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1、1,Chapter 6 Network layer,6.1网络层向传输层提供的服务 6.2虚电路与数据报 6.3路由算法 6.4拥塞控制 6.5网络互连,2,6.1网络层向传输层提供的服务,网络层设计目标： 服务应与通信子网的技术无关 对于传输层而言，通信子网的数量、类型和拓扑结构是隐蔽的 网络地址应该采用统一的编号模式 争论： 网络层提供面向连接的服务还是非连接的服务,传输层,网络层,主机,通信子网,用户,网络运营商,复杂功能,复杂功能,3,6.2虚电路与数据报,OSI的网络层提供两种服务 面向连接虚电路（virtual circuit): 首先要发出连接请求，与目的端建立连接 数据通信 拆
2、除连接 非连接数据报(datagram) 每个分组头都必须包含目的地址 每个分组在途径节点上被单独处理 同一数据流的分组可以走不同的路径,4,虚电路的特点,一条物理链路可以对应多条逻辑信道 一条虚电路由各物理链路上的逻辑信道级联而成，占用了节点上的一条逻辑信道实际上就是占用了该节点上缓存器内的一个存储空间 分组靠逻辑信道号（LCN）选择路由，因LCN只有局部意义，所以减少了分组头标的开销和处理的复杂度 能有效的防止拥塞,5,Virtual circuits: signaling protocols,used to setup, maintain teardown VC used in ATM,
3、 frame-relay, X.25 not used in todays Internet,1. Initiate call,2. incoming call,3. Accept call,4. Call connected,5. Data flow begins,6. Receive data,network data link physical,6,数据报的特点,每个分组的寻路是独立的，可以合理利用网络资源 如果途中一个节点或一条链路发生故障，能给分组重选路由 分组头需要包含地址字段，也会增加开销（overhead) 各分组途经的路径可能不同，因此有可能出现先发后到现象 分组必须有生存时
4、间限制，当生存期满时，分组则被抛弃，免得在网络内死转,7,Datagram networks: the Internet model,no call setup at network layer routers: no state about end-to-end connections no network-level concept of “connection” packets typically routed using destination host ID packets between same source-dest pair may take different paths,
5、1. Send data,2. Receive data,8,6.3路由算法,网络层的主要功能是根据分组目的地址选择路径，对数据报，每个分组都要在途径的节点上被单独寻路；而虚电路，则在建立连接时要进行寻路。 路由算法有两类：非自适应和自适应,非自适应,自适应,静态路由,动态路由,路由表固定,路由表定时刷新,路由协议,简便、可靠、易行，适用于负荷稳定、拓扑结构变化不大的网络,算法复杂，会增加网络负担，但能够改善网络的性能，并有利于流量控制,9,What does a Routing Table Look Like,10,6.3.1Dijkstra最短通路搜索算法,最短通路算法的基本准则： 在全双
6、工链路连接的网络上，每条链路的每个方向上都有一个与之相关的权值。两个节点之间一条路由的代价是它所经过的链路权值之和，所以，这两个节点间的最佳路由为其所有可能路由中具有最小代价的那条路由。 Routing metrics (weight,cost) Number of hops Delay Bandwidth Load,利用Dijkstra算法求A到D的最短通路,A,B(2,A),E(,-),G(6,A),C(,-),F(,-),H(,-),D(,-),A,B(2,A),E(4,B),G(6,A),C(9,B),F(,-),H(,-),D(,-),A,B(2,A),E(4,B),G(5,E),C
7、(9,B),F(6,E),H(,-),D(,-),A,B(2,A),E(4,B),G(5,E),C(9,B),F(6,E),H(9,G),D(,-),A,B(2,A),E(4,B),G(5,E),C(9,B),F(6,E),H(8,F),D(,-),A,B(2,A),E(4,B),G(5,E),C(9,B),F(6,E),H(8,F),D(10,H),A,B(2,A),E(4,B),G(5,E),C(9,B),F(6,E),H(8,F),D(10,H),A,B(2,A),E(4,B),G(5,E),C(9,B),F(6,E),H(8,F),D(10,H),最短通路为：A-B-E-F-H-D，权
8、值为10,12,6.3.2距离矢量（ Distance Vector ）路由算法,距离矢量路由选择（distance vector routing）算法是现代计算机网络两个最常使用的动态路由选择算法之一。 ARPAnet；DECnet、Novell的IPX以及Internet的一种内部网关协议（IGP，Interior Gateway Protocol）RIP（Route Information Protocol）都使用了距离矢量路由选择算法；Cisco则开发了一种改进的协议，叫作IGRP（Interior Gateway Routing Protocol）。 每个节点都定期地将它们的路由表传
9、送给所有相邻节点，这里的路由表所包含的内容有： 每条路径的目的地址矢量 本节点到该目的地址的代价距离 每个节点根据收到的相邻节点的路由信息更新自己的路由表,13,距离矢量路由算法举例,8,10,12,6,14,问题,寻路环（routing loops) 慢收敛（slow convergence) 无穷计算（count to infinity): 它对好消息的反应迅速，但对坏消息却反应迟钝。,15,水平分割算法,水平分割（split horizon）算法是解决无穷计算问题的一种方法。 其工作过程与距离矢量法一样。 不同之处在于：如果节点C通过节点B向A发送分组，则节点B不会再试图通过C向A发送分
10、组。换句话说，节点C向B发送的路由信息中不会包含通往A的路由信息。,16,6.3.3链路状态（ Link State ）路由算法,链路状态路由算法于1979年出现在ARPAnet上，作为一种用来取代DVR的动态路由选择算法，得到了广泛的应用。 算法： 主动测试邻接节点的状态 定期地将相邻节点的状态信息传送给所有节点 每个节点都有完整的网络拓扑信息，然后计算到每个节点的最佳路径 该方法也叫最短路径优先（shortest path first)，简称SPF算法,17,Distance Vector vs. Link State,DV 节点向相邻节点告诉它所知道的所有节点的路由信息 节点根据相邻节点
11、的路由信息更新自己的路由表 分布式计算 可扩展性差 LS 节点向所有节点告诉其相邻节点的状态信息 每个节点都有一个全局的拓扑结构 根据此拓扑结构计算路由表 可扩展性好，可靠,18,分级路由选择（hierarchical routing）,将网络分成一些区域，每个区域内的路由器只负责本区域内的分组转发，而不管其它区域的情况，目的地址不在本区域内的分组都发给指定的区域路由器去处理。 当网络规模很大时，往往需要分成多级。 路由信息的交换只在本区域内进行，路由器内部需存储的路由信息大大减少。节省了路由器的存储空间和网络带宽。 缺点是选择的路由可能不是最佳的。,19,分级路由示例,20,6.4拥塞控制,
12、什么是网络的拥塞 当大量分组进入通信子网，超出了网络的处理能力时，就会引起网络局部或整体性能下降，这种现象称为拥塞。 路由器的队列溢出，分组丢失 拥塞会导致什么后果 拥塞使许多分组重传 导致更多的业务量，直至崩溃 拥塞的原因 路由器的处理速度、存储空间、带宽不匹配 网络负载的不平衡,21,拥塞控制与流量控制,拥塞控制 网络负载的不均衡，例如，某个路由器的多个输入端口向同一个输出端口传输分组 是全局问题，涉及的节点包括主机、路由器 流量控制 接收端或所在网络的接收速度小于发送端的发送速度 只涉及收发两端，是局部问题 由于解决方法相似，两者经常混淆,22,6.4.1拥塞控制的一般原理,从控制理论观
13、点出发，可分为两类： 开环控制，基于良好的设计 业务量整形漏桶算法、令牌桶法 闭环控制，基于反馈概念 监测系统何时、何处发生拥塞 将拥塞信息传到能控制它的地方 调整系统操作 指示网络拥塞的参数 分组丢失率 平均队列长度 分组重传率 平均分组延时,23,6.4.2拥塞控制的策略,闭环控制 检测到拥塞时，就发一个分组给源端或向所有主机广播 在每个分组头中保留一个位或域，当拥塞超过一定值时，路由器就在该位或域上填上拥塞信息通知网络节点 由主机或路由器发送询问分组打听拥塞情况,24,虚电路中的拥塞控制 采用接纳控制（admission control）的三种策略： 一旦出现拥塞的信号，就不再创建任何虚
14、电路，直至拥塞解除。 允许建立新的虚电路，但要仔细选择路由，以便所有新的虚电路绕过拥塞的区域。 在虚电路建立时，子网与主机对所需服务质量进行协商。若不能满足主机最低要求，则拒绝建立连接；否则就保留连接所需的多种资源，避免拥塞发生。,25,数据报中的拥塞控制 抑制分组（choke packet）：每个路由器监视本节点的资源利用情况，若某个方向的资源利用率超过一定的门限，则该路由器向有关源节点发送抑制分组，源节点相应减少发往该方向的数据量，直至该方向的拥塞解除。 TCP的窗口机制对拥塞的有着慢启动和拥塞回避策略，但有时会引起同步效应，可采用随机早期检测（RED，Random Early Detec
15、tion）的方法进行拥塞控制，该方法采用提早丢包来减轻网络负载。,26,服务质量（QoS),各种不同业务对QoS的需求,27,服务质量（QoS)控制方法,资源预留 接纳控制 队列调度 缓存（消除延时抖动） 业务量整形（也是拥塞控制的两种常用方法） 漏桶算法 令牌桶法,28,漏桶算法,以恒定的速率向网络发送,29,举例,计算机以25MB/s（200Mbps）速率产生数据，向网络发送1MB的数据（即以25MB/s速率发送了40ms），而网络的最佳传输速率不超过2MB/s，为了降低传送速率，令漏桶的=2MB/s，因此1MB的数据将传输500ms。,30,令牌桶法,令牌桶以每隔T秒产生令牌，分组得到令牌后就可发送,31,举例,设突发长度为S秒，令牌桶容量C bytes，令牌产生速率为 bytes/s，计算机最大数据速率M bytes/s。 设前例中，C=250KB，M=25MB/s， =2MB/s C+ s=MS S=C/（M- ）=11ms 剩余的以2MB/s发送364ms,32,C=250kB,C=500kB,C=750kB,C=500kB令牌桶加10MB/s漏桶,33,服务质量（QoS)控制技术,综合服务（IntServ, Integrated Services) 基于流的QOS控制技术，不适合大规模使用 区分服
