計算機科學(xué)與技術(shù)-計算機網(wǎng)絡(luò)原理-重點分析

學(xué)習(xí)I標(biāo)

1、理解網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)模型以及轉(zhuǎn)發(fā)與路由的概念

2、理解網(wǎng)絡(luò)互連、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的概念

3、掌握實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連的設(shè)備路由器的基本結(jié)構(gòu)

4、理解網(wǎng)絡(luò)擁塞控制

5、掌握典型的路由算法以及典型的路由選擇協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)層

一、網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)：

網(wǎng)絡(luò)層介于傳輸層與數(shù)據(jù)鏈路層之間，傳輸層提供端到

端的進程間通信服務(wù)，數(shù)據(jù)鏈路層的功能則是實現(xiàn)物理鏈路

直接相連的兩個結(jié)點之間的數(shù)據(jù)幀傳輸服務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)層關(guān)注

的是如何將承載傳輸層報文段的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報從源主機送達

目的主機。

二、網(wǎng)絡(luò)層的功能

1、路由轉(zhuǎn)發(fā)

2、路由選擇、'

osi參考模型

發(fā)送進程

應(yīng)用層協(xié)議

應(yīng)用層應(yīng)用層

表示層協(xié)議

表示展表示層

會活必協(xié)議

會話展會話層

傳輸層協(xié)議

傳輸以傳輸以

網(wǎng)絡(luò)房網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層

數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)性數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)鏈

路層路層路層路層路層

物理所物理必物理公物理房物理必

物理介質(zhì)物理介質(zhì)

路由器路由器路由器

主機A主機B

通信子網(wǎng)

TCP/IP參考模型

,<<-

兩者對比

TCP/IP豺模型TCP/IP機源

物理層

路由轉(zhuǎn)發(fā)與路由選擇

一、轉(zhuǎn)發(fā)含義：

當(dāng)通過一條輸入鏈路接收到一個分組后，路由器需要

決策通過哪條輸出鏈路將分組轉(zhuǎn)發(fā)出去，并將分組從輸入

端口轉(zhuǎn)移到輸出接口（如圖所示）

0

路由轉(zhuǎn)發(fā)與路由選擇

二、路由選擇含義：

當(dāng)分組從源主機流向目的主機時，必須通過某種方式

決定分組經(jīng)過的路由或路徑，計算分組所經(jīng)過的路徑算法

被稱為路由選擇算法（如圖）

叁電善2

0

網(wǎng)絡(luò)互連與網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

一、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要是指兩個網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)和運行協(xié)議不同。

實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的基本政策主要包括協(xié)議轉(zhuǎn)換和構(gòu)建虛

擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

1、協(xié)議轉(zhuǎn)換主要依靠網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（網(wǎng)橋、交換機、路由器）

2、虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：IP網(wǎng)絡(luò)，即：Internet

網(wǎng)絡(luò)互連與網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

Internet是利用IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的全球最大的互連網(wǎng)絡(luò),

是典型的網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)互連。Internet采用同構(gòu)的網(wǎng)

絡(luò)層協(xié)議-IP與網(wǎng)絡(luò)尋址，即：IP地址,引入網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

-IP路由器。

除了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連，還有同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連問題，如兩個

異地以太網(wǎng)的互連，實現(xiàn)這類同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的典型技術(shù)是

隧道技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)互連與網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

多個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互連分析:

以太網(wǎng)

PC-PT

日鞋機

如圖所不：

假設(shè)源主機連接在820.11網(wǎng)絡(luò)中，目的主機連接在以太網(wǎng)

上，這兩個網(wǎng)絡(luò)就組成了一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，同時這兩個網(wǎng)絡(luò)

之間還存在著運行多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)（MPLS）

網(wǎng)絡(luò)互連與網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

1、源主機的傳輸層報文段被封裝在IP數(shù)據(jù)報中，在數(shù)據(jù)

報中封裝了目的主機的IP地址，然后數(shù)據(jù)報被封裝進

802.11幀中，并發(fā)送到第一個路由器R1。

2、當(dāng)R1接收到幀時，路由器將數(shù)據(jù)報從802.11幀中提取

出來，根據(jù)數(shù)據(jù)報中的IP地址信息查詢其轉(zhuǎn)發(fā)表，并將該

X

數(shù)據(jù)報通過某條鏈路發(fā)送出去，即發(fā)給R2。

網(wǎng)絡(luò)互連與網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

3、當(dāng)R2接收到MPLS幀時，對其中的數(shù)據(jù)報進行提取,

進行在R1發(fā)生的相似過程，下一跳便是目的主機，完成數(shù)

據(jù)傳輸。

4、在以太網(wǎng)鏈路上,由于受到MTU（最大傳輸單元）限

制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)報無法一次性發(fā)送完畢，于是需要對數(shù)據(jù)報

進行分片，對每個分片根據(jù)原數(shù)據(jù)報設(shè)置IP首部，將其封

裝進以太網(wǎng)幀并發(fā)送至目的主機。目的主機對接收到的分

片進行重組。整個過程數(shù)據(jù)報從源主機到目的主機經(jīng)過了

3個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

0

絡(luò)互連與網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

二、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備

用來連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備多種多樣，包括中繼器、集線器、交

換機、網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關(guān)等。而在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)的是網(wǎng)絡(luò)

互連的設(shè)備-路由器。

路由器與路由表

一、路由器：

路由器是一種具有多個輸入端口和多個輸出端口的專

用計算機，主要任務(wù)是獲取與維護路由信息以及轉(zhuǎn)發(fā)分組。

路由器是最典型的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，工作于OSI的第三層，從

功能體系結(jié)構(gòu)角度，可以分為：輸入端口、交換結(jié)構(gòu)、路

由處理器。

0

輸入端口

輸入端口負(fù)責(zé)從物理接口接收信號，還原數(shù)據(jù)鏈路層

幀，提取IP數(shù)據(jù)報（其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分組），根據(jù)IP數(shù)據(jù)

報的目的IP地址檢索路由表，決策需要將該IP數(shù)據(jù)報交換

到哪個輸出端口。

路由器輸入端口接收與處理數(shù)據(jù)過程如圖所示：

數(shù)據(jù)鏈路處理交換結(jié)構(gòu)

X

交換結(jié)構(gòu)

交換機構(gòu)完成將輸入端口的IP數(shù)據(jù)報交換到指定的輸

出端口。主要包括以下3種交換結(jié)構(gòu)：

1、基于內(nèi)存交換

2、基于總線交換

3、基于網(wǎng)絡(luò)交換

為

輸出端口

輸出端口提供一個緩存排隊功能，排隊交換到該端口

的待發(fā)送分組，并從隊列中不斷取出分組進行數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)幀的封裝，通過物理線路端接發(fā)送出去。（輸出端口

處理數(shù)據(jù)過程如圖）

交換機構(gòu)N排也譽存'BS數(shù)據(jù)鏈路處理線路端接

0

路由處理器

路由處理器就是路由器的CPU,負(fù)責(zé)執(zhí)行路由器的各種指

令，包括路由協(xié)議的運行、路由計算以及路由表的更新維護等。

通常在中低端路由器中，CPU負(fù)責(zé)交換路由信息、路由表

查找以及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。在高端路由器中，通常包轉(zhuǎn)發(fā)和查表由

ASIC芯片完成,CPU只實現(xiàn)路由協(xié)議、計算路由以及分發(fā)路

由表。由于技術(shù)的發(fā)展，路由器中許多工作都可以由硬件實現(xiàn)

（專用芯片）。CPU性能并不完全反映路由器性能。路由器性

能由路由器吞吐量、時延和路由計算能力等指標(biāo)體現(xiàn)。

0

路由處理器

路由器處理器芯片除了通用處理器之外，其它的

嵌入式處理器、ASIC處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器都有它們發(fā)

展和用武之地。嵌入式處理器將更多地出現(xiàn)在低端的

路由器產(chǎn)品中，如家用、SOHO級寬帶路由器、VPN

防火墻網(wǎng)關(guān)；ASIC處理器與網(wǎng)絡(luò)處理器將更多地出現(xiàn)

在中端、高端的企業(yè)級、電信級的路由器及交換機中。

路由器與路由表

?路由器的功能層面

A控制層面：形成和維護全局路由表

，轉(zhuǎn)發(fā)層面：使用全局路由表中的路由信息進行IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)

，控制層面與轉(zhuǎn)發(fā)層面的接口:全局路由表

＞彩成和維護全局路由表

T全局路由表—

轉(zhuǎn)發(fā)層面f使用全局路由表進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)

直連路由

-直接連到路由器接口的子網(wǎng)被稱為直連子網(wǎng)，路由

器自動將它們的路由加入路由表，稱為直連路由。

FO/OS°/016.4.252/24^^^,。八?

~WS8Pl72.16.4.251^4~~~

0so/1

PC1PC2

億16.1.117.16.3.3

R1IP路由表

子網(wǎng)掩碼外出接口下一跳

0172.16.1.0255.255.255.0F0/0N/A

C172.16.4.0255.255.255.0S0/0N/A

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路由器與路由表

二、路由表

?又稱全局路由表，存儲在路由器的內(nèi)存中，用于指示路由器如

何將IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至正確目的地的信息表。

協(xié)議目標(biāo)網(wǎng)段/掩碼出接口下一跳

C192.168.1.0/30S0/0—

X

網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

在分組交換網(wǎng)中，由于叢多的用戶隨機地將信息送入

網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸?shù)男畔⒖偭看笥谄鋫鬏斈芰?，?/p>

至于某系網(wǎng)絡(luò)結(jié)點（如路由器）因緩沖器區(qū)已滿，無法接

收新到達的數(shù)據(jù),此時就發(fā)生了所謂的擁塞現(xiàn)象。

擁塞是一種持續(xù)過載的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，此時用戶對網(wǎng)絡(luò)資

源（鏈路帶寬、存儲空間、處理器處理能力等）的總需求

超過了網(wǎng)絡(luò)固有的容量。

0

網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

網(wǎng)絡(luò)擁塞可以用下圖的曲線解釋。

負(fù)我負(fù)載

吞吐威曲線延時曲線

網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

解決網(wǎng)絡(luò)擁塞可采用：擁塞控制、流量控制

擁塞控制：端系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)點通過采取某些措施來避

免擁塞的發(fā)生，或者對已經(jīng)發(fā)生的擁塞做出反應(yīng)，以便盡

快消除擁塞。

流量控制：發(fā)送數(shù)據(jù)一方根據(jù)接收數(shù)據(jù)一方的接收數(shù)

據(jù)的能力，包括接收緩存、處理速度等。調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速

率和數(shù)據(jù)量。以避免接收方被數(shù)據(jù)淹沒。

網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

總體來說：擁塞控制是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送

速率和數(shù)據(jù)量。目的就是使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不超過網(wǎng)絡(luò)的傳送能

力。而流量控制主要是考慮接收端的數(shù)據(jù)接收和處理能力，

目的是使發(fā)送端的發(fā)送速率不超過接收端的接收能力。

舉個例子：假設(shè)從A地向B地放行一列車隊，如果為

了適應(yīng)B停車場的停車能力,來調(diào)整A地車輛的放行速率，

這就是流量控制；如果為了避免A地到B地經(jīng)過的路網(wǎng)不

出現(xiàn)塞車，可調(diào)整A地放行車輛的速率。

網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

在分組交換網(wǎng)中，一個結(jié)點收到待轉(zhuǎn)發(fā)分組后，先存

儲在結(jié)點緩沖區(qū)，然后按照分組中的目的地址選擇一條轉(zhuǎn)

發(fā)路徑，將該分組交換到所選的輸出端口的輸出隊列中等

待發(fā)送。若一個結(jié)點剩余緩沖區(qū)空間不足，則無法接收分

組，只能丟棄。

一般來說。發(fā)送擁塞的原因有：

1、緩沖區(qū)容量有限

2、傳輸線路的帶寬有限

3、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的處理能力有限

4、網(wǎng)絡(luò)中某部分發(fā)生了故障

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網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

網(wǎng)絡(luò)層常用的擁塞控制措施:

1、流量感知路由

2、準(zhǔn)入控制

3、流量調(diào)節(jié)

4、負(fù)載脫落

網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

1、流量感知路由

網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被抽象為一張帶權(quán)無向圖，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（比如

路由器）抽象為圖的結(jié)點，鏈路抽象為圖的邊，鏈路費用

抽象為邊的權(quán)值。

網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

2、準(zhǔn)入控制

準(zhǔn)入控制是一種廣泛應(yīng)用于虛電路網(wǎng)絡(luò)的擁塞預(yù)防技

術(shù)。其基本的思想是對新建虛電路審核，如果新建虛電路會

導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，那么網(wǎng)絡(luò)拒絕建立該虛電路。

準(zhǔn)入控制實現(xiàn)的關(guān)鍵，在于建立一條新虛電路會導(dǎo)致

整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，應(yīng)該如何反應(yīng)。所以就需要對網(wǎng)絡(luò)中

的流量、擁塞情況進行量化。常用的方法有：基于平均流量、

瞬時流量來判斷是否有能力接受新虛電路而不會發(fā)生的擁塞。

網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

3、流量調(diào)節(jié)

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時候，可以通過調(diào)整發(fā)送方向網(wǎng)絡(luò)發(fā)

送數(shù)據(jù)的速率來消除擁堵。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點（如路由器）感知

到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，可以通知上游網(wǎng)絡(luò)結(jié)點（或端系統(tǒng)）

降低發(fā)送速率，從而逐漸消除擁塞。

網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

4、負(fù)載脫落

負(fù)載脫落是通過有選擇地主動丟棄一些數(shù)據(jù)報，來減

輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，從而緩解或消除擁塞。當(dāng)路由器中的數(shù)據(jù)報得

不到及時處理，可能面臨被丟棄的危險，路由器就主動將該

數(shù)據(jù)報丟棄。