《计算机网络》教案(第六章)

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1、第六章 网络层及网络互联,6.1 网络层概述 6.2 网络层路径选择路由 6.3 网际互联技术 6.4 IP技术,第六章 网络层及网络互联,为什么要有网络层？,1、A和B之间通过物理层协议，建立了物理上的连接,2、A和B之间通过数据链路层协议，实现了数据传输过程中的差错控制和流量控制,但A和C之间的传输呢？,6.1 网络层概述,功能 网络连接功能 路径选择功能 网络数据流控制功能 网络连接的数据传输功能 协议转换等其它功能,6.1 网络层概述,服务面向连接的网络层服务CONS 数据传输之前必须先建立虚电路连接的支持 端系统必须具有全网地址和对虚电路标识的能力 通信子网要有确定的路由算法来支持虚

2、电路的建立 端系统之间的数据传输通路是确定的而且是有序的，因此服务质量较高,6.1 网络层概述,服务面向无连接的网络层服务CLNS 数据传输之前不建立数据通路 端系统要把数据包封装成有全局寻址和寻址能力的数据单元 网络中所有节点都有确定的路由算法来独立为数据报选择最佳路径转发。 由于传输的通路不确定并且无序，则必须要求目的端系统提供卸包、排序和重装数据的资源和能力。 网络内数据流易于平衡分布，网络效率高，但数据传输服务质量不如CONS,6.2 网络层路径选择,概念 选择和建立一条合适的（符合某个评判标准的）物理或逻辑的通路，以供进入网络的数据从源点传送到达目的点的控制过程,6.2 网络层路径选

3、择,设计路径选择算法的原则 能正确、迅速、合理地传输报文数据 能适应由于节点或链路故障引起的拓扑变化 能适应网络通信流量的变化，使网络内业务分布均匀，避免出现拥挤 算法应该尽量简单 算法应该满足最小费用,6.2 网络层路径选择,实现路径选择算法的一般方法 标头指示法 路由表法,6.2 网络层路径选择,实现的一般方法标头指示法 在报文传输之前，就已经确定了其传输路径 然后在报文的各个分组的标头域中填加该路径信息 每个中间结点接收后只需要判断标头 根据标头中指示的路径进行转交,6.2 网络层路径选择,实现的一般方法路由表法 各结点建立路由表 各点到任意点之间分组传输的路由信息 根据路由算法预先或实

4、时的计算出来 对于接收的分组，通过查阅路由表完成路径选择,6.2 网络层路径选择,路径选择算法分类 确定型算法 适应型算法,6.2 网络层路径选择,路径选择算法分类确定型算法 基于网络拓扑结构和平均报文时延 以一个固定的准则来选择报文的路径 算法结果一般不受业务和拓扑变化的影响 分类 扩散式路由算法 随机式路由算法 固定式最佳路由算法,6.2 网络层路径选择,路径选择算法分类适应型算法 基于网络状态参数在时间上的变化信息 选择在某一时间段内有效的报文通路 算法的结果尽量自动适应业务和拓扑结构的变化 分类： 集中式自适应算法 孤立式自适应算法 分布式自适应算法,6.2 网络层路径选择,确定型算法

5、扩散式路由,6.2 网络层路径选择,确定型算法扩散式路由 各结点接收到分组后，判断该分组是否发送给自己 如果不是并且确认需要本结点进行转发时，则立即将该分组复制多个副本，沿所有与该站连接的线路发送到相邻的结点 这样可使一个分组有多条通路到达目的结点 目的结点只是需要接收最先到达的一个分组，其余后期到达的则删除,6.2 网络层路径选择,确定型算法扩散式路由（特点） 可靠性最高 不管哪个链路或中间节点出现故障，分组都会到达目的节点 最小的时延 分组经过的通路总有一条最短的路径 降低网络利用率 产生了大量的分组副本,6.2 网络层路径选择,确定型算法绝对固定式路由,6.2 网络层路径选择,确定型算法

6、绝对固定式路由 根据网络的拓扑结构、平均网络业务量、链路容量等参数，折合成各个链路的“费用值” 依“费用值”为参数，计算出全部源/目的结点之间的一条最短路径表 该表称为“路由表”。将该表存放在每个结点处理机内 这张表在整个网络使用有效期内不被改变 当分组到达结点时，根据分组中的目的地址和路由表，找到路径将分组转发出去,6.2 网络层路径选择,确定型算法绝对固定式路由（特点） 实现比较简单 通过路由表查找路径 提高网络利用率 减轻了网络的负担 可靠性降低 如果传输线路上有一个地方出现问题，则传输失败,6.2 网络层路径选择,确定型算法可迂回固定路由,6.2 网络层路径选择,确定型算法可迂回固定路

7、由 根据网络的拓扑结构、平均网络业务量、链路容量等参数，折合成各个链路的“费用值” 依“费用值”为参数，计算出全部源/目的结点之间的多条路径 根据“费用值”将多条路径划分等级，存放在路由表中 当分组到达节点时，根据路由表中信息，寻找“最小费用值”的路径进行转发,6.2 网络层路径选择,确定型算法可迂回固定路由（特点） 实现比较简单 通过路由表查找路径 可靠性高于绝对固定路由算法 可以控制网络中某条链路的数据流量 只需将路由表中标识该链路的信息（故障位）进行相应的修改，就可以使分组绕道,6.2 网络层路径选择,适应型算法集中式自适应路由,RCC,各个结点将当前各自的链路信息传递给F（路由控制中心

8、）,F计算每个结点的最小费用，产生路由表,将路由表分发给各个结点,各个结点再根据路由表完成A到D的数据转发,6.2 网络层路径选择,适应型算法集中式自适应路由 在网络中设置一个节点作为路由控制中心（RCC） 在网络运行期间，要求所有节点周期性的将一些必须的参数报告给RCC RCC收集这些信息后，计算出每个节点到其它节点的时延估计值，然后选择最佳通路并生成每个节点的路由表 路由表分发（下载）给各个节点保存使用,6.2 网络层路径选择,适应型算法集中式自适应路由 计算时延值 dij(t)=k dij(t-)+(1-k) w ij(t) / cij(t) dij(t)是在t时刻所估计的从i节点到j节

9、点的时延值 w ij(t)是在t时刻节点i中正在排队等待的发往节点j的数据比特数 cij(t)是在t时刻节点i到节点j的链路容量（比特/秒） k是对过去参数信息的信赖度 是前后两次计算时延值的间隔时间,6.2 网络层路径选择,适应型算法集中式自适应路由 节省了其余节点决定路由的负担 RCC地位和责任很关键 必须保证该设备的可靠性,6.2 网络层路径选择,适应型算法分布式自适应路由 在网络中，让每个节点周期的或不定期的与它邻接的节点交换时延表 生成新的时延表和路由表 一次交换反映一级节点的信息，N次交换则反映N级节点的情况。 经过N次交换后，最终可使路径选择比较合理,6.2 网络层路径选择,适应

10、型算法孤立式自适应路由 在网络中，每个节点在计算时延表时，不考虑邻接节点的信息，而仅仅靠自身的一些信息来进行计算。 其典型的简单实现方法是“热土豆法”，也称为“最短等待队列法”。 在节点发送分组时，考虑本节点当前各条输出链路的等待队列长度，找到一个最短的队列，将分组发送到该队列排队，等待发送。,6.3 网际互联技术,综述概念 网间连接（internet Working） 指的是一对（同构或异构）端系统通过多个物理网络（中间系统）所提供的接续通路而连接起来，完成信息互传的组织形式,6.3 网际互联技术,综述概念 网络互连（Interconnection） 指的是参与互连的各个子网络之间的互相连接

11、，解决物理网络之间的异构性，产生一个对用户单一的通信网络,6.3 网际互联技术,综述概念 系统互通（Interworking） 指的是各个子网络协同完成共同的任务,6.3 网际互联技术,综述互联的方法 逐段法互连体制 又称为“协议转换”体制 利用中间的网络互连设备实现不同子网间的协议变换 将网络服务功能逐段调整到统一的服务层次上 端-端法互连体制 又称为“网间协议”体制 要求两端系统执行完全相同的传输层和高层协议，保证两端具有相同属性的全面服务，为进程提供互通环境,6.3 网际互联技术,综述互联考虑的因素 不同的寻址方案、不同的最大分组长度、不同的网络接入机制、不同的超时控制、不同的差错恢复方

12、法、不同的状态报告方法、不同的路由选择技术、不同的用户接入控制、不同的服务（面向连接服务和无连接服务）、不同的管理与控制方式,6.3 网际互联技术,综述互联考虑的因素,地址：101010,地址：101010,地址不唯一了，怎么办？,6.3 网际互联技术,综述网络寻址 唯一寻址 将所有互连在一起的网络中的每个端系统设置一个全局唯一的地址 组合寻址 将与子网有关的信息附加到地址中去 分级寻址 将网络分成多个级别，逐级设置地址,6.3 网际互联技术,网络互联技术 两个网络连接，怎么办？用什么设备？应该遵循什么标准呢？ 选择的标准 如果两个网络中的第1层、第2层，直到第N-1层都是不相同的功能层 而第

13、N层是相同的功能层或者可以“改造”成相同的功能层 则在第N层实现互连，选择第N层上的设备,6.3 网际互联技术,网络互联设备分类 物理层上：转发器（repeater） 数据链路层上：网桥或桥接器（bridge） 网络层上：路由器（router） 网桥和路由器的混合物：桥路器（brouter） 网络层以上层上：网关(gateway),6.3 网际互联技术,网络互联设备物理层上 使用转发器（repeater） 主要是对同类网络实现的互连 主要是使网络的覆盖范围增大 转发器主要有两种 中继器 集线器（共享型）,6.3 网际互联技术,网络互联设备数据链路层上 使用网桥或桥接器（bridge） 实现两个

14、异构局域网互连,？,6.3 网际互联技术,组装以太网协议的数据帧格式,拆封以太网协议的数据帧格式，得到传输的真正数据,组装令牌环协议的数据帧格式,6.3 网际互联技术,网络互联设备数据链路层上 当有一个网桥连接了LAN1和LAN2，网桥从LAN1发往LAN2去的每一个LLC帧中卸下MAC1帧 对MAC1帧进行分析 将其转换成LAN2的MAC2帧格式 再装配成LLC帧发送给LAN2。,6.3 网际互联技术,网络互联设备数据链路层上 特点 网桥对LLC帧不做处理 网桥本身有足够的存储空间 网桥一般具有寻址和简单路由选择能力,6.3 网际互联技术,网络互联设备数据链路层上 实现方案 配备在计算机系统

15、上桥软件 采用直接网桥设备：智能型交换集线器 网桥分类 透明网桥 源路由网桥,6.3 网际互联技术,网络互联设备数据链路层上透明网桥 所谓“透明”，指的是端系统并不清楚自己传输的数据经过网桥 透明网桥的路由选择策略是由各个网桥自己完成的 根据接收到的MAC帧，记录MAC地址、进入的端口号、进入的时间 反复执行建成路由表 定期刷新路由表，保证反映最新的网络拓扑状态,6.3 网际互联技术,网络互联设备数据链路层上源路由网桥 每个端系统通过广播“发现帧”到网络中 然后“发现帧”在网络中沿着可能的路径传输，并记录所经过路径的信息 当“发现帧”到达目的端后，就沿来的路径回去到源端 源端通过返回的“发现帧

16、”中信息，制作路由表（格式是网桥号，网络号）并存储在本地。 发送数据帧时，将传输的路径封装在分组中，同时将目的地址的最高位设为“1”。 当网桥收到这样的分组时，通过判断网桥号是不是自己，如果是，则将分组转发到标识的下一个网络去,6.3 网际互联技术,网络互联设备数据链路层上 网桥使用过程中可能存在的问题,6.3 网际互联技术,网络互联设备数据链路层上 网桥之间环路的解决方法 最小生成树算法,6.3 网际互联技术,网络互联设备网络层上 使用路由器（Router） 实现两个网络的连接,6.3 网际互联技术,6.3 网际互联技术,网络互联设备网络层上 路由器输入端口的处理过程,物理层 处理,数 据 链路层 去掉 帧首部 和尾部,从 线 路