计算机网络-第5章1

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1、课件制作人：沈红,计算机网络,沈阳理工大学信息科学与工程学院,课件制作人：沈红,第5章网络层与广域网技术,课件制作人：沈红,5.1 网络层与广域网技术 5.1.1 网络层概述,网络层的功能： 网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通 信 网络层的另一个任务就是要选择合适的路由,课件制作人：沈红,5.1.2 数据报与虚电路,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。 争论焦点的实质就是：在计算机通信中，可靠交 付应当由谁来负责？是网络还是端系统？,课件制作人：沈红,因特网采用的设计思路,网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最 大努

2、力交付的数据报服务。 网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分 组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无 关（不进行编号）。 网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组 可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终 点），当然也不保证分组传送的时限。,课件制作人：沈红,尽最大努力交付的好处,由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这 就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价 格低廉（与电信网的交换机相比较）。 如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要 是可靠的，那么就由网络的主机中的传输层负责 （包括差错处理、流量控制等）。 采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降 低，运行方式灵

3、活，能够适应多种应用。 因特网能够发展到今日的规模，充分证明了当初 采用这种设计思路的正确性。,课件制作人：沈红,5.2 路由选择 5.2.1 路由选择的作用及原则,路由选择：当一个网络结点在收到一个分组后， 要确定向下一个结点传送的路径。 确定路由选择的策略称为路由选择算法 （Routing Algorithm ） 。路由选择算法是实现 最佳路由选择的步骤和方法,课件制作人：沈红,理想的路由算法 正确和完整及计算上是简单的 能够自适应通信量及网络拓朴的变化 稳定的、公平的 所谓最佳的，即相对于某一特定要求下得出较为合理的选择 算法分类 非自适应路径选择算法，也叫静态路由选择 自适应路径选择算

4、法，也叫动态路由选择,课件制作人：沈红,5.2.2 静态路由选择,1、非自适应路由选择固定路由法：网络中都有一个网络控制中心，由它 按照最佳路由算法求出每个结点到网络中其它结点最佳路 由。每一个结点保持一张路由表，表上标明每一个目的地 址应走哪条链路，关键的问题是要算出给定网络中任意两 个结点之间的最短通路优点：简便易行，在负载稳定、拓扑结构变化不大的网络 中运行效果较好。 缺点：灵活性差，无法应付网络中发生的阻塞和故障。,课件制作人：沈红,2. 扩散式路由选择（也叫泛洪法） 泛洪法：源结点把分组发送给每个相邻结点,每个中间 结点接收到分组后复制若干个拷贝,转发给除输入链路之 外的其它各个相邻

5、结点,这样同一分组的拷贝像洪水泛滥 一样,迅速布满全网,总有一个拷贝最先到达目标结点。 这种方法用于诸如军事网络稳健性要求较高的场合。 泛洪路由选择可被用来进行网络的最短路径及最短传输延迟的测试。 3.随机式路由选择方法有两种： 完全随机：若与结点相连的链路路径有N条，对输出路径依次编 号，结点收到分组后，产生一个从1到N之间的随机数i，把该分组 送到第i条输出路径上转发。,课件制作人：沈红, 轮选法：是指对所有与该结点连接的链路进行排序， 当该结点每接收到一个分组时，依次选一输出路径转发到 来的每一个分组。就将其根据排序的先后顺序，依次发送 出去。特点：实现简单，但实际路由有可能不是最佳路由

6、 ，这会增加不必要的负担，而且分组传输延迟也不可预 测，所以此方法应用较少 其中Rj是各链路数据速率，Ri是某条链路的数据速 率，Pi是选择此链路的概率。,课件制作人：沈红,5.2.3 动态路由选择,分为三类： 1.独立路由选择算法（热土豆hot potato 算法 ）当一个分组到来时，结点必须尽快脱手，将其 放入输出队列长度最短的方向上排队，而不管该 方向通向何方。特点：各结点只考虑结点本身的状况，即根据 本结点所搜集到的有关信息做出路由选择的决 定，但与其它结点不交换路由选择信息。,课件制作人：沈红,2.集中式路由选择集中式路由选择是在网络中的某个中心结点计 算网络中的路由，然后把路由信息

7、再传递到网络 中的各个结点。路由控制中心（Routing Control Center， RCC）定时根据网络状态计算、生成并分发到各 相应结点。 3.分布式路由选择把路由选择分散到网络中的每个结点，由每个 结点通过与相邻结点周期性的交换网络中的路由 信息，对路由表中路由信息进行更新,课件制作人：沈红,5.2.4 路由选择算法举例,1、最短路径算法举例基本思想是：把网络看成是一个加权图；图中 的每个结点代表一个路由器。每条边表示一条通 信链路，边的权值为这条边的长度，它可以是真 正的物理距离，也可以是信道的带宽、平均通信 量等其它度量。这样网络中将源主机发出的分组 经最短途径送到目的主机的工作

8、就转化为在一个 加权图中的两个结点之间找到一条最短路径。,课件制作人：沈红,具体算法如下：假定结点1为源结点，则(1) 初始化：置N=1，对每一个v不属于N，置D(v)=c(1，v);(2) 重复：找出一个结点w不属于N，且D(w)是最小的，把w加入N。然后对所有不属于N的结点v按下式更新D(v)： D(v)=MinD(v)，D(w)+c(w，v),课件制作人：沈红,课件制作人：沈红,从表中可以得到结点A到其它结点的最短通路 树和最短路径,课件制作人：沈红,2、动态路由选择算法举例 1）距离向量路由协议 路由更新过程,课件制作人：沈红,运算步骤如下： 所有的路由器建有一个路由表，使系统中的 所

9、有目的地址都出现在路由表中，路由表中的每 一条记录都包含有目的地址和下一站地址。 路由器周期性地向相邻发送更新路由修改信 息。 相邻路由器在接收到更新信息后修改自己的 路由表记录。,课件制作人：沈红,一个次优化路由距离矢量路由协议在选路时的缺陷，因为它是 基于距离的，根本不考虑带宽因素。,课件制作人：沈红,5.3 广域网概述 5.3.1 广域网与局域网区别,覆盖范围不同 广域网和局域网的构成： 广域网由结点交换机以及连接这些交换机的链 路组成 广域网采用点到点到连接方式 局域网组成多为计算机 局域网采用多点接入技术 广域网特点：自身具有的扩展性,课件制作人：沈红,广域网和局域网的接入方式对应的

10、OSI参考模型,5.3.1 广域网与局域网区别,WAN与LAN的比较： 区别：LAN使用的协议主要在DLL，而WAN使用的协议 在NL。 WAN结点之间采用点到点的接入技术 LAN采用的是多点接入技术 共同点：连在一个WAN或LAN上的计算机在进行通信 时，只需要使用其网内的物理地址即可，即从互连网的 角度看，它们是平等的。,课件制作人：沈红,由局域网和广域网组成的互联网,课件制作人：沈红,5.3.2 广域网交换机中的路由表,广域网分组交换系统的基本机制是存储转发（store and forward） “转发 ”(forwarding) 和 “路由选择 ”(routing)： 转发就是当交换结

11、点收到分组后 , 根据其目的地址查找转发表(forwarding table), 并找出应从结点的哪一个接口将该分组发 送出去。 路由选择则是构造路由表(routing table）的过程。路由表是根 据一定的路由选择算法得到的，而转发表又是根据路由表构造出 的。总之，路由选择协议负责搜索分组从某个结点到目的结点 的最佳传输路由 , 目的是构造路由表。从路由表再构造出转发分 组的转发表。分组是通过转发表进行转发的。,课件制作人：沈红,1、广域网中的物理编址 层次结构的编址方案：WAN对接入计算机的编 址方法网中计算机的地址要求:网络中每一台计算 机的地址是唯一的。WAN中层次编址方案：把一个地

12、址分成两部 分，前一部分表示分组交换机，后一部分表示连 接在分组交换机上的计算机 所连接的交换机的编号，所连接的交换机端口号 如：1，11，32，12，4,课件制作人：沈红,连接在交换机上的计算机的编址方式,课件制作人：沈红,2 、转发分组方法 转发表 目的站：一个分组将要发往的目的站（主机）， 在转发表中用目的站代表主机 下一跳：分组发往的下一站（连接目的主机的交 换机），如果是本机就用直接表示,课件制作人：沈红,3、交换机路由表的简化按照目的站的交换机号确定下一站：对路由 表的简化，因确定下一站不是根据目的站的完整 地址，而是仅仅根据目的站地址中的交换机号， 故可将路由表中的“目的站”定义

13、为“目的站地 址中的交换机号”（而不管计算机的编号是多 少），即只有到分组与目的计算机相连的结点交 换机时交换机才检查第二部分地址，并通过合适 的低速端口将分组交给目的计算机。,课件制作人：沈红,交换机2中简化后的转发表,课件制作人：沈红,4、 广域网中的默认路由用图表示广域网：交换机抽象为点，链路抽 象为边，而连在交换机上的计算机与路由选择无 关，故不画上。,课件制作人：沈红,使用了默认路由的简化转发表,课件制作人：沈红,5.3.3 广域网中的路由选择与流量控制 流量控制实际上是对发送方数据流量的控制， 使其发送速率不致超过接收方所能处理的速率。在广域网中，路由选择与流量控制之间存在着 密切

14、的联系。一个网络最主要的性能指标有两个： 一个是反映网络服务数量的吞吐量；另一个是反 映网络服务质量的平均时延。,课件制作人：沈红,路由选择与流量控制之间的关系路由选择对网络吞吐量和时延的影响,课件制作人：沈红,一个实际的路由算法应尽量实现以下的要求： 算法必须是正确和完整的。 算法应力求尽量简单。 算法应能够适应网络流量和网络拓扑的变化。 算法应具有稳定性。,课件制作人：沈红,5.3.4 网络拥塞与控制,1 网络拥塞 拥塞的定义：若对网络中某一资源的需求超过了该资源 所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏，这种情况就 叫拥塞对资源的需求可用资源 任意增加一些资源就可解决网络拥塞吗？ 拥塞是由

15、于整个系统的各个部分不匹配 拥塞常常使问题趋于恶化 拥塞控制与流量控制的关系密切，但也有差别，拥塞 是一个全局性的问题，而流量控制往往指在发送端和接 收端之间的点到点的通信量 拥塞的征兆：大量包的丢失，时延的加大,课件制作人：沈红,直接死锁：互相占用了对方需要的资源而造 成的死锁 重装死锁：由于路由器的缓存的拥塞而引起 的,课件制作人：沈红,2、拥塞控制的基本原理 拥塞控制算法分成开环控制和闭环控制两大类 开环控制：在设计网络时，事先将有关发生拥塞的 因素考虑周到，力求网络在工作中不产生拥塞 闭环控制：它是基于反馈环路的概念，具体有以下措施： 监测网络系统，以便检测到拥塞在何时、何处发生 将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方 调整网络系统的运行以解决出现的问题 监测网络拥塞采用的指标 丢失分组的百分数 平均队列长度 超时重传的分组数 平均分组时延 分组时延的标准差,课件制作人：沈红,监测网络拥塞的另一种方法：在路由器转发的 分组中保留一个比特或字段，以此表示网络中的 拥塞情况 总结出以下几种： 1缓冲区预分配方法(Buffer Allocation) 2分组丢弃法(Packet Elimination) 3通信量控制法,