第五章網(wǎng)絡(luò)層

1、1計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院課前思考課前思考 第五章第五章 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是什么？網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是什么？ 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要涉及哪些內(nèi)容？網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要涉及哪些內(nèi)容？ 報文分組與數(shù)據(jù)幀有什么關(guān)系？報文分組與數(shù)據(jù)幀有什么關(guān)系？ 報文分組是如何從源主機(jī)傳輸?shù)侥康闹鳈C(jī)的？報文分組是如何從源主機(jī)傳輸?shù)侥康闹鳈C(jī)的？ 路由器是如何進(jìn)行路由選擇的？路由器是如何進(jìn)行路由選擇的？ 為什么有了為什么有了MACMAC地址還需要網(wǎng)絡(luò)地址？地址還需要網(wǎng)絡(luò)地址？ 為什么各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)都能接入為什么各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)都能接入INTERNETINTERNET ？2計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院本章內(nèi)容本章內(nèi)容5.1 概

2、述概述5.2 虛電路和數(shù)據(jù)報虛電路和數(shù)據(jù)報 5.3 路由選擇算法路由選擇算法5.4 路由協(xié)議簡介路由協(xié)議簡介 5.5 擁塞控制擁塞控制5.6 IP協(xié)議協(xié)議3計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.1 概述概述 網(wǎng)絡(luò)層功能網(wǎng)絡(luò)層功能 在數(shù)據(jù)鏈路層的支持下，將報文分組從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。 網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層的區(qū)別網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層的區(qū)別 數(shù)據(jù)鏈路層僅完成相鄰節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)層完成源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。 報文分組報文分組l一份完整的信息稱為一個報文。l報文分組簡稱“分組”，它是網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU)。l分組交換技術(shù)將報文劃分為若干個較小的格式化信息單位獨(dú)立傳輸，這樣的格式化信

3、息單位稱為報文分組。l分組的一般格式：l分組作為數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)部分。序號序號源地址源地址目的地址目的地址控制信息控制信息長度長度數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)4計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.1 概述概述網(wǎng)絡(luò)地址網(wǎng)絡(luò)地址l網(wǎng)絡(luò)地址是主機(jī)或節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識，即給定一個網(wǎng)絡(luò)地址在整個網(wǎng)絡(luò)中唯一地標(biāo)識一個主機(jī)或節(jié)點(diǎn)。l網(wǎng)絡(luò)地址是結(jié)構(gòu)化地址，由網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號組成。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議涉及的主要內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議涉及的主要內(nèi)容l網(wǎng)絡(luò)服務(wù)l分組格式l路由選擇l擁塞控制l異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)l網(wǎng)絡(luò)安全5計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.2 虛電路與數(shù)據(jù)報虛電路與數(shù)據(jù)報為了提高信道利用率，為了提高信道利用率，19641964年年BaranBaran首次提

4、出分組交換的概念，并首次提出分組交換的概念，并于于19691969年首次在年首次在ARPNETARPNET上采用分組交換技術(shù)。上采用分組交換技術(shù)。5.2.1 分組交換技術(shù)分組交換技術(shù)分組交換的基本原理分組交換的基本原理 將一份完整的報文劃分為若干個分組，每個分組以存儲/轉(zhuǎn)發(fā)方式獨(dú)立的從源結(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康慕Y(jié)點(diǎn)，目的結(jié)點(diǎn)收到這些分組重新組裝成原報文。 分組交換技術(shù)特征：分組交換技術(shù)特征：化整為零，存儲轉(zhuǎn)發(fā)。化整為零，存儲轉(zhuǎn)發(fā)。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)l使多路數(shù)據(jù)能夠復(fù)用一條鏈路，提高鏈路的利用率。使多路數(shù)據(jù)能夠復(fù)用一條鏈路，提高鏈路的利用率。l有利于差錯控制。有利于差錯控制。l有利于安全性。有利于安全性。缺點(diǎn)缺點(diǎn)l

5、當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時，會導(dǎo)致分組傳輸延遲增加，對流媒體影響較大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時，會導(dǎo)致分組傳輸延遲增加，對流媒體影響較大。 分組交換技術(shù)的兩種實(shí)現(xiàn)方式：分組交換技術(shù)的兩種實(shí)現(xiàn)方式：虛電路和數(shù)據(jù)報。虛電路和數(shù)據(jù)報。6計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.2 虛電路與數(shù)據(jù)報虛電路與數(shù)據(jù)報設(shè)：主機(jī)HA要向HC發(fā)送數(shù)據(jù)。首先主機(jī)HA向HC發(fā)一虛呼叫（虛電路連接請求），該虛呼叫選擇一條適當(dāng)?shù)穆窂絺魉偷紿c，記下沿途所經(jīng)過的路徑作為虛電路，如HA-A-E-B-C-Hc，并給其賦一個虛電路號VC1。如果沿途所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)及Hc準(zhǔn)備就緒，則Hc發(fā)一響應(yīng)給HA ; HA收到該響應(yīng)，則虛電路VC1已建立完畢。虛呼叫要向沿途所經(jīng)

6、過的節(jié)點(diǎn)提出請求，任一節(jié)點(diǎn)拒絕請求（由于資源不足），均導(dǎo)致虛電路建立失敗。 HA和HC的數(shù)據(jù)交換必須通過該虛電路進(jìn)行。 數(shù)據(jù)交換完畢，拆除虛電路，釋放虛電路占用的資源。 A B CD E HAHCHDVC15.2.2 虛電路虛電路 虛電路工作原理虛電路工作原理7計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院l通信前,發(fā)送方和接收方之間必須建立連接（虛電路），所以虛電路是面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。l虛電路只是一種邏輯電路，而不是真正的物理電路。報文分組在虛電路上傳輸不像在物理電路上那樣中暢通無阻,而是要經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”。l一旦虛電路建立完畢，所有分組必須經(jīng)過該虛電路進(jìn)行。因此，虛電路能夠保證分組的順序接收。l

7、僅當(dāng)建立虛電路時需要源/目的節(jié)點(diǎn)地址，數(shù)據(jù)分組只需分配一個虛電路號而無需攜帶源/目的節(jié)點(diǎn)地址。l一條鏈路上允許建立多個虛電路。5.2 虛電路與數(shù)據(jù)報虛電路與數(shù)據(jù)報 虛電路的特點(diǎn)虛電路的特點(diǎn)8計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.2 虛電路與數(shù)據(jù)報虛電路與數(shù)據(jù)報 A B CD E HAHCHDVC1VC2VC1和VC2共同復(fù)用了鏈路BC 。9計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.2 虛電路與數(shù)據(jù)報虛電路與數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)報無需建立連接，每個報文分組攜帶完整的源數(shù)據(jù)報無需建立連接，每個報文分組攜帶完整的源/目的地址，獨(dú)目的地址，獨(dú)立的選擇路徑，通過不同的路徑到達(dá)目的主機(jī)立的選擇路徑，通過不同的路徑到達(dá)目的主

8、機(jī) A B CD E HAHCHD5.2.3 數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)報10計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.2 虛電路與數(shù)據(jù)報虛電路與數(shù)據(jù)報l無需建立連接就可傳輸報文分組，因此數(shù)據(jù)報稱為非面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。l不同的分組可以通過不同的路由到達(dá)目的主機(jī)，先發(fā)出的分組未必先到；因此不能保證分組的順序到達(dá)。l每個報文分組攜帶完整的源/目的地址，獨(dú)立的選擇路徑數(shù)據(jù)報的特點(diǎn)數(shù)據(jù)報的特點(diǎn)11計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.2 虛電路與數(shù)據(jù)報虛電路與數(shù)據(jù)報 數(shù)據(jù)報子網(wǎng)虛電路子網(wǎng)延時分組傳輸延時電路建立，分組傳輸延時路由選擇每個分組單獨(dú)選擇路由建立虛電路時選擇路由，以后所有分組都使用該路由狀態(tài)信息子網(wǎng)無需保存狀態(tài)信

9、息每個結(jié)點(diǎn)要保存一張?zhí)撾娐繁淼刂访總€分組攜帶完整的源/目的地址每個分組分配一個較短的虛電路號結(jié)點(diǎn)失敗的影響除了在崩潰時正在該結(jié)點(diǎn)處理的分組都丟失外，無其他影響所有經(jīng)過失效結(jié)點(diǎn)的虛電路都要被終止擁塞控制難容易5.2.4 數(shù)據(jù)報與虛電路的比較數(shù)據(jù)報與虛電路的比較12計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇路由選擇：根據(jù)某種策略，選擇一條到達(dá)目的主機(jī)的最佳路徑。路由選擇：根據(jù)某種策略，選擇一條到達(dá)目的主機(jī)的最佳路徑。路由選擇功能由路由器完成；對單個路由器而言，路由選擇功能由路由器完成；對單個路由器而言， 路由選擇實(shí)質(zhì)路由選擇實(shí)質(zhì)上是選擇最佳輸出鏈路（端口），多個路由器協(xié)作選擇一條最佳

10、路上是選擇最佳輸出鏈路（端口），多個路由器協(xié)作選擇一條最佳路由。由。路由選擇是網(wǎng)絡(luò)層最重要功能，無論是虛電路，還是數(shù)據(jù)報都要進(jìn)路由選擇是網(wǎng)絡(luò)層最重要功能，無論是虛電路，還是數(shù)據(jù)報都要進(jìn)行路由選擇。虛電路需要一次路由選擇，數(shù)據(jù)報需要為每個分組選行路由選擇。虛電路需要一次路由選擇，數(shù)據(jù)報需要為每個分組選擇路由。擇路由。路由選擇分類路由選擇分類l靜態(tài)路由：靜態(tài)路由：按照某種固定的規(guī)則進(jìn)行路由選擇，不隨網(wǎng)絡(luò)流量和拓 撲結(jié)構(gòu)變化而變化。l動態(tài)路由：動態(tài)路由：根據(jù)當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流量的變化來動態(tài)改變路由，又稱 為自適應(yīng)路由。 5.3.1 路由選擇及其分類路由選擇及其分類13計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5

11、.3 路由選擇路由選擇5.3.2 靜態(tài)路由算法靜態(tài)路由算法 擴(kuò)散法（洪泛法）擴(kuò)散法（洪泛法）l當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個分組后，向除進(jìn)來的鏈路外的所有其他鏈路轉(zhuǎn)當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個分組后，向除進(jìn)來的鏈路外的所有其他鏈路轉(zhuǎn)發(fā)（擴(kuò)散），其結(jié)果是至少有一個分組以最快的速度到達(dá)目的發(fā)（擴(kuò)散），其結(jié)果是至少有一個分組以最快的速度到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)。l問題：擴(kuò)散過程產(chǎn)生大量重復(fù)分組，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法運(yùn)行。問題：擴(kuò)散過程產(chǎn)生大量重復(fù)分組，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法運(yùn)行。l解決措施：每個分組設(shè)置一個下跳數(shù)字段，每經(jīng)過一個結(jié)點(diǎn)，解決措施：每個分組設(shè)置一個下跳數(shù)字段，每經(jīng)過一個結(jié)點(diǎn)， 下跳數(shù)減下跳數(shù)減1，當(dāng)下跳數(shù)為，當(dāng)下跳數(shù)為0時，丟棄該分組。時，

12、丟棄該分組。固定式路由選擇固定式路由選擇l每個結(jié)點(diǎn)保存一張固定的路由表，當(dāng)某一分組到達(dá)時，根據(jù)分組每個結(jié)點(diǎn)保存一張固定的路由表，當(dāng)某一分組到達(dá)時，根據(jù)分組的目的地址，在路由表中找到其對應(yīng)的輸出鏈路。的目的地址，在路由表中找到其對應(yīng)的輸出鏈路。14計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇l路由表一般結(jié)構(gòu)路由表一般結(jié)構(gòu)目的目的節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) 最短距離最短距離最佳輸出鏈路最佳輸出鏈路l網(wǎng)絡(luò)管理員為每個路由器配置固定路由表，固定路由表一旦生網(wǎng)絡(luò)管理員為每個路由器配置固定路由表，固定路由表一旦生成，就不再改變，除非網(wǎng)絡(luò)管理員重新配置。成，就不再改變，除非網(wǎng)絡(luò)管理員重新配置。AD3 35 52

13、25 59 94 4E4 4CB目的節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)最短距離最短距離 最佳輸出鏈路最佳輸出鏈路A8 C BB5 C BC0 D2 C DE7 C D節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)C 的路由表的路由表這里的這里的“距離距離”是廣義的，可以是距離、平均流量、延遲、下跳數(shù)等。是廣義的，可以是距離、平均流量、延遲、下跳數(shù)等。15計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇l優(yōu)點(diǎn)：簡單，路由算法開銷小。優(yōu)點(diǎn)：簡單，路由算法開銷小。l缺點(diǎn)：不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。缺點(diǎn)：不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。l適用：小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。適用：小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。16計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇5.3.3

14、 動態(tài)路由算法動態(tài)路由算法熱土豆算法熱土豆算法首先根據(jù)固定路由算法選擇可能的輸出鏈路，并給這些鏈路賦上一首先根據(jù)固定路由算法選擇可能的輸出鏈路，并給這些鏈路賦上一定權(quán)值；定權(quán)值；再根據(jù)鏈路隊列長度，賦上一定權(quán)值；再根據(jù)鏈路隊列長度，賦上一定權(quán)值；選擇這兩個權(quán)值之和最小的鏈路。選擇這兩個權(quán)值之和最小的鏈路。l基本思想基本思想 當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個分組后，選擇一條輸出隊列最短的鏈路盡當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個分組后，選擇一條輸出隊列最短的鏈路盡快的將其轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不管目的節(jié)點(diǎn)位于何方?？斓膶⑵滢D(zhuǎn)發(fā)出去，而不管目的節(jié)點(diǎn)位于何方。l優(yōu)點(diǎn)：提高鏈路的利用率。優(yōu)點(diǎn)：提高鏈路的利用率。l缺點(diǎn)：盲目性。缺點(diǎn)：盲目性。l改進(jìn)：與

15、固定式路由算法混合使用。改進(jìn)：與固定式路由算法混合使用。17計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇l每個節(jié)點(diǎn)保存一張轉(zhuǎn)發(fā)表（路由表），該表主要字段包括：每個節(jié)點(diǎn)保存一張轉(zhuǎn)發(fā)表（路由表），該表主要字段包括：逆向自學(xué)習(xí)算法逆向自學(xué)習(xí)算法l初始時轉(zhuǎn)發(fā)表為空。初始時轉(zhuǎn)發(fā)表為空。l當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點(diǎn)時，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點(diǎn)時，將數(shù)據(jù)包的源地址視為轉(zhuǎn)發(fā)表的目的地址；如果轉(zhuǎn)發(fā)表存在該目的地址，則刷新該記錄；如果轉(zhuǎn)發(fā)表不存在該目的地址，則增加一條新記錄。根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址，查詢轉(zhuǎn)發(fā)表；如果找到，則從指定的輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)；如果找不到，則廣播。l定期掃描轉(zhuǎn)發(fā)表，清除過時的記錄。定期掃描轉(zhuǎn)發(fā)表，清除過時

16、的記錄。目的地址輸出端口時間戳18計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇距離向量路由算法距離向量路由算法 (D-V(D-V算法算法) ) l該算法最早在該算法最早在ARPANET中使用，后在中使用，后在Internet及及Novell網(wǎng)的網(wǎng)的IPX中使用，即中使用，即RIP協(xié)議。協(xié)議。l基本思想基本思想 每個節(jié)點(diǎn)都保存一張動態(tài)路由表，路由表包括每個節(jié)點(diǎn)都保存一張動態(tài)路由表，路由表包括目的節(jié)點(diǎn)地目的節(jié)點(diǎn)地址，最短距離、最佳輸出鏈路址，最短距離、最佳輸出鏈路。與固定式路由選擇不同的是：。與固定式路由選擇不同的是：相鄰結(jié)點(diǎn)之間定期交換路由信息（如每隔相鄰結(jié)點(diǎn)之間定期交換路由信息（如

17、每隔30秒），并根據(jù)最新秒），并根據(jù)最新路由信息，刷新路由表。路由信息，刷新路由表。l初始化初始化當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時，獲取當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時，獲取直接相連直接相連的鏈路情況（無需知道網(wǎng)絡(luò)全局的鏈路情況（無需知道網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)洌?；拓?fù)洌?；?gòu)建初始路由表，初始路由表中的目的節(jié)點(diǎn)僅包含構(gòu)建初始路由表，初始路由表中的目的節(jié)點(diǎn)僅包含直接相連直接相連的節(jié)點(diǎn)，的節(jié)點(diǎn)，“距離距離”值置為值置為0；將初始路由表發(fā)給將初始路由表發(fā)給直接相連直接相連的節(jié)點(diǎn)。的節(jié)點(diǎn)。19計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院 鄰結(jié)點(diǎn)鄰結(jié)點(diǎn) 距離距離目的結(jié)點(diǎn)目的結(jié)點(diǎn) B D A53B07C62D70E52相鄰結(jié)點(diǎn)發(fā)給C的路由信息 l路由信息更新路

18、由信息更新目的節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)最短距離最短距離最佳輸出鏈路最佳輸出鏈路A8C BB5C BC0D2C DE7C D節(jié)點(diǎn)C的當(dāng)前路由表 AD3 35 52 25 59 94 4E4 4CBAD5 56 62 22 27 75 5E1 1CB當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下一周期網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下一周期網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)5.3 路由選擇路由選擇20計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院經(jīng)過一個周期后，節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一個周期后，節(jié)點(diǎn)C修改步驟如下修改步驟如下:C實(shí)測到達(dá)相鄰結(jié)點(diǎn)實(shí)測到達(dá)相鄰結(jié)點(diǎn)B,D的的“距離距離”。若以。若以延遲延遲為為“距離距離”度量，度量，C向向 B,D發(fā)出探測分組，該分組記錄發(fā)出時間和接收時間，那么鏈路發(fā)出探測分組

19、，該分組記錄發(fā)出時間和接收時間，那么鏈路延遲就是接收和發(fā)出的時間差。延遲就是接收和發(fā)出的時間差。（ C B：6 , C D：2） 收到相鄰結(jié)點(diǎn)收到相鄰結(jié)點(diǎn)B ，D發(fā)來的路由信息后，重新生成下一周期路由表。發(fā)來的路由信息后，重新生成下一周期路由表。目的節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)最短距離最短距離最佳輸出鏈路最佳輸出鏈路 A5C D B6C B C0 D2C D E4C D下一周期結(jié)點(diǎn)C 路由表 5.3 路由選擇路由選擇21計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院A B C D E初始時初始時 第第1 1次交換后次交換后 1 1 第第2 2次交換后次交換后 1 2 1 2 第第3 3次交換后次交換后 1 2 3 1 2

20、3 第第4 4次交換后次交換后 1 2 3 4 1 2 3 4 5.3 路由選擇路由選擇節(jié)點(diǎn)A加入網(wǎng)絡(luò)lD-VD-V算法優(yōu)缺點(diǎn)算法優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：由于僅相鄰節(jié)點(diǎn)交換路由信息，所以運(yùn)算量和交換的信息量優(yōu)點(diǎn)：由于僅相鄰節(jié)點(diǎn)交換路由信息，所以運(yùn)算量和交換的信息量較小。較小。 收斂速度慢，收斂速度慢，對網(wǎng)絡(luò)變化需經(jīng)若干周期才能作出反應(yīng)。特別是對對網(wǎng)絡(luò)變化需經(jīng)若干周期才能作出反應(yīng)。特別是對好消息反應(yīng)快，對壞消息反應(yīng)遲鈍。好消息反應(yīng)快，對壞消息反應(yīng)遲鈍。A B C D E初始時初始時 1 1 2 2 3 3 4 4第第1 1次交換后次交換后 3 2 3 4 3 2 3 4 第第2 2次交換后次交換后 3 4

21、3 43 4 3 4第第3 3次交換后次交換后 5 4 5 45 4 5 4第第4 4次交換后次交換后 5 6 5 65 6 5 6第第5 5次交換后次交換后 7 6 7 67 6 7 6 鏈路A-B崩潰節(jié)點(diǎn)A-B崩潰（壞消息）要經(jīng)過無窮次交換才能傳遍全網(wǎng)，即所謂“無窮計數(shù)”問題。 經(jīng)過4次交換，所有其他節(jié)點(diǎn)才能知道節(jié)點(diǎn)A加入網(wǎng)絡(luò)。22計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇l無窮計數(shù)問題的解決無窮計數(shù)問題的解決規(guī)定一個足夠大的數(shù)作為規(guī)定一個足夠大的數(shù)作為 ，如，如RIP規(guī)定為規(guī)定為16，缺點(diǎn)是限制了網(wǎng)絡(luò)，缺點(diǎn)是限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。規(guī)模。水平分割法，即不允許將從相鄰節(jié)點(diǎn)獲得的路由信

22、息再提供給該相水平分割法，即不允許將從相鄰節(jié)點(diǎn)獲得的路由信息再提供給該相鄰節(jié)點(diǎn)。鄰節(jié)點(diǎn)。A B C D E初始時初始時 1 1 2 2 3 3 4 4第第1 1次交換后次交換后 2 3 4 2 3 4 由于C到A的路由是B提供的，所以B不接受C提供的關(guān)于A的路由信息。23計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇鏈路狀態(tài)路由選擇算法（鏈路狀態(tài)路由選擇算法（L-SL-S算法）算法） l從從1979年開始，年開始，ARPANET以及后來的以及后來的Internet的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議由距離向量由距離向量算法算法改為鏈路狀態(tài)改為鏈路狀態(tài)算法。算法。l基本思想基本思想 所有節(jié)點(diǎn)相

23、互交換路由信息，并根據(jù)最新路由信息刷新路由表。所有節(jié)點(diǎn)相互交換路由信息，并根據(jù)最新路由信息刷新路由表。lL-SL-S算法描述算法描述發(fā)現(xiàn)鄰居結(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰居結(jié)點(diǎn) 當(dāng)一個路由器啟動以后，通過向每個端口發(fā)送特殊的HELLO分組來發(fā)現(xiàn)鄰居結(jié)點(diǎn)，收到HELLO分組的路由器應(yīng)返回一個應(yīng)答來說明它的網(wǎng)絡(luò)地址。測量相鄰鏈路開銷測量相鄰鏈路開銷 通過發(fā)送一個特殊的ECHO分組來實(shí)現(xiàn)，測量其往返時間，再除以2。24計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇 E A B C2314 252 D序號生存期A5 B 2C1 E4D節(jié)點(diǎn)當(dāng)前L-S分組 D：表示節(jié)點(diǎn)D產(chǎn)生的L-S分組。 序號：序號：IP協(xié)議用3

24、2位表示；如果一個L-S分組到達(dá)，其序號序號比最近到達(dá)的序號序號小，則丟棄，以保證節(jié)點(diǎn)收到是最新的L-S分組。生存期：生存期：在L-S分組廣播過程中，經(jīng)過一個結(jié)點(diǎn)遞減1，一旦生存期為0，則丟棄。產(chǎn)生鏈路狀態(tài)分組產(chǎn)生鏈路狀態(tài)分組 每個節(jié)點(diǎn)實(shí)測所有相鄰鏈路的開銷，創(chuàng)建鏈路狀態(tài)分組（ L-S分組）。 D25計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.3 路由選擇路由選擇廣播廣播L-S分組分組 每個節(jié)點(diǎn)向其他所有節(jié)點(diǎn)廣播自己的L-S分組。刷新路由表刷新路由表 結(jié)點(diǎn)獲得最新L-S分組后，用最短路徑算法計算到其他結(jié)點(diǎn)的最短路由，并刷新路由表。l優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：對網(wǎng)絡(luò)變化反應(yīng)迅速（只需一個周期）。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：廣播L-

25、S分組占用信道帶寬大。l應(yīng)用：應(yīng)用： Internet的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議采用L-S算法。D-V和和L-S算法的比較算法的比較 D-VL-S交換路由信息定期網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變或定期交換范圍相鄰結(jié)點(diǎn)全網(wǎng)路由更新緩慢迅速適用范圍 變化緩慢的網(wǎng)絡(luò)變化較激烈的網(wǎng)絡(luò)26計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.4.1 路由信息協(xié)議（路由信息協(xié)議（RIP）5.4 路由協(xié)議簡介路由協(xié)議簡介 RIP采用采用D-V算法，用于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。算法，用于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)l距離：距離：下跳數(shù)，允許對下跳數(shù)加權(quán)。l路由信息交換周期：路由信息交換周期：30秒。l無窮計數(shù)問題：無窮計數(shù)問題：RIP選擇16作為；為了加快收斂速度，

26、RIP采用水 平分割技術(shù)。lRIP消息交換：消息交換：通過UDP協(xié)議傳輸，端口號為520。27計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.4 路由協(xié)議簡介路由協(xié)議簡介 OSPF采用采用L-S算法，是目前算法，是目前Internet的主要內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。的主要內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)l距離：距離：允許選擇多種“距離”度量，如延遲，數(shù)據(jù)率，通信費(fèi)用，下跳數(shù)等。lOSPF支持區(qū)域概念。支持區(qū)域概念。lOSPF支持認(rèn)證服務(wù)，防止發(fā)送假路由信息來愚弄路由器。支持認(rèn)證服務(wù)，防止發(fā)送假路由信息來愚弄路由器。5.4.2 開放最短路由優(yōu)先協(xié)議（開放最短路由優(yōu)先協(xié)議（OSPF）28計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.

27、4.3 邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）BGP采用改進(jìn)的采用改進(jìn)的D-V算法，作為算法，作為Internet外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)l路由表中記錄到達(dá)目的地的確切路由，而不是路由表中記錄到達(dá)目的地的確切路由，而不是“距離距離”，從而解決從而解決“無窮計數(shù)無窮計數(shù)”問題。問題。l支持策略路由。支持策略路由。5.4.3 邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）29計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議5.5.1 概述概述IP協(xié)議是協(xié)議是Internet體系結(jié)構(gòu)的核心協(xié)議，該協(xié)議已成為連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的核心協(xié)議，該協(xié)議已成為連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。I

28、P提供非面向連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，每個提供非面向連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，每個IP分組長度分組長度 64K字節(jié)，傳字節(jié)，傳輸效率高，但不能保證分組可靠的，按序到達(dá)。輸效率高，但不能保證分組可靠的，按序到達(dá)。IP協(xié)議需要路由協(xié)議，協(xié)議需要路由協(xié)議，ICMP，ARP，RARP等協(xié)議支持。等協(xié)議支持。IP協(xié)議包括協(xié)議包括IPv4和和IPv6兩個版本，本節(jié)主要介紹兩個版本，本節(jié)主要介紹IPv4。30計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議版本版本頭部長度頭部長度服務(wù)類型服務(wù)類型總長度總長度標(biāo)識標(biāo)識標(biāo)志標(biāo)志片段偏移片段偏移生命期生命期協(xié)議協(xié)議頭部檢驗(yàn)和頭部檢驗(yàn)和源地址源地址目的地址目的地址選項選項填充數(shù)

29、數(shù) 據(jù)據(jù)5.5.2 IP分組格式分組格式0 4 8 16 31 IP分組由分組由IP報頭和數(shù)據(jù)組成。報頭和數(shù)據(jù)組成?？勺儾糠止潭ú糠?版本：版本：4位，表示IP協(xié)議的版本號；4表示IPv4，6表示IPv6。 頭部長度：頭部長度：8位，給出IP報頭的長度，單位為字（32位）；最小值為5 （無任何選項），最大值為15（頭部最大長度為60字節(jié)）。31計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議服務(wù)類型：服務(wù)類型：告訴路由器該IP分組想獲得何種服務(wù)，包括優(yōu)先級、延遲、吞吐 量和可靠性要求。該字段共有8位：前前3位位表示優(yōu)先權(quán)。中中3位位 （D、T、R）表示想獲得的服務(wù)質(zhì)量（延遲，吞吐量，可靠性

30、）。后后2位位保留。幾乎所有路由器都忽略該字段。總長度：總長度：表示整個IP分組長度，包括報頭和數(shù)據(jù)部分；該字段16位，所以IP 分組最大長度216-1 =65535字節(jié)（ 64KB）。標(biāo)識：標(biāo)識：16位，用來標(biāo)識一個分組，同一分組的不同分段具有相同的標(biāo)識。標(biāo)志：標(biāo)志：3位。第第1位：位：保留第第2位位： DF位（Dont Fragment）。 若DF=1，則IP分組在傳輸中不允許分 段，如目的主機(jī)從遠(yuǎn)方引導(dǎo)啟動機(jī)器的映像文件，目的主機(jī)無能 力重組分組。若DF=0 ，則允許分段。第第3位位：MF位（More Fragment）:若MF=0 ，則該分段是原分組的最后一個 分段。32計算機(jī)與信息學(xué)

31、院計算機(jī)與信息學(xué)院分段偏移：分段偏移：表示分段在原分組中所處位置的偏移量，單位為8字節(jié)，起始偏 移量為0。由于該字段為13位，所以一個分組最多有213 = 819 2 個分段。生命期：生命期：該字段限制IP分組在Internet中的生存期，通常用下跳數(shù)表示，分 組每經(jīng)過一個路由器，則自動減1；當(dāng)該字段為0時，則丟棄該分 組，并向源節(jié)點(diǎn)發(fā)出ICMP警告信息。協(xié)議：協(xié)議：表示IP的上層協(xié)議，即IP分組將遞交給哪一個高層協(xié)議處理（如TCP或UDP）。頭部校驗(yàn)和：頭部校驗(yàn)和：將頭部所有16位半字按二進(jìn)制補(bǔ)碼累加，再取其結(jié)果補(bǔ)碼， 以便接收端對IP頭部進(jìn)行校驗(yàn)。該字段每經(jīng)過一個路由器都 要重新計算，因?yàn)?/p>

32、至少“生命期生命期”字段會改變。源源/目的地址：目的地址：源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)IP地址（各32位） 。5.5 IP協(xié)議協(xié)議33計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議選項選項安全安全 告訴路由器如何保證IP分組的安全性；例如，該分組不能經(jīng)過某些路由器。嚴(yán)格的源路徑嚴(yán)格的源路徑 以IP地址序列形式給出完整的源/目的路徑，分組嚴(yán)格地按照此路徑傳輸。寬松的源路徑寬松的源路徑 以IP地址序列形式給出到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)必須經(jīng)過的路由器，但也允許經(jīng)過其他路由器。 路由記錄路由記錄 告訴沿途經(jīng)過的路由器將他們的IP地址加入到該選項中，以便接收端能夠知道該分組經(jīng)過哪條路由到達(dá)。時間標(biāo)記時間標(biāo)記 類似“路由記

33、錄”，但除記錄路由器的IP地址外，還要記錄時間標(biāo)記。34計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議IP地址概述地址概述lIP網(wǎng)絡(luò)中的每臺主機(jī)至少要分配一個IP地址，一臺路由器需要分配多個IP 地址（每個端口需分配一個IP地址），每個IP地址只能分配給一臺主機(jī)或路由器。l Internet上IP地址由網(wǎng)絡(luò)信息中心（NIC）分配。l IP地址32位，通常用帶點(diǎn)的4個十進(jìn)制數(shù)表示；如：240.45.245.9。5.5.3 IP地址地址 IP地址結(jié)構(gòu)地址結(jié)構(gòu)1.0.0.0127.255.255.2550 8 16 24 310網(wǎng)絡(luò)號網(wǎng)絡(luò)號主機(jī)號主機(jī)號10網(wǎng)絡(luò)號網(wǎng)絡(luò)號主機(jī)號主機(jī)號1 1 0網(wǎng)絡(luò)

34、號網(wǎng)絡(luò)號主機(jī)號主機(jī)號1 1 1 0組播地址組播地址1 1 1 1 0保留保留128.0.0.0191.255.255.255224.0.0.0239.255.255.255192.0.0.0223.255.255.255240.0.0.0247.255.255.255A類類B類類C類類D類類E類類35計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議l A A類：類：共有27-2=126個網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)最多有22421.6107臺主機(jī)。l B B類：類：共有214-2= 16382個網(wǎng)絡(luò)， 每個網(wǎng)絡(luò)最多有216-265534臺主機(jī)。l C C類：類：共有221-2200萬個網(wǎng)絡(luò)， 每個網(wǎng)絡(luò)最

35、多有28-2254臺主機(jī)。l D D類：類：用于組播。l D D類：類：保留。特殊的特殊的IP地址地址 l全全“0”：表示本機(jī)地址，僅當(dāng)初始啟動時使用，以后不再使用。l全全“1”：本地網(wǎng)絡(luò)的廣播地址。l主機(jī)號全主機(jī)號全“1”：廣播地址。 例如，192.210.200.255表示192.210.200.0的所有主機(jī)。l主機(jī)號全主機(jī)號全“0”：表示網(wǎng)絡(luò)號。 例如，例192.254.252.0表示一個C類網(wǎng)絡(luò)。l127.xxx.yyy.zzz：系統(tǒng)保留作為回路自測。 發(fā)到127.xxx.yyy.zzz的分組實(shí)際上并不發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，而是經(jīng)過內(nèi)部處理后又返回本機(jī)。36計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.

36、5 IP協(xié)議協(xié)議lA類：類：10.0.0.0 （1個網(wǎng)絡(luò)）。lB類：類：172.16.0.0 172.31.0.0（16個網(wǎng)絡(luò)）。lC類：類：192.168.0.0 192.168.255.0（256個網(wǎng)絡(luò)）。內(nèi)部內(nèi)部IP地址（私用地址）地址（私用地址） Internet的路由器不會轉(zhuǎn)發(fā)目的地址為上述地址的IP分組，即私用地址不能穿越內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)邊界。路由器路由器IP尋址尋址l路由器根據(jù)路由器根據(jù)目的網(wǎng)絡(luò)號目的網(wǎng)絡(luò)號而不是而不是目的目的IP地址轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)IP分組，以減少路由表分組，以減少路由表的信息量。的信息量。 路由器保存一張路由表，該表保存的主要內(nèi)容：（目的網(wǎng)絡(luò)號，最佳輸出鏈路），指示如何到達(dá)目

37、的網(wǎng)絡(luò)，至于到達(dá)該網(wǎng)絡(luò)后，如何到達(dá)目的主機(jī)則不是本路由器所考慮的。l當(dāng)一個分組到達(dá)時，路由器通過子網(wǎng)掩碼獲取它的網(wǎng)絡(luò)號。如果是本當(dāng)一個分組到達(dá)時，路由器通過子網(wǎng)掩碼獲取它的網(wǎng)絡(luò)號。如果是本網(wǎng)，則該網(wǎng)，則該IP分組直接發(fā)送到指定主機(jī)；如果是其他網(wǎng)絡(luò)，則根據(jù)路由分組直接發(fā)送到指定主機(jī)；如果是其他網(wǎng)絡(luò)，則根據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)到下一路由器。表轉(zhuǎn)發(fā)到下一路由器。l如果路由表中找不到如果路由表中找不到目的網(wǎng)絡(luò)目的網(wǎng)絡(luò)，則將該分組轉(zhuǎn)發(fā)到，則將該分組轉(zhuǎn)發(fā)到 “缺省鏈路缺省鏈路”。37計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議 IP協(xié)議用于分組傳輸，協(xié)議用于分組傳輸，Internet還需要一些控制協(xié)議，包括

38、還需要一些控制協(xié)議，包括ICMP， ARP，RARP等。等。5.5.4 Internet控制協(xié)議控制協(xié)議 ICMP協(xié)議協(xié)議 ICMP用于報告用于報告IP協(xié)議運(yùn)行過程中意外事件的發(fā)生，也用于網(wǎng)絡(luò)測協(xié)議運(yùn)行過程中意外事件的發(fā)生，也用于網(wǎng)絡(luò)測試。試。 ICMP消息主要有消息主要有12種，這些種，這些ICMP消息封裝在消息封裝在IP分組中傳輸。分組中傳輸。因此，因此， ICMP消息可視為消息可視為“IP控制分組控制分組”。l目的不可達(dá)：目的不可達(dá)：當(dāng)目的路由器無法找到目的主機(jī)，或者DF為“1”的分組 經(jīng)過MTU較小的網(wǎng)絡(luò)而無法傳輸時，返回該消息。l超時：超時：當(dāng)分組的生命期減至0時，則自動丟棄該分組，

39、并返回該消息。l參數(shù)出錯：參數(shù)出錯：當(dāng)IP頭部參數(shù)出現(xiàn)非法值時，返回該消息，說明發(fā)送主機(jī) 或路由器軟件有問題。主要主要ICMP消息：消息：38計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議l源抑制：源抑制：源主機(jī)收到該消息后，則降低發(fā)送速度，以減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞。 事實(shí)上，該消息幾乎并未使用，因?yàn)楫?dāng)網(wǎng)絡(luò)擁賽時，再發(fā)送“源抑制”分組等于火上澆油。Internet的擁塞控制主要由傳輸 層的TCP完成。l重導(dǎo)向：重導(dǎo)向：當(dāng)某路由器發(fā)現(xiàn)某分組的路由選擇有問題時，向源主機(jī)返回 該消息。l回聲請求與應(yīng)答：回聲請求與應(yīng)答：這兩個消息用于測試目的地址是否可達(dá)和工作正常。l時間戳請求與應(yīng)答：時間戳請求與應(yīng)答：用

40、于記錄探測分組的發(fā)出時間和到達(dá)時間，通過 計算時間差，得到分組的當(dāng)前延遲。l其他其他ICMP消息：消息：涉及到Internet的地址問題，不常用。39計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議 IP地址是網(wǎng)絡(luò)層地址，鏈路層無法識別。當(dāng)知道目的地址是網(wǎng)絡(luò)層地址，鏈路層無法識別。當(dāng)知道目的IP地址，目的地址，目的路由器必須獲得對應(yīng)的目的路由器必須獲得對應(yīng)的目的MAC地址，才能構(gòu)造地址，才能構(gòu)造MAC幀發(fā)送到目幀發(fā)送到目的主機(jī)。的主機(jī)。5.5.4 ARP協(xié)議協(xié)議ARP協(xié)議的功能：協(xié)議的功能：將IP地址轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的MAC地址。ARP協(xié)議工作原理協(xié)議工作原理40計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院

41、 R收到目的地址192.31.63.4的分組，知道要從E0端口轉(zhuǎn)發(fā)。 廣播詢問幀： 詢問誰的IP地址是192.31.63.4？ B返回應(yīng)答幀： 告訴R，我的IP地址是192.31.63.4，MAC地址是E2。 R收到B的應(yīng)答幀，知道目的MAC地址為E2 ，于是為要轉(zhuǎn)發(fā)的分組 構(gòu)造數(shù)據(jù)幀，并從E0端口轉(zhuǎn)發(fā)。192.31.63.1192.31.63.4ABC192.31.63.3RE1E0192.31.63.4192.31.63.165.5 IP協(xié)議協(xié)議E2E3全“1 ”E0192.31.63.4 E0E2192.31.63.4192.31.63.441計算機(jī)與信息學(xué)院計算機(jī)與信息學(xué)院5.5 IP協(xié)議協(xié)議子網(wǎng)子網(wǎng)l將一個網(wǎng)絡(luò)（將一個網(wǎng)絡(luò)（A，B或或C類）內(nèi)部分割成若干部分，每個部分稱為一個類）內(nèi)部分割成若干部分，每個部分稱為一個子網(wǎng)。子網(wǎng)。l子網(wǎng)對外部不可視。子網(wǎng)對外部不可視。子網(wǎng)掩碼子網(wǎng)掩碼lIP地址由兩部分組成：網(wǎng)絡(luò)號地址由兩部分組成：網(wǎng)絡(luò)號+主機(jī)號。主機(jī)號。l子網(wǎng)掩碼由子網(wǎng)掩碼由32位組成，用于獲