计算机网络-网络层讲义

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1、计算机网络,第4章 网络层,21世纪高等院校计算机专业规划教材,本章学习目标,理解并掌握不同的路由选择算法 理解拥塞控制的概念及原理 理解IP、ARP、ICMP、DHCP的作用 了解IP报文格式 掌握IP地址分类、子网划分、CIDR、NAT 掌握IP组播地址和MAC组播地址的对应关系 了解移动IP的工作过程 了解IPv6的特点及表示 理解并掌握路由器的构造和工作过程,4.1网络层概述,通信子网操作方式 虚电路（Virtual Circuit）操作方式 逻辑信道与虚电路表 永久虚电路与交换虚电路 数据报（Datagram）操作方式 网络层服务 虚电路服务：可由虚电路或数据报操作方式实现 数据报服

2、务：一般由数据报操作方式实现 网络层功能 异构网络互连、路由选择、拥塞控制,异构网络互连,网络互连设备 转发器（中继器）Repeater 集线器Hub 网桥Bridge 交换机Switch 路由器Router 网关Gateway 网络互连方式 面向连接的虚电路方式 无连接的数据报方式,无连接的数据报互连方式,寻址 路由 分组生命期 差错控制 流量控制 分段和重组 透明分段 不透明分段 隧道技术,路由选择,路由时机 虚电路方式：虚电路建立时 数据报方式：每个分组传递时 理想的路由选择算法特点 正确性 简单性 自适应性 稳定性 公平性 最佳性,路由选择算法,静态路由（Static Routing）

3、 路由很少变化，由网管人员人工配置。 常用于规模很小的网络。 因节点故障时没法自动发现和调整路由，需要人工干预。 动态路由（Dynamic Routing） 又称自适应（adaptive）路由 路由器之间交换路由信息，根据所了解到的网络信息计算最佳路由，以设法适应网络流量、拓扑的变化。 现代计算机网络更多地使用动态路由方式。,路由选择算法,静态路由选择算法 最短路由选择算法 扩散法 基于流量的路由选择算法 动态路由选择算法 孤立路由选择算法 集中路由选择算法 分布路由选择算法,静态路由选择算法,最短路由选择算法 思想：建立对应的子网图，寻找路由器间最佳路由即求解子网图中对应节点间的最短距离。,

4、扩散法 一个网络节点从某条输入线路收到一个分组之后，把该分组从除了分组到来的线路外的所有其他输出线路上发出。,静态路由选择算法,静态路由选择算法,基于流量的路由选择对某一给定的线路，如果已知负载与平均流量，那么可以根据排队论计算出该线路上的平均分组延迟。由所有的线路平均延迟可计算出流量的加权平均值，从而得到整个网络的平均分组延迟。这样路由选择问题就归结为如何找出产生网络最小平均延迟的路由选择算法。,动态路由选择算法,动态路由算法要在节点间交换的信息和所带来的开销间有一个平衡。 交换的信息越多，交换的频率越频繁，节点越能更好地作出路由选择。 与此同时，这些交换的信息也会对网络的负载有影响，如果信

5、息过多会严重影响网络的性能。,动态路由选择算法,因此，精心设计的动态路由算法必须考虑到： 路由选择算法非常复杂，可能会增加网络节点的处理负担。 大多数情况下，动态路由算法会使用来自其它节点的状态信息来进行路由选择，因此会增加网络的负载。 一个动态路由算法有时会因反应太快而引起振荡，或者反应太慢而起不到作用。,动态路由选择算法,网络状态信息来源 本地 所有节点 相邻节点 动态路由选择算法分类 孤立路由选择 集中路由选择 分布路由选择,动态路由选择算法,不需要搜索和利用其他节点来的网络状态信息，仅仅根据它自身所看到的情况来确定路由 热土豆（Hot Potato）算法 逆向学习（Backward L

6、earning）方法 节点仅仅记录了较好路径的变化，并不了解链路崩溃或过载等情况的变化,1孤立路由选择算法,动态路由选择算法,路由控制中心RCC生成路由表，分发给各个路由器。 RCC的计算量大，易成为系统瓶颈。,2集中路由选择算法,动态路由选择算法,距离矢量路由选择算法 链路状态路由选择算法,3分布路由选择算法,距离矢量路由选择算法,算法思想 每个结点都保存有一张路由表 路由表每一项对应一个目的地，到该目的地的路由中下一结点的标识以及测量出的到目的距离的度量值 每个结点定期把自己的路由表传递给相邻结点 每个结点在收到邻居的路由表后，对其中每个目的地的路由和距离度量进行检查，如果发现更短的路径，

7、则更新路由表相应表项 算法特点 对好消息反应很快 对坏消息传播很慢（慢收敛/无穷计算问题） 水平分裂算法,链路状态路由选择算法,算法步骤 发现邻居结点，并获知其网络地址 测量到各邻居结点的延迟或开销 组装链路状态分组 使用扩散法发布链路状态分组 计算新路由 算法优点 每个路由器根据同样的状态信息独立计算路由 传播的链路状态信息只包含路由器直接连接的链路信息，与网络规模无关,路由选择协议,层次路由选择 内部网关协议 外部网关协议,层次路由选择协议,因特网采用分层次的、动态的、分布的路由选择协议 因特网的规模非常大许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布局细节和本部门所采用的路由选择协议 划分自治系

8、统（AS） AS内使用自身选择的某种内部路由选择协议和度量标准 AS间需进行路由信息的交换,自治系统和 内部网关协议、外部网关协议,用内部网关协议 （例如，RIP）,自治系统 B,自治系统 A,用外部网关协议 （例如，BGP-4）,R1,R2,用内部网关协议 （例如，OSPF）,自治系统之间的路由选择： 域间路由选择(interdomain routing) 自治系统内部的路由选择： 域内路由选择(intradomain routing),路由信息协议RIP,RIP是一种分布式的基于距离矢量的路由选择协议 距离的度量基于跳数，每经过一个路由器，跳数就加 1 协议的三个要素 和哪些路由器交换信息

9、？ 仅和相邻路由器交换信息 交换哪些信息？ 当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表 什么时间交换？ 按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔 30 秒,“距离”的定义,RIP 认为一个好的路由就是所通过的路由器的数目少，即“距离短”。 RIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。 “距离”的最大值为16时即相当于不可达。因此 RIP 只适用于小型互联网。 RIP不能在两个网络之间同时使用多条路由。RIP选择一个具有最少路由器的路由（即最短路由），即使还存在另一条高速(低时延)但路由器较多的路由。,OSPF (Open Shortest Path First),OSPF 协议的基本特

10、点 “开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的 “最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPF OSPF 只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协议不是“最短路径优先” OSPF是分布式的链路状态协议,OSPF三个要点,通过扩散法向本自治系统中所有路由器发送信息 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是该路由器所知道的部分信息 “链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。 只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器发送此信息。,链路状态数据库(link-state datab

11、ase),由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息，因此所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库。 这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图，它在全网范围内是一致的（这称为链路状态数据库的同步）。 OSPF 的链路状态数据库能较快地进行更新，使各个路由器能及时更新其路由表。OSPF 的更新过程收敛速度快是其重要优点。,OSPF 的区域(area),为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫作区域。 每一个区域都有一个 32 位的区域标识符（用点分十进制表示）。 区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。,OSPF的区域划分,内部

12、路由器 区域边界路由器 主干路由器 自治系统边界路由器,OSPF下4类路由器,OSPF 直接用 IP 数据报传送,OSPF 不用 UDP 而是直接用 IP 数据报传送。 OSPF 构成的数据报很短。 可减少路由信息的通信量。 可以不必将长的数据报分片传送。,BGP,外部网关协议 自治系统之间的路由选择必须考虑有关策略 力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由 当一条路径通过几个不同 AS 时，要想对这样的路径计算出有意义的代价是不太可能的。 比较合理的做法是在 AS 之间交换“可达性”信息。,BGP,每个AS选择某一个AS边界路由器作为BGP发言人 B

13、GP发言人直接需建立BGP会话，即传送BGP报文 四种BGP报文,邻居获取 由一个路由器给他的邻居发送邻居获取请求消息 邻居可达性 在建立BGP连接的两个路由器间通过keepalive消息维持邻居关系； 网络可达性 每个路由器维护一个它能到达的子网的数据库以及到达那个子网的最佳路由 当数据库发生变化时，路由器会广播一个Update 消息给其他所有实现BGP 的路由器 通过这些Update 消息的广播，所有的BGP 路由器可以建立和维护路由信息,BGP工作过程,4.3拥塞控制,拥塞控制 防止过多的报文进入网络导致路由器和链路过载情况的发生 引起拥塞控制的多种因素 路由器的缓冲区不够可能会导致拥塞

14、 通信线路带宽不够可能导致拥塞 处理器速度慢也可能导致拥塞,拥塞控制,拥塞控制的作用拥塞控制与流量控制的区别,拥塞控制原理-开环,致力于良好的设计来避免拥塞的发生 一旦系统安装并运行起来，就不再做任何中间阶段的更正 开环控制要做的工作：决定何时接受新的通信，何时丢弃分组，丢弃哪些分组，还包括在网络的不同点做出计划表 预防为主，在做出决定时不考虑网络的当前状态 分类： 基于源端的算法 基于目的端的算法,拥塞控制原理-闭环,建立在反馈环路的概念上 监视系统，检测何时何地发生了拥塞 将拥塞的信息传送到可能采取行动的地方 收到反馈信息的系统采取相应的措施进行调整以解决拥塞 分类： 显式反馈：由拥塞点发

15、送反馈给其他采取行动的地方 隐式反馈：源端通过本地的观察来判断是否存在拥塞,拥塞控制方法,通信量整形 缓冲区预分配 分组丢弃 定额控制,通信量整形,基于开环控制原理 基本思想 拥塞通常是突发的网络流量所导致 如果主机能以一个恒定的速率发送分组，拥塞将会少得多 强迫数据分组以可预测的速率进入通信子网 常用算法 漏桶算法 令牌桶算法,漏桶算法,漏桶算法 桶内装分组 桶满丢分组,令牌桶算法,令牌桶算法 发送分组需令牌 桶内装令牌 桶满丢令牌,流量整形策略不同 漏桶算法不允许空闲主机积累发送权，以便以后发送大的突发数据 令牌桶算法允许，最大为桶的大小 桶中存放内容不同 漏桶中存放的是数据包，桶满了丢弃

16、数据包 令牌桶中存放的是令牌，桶满了丢弃令牌，不丢弃数据包 对突发数据的处理策略不同 漏桶不允许有突发流量 令牌桶允许一定的突发流量,漏桶算法与令牌桶算法的区别,缓冲区预分配算法,用于虚电路分组交换网中 在建立虚电路时，让呼叫请求分组途经的节点为虚电路预先分配一个或多个数据缓冲区 若某个节点缓冲区已经被占满，则呼叫请求分组另择路由，或者返回一个忙信号给呼叫者 通过呼叫请求途经的各结点为每条虚电路开设缓冲区就能避免拥塞的出现 适用于高带宽和低延迟的场合 需要保留资源，带宽利用率不高,许可控制 一旦发生拥塞，在问题解决之前，不允许建立新的虚电路 发生拥塞后可以建立新的虚电路，但要绕开发生拥塞的地区 资源预留 建立虚电路时，主机与子网达成协议，子网根据协议在虚电路上为此连接预留资源,虚电路子网中的拥塞控制,分组丢弃法,分组丢弃算法不必预先保留缓冲区，当缓冲区占满时，将到来的分组丢弃 对于采用捎带确认信息的分组，在利用了所捎带的确认释放缓冲区后，再将该分组丢弃或将捎带消息的分组保存在刚空出的缓冲区中 针对不同服务，可采取不同丢弃策略 文件传输，优先丢弃新包，wine策略 多媒体服务，优先丢弃旧包，milk策略 早期丢弃包，会减少拥塞发生的概率，提高网络性能,