口链路取出目的地址，根据路由选择出口链路 及空闲的及空闲的IDID，继续转发原呼叫分组，继续转发原呼叫分组 建立Link-2(a)与link-i(b)的转发关系 a a呼叫呼叫b b25连接模式通信体制特性l宏观特性用呼叫分组建立双方的通信关系(流ID)固定传输路径(虚电路)ID逐次变换关
16、系确定的转发路径Packet中的流ID经过一次转发就改变一次不能动态改变传输路径遇见路径上发生故障，只能中断通信(或重新呼叫)不可能用流ID推断目的地址信息A AB Bx xy yx26通信体制：小结l无连接方式A-B的通信可随时切换传输路径具备抗链路或中继站点故障能力分组到达B的顺序可能发生与A发出的顺序不一致易于实现广播通信中继转发性能较弱(地址空间大，FIT表庞大)每个分组平均需要M/2次查表(M为表项数)l面向连接方式A-B的通信沿固定路径传输不具备抗链路或中继站点故障能力分组按顺序传输难以实现广播通信中继转发能力强(只关注流经本站的ID，FIT表小巧)优化情况下，每个分组只需一次查表网络层通信协议进一步分析l两种典型的网络通信体制比较无连接模式(Connectionless Mode)通信体制数据报(Datagram)通信连接模式(Connectio
