北航计算机网络课件第5章

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1、第五章 网络层v5.1 网络层功能和服务 v5.2 网络层互连设备 v5.3 路由选择策略 v5.4 基本的路由算法 v5.5 基本的网关路由协议 v5.6 虚电路中数据包的传输 v5.7 拥塞控制和流量控制 5.1 网络层功能和服务v为了实现端到端的传递，网络层提供了两种 主要功能：交换和路由v交换和路由需要在原始数据包上附加源和目 的地址，这些地址和数据链路层的上、下结 点地址不同，网络层地址是信源和信宿。v网络层提供任意两个网络结点的可靠通信。5.1.1 网络层的功能v信源到信宿的传输：将多条物理链路连接成 一条传输路径。v逻辑寻址：为了完成从信源到信宿的传输， 在数据包的头部加入源地址

2、和目的地址。v路由：选择从一点到另一点发送数据包的最 佳路经。v地址转换：将网络层地址翻译成对应的物理 地址。v复用：同一条物理线路同时传输多个设备间 的数据v流量和拥塞控制v网络互连:解决网络互连的有关问题5.1.2 面向连接的网络服务v面向连接的网络服务为数据传输建立一条虚 电路，这条电路在整个数据传输过程中都是 有效的。属于这次数据传输过程的所有包都 将按顺序沿着这条电路传输。应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层H1 H2虚电路v一个面向连接的网络服务通过如下步骤完成 一次传输过程：v发送者发送一个连接请求包v接收者使用一个连接确认包进行确

3、认v发送者传输数据v发送者发送一个连接终止请求包v接收者使用一个终止确认包进行确认v面向连接网络服务的优点：v1.数据顺序到达、具有流量和差错控制;v2.可以使用滑动窗口进行流量控制; v3.控制信息少, 减少了额外开销;v面向连接网络服务的缺点：v1.一旦连接建立以后，路由的灵活性就不存在 了。如果一条链路发生阻塞或出现其他问题 ，后续的包不能使用其他的路径来替代。v2. 速度低。在面向连接的网络服务中，包必 须被检查、或者被确认、或者被重传。5.1.3 面向无连接的网络服务v一次多包传输中，每个包被当作一个独立的 单元。无连接协议不提供逻辑连接。中间结 点根据路由信息和报头地址选择路径。应

4、用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层H1 H2IP 数据报丢失v面向非连接网络服务的优点：v如果可靠性和排序可由上层协议来处理的话 ，面向非连接具有速度和开销方面的优势。 如果某一条路经发生阻塞或中断，包可以选 择另一条路经。单个传输的各个片断可以通 过不同的路径传输，从而达到最大的效率。v面向非连接网络服务的缺点：v1.不可靠，无法保证数据包顺序到达。v2.每个包所需的开销较大，每个包必须携带 完整的地址信息。两种方式总结v通信子网向端系统提供两种网络服务：虚电 路，数据报。而通信子网内部的工作也有虚 电路和数据报方式。v提供虚电路服务的通信子网

5、内部的操作可以 使虚电路方式、也可以是数据报方式。v以虚电路方式操作的网络一般总是提供虚电 路服务。 v以数据报操作的网络也可以提供虚电路服务 。即通信子网内部结点按数据报方式交换数 据，而与端系体连接的网络结点向端系统提 供虚电路服务。对于端系统来说，它的网络 层与网络结点的通信像虚电路操作方式一样 ，先建立虚电路，再交换数据，最后拆除连 接。但每个分组被网络结点分成若干数据报 ，附上地址分送到目的地。例如：TCP/IP协 议，IP协议是无连接的，但TCP协议是面向 连接的。v尽管通信子网的数据报交换是不可靠的，但 两端的网络结点作了诸如排序、重发等工作 ，从而满足了虚电路的服务。v数据报服

6、务一般由数据报交换网来提供。网络层提供的两种服务v在计算机网络领域，网络层应该向传输层提 供怎样的服务（“面向连接”还是“无连接”） 曾引起了长期的争论。v争论焦点是：在计算机通信中，可靠交付由 谁来负责？是网络还是端系统？v电信网的成功经验让网络负责可靠交付。v因特网采用的设计思路，网络层不提供服务 质量的承诺。只提供简单灵活的、无连接的 、尽最大努力交付的数据报服务。5.2 网络层互连设备v网络层互连设备主要是路由器。网络网络网络网络网络路由器5.2.1 路由器v路由器工作在网络层。路由器在多个互连设 备之间中继数据包。路由器对来自某个网络 的数据包确定传输路径，发送到互连网络中 任何可能

7、的目的网络中。路由器和交换机的区别5.2.2 第三层交换机v三层交换机的特征：v转发基于第三层地址的业务流v完全交换功能v完成特殊任务，如报文过滤v有路由功能5.2.3 网关v网关是一个协议转换器。网关通常是安装在 路由器内部的软件。可以工作在OSI的7层。5.3 路由选择策略v路由选择就是网络中各个结点为到来的数据 包选择一条输出链路。v如果网络内部使用数据报，那么就必须为每 个到来的包作一次路由选择。如果网络内部 使用虚电路，则仅在建立一个虚电路时作一 次路由选择，以后各数据包都按建立的路由 传送。5.3.1 路由选择的基本要求v正确性：路由算法必须是正确的v简单性：算法在计算上应该简单v

8、坚定性：长时间运行不会出现系统故障v稳定性：算法是收敛的v公平性：通信结点利用信道的机会均等v最佳性：按一定的标准获得最好的效果5.3.2 路由选择策略v根据路由算法能否随网络的通信量或拓扑结 构变化而进行调整来划分，路由选择算法可 分为两大类：v非适应性路由选择算法v适应性路由选择算法v非适应性路由选择v非适应性路由算法不能随网络的通信量变化 而变化，但实现起来容易。有以下几种方法 ：v洪泛(flooding)法：某个结点收到一个包 时，向所有与此结点相连的链路发送这个包 。v有选择的洪泛法：满足事先确定的条件的 链路上转发包。 v固定路由法：按最短路径建立一个表，表 上标明每个目的地址的包

9、应当从哪条链路上 转发。v随机走动(random walk)法：随机选择一条 链路进行转发。 v分散通信量法：每个结点上设置一个表， 表中给出几个可采用的输出链路，并且对每 条链路赋予一定的概率，此概率就是利用此 链路进行转发的概率。v适应性路由选择v非适应性路由选择算法不适合网络中通信量 变化很大的情况，这时需要适应性路由选择 算法，适应性路由选择算法主要由以下3种：v孤立的路由选择策略v各结点只根据自己的状态决定路由选择，而 不与其它结点交换信息。算法非常简单，但 并不准确，使用此方法有时效率不高。v分布式路由选择策略v每个结点有一个路由表，并周期性地从周围 相邻的结点获得网络状态信息，同

10、时，也将 本结点做出的路由周期性地通知相邻的各结 点。整个网络的路由选择经常处于动态变化 之中。v典型的算法有:RIP协议和OSPF协议。v集中式路由选择策略v网络控制中心NCC负责全网状态信息的收集 、路由计算、以及路由选择的实现。每个结 点定期向网络控制中心报告一些状态信息。v优点：各个结点不需要路由选择计算v缺点：通信量大、可靠性差、网络的规模受 到限制5.4 基本的路由算法v距离最短的路径是最佳路径，距离最短的标 准可以是费用最小、传输延迟最小、数据传 输速率最大、以及这些因素的一种组合。v有两种最常用的计算最短路经的方法：v距离向量路由v链路状态路由5.4.1 距离向量路由算法v在距

11、离向量路由中，每个路由器周期性的将 自己关于整个网络的信息发送给它的邻居。 每个路由器保存关于整个网络的信息 仅仅和邻居交换网络信息 信息的交换是通过有规律的时间间隔来进 行，一般每个30秒v每个路由器依据路由表来转发数据包，距离 向量路由算法的路由表中的每一项一般具有 如下的格式： vNetID: Distance: Nexthopv例：轮 路 由 器目的网络12345670A1:1:-2:? 3:1:-4:?5:1:-6:?7:?B1:1:-2:1:-3:?4:?5:?6:?7:?C1:?2:1:-3:?4:?5:?6:1:-7:?D1:?2:?3:?4:?5:?6:1:-7:1:-E1:

12、?2:?3:?4:?5:1:-6:?7:1:-F1:?2:?3: 1:-4:1:-5:?6:?7:?1A1:1:-2:2:B3:1:-4:2:F5:1:-6:?7:2:EB1:1:-2:1:-3:2:A4:?5:2:A6:2:C7:?C1:2:B1:1:-3:?4:?5:?6:1:-7:2:DD1:?2:2:C3:?4:?5:2:E6:1:-7:1:-E1:2:A2:?3:2:A4:?5:1:-6:2:D7:1:-F1:2:A2:?3:1:-4:1:-5:2:A6:?7:?2A1:1:-2:2:B3:1:-4:2:F5:1:-6:3:B7:2:EB1:1:-2:1:-3:2:A4:3:A5:2

13、:A6:2:C7:3:AC1:2:B1:1:-3:3:B4:?5:3:A6:1:-7:2:DD1:3:C2:2:C3:3:E4:?5:2:E6:1:-7:1:-E1:2:A2:3:D3:2:A4:3:A5:1:-6:2:D7:1:-F1:2:A2:3:A3:1:-4:1:-5:2:A6:?7:3:A3A1:1:-2:2:B3:1:-4:2:F5:1:-6:3:B7:2:EB1:1:-2:1:-3:2:A4:3:A5:2:A6:2:C7:3:AC1:2:B1:1:-3:3:B4:4:B5:3:A6:1:-7:2:DD1:3:C2:2:C3:3:E4:4:E5:2:E6:1:-7:1:-E1:2:

14、A2:3:D3:2:A4:3:A5:1:-6:2:D7:1:-F1:2:A2:3:A3:1:-4:1:-5:2:A6:4:A7:3:Av算法的特点：v优点：简单、适用于小规模网络v缺点：网络规模的伸展性差、对链路状态的 变化响应慢、路由包文尺寸大且包文长与路 由器的个数成正比. v典型的协议是：vRIP(Routing Information Protocol)v在路由器上键入命令:vRouter ripvNetwork 192.168.1.0vNetwork 192.168.2.05.4.2 链路状态路由算法v在链路状态路由中，每个路由器和互连网络 中的所有其它路由器共享关于它邻居的信息:

15、共享关于邻居的信息 共享的信息发给所有的路由器 信息的共享在有规律的时间间隔内进行 （一般30分钟）v理解链路状态路由的关键在于它和距离向量 路由的不同之处。在链路状态路由中，每个 路由器和互连网络中的所有其它路由器共享 关于它邻居的信息。v链路状态路由可分为两步完成：第一步是共 享链路状态信息，即每个路由器将它自己和 它的所有邻居之间的链路状态信息发送给互 连网络中的所有其它路由器。第二步是每个 路由器根据自己所掌握的关于整个网络的链 路状态信息计算到每个网路的路由。v链路状态信息共享v(1)路由器传输包的费用：在链路状态路由中 ，费用是许多因素的加权值。这些因素包括 安全级别，流量和链路的

16、传输速率等。v(2)链路状态包：路由器通过向整个互连网络 中的所有路由器发送链路状态包(LSP)，在网 络中扩散关于自己邻居的信息。一个LSP通常 包含四个信息域：广告者的ID，所影响的目 标网络ID，费用，邻居路由器的ID。v(3)获得关于邻居路由器的信息：每个路由 器都周期性地发送一个简短的问候包来获取 关于它们邻居的信息。这些问候包很小，只 占用很小的网络资源。v(4)初始化：每个路由器在启动时向它的所有 邻居发送一个问候包来获取每条链路的状态 信息。然后它基于这些问候的结果准备一个 LSP，并将它扩散到整个网络。像是说：大家 好!我是新路由器，这里有人吗?v(5)链路状态数据库：每个路由器接收每个其 它路由器发送来的LSP，并将它们的信息存放 到一个链路状态数据库中。广告者相关网络费用邻居A11B A33F A52E B1