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1、5 The Network Layer计算机网络分为资源子网和通信子网。网络层网络层是通信子网的最高层，它在数据链路层提供服务的基础上向资源子网提供服务。：实现位于不同网络的源节点与目的节点之间的数据报传输；负责确定在网络中采用何种技术为源节点选择一条通路，使之通过中间节点将数据报最终送达目的节点。2.数据链路层功能：负责同一个网络中的相邻节点之间的链路管理及帧的传输等问题。即将数据帧从导线的一端送到其另一端。5 The Network Layer5.1 Network Layer Design Issues5.2 Routing Algorithms 5.3 Congestion Contr
2、ol Algorithms5.4 Internetworking5.5 The Network Layer in The Internet5.1 Network Layer Design Issues 网络层为传输层提供服务。它是传输载体与用户的接口，是通信子网的边界。 网络层的服务按以下目标设计：1.服务与通信子网技术无关；2.通信子网的数量、类型和拓扑结构对于传输层隐蔽；3.传输层能获得的网络地址应采用统一的编号方式，即使跨越了多个 LAN 和 WAN 也是如此。5.1.1 Services Provided to the Transport Layer问题：提供面向连接的服务还是无连接的
3、服务？问题：提供面向连接的服务还是无连接的服务？观点一：通信子网的工作是在网上传送比特，除此之外，别无它事。通信子网注定是不可靠的，主机必须自己进行差错控制和流量控制。观点二：通信子网应该提供一种可靠的、面向连接的服务可靠的、面向连接的服务应具有如下特性：1、发送数据前，发送端网络层进程必须与接收端网络层对等进程建立连接，一直到数据传送完毕后才能明确的释放。2、建立连接时，两个进程可将其服务参数、服务质量和服务开销进行协商。3、通信是双向的，分组按次序进行递交。4、能自动提供流量控制功能。为传输层提供的服务网络层是否面向连接和网络层是否可靠是两个独立的问题1、网络层可以是面向连接的或是无连接的
4、；2、网络层可能是可靠的或不可靠的。重要的两种组合：可靠的、面向连接的网络层ATM不可靠的、面向无连接的网络层因特网为传输层提供的服务5.1.2 Internal Organization of the Network Layer通信子网构成的两种思想：网络层内部如何工作1、面向连接虚电路，类似于 系统建立的物理电路；2、无连接 数据报，类似于电报；虚电路虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接。数据传输前，需要一个虚呼叫建立阶段；数据传输后，需要一个拆除阶段（清除阶段）。所有分组都必须沿着这条事先建立的虚电路进行数据传输，这是与电路交换(物理连
5、接电路)的实质上的分别。 类似于电路交换，包括虚电路建立、数据传输和拆除3个阶段。选定了特定的路径进行传输，报文分组所途径的所有结点都对这些分组进行存储转发，而电路交换无此功能。报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息，只需要携带虚电路标识号。报文分组到达目的结点不会出现丢失、重复和乱序的现象。报文分组通过每个虚电路上的结点时，结点只需要做差错检测，而不需要进行路径选择。虚电路的特点交换网把进网的任一分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它是属于哪个报文的分组，就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样。这种分组交换方式简称为数据报传输方式，作为基本传输单位的“小报文”被称为数据报。 数据报同
6、一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的结点可能出现乱序、重复或丢失现象；每一个报文在传输过程中都必须带有源结点和目的结点地址；使用数据报方式时，数据报文传输延迟较大，适用于突发性通信，但不适用于长报文、会话式通信。数据报的特点5.1.3 Comparison of Virtual Circuit and Datagram Subnets虚电路子网与数据报子网的比较项目类型项目类型数据报子网数据报子网虚电路子网虚电路子网电路设置不需要需要地址每个分组都有源端和目的端的完整地址每个分组都含有一个短的虚电路号状态信息子网不存储状态信息建立好的每条虚电路都要求占用
7、子网表空间路由选择对每个分组独立选择当虚电路建好时，路由就已确定，所有分组都经过此路由路由器失败的影响除了在崩溃时全丢失分组外，无其他影响所有经过失败路由器的虚电路都要被终止拥塞控制难如果有足够的缓冲区分配给已经建立的每条虚电路，则容易控制5.2 Routing Algorithms网络层的主要任务：把数据分组从源结点传送到目标结点，为传送的数据分组选择合适的路径，关系到网络资源的利用和网络性能的高低。路由选择就是决定进入结点的分组应从哪条输出线输出，也就是生成结点的输出线选择表。路由选择算法路由选择算法是网络层软件的一部分，负责确定所收到的分组应传送的外出路线。如果子网内部采用数据报，对收到
8、的每一个分组都要重新作路由选择，因为对每个分组来说，上次到达的最佳路由可能已被改变；如果子网内部采用虚电路，当建立一条新虚电路时，仅需做一次路由选择决策，以后，数据就在这条先前建立的路由上传送。路由选择算法应具有的特征：正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性 、最优性非自适应算法（静态路由选择）：不根据实测或估计的网络的当前通信量和拓扑结构来做路由选择。从I到J的路由是事先计算好的，在网络启动时就下载到路由器中。自适应算法 （动态路由选择）：根据拓扑结构，以及通信量的变化来改变其路由选择。自适应算法由于其获取信息方式的不同、改变路由选择条件不同、用于进行优化的参数不同，可分为不同种类。路由选择
9、算法分类优点：可靠性高、健壮性好缺点：网络出现拥塞适合：通信量小、可靠性要求较高的场合。 v2、扩散法 任何结点都要把它收到的分组复制备份，分别发往相邻的结点，但不能发回到它刚离开的结点。洪泛法选择性扩散法：路由器并不将每一个进来的分组从每一条输出线路上发出，而是仅发送到与正确方向接近的那些线路上有选择的洪泛法。路由选择算法非自适应算法 v1、最短路由选择优点：方法简单缺点：不适应拓扑变化；当被选路由出现故障时，影响正常传送适合：可靠性好、负载稳定的网络。 v3、固定路由法 在网络中每个结点上，都存放一张预先确定好的路由表。这张表给出从本结点到目标结点的最短路经。当分组需要从此结点发送时，可根
10、据目标地址，从路由表中找出其输出线。改进：为每个结点提供可供选择的次佳路由。路由选择算法非自适应算法 v1、孤立式路由选择策略各结点只根据本结点的状态来决定路由选择，无需和其他结点交换状态信息。路由的选择是计算各链路队列的长度，把收到的分组送往最短队列等候发送。热土豆法路由选择算法自适应算法 特点：减少了分组在各结点排队等候时间；但显然选择的不是最佳路径 v2、集中式路由选择策略在网络中设置网络控制中心NCC，由NCC负责全网状态信息的收集、路由计算以及路由选择实现，然后周期性地把路由表发到所有的结点。路由选择算法自适应算法 v3、分布式路由选择策略各结点间周期性地交换网络状态信息，不断的根据
11、网络状态更新路由选择。5.3 Congestion Control Algorithms当（一部分）通信子网中有太多分组时，其性能下降。拥塞：由于通信子网中信息量太多，导致性能下降的现象。 当主机存储到通信子网中的分组数量在其传输容量之内时，它们将全部送达目的地，且送到的数量与发送的数量成比例。然而，当通信量增加太快时，路由器不能够再应付，开始丢失分组，并会导致情况恶化。在通信量非常高的情况下，网络完全瘫痪，几乎没有分组能够送达。拥塞控制1、分组太多；2、处理器速度慢；3、线路带宽低。造成拥塞的原因：仅仅升级系统的一部分，而不是整体，往往只是将瓶颈转移到系统中别的地方。所有组件都相互平衡才能解
12、决这个问题。v拥塞控制所针对的问题是网络中资源要求拥塞的问题。即对资源的需求大于可用资源。必须确保通信子网能运送待传送的数据，这是全局性的问题。v流量控制是为了解决数据发送方能力大于接收方能力的问题，只与某发送者和某接收者之间的点到点通信量有关。它的任务是确保一个快速发送者不能以比接收者能承受的速率更高的速度传输数据。拥塞控制和流量控制的不同：拥塞控制5.3.1 General Principles of Congestion Control拥塞控制的基本原理所有解决方案分为两类：开环和闭环v开环致力于通过良好的设计来避免问题的出现，确保问题在一开始时就不会发生。一旦系统安装并运行起来，就不再
13、做任何中间阶段的更正。功能包括：何时接收新的通信、何时丢弃分组、丢弃哪些分组、在网络的不同点作计划表。注意：在作出决定之时并不考虑当前网络的状况。所有解决方案分为两类：开环和闭环5.3.1 General Principles of Congestion Controlv闭环的解决方案是建立在反馈环路上的。当用于拥塞控制时，有3个部分：1、监视系统，检测何时何地发生了拥塞；2、将此信息传送到可能采取行动的地方；3、调整系统操作以更正问题。度量方法：度量方法：度量方法：度量方法：因缺少缓冲区空间而丢失分组的比例；平均队列长度；超时和重发分组的数量；平均分组延迟；标准方差分组延迟方法：方法：方法：
14、方法：检测到拥塞的路由器向信流源发送一个分组；在每个分组中保留一位或一个字段作为标志位；主机或路由器定期发送证实分组来询问拥塞状况。增加资源降低载荷拥塞控制的基本原理5.3.2 Load Shedding 载荷脱落当路由器被它所不能控制的分组所淹没时，只好将这些分组都扔掉。使用：当其他方法都不能消除拥塞时丢弃分组策略：葡萄酒策略（wine）：旧分组比新分组更有价值，如文件传输；牛奶策略（milk）：新分组比旧分组重要的多，如多媒体传输；5.4 Internetworking网络互联p各种不同的网络及协议将长期共存：p几乎所有的个人计算机-运行TCP/IP；p大型商业机构的大型主机-运行IBM的
15、SNA；p相当一部分 公司-运行ATM网络；p 正在兴起的无线网络-运行许多不同的协议。p由于计算机和网络的价格越来越便宜，购买决策权逐渐层层下降；p不同网络采用完全不同的技术，所以当硬件技术有新的进展时，会产生新的软件和它配套；网络互联情形1 LAN-LAN2 LAN-WAN3 WAN-WAN4 LAN-WAN-LAN5.4.1 How Networks Differ网络如何不同网络如何不同网络如何不同网络如何不同项目项目项目项目一些可能性一些可能性一些可能性一些可能性提供的服务面向连接的和无连接的协议IP,IPX,CLNP,AppleTalk,DECnet等寻址方式平面的（802）与分层的
16、（IP）多点播送存在或不存在（也可能是广播）分组大小每一个网络都有它自己的最大值服务质量存在或不存在；许多不同方法差错处理可靠的，有序的和无序的提交流量控制滑动窗口，速度控制，其他办法或没有拥塞控制漏桶，抑制分组，等等安全性使用规则，加密，等等参数不同的超时值，流说明，等等计费方式按连接时间，按分组数，按字节数，或不计费第1层：中继器，在两个电缆段之间复制每一个比特；第2层：网桥，在LAN之间存储转发数据链路帧；第3层：路由器，在异构网络间转发分组；第4层：网关，允许第4层以上的网络互联。网关：代表连接两个或多个异构网的任意设备网络互联设备网络互联的层次Networks Equipments 网络设备网络设备 1. Bridge（网桥）网桥） 网桥工作在OSI参考模型的数据链路层，用于实现不同LAN的互联。网桥可以连接2个或多个LAN网段，对各段的数据帧进行接收、存储和转发，并提供数据流量控制和差错控制，把两个物理网络（段）连接成一个逻辑网络。 2. Router（路由器）路由器） 路由器工作在OSI参考模型的网络层，最基本的功能是转发数据包。在通过路由器实现的互联网络中，路由器对数据
