數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)（第二版）課件：網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層6.1網(wǎng)絡(luò)層所涉及的有關(guān)問題

6.2路由選擇機制

6.3擁塞控制

6.1網(wǎng)絡(luò)層所涉及的有關(guān)問題6.1.1廣域網(wǎng)的概念廣域網(wǎng)并沒有嚴格的定義，通常是指一個地理覆蓋范圍超過局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。廣域網(wǎng)通?？缭胶艽蟮牡乩韰^(qū)域，所覆蓋的范圍從幾十公里到幾千公里，可提供不同地區(qū)、城市和國家之間的計算機通信?；ヂ?lián)網(wǎng)由局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)組成互聯(lián)網(wǎng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)廣域網(wǎng)路由器結(jié)點交換機相距較遠的局域網(wǎng)通過路由器與廣域網(wǎng)相連組成了一個覆蓋范圍很廣的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當注意即使是覆蓋范圍很廣的互聯(lián)網(wǎng)，也不是廣域網(wǎng)，因為在這種網(wǎng)絡(luò)中，不同網(wǎng)絡(luò)的“互連”才是其最主要的特征。廣域網(wǎng)是單個的網(wǎng)絡(luò)，它使用結(jié)點交換機連接各主機而不是用路由器連接各網(wǎng)絡(luò)。結(jié)點交換機在單個網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)分組，而路由器在多個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)分組。連接在一個廣域網(wǎng)（或一個局域網(wǎng)）上的主機在該網(wǎng)內(nèi)進行通信時，只需要使用其網(wǎng)絡(luò)的物理地址即可。6.1.2網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)

有兩大類：無連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（數(shù)據(jù)報服務(wù)）面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（虛電路服務(wù)）提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)H1

向

H5

發(fā)送分組H2

向

H6

發(fā)送分組路徑可能變化網(wǎng)絡(luò)隨時接受主機發(fā)送的分組（即數(shù)據(jù)報）網(wǎng)絡(luò)為每個分組獨立地選擇路由。提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)盡最大努力地將分組交付給目的主機，但網(wǎng)絡(luò)對源主機沒有任何承諾。提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不保證所傳送的分組不丟失也不保證按源主機發(fā)送分組的先后順序以及在時限內(nèi)必須將分組交付給目的主機提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點可根據(jù)情況將一些分組丟棄提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)數(shù)據(jù)報提供的服務(wù)是不可靠的，它不能保證服務(wù)質(zhì)量。實際上“盡最大努力交付”的服務(wù)就是沒有質(zhì)量保證的服務(wù)。提供虛電路服務(wù)的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)H1

要和

H5

通信主機

H1

先向主機H5發(fā)出一個特定格式的控制信息分組，要求進行通信，同時尋找一條合適路由。若主機H5同意通信就發(fā)回響應(yīng)，然后雙方就建立了虛電路。虛電路H1

向

H5

發(fā)送的所有分組都沿此虛電路傳送。提供虛電路服務(wù)的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)同理，主機

H2

和主機H6通信之前，也要建立虛電路。提供虛電路服務(wù)的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)在虛電路建立后，網(wǎng)絡(luò)向用戶提供的服務(wù)就好像在兩個主機之間建立了一對穿過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字管道。所有發(fā)送的分組都按順序進入管道，然后按照先進先出的原則沿著此管道傳送到目的站主機。提供虛電路服務(wù)的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網(wǎng)到達目的站的分組順序就與發(fā)送時的順序一致，因此網(wǎng)絡(luò)提供虛電路服務(wù)對通信的服務(wù)質(zhì)量QoS(QualityofService)有較好的保證。兩種服務(wù)的思路來源不同虛電路服務(wù)的思路來源于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)。電信網(wǎng)負責保證可靠通信的一切措施，因此電信網(wǎng)的結(jié)點交換機復(fù)雜而昂貴。數(shù)據(jù)報服務(wù)力求使網(wǎng)絡(luò)生存性好和使對網(wǎng)絡(luò)的控制功能分散，因而只能要求網(wǎng)絡(luò)提供盡最大努力的服務(wù)?？煽客ㄐ庞捎脩艚K端中的軟件（即TCP）來保證。

網(wǎng)絡(luò)上傳送的報文長度，在很多情況下都很短。用數(shù)據(jù)報既迅速又經(jīng)濟。若用虛電路，為了傳送一個分組而建立虛電路和釋放虛電路就顯得太浪費網(wǎng)絡(luò)資源了。

數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

都各有一些優(yōu)缺點在使用數(shù)據(jù)報時，每個分組必須攜帶完整的地址信息。在使用虛電路的情況下，每個分組不需要攜帶完整的目的地址，而僅需要有個很簡單的虛電路號碼的標志。這就使分組的控制信息部分的比特數(shù)減少，因而減少了額外開銷。數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

都各有一些優(yōu)缺點在使用數(shù)據(jù)報時，主機承擔端到端的差錯控制和流量控制。在使用虛電路時，分組按順序交付，網(wǎng)絡(luò)可以負責差錯控制和流量控制。數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

都各有一些優(yōu)缺點數(shù)據(jù)報服務(wù)對軍事通信有其特殊的意義。當某個結(jié)點發(fā)生故障時，后續(xù)的分組就可另選路由，因而提高了可靠性。但在使用虛電路時，結(jié)點發(fā)生故障就必須重新建立另一條虛電路。數(shù)據(jù)報服務(wù)還很適合于將一個分組發(fā)送到多個地址(即廣播或多播)。數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

都各有一些優(yōu)缺點數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

優(yōu)缺點的歸納對比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報服務(wù)思路可靠通信應(yīng)當可靠通信應(yīng)當

由網(wǎng)絡(luò)來保證由用戶主機來保證連接的建立必須有不要目的站地址僅在連接建立階段每個分組都有使用，每個分組使目的站的全地址用短的虛電路號數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

優(yōu)缺點的歸納對比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報服務(wù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)屬于同一條虛電路每個分組獨立選擇的分組均按照同一路由進行轉(zhuǎn)發(fā)路由進行轉(zhuǎn)發(fā)當結(jié)點出所有通過出故障的故障結(jié)點可能丟失故障時結(jié)點的虛電路分組，一些路由均不能工作可能會發(fā)生變化數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

優(yōu)缺點的歸納對比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報服務(wù)分組的順序總是按發(fā)送順序到達目的站時不一定

到達目的站按發(fā)送順序端到端的可以由分組交換網(wǎng)由用戶主機負責差錯處理和負責也可以由用戶流量控制主機負責數(shù)據(jù)報服務(wù)與虛電路服務(wù)之爭讓網(wǎng)絡(luò)只提供數(shù)據(jù)報服務(wù)就可大大簡化網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)。技術(shù)的進步使得網(wǎng)絡(luò)出錯的概率已越來越小，因而讓主機負責端到端的可靠性不但不會給主機增加更多的負擔，反而能夠使更多的應(yīng)用在這種簡單的網(wǎng)絡(luò)上運行。因特網(wǎng)發(fā)展到今天的規(guī)模，充分說明了在網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)報服務(wù)是非常成功的。6.1網(wǎng)絡(luò)層所涉及的有關(guān)問題6.1.1廣域網(wǎng)的概念6.1.2網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)6.2路由選擇機制

（廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機制）6.2.1節(jié)點交換機中的路由表1.層次結(jié)構(gòu)的地址結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)采用了平面地址結(jié)構(gòu)(flatddressing)。對局域網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)非常方便。廣域網(wǎng)中一般都采用層次地址結(jié)構(gòu)(hierarchicaladdressing)。最簡單的層次結(jié)構(gòu)地址舉例用二進制數(shù)表示的主機地址劃分為前后兩部分。前一部分的二進制數(shù)表示該主機所連接的分組交換機的編號。后一部分的二進制數(shù)表示所連接的分組交換機的端口號，或主機的編號。所連接的交換機的編號所連接的交換機端口的編號計算機在廣域網(wǎng)中的地址[2,1][2,2]4567456745

6

7交換機1交換機2交換機3[1,1][1,3][3,2][3,3]每個交換機都有兩組端口。一組是和本地主機相連的低速端口，另一組是和其他交換機相連的高速端口。1231231

2

3每個主機地址中后面的數(shù)字是指該交換機的低速端口主機地址[3,2]是指連接在交換機

3

的

2

號低速端口主機地址[1,3]是指連接在交換機

1

的

3

號低速端口[2,1][2,2]45674567交換機2交換機3[3,2][3,3]交換機112312345

6

71

2

3[1,1][1,3][2,1][2,2]45674567交換機2交換機3[1,1][3,2][3,3]這里給出結(jié)點交換機

2

中的轉(zhuǎn)發(fā)表作為例子例如，一個欲發(fā)往主機[3,2]的分組到達了交換機

2。交換機1[1,3]交換機

2的轉(zhuǎn)發(fā)表目的站下一跳[1,1]交換機1[1,3]交換機1[3,2]交換機3[3,3]交換機3[2,1]直接[2,2]直接這時應(yīng)查找交換機

2的轉(zhuǎn)發(fā)表，找目的站為[3,2]的項目。45

6

71

2

3123123目的站下一跳[1,1]交換機1[1,3]交換機1[3,2]交換機3[3,3]交換機3[2,1]直接[2,2]直接[2,1][2,2]12341234交換機2交換機3[1,1][3,2][3,3]目的站是[3,2]嗎？交換機1[1,3]查找轉(zhuǎn)發(fā)表中的下一個項目。否12312345

6

71

2

3交換機

2的轉(zhuǎn)發(fā)表目的站下一跳[1,1]交換機1[1,3]交換機1[3,2]交換機3[3,3]交換機3[2,1]直接[2,2]直接[2,1][2,2]12341234交換機2交換機3[1,1][3,2][3,3]目的站是[3,2]嗎？交換機1[1,3]交換機

2的轉(zhuǎn)發(fā)表查找轉(zhuǎn)發(fā)表中的下一個項目。否12312345

6

71

2

3[2,1][2,2]12341234交換機2交換機3[1,1][3,2][3,3]目的站是[3,2]嗎？交換機1[1,3]交換機

2的轉(zhuǎn)發(fā)表目的站下一跳[1,1]交換機1[1,3]交換機1[3,2]交換機3[3,3]交換機3[2,1]直接[2,2]直接根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表指出的下一跳把分組轉(zhuǎn)發(fā)到交換機

3。是12312345

6

71

2

3分組轉(zhuǎn)發(fā)到交換機

3

后就查找交換機

3

的轉(zhuǎn)發(fā)表。從轉(zhuǎn)發(fā)表可知不必再轉(zhuǎn)發(fā)分組了，把該分組直接交付給主機[3,2]即可。[2,1][2,2]12341234交換機2交換機3[1,1][3,2][3,3]交換機1[1,3]12312345

6

71

2

3按照目的站連接的交換機號

確定下一跳只要轉(zhuǎn)發(fā)表中目的站一欄中的交換機號相同，那么查出的“下一跳”就是相同的。在轉(zhuǎn)發(fā)分組時，可只根據(jù)分組的主機地址中的交換機號來查找轉(zhuǎn)發(fā)表。只有當分組到達與目的主機相連的結(jié)點交換機時，交換機才檢查第二部分地址（主機號），并通過合適的低速端口將分組交給目的主機。圖的應(yīng)用可用圖論中的“圖(graph)”來表示整個廣域網(wǎng)。用“結(jié)點”表示廣域網(wǎng)上的結(jié)點交換機，用連接結(jié)點與結(jié)點的“邊”表示廣域網(wǎng)中的鏈路。連接在結(jié)點交換機上的主機與分組轉(zhuǎn)發(fā)無關(guān)，因此在圖中可以不畫上。用圖表示廣域網(wǎng)的例子12341結(jié)點邊243每一個結(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)表對結(jié)點1的轉(zhuǎn)發(fā)表的第一個項目的解釋：若到達結(jié)點1的分組的目的地址是結(jié)點1上的主機，則下一跳就是直接交付而不必再轉(zhuǎn)發(fā)其他結(jié)點。1243目的站下一跳1——233343結(jié)點1的轉(zhuǎn)發(fā)表每一個結(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)表對結(jié)點2的轉(zhuǎn)發(fā)表的第一個項目的解釋：若到達結(jié)點2的分組的目的地址是結(jié)點1上的主機，則下一跳就應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)到結(jié)點3。1243目的站下一跳132直接3344結(jié)點2的轉(zhuǎn)發(fā)表在路由表中使用默認路由1243目的站下一跳1直接233343結(jié)點

1

的轉(zhuǎn)發(fā)表這三個項目的“下一跳”都是轉(zhuǎn)發(fā)到“3”（結(jié)點3）?？梢院喜⒁越Y(jié)點

1

和結(jié)點

2

中的轉(zhuǎn)發(fā)表為例來討論

在路由表中使用默認路由243目的站下一跳1直接

*3結(jié)點1的轉(zhuǎn)發(fā)表默認路由1

在路由表中使用默認路由1243目的站下一跳132直接3344結(jié)點2的轉(zhuǎn)發(fā)表這兩個項目的“下一跳”都是轉(zhuǎn)發(fā)到“3”（結(jié)點3）?？梢院喜?/p>

在路由表中使用默認路由1243目的站下一跳2直接44默認3結(jié)點2的轉(zhuǎn)發(fā)表默認路由使用默認路由使轉(zhuǎn)發(fā)表更加簡潔，可減少查找轉(zhuǎn)發(fā)表的時間。只有超過一個以上的目的站具有相同的下一跳時，才可使用默認路由，默認路由比其他項目的優(yōu)先級低。6.2.2路由選擇的一般原理

1．理想的路由算法（1）算法必須是正確的和完整的（2）算法在計算上應(yīng)簡單（3）算法應(yīng)能適應(yīng)通信量和網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化（4）算法應(yīng)具有穩(wěn)定性（5）算法應(yīng)是公平的（6）算法應(yīng)是最佳的

2．路由算法的分類

從路由算法能否隨網(wǎng)絡(luò)的通信量或拓撲自適應(yīng)的進行調(diào)整變化來劃分：非自適應(yīng)路由選擇也叫做靜態(tài)路由選擇，其特點是簡單和開銷較小，但它不能及時適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。自適應(yīng)路由選擇也叫做動態(tài)路由選擇，其特點是能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，但實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。

6.2.3靜態(tài)路由

路由表由用戶輸入,適用于簡單的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點：無需動態(tài)更新，占用資源少；路由表小，提高網(wǎng)絡(luò)性能；用戶控制數(shù)據(jù)流，更安全；缺點：只適用于簡單的網(wǎng)絡(luò)；不能動態(tài)地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化；6.2.3靜態(tài)路由通過在網(wǎng)絡(luò)上交換路由信息來生成路由表，用于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，可以自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。實例：距離向量路由協(xié)議(distancevector)

鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(linkstate)6.2.4動態(tài)路由距離矢量路由算法的基本原理是讓每個路由器維護一張路由表（即一張距離表），表中列出了當前已知的路由器到每個目標路由器的最佳距離，以及所使用的線路。通過與鄰居路由器相互交換各自路由表信息，路由器不斷地更新各自的內(nèi)部路由表。6.2.5距離矢量路由算法鏈路狀態(tài)（Link-State，LS）路由算法又稱最短路徑優(yōu)先（ShortestPathFirst，SPF）路由算法，該算法是由荷蘭計算機科學家艾茲格·迪科斯徹（EdsgerWybeDijkstra）提出的，所以又稱Dijkstra算法。Dijkstra算法的前提條件是已知整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和各鏈路的度量，目標是尋找源節(jié)點到網(wǎng)絡(luò)中的其它各個節(jié)點的最短路徑6.2.6鏈路狀態(tài)路由算法6.2路由選擇機制6.2.1節(jié)點交換機中的路由表1．層次結(jié)構(gòu)的地址結(jié)構(gòu)2．按照目的站連接的交換機號確定下一跳6.2.2路由選擇的一般原理1．理想的路由算法2.

路由算法的分類6.2.3

靜態(tài)路由6.2.4動態(tài)路由6.2.5距離矢量路由算法6.2.6鏈路狀態(tài)路由算法6.3擁塞控制

6.3.1擁塞控制的概念

在某段時間，若對網(wǎng)絡(luò)中某資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就要變壞——產(chǎn)生擁塞(congestion)。出現(xiàn)資源擁塞的條件：對資源需求的總和>可用資源若網(wǎng)絡(luò)中有許多資源同時產(chǎn)生擁塞，網(wǎng)絡(luò)的性能就要明顯變壞，整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將隨輸入負荷的增大而下降。