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1 计算机网络技术 第6章网络层 2 第6章网络层 6 1网络层概述6 2网络互联6 3路由选择 3 6 1网络层概述 主机A发出的信息如何穿越通信子网送达主机B 1 为什么需要网络层 4 网络层的主要任务 依赖数据链路层的提供的服务 实现路由选择 拥塞控制与网络互联等基本功能 向传输层提供端一端的传输服务 通过路由选择算法 为分组通过通信子网选择最适当的路径 5 网络层的主要功能 寻址和路由选择所谓路由选择 是指在通信子网中信源节点和中继节点为了将报文分组传送到信宿节点而对其后继节点的选择 拥塞控制网络互联 6 网络层的主要功能 寻址和路由选择拥塞控制网络层的拥塞控制是对进入通信子网的信息量加以控制 以防止因通信量不均衡 导致网络拥塞或阻塞 而造成的子网性能下降 网络互联 7 网络层的主要功能 寻址和路由选择拥塞控制网络互联通过网络互连设备将多个网络互相连接 实现在更大范围内的信息交换 资源共享和协同工作 8 2 网络层提供的服务 网络层为传输层所提供的服务可以分为两大类 无连接的网络服务 数据报服务 数据报服务 Datagram 主机只要想发送数据就随时可发送 每个分组独立地选择路由 面向连接的网络服务 虚电路服务 虚电路服务 Virtualcircuit 通信前主机要先建立一条虚电路 之后数据沿固定路由传送 通信后拆除虚电路 9 两种服务思想的来源不同 虚电路服务的思路来源于传统的电信网 电信网负责保证可靠通信的一切措施 因此电信网的节点交换机复杂而昂贵 数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散 因而只能要求网络提供尽最大努力的服务 可靠通信由用户终端中的软件来保证 10 数据报服务与虚电路服务之争 让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构 技术的进步使得网络出错的概率已越来越小 因而让主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多的负担 反而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行 因特网发展到今天的规模 充分说明了在网络层提供数据报服务是非常成功的 11 数据报与虚电路的比较 数据报服务 传输过程无需建立连接和释放连接 较适合站点之间少量的 频繁的数据传输 也适合实现广播和多播 网络上传送的报文长度 在很多情况下都很短 用数据报既迅速又经济 虚电路服务 传输前后必须连接建立和释放连接 由于虚电路的建立和释放需要占用一定的时间 因此不适合站点之间具有频繁连接和交换短小数据的应用 如 交互式的通信 较适合站点之间大批量的数据传输 12 数据报与虚电路的比较 数据报服务 每个分组中必须携带完整的地址信息 额外开销多 虚电路服务 仅呼叫分组中需要携带完整的地址信息 数据分组中只含少量的地址信息 虚电路号 因而分组的控制信息部分的比特数较少 额外开销少 13 数据报与虚电路的比较 数据报服务 每个分组独立选路 数据无序地到达目的地 接收站点处理复杂 主机承担端到端的差错控制和流量控制 当使用网状拓扑组建网络时 个别中继节点或线路的故障不会影响分组的传输 可以选择不同的路径 可靠性较高 虚电路服务 用户的数据块沿着相同的路径 按序到达目的地 接收站点处理方便 网络可以负责差错控制和流量控制 虚电路中的某个节点或者线路故障 将导致虚电路传输失败 14 数据报与虚电路的比较 15 6 2网络互联 6 2 1网络互联的概念网络互联 Internetworking 是将多个网络互相连接 实现在更大范围内的信息交换 资源共享和协同工作 网络互联要实现多个网络之间的互连 互通和互操作 16 互连 互通和互操作 互连 Interconnection 互连是在不同的物理网络之间建立连接 它涉及计算机之间传输信息的方法 包括物理介质上信号的传递 数据打包机制和从起点到达终点之间的多个网络之间的路由 这是网络互联的物理基础 互通 Intercommunication 互操作 Interoperability 17 互连 互通和互操作 互连 Interconnection 互通 Intercommunication 互通是通过适当的技术 屏蔽物理网络之间的差异 使不同子网中的任意站点之间都可以进行数据交换 互通仅涉及相互通信的两台计算机之间的端到端的连接与数据交换 它提供了不同的计算机系统之间相互操作的手段 互操作 Interoperability 18 互连 互通和互操作 互连 Interconnection 互通 Intercommunication 互操作 Interoperability 通过一定的技术手段 屏蔽不同计算机系统之间的差异 让使用完全不同的计算机操作系统和语言的计算机可以相互理解数据 从而使互联网络中的任意计算机系统之间具有透明地访问对方资源的能力 这是网络互联的最终目的 19 网络互联的不同层次 网关路由器网桥中继器 简 繁 硬 软 20 TCP IP互连网络 路由器 一个逻辑网络 一个逻辑网络就是一个广播域 一个广播域 21 互联网与因特网 互联网 internet 泛指采用网络互连路由器和相关技术实现互联的网络集合 包括内联网 Intrant 也称为企业网 和外联网 因特网 Internet 特指当前全球最大的 开放的 由众多网络相互连接而成的国际互联网 它采用TCP IP协议族 且其前身是美国的ARPANET 22 网络互连路由器 6 2 2网络互连设备 路由器路由器是用于网络互连的计算机设备 它工作在OSI模型的第三层 为不同网络之间的报文分组寻径并进行存储转发 23 路由器在互联网中的作用 路由器是互联网中的关键设备 其作用类似于邮政系统中的邮局 24 网络层设备 路由器 作为网络互连设备 路由器必须具备 两个或两个以上的接口协议至少向上实现到网络层具有存储 转发 寻径功能通常支持两种以上的子网协议 25 路由器的功能 路由器的核心功能是实现网络互连 路由 寻径 路由表建立 刷新 查找 转发数据包子网间的速率适配隔离网络 防止网络风暴 指定访问规则 防火墙 异种网络互连 实现协议转换分片与重组 根据物理网络的MTU长度进行分片线路备份与流量控制 26 路由器的工作流程 27 可路由协议与路由协议 在互联网中 源主机发出的信息能够穿越通信子网送达目的主机 是因为有两类协议在协同工作 可路由协议与路由协议 28 可路由协议 可路由协议 RoutedProtocols 或称寻径协议 也称为转发 Forwarding 协议 是在网络层进行分组转发的协议 可路由协议提供了网络层的地址供终端节点使用 数据和网络层地址信息一起封装在报文分组中 可路由协议定义了分组内各个字段的格式和用途 它运行在互联网中的所有主机和路由器上 路由器通过可路由协议在连接的不同网络之间交换分组 29 路由协议 路由协议 RoutingProtocols 是运行在路由器上的路由选择协议 路由协议可以使路由器全面地了解整个互联网络的拓扑结构 它通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议 路由协议通过在路由器之间不断地交换路由更新通告 进行路由决策 搜索最佳路由 建立和维护路由表 可路由协议与路由协议协同工作 实现路由选择与分组转发功能 30 6 3路由选择 如何选择最佳路由 将数据送往目标主机 这是网络层最重要的一项功能 Whichpath 31 6 2 1基本概念 网络层的地址结构数据链路层采用的是平面地址结构 flataddressing 网络层采用的是层次地址结构 hierarchicaladdressing 网络层的层次地址通常由两部分组成 路由和路由选择路由是通往目标主机的路径信息 路由选择是为分组选择一条到达目标网络的路径 32 3 路由器的路由表 路由表中保存的是分组到达目标网络的路径上所要经过的下一个路由器的入口地址 路由器基于目标网络进行选路 因此路由器中保存的路由信息与互联网中的网络数目成正比 33 路由表中的路由信息 路由表包含一组目标网络到下一跳路由器的映射信息 它是路由器转发数据包的依据 路由表中有以下三种类型的映射 直接路由 目标网与本路由器的某个端口直接连接 间接路由 目标网与本路由器之间还间隔有其他的路由器 缺省路由 是一种求助路由 当路由表中没有网络地址能与目标网地址相匹配时 即可使用缺省路由 34 4 路由的分类 根据路由表中的路由信息的建立策略 可将路由分为两类 静态路由是由网络管理员手工配置的路由信息 当网络的状态发生变化时 只能由网络管理员进行手工修改 动态路由是采用某种路由算法 根据网络的实际情况自动建立的路由信息 它会随着网络的变化而改变 35 5 路由的度量 Metrics 代价 在研究路由选择时 需要给每一条链路指明一定的传输代价 这里 代价 并不仅仅是指 费用 而是由一个或几个因素综合决定的一种度量 metric 如 跳距 可信度 延迟 带宽 负载 通信费用和最大传输单元等等 36 6 3 2路由算法 路由选择的核心问题是路由算法 理想的路由算法应具有以下特点 算法必须是正确的和完整的 算法在计算上应简单 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化 健壮性 算法应具有稳定性 快速收敛 算法应是最佳的 算法应是公平的 37 最佳路由 不存在一种绝对的最佳路由算法 所谓 最佳 只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已 实际的路由选择算法 应尽可能接近于理想的算法 路由选择是个非常复杂的问题 它是网络中的所有节点共同协调工作的结果 路由选择的环境往往是不断变化的 而这种变化有时无法事先知道 38 路由算法的分类 非自适应路由选择 静态策略 不测量和利用网络的当前状态信息 当前的通信量 网络拓扑等 仅按某种固定规律进行决策 主要有 固定路由算法 洪泛法 分散通信量法 随机走动法 自适应路由选择 动态策略 依靠当前网络的状态信息进行动态决策 使路选结果在一定程度上适应网络通信量和拓扑结构的变化 主要有 距离矢量路由算法和链路状态路由算法 39 1 固定式路选法 基本思想 在每个通信子网节点中建立一张固定的路由表 其中每项记录对应着由该节点到达某个目标节点的输出路线及代价 当一个分组到达某个节点时 该节点根据分组中的目标地址 从路由表中找出对应的下一节点 并将分组转发给此下一节点 注意 在建立路由表时 通常只将最短路径加到路由表中 特点 算法简单 易于实现 不能适应网络拓扑变化 可靠性较差 40 基本思想 网络中除了目标节点之外 任一节点在收到报文分组后 立即发往相邻的所有节点 源节点除外 但任一节点都只接收最先到达的报文分组 不接收重复报文 特点 产生大量冗余分组 通信量剧增 可靠性高 网络部分损坏时仍能将分组送达目的地 网络延迟小 2 洪泛法 扩散法 41 3 距离矢量路选算法 定期地将路由表的副本传递给相邻节点并累加距离矢量 42 距离矢量算法的原理 基本思想 每个节点中动态维持着一张路由表 其中包含该节点到达所有可能的目标网络的一个输出路由 及其代价 距离 每个节点定期地将其路由表的信息完整地传给所有相邻节点 并累加距离矢量 每个节点及时用获取的信息更新自己的路由表 V 目标ID D 距离 43 距离矢量算法示例 说明 本例中以网络的延迟作为 距离 从J的四个邻居收到的向量 J直接测得的延迟 44 距离矢量算法的问题 问题 耗费了过多的时间用于交换和记录路由信息 每个节点获得的路由信息不一定可靠 网络规模的伸展性差 45 4 链路状态路选算法 在初次泛洪之后 仅向所有其它的路由器传递由事件触发的少量链路状态更新信息 46 链路状态路选算法的原理 基本思想 每个通信子网节点中都存有参与算法的所有节点的拓扑信息 通过泛洪法获得 每个节点定期地检查所有直接链路的状态 是否活动和可达 并将状态信息发给网上的所有其它节点 每个节点收到链路状态报文时 根据其中的信息更新自己的网络拓扑状态图并计算最短路由 Dijkstra算法 特点 解决了距离矢量算法的问题 但算法的复杂性增加了 47 链路状态路由算法的操作过程 每个节点首先找出其邻居节点 获得它们的网络地址 测量它到各个邻居节点的距离 延迟或代价 组装一个分组 用来通告它刚获得的直接链路状态信息 将该分组发送给所有其他节点 各节点分别计算到其它各个节点的最短路径 48 分组的扩散 49 Dijkstra最短路径搜索算法 经典的最短路径搜索算法是迪杰斯特拉 Dijkstra 在1959年提出的算法 定义 M 网络中所有节点的集合S 源节点N 已由算法归并的节点的集合L i j 节点I与节点j之间链路的权值 若没有直接链路 则权为 D V 算法求得的当前从S到节点V的最小代价路由的代价 距离 50 Dijkstra算法步骤 算法步骤 初始化 置N S 对每个V N S 置D V L S V 找出F M N 使D F minD V V M N 将F加入N 对每个V M N 置D V min D V D F L F V 即 如果D V D F L F V 则从S到V的最短路径变为从S到F的路径再加上从F到V的路径 重复2和3步直到M N 51 Dijkstra最短路径算法 A 52 两种动态路选算法的比较 距离矢量算法传送的路由信息报文包含了整个网络的路由信息 但是不可靠的 链路状态算法发送的链路状态报文虽然仅包含一个节点的直接链路状态 然而却是发送者直