数据通信与计算机网络（第二版）课件：网络层

网络层6.1网络层所涉及的有关问题

6.2路由选择机制

6.3拥塞控制

6.1网络层所涉及的有关问题6.1.1广域网的概念广域网并没有严格的定义，通常是指一个地理覆盖范围超过局域网的数据通信网络。广域网通常跨越很大的地理区域，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，可提供不同地区、城市和国家之间的计算机通信。互联网由局域网和广域网组成互联网局域网局域网广域网路由器结点交换机相距较远的局域网通过路由器与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的互联网应当注意即使是覆盖范围很广的互联网，也不是广域网，因为在这种网络中，不同网络的“互连”才是其最主要的特征。广域网是单个的网络，它使用结点交换机连接各主机而不是用路由器连接各网络。结点交换机在单个网络中转发分组，而路由器在多个网络构成的互联网中转发分组。连接在一个广域网（或一个局域网）上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其网络的物理地址即可。6.1.2网络层提供的服务

有两大类：无连接的网络服务（数据报服务）面向连接的网络服务（虚电路服务）提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1

向

H5

发送分组H2

向

H6

发送分组路径可能变化网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络不保证所传送的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1

要和

H5

通信主机

H1

先向主机H5发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机H5同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。虚电路H1

向

H5

发送的所有分组都沿此虚电路传送。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网同理，主机

H2

和主机H6通信之前，也要建立虚电路。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量QoS(QualityofService)有较好的保证。两种服务的思路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，因此电信网的结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（即TCP）来保证。

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。若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。

数据报服务和虚电路服务

都各有一些优缺点在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。在使用虚电路的情况下，每个分组不需要携带完整的目的地址，而仅需要有个很简单的虚电路号码的标志。这就使分组的控制信息部分的比特数减少，因而减少了额外开销。数据报服务和虚电路服务

都各有一些优缺点在使用数据报时，主机承担端到端的差错控制和流量控制。在使用虚电路时，分组按顺序交付，网络可以负责差错控制和流量控制。数据报服务和虚电路服务

都各有一些优缺点数据报服务对军事通信有其特殊的意义。当某个结点发生故障时，后续的分组就可另选路由，因而提高了可靠性。但在使用虚电路时，结点发生故障就必须重新建立另一条虚电路。数据报服务还很适合于将一个分组发送到多个地址(即广播或多播)。数据报服务和虚电路服务

都各有一些优缺点数据报服务和虚电路服务

优缺点的归纳对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当可靠通信应当

由网络来保证由用户主机来保证连接的建立必须有不要目的站地址仅在连接建立阶段每个分组都有使用，每个分组使目的站的全地址用短的虚电路号数据报服务和虚电路服务

优缺点的归纳对比的方面虚电路服务数据报服务分组的转发属于同一条虚电路每个分组独立选择的分组均按照同一路由进行转发路由进行转发当结点出所有通过出故障的故障结点可能丢失故障时结点的虚电路分组，一些路由均不能工作可能会发生变化数据报服务和虚电路服务

优缺点的归纳对比的方面虚电路服务数据报服务分组的顺序总是按发送顺序到达目的站时不一定

到达目的站按发送顺序端到端的可以由分组交换网由用户主机负责差错处理和负责也可以由用户流量控制主机负责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。6.1网络层所涉及的有关问题6.1.1广域网的概念6.1.2网络层提供的服务6.2路由选择机制

（广域网中的分组转发机制）6.2.1节点交换机中的路由表1.层次结构的地址结构局域网采用了平面地址结构(flatddressing)。对局域网，这种结构非常方便。广域网中一般都采用层次地址结构(hierarchicaladdressing)。最简单的层次结构地址举例用二进制数表示的主机地址划分为前后两部分。前一部分的二进制数表示该主机所连接的分组交换机的编号。后一部分的二进制数表示所连接的分组交换机的端口号，或主机的编号。所连接的交换机的编号所连接的交换机端口的编号计算机在广域网中的地址[2,1][2,2]4567456745

6

7交换机1交换机2交换机3[1,1][1,3][3,2][3,3]每个交换机都有两组端口。一组是和本地主机相连的低速端口，另一组是和其他交换机相连的高速端口。1231231

2

3每个主机地址中后面的数字是指该交换机的低速端口主机地址[3,2]是指连接在交换机

3

的

2

号低速端口主机地址[1,3]是指连接在交换机

1

的

3

号低速端口[2,1][2,2]45674567交换机2交换机3[3,2][3,3]交换机112312345

6

71

2

3[1,1][1,3][2,1][2,2]45674567交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]这里给出结点交换机

2

中的转发表作为例子例如，一个欲发往主机[3,2]的分组到达了交换机

2。交换机1[1,3]交换机

2的转发表目的站下一跳[1,1]交换机1[1,3]交换机1[3,2]交换机3[3,3]交换机3[2,1]直接[2,2]直接这时应查找交换机

2的转发表，找目的站为[3,2]的项目。45

6

71

2

3123123目的站下一跳[1,1]交换机1[1,3]交换机1[3,2]交换机3[3,3]交换机3[2,1]直接[2,2]直接[2,1][2,2]12341234交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]目的站是[3,2]吗？交换机1[1,3]查找转发表中的下一个项目。否12312345

6

71

2

3交换机

2的转发表目的站下一跳[1,1]交换机1[1,3]交换机1[3,2]交换机3[3,3]交换机3[2,1]直接[2,2]直接[2,1][2,2]12341234交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]目的站是[3,2]吗？交换机1[1,3]交换机

2的转发表查找转发表中的下一个项目。否12312345

6

71

2

3[2,1][2,2]12341234交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]目的站是[3,2]吗？交换机1[1,3]交换机

2的转发表目的站下一跳[1,1]交换机1[1,3]交换机1[3,2]交换机3[3,3]交换机3[2,1]直接[2,2]直接根据转发表指出的下一跳把分组转发到交换机

3。是12312345

6

71

2

3分组转发到交换机

3

后就查找交换机

3

的转发表。从转发表可知不必再转发分组了，把该分组直接交付给主机[3,2]即可。[2,1][2,2]12341234交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]交换机1[1,3]12312345

6

71

2

3按照目的站连接的交换机号

确定下一跳只要转发表中目的站一栏中的交换机号相同，那么查出的“下一跳”就是相同的。在转发分组时，可只根据分组的主机地址中的交换机号来查找转发表。只有当分组到达与目的主机相连的结点交换机时，交换机才检查第二部分地址（主机号），并通过合适的低速端口将分组交给目的主机。图的应用可用图论中的“图(graph)”来表示整个广域网。用“结点”表示广域网上的结点交换机，用连接结点与结点的“边”表示广域网中的链路。连接在结点交换机上的主机与分组转发无关，因此在图中可以不画上。用图表示广域网的例子12341结点边243每一个结点的转发表对结点1的转发表的第一个项目的解释：若到达结点1的分组的目的地址是结点1上的主机，则下一跳就是直接交付而不必再转发其他结点。1243目的站下一跳1——233343结点1的转发表每一个结点的转发表对结点2的转发表的第一个项目的解释：若到达结点2的分组的目的地址是结点1上的主机，则下一跳就应转发到结点3。1243目的站下一跳132直接3344结点2的转发表在路由表中使用默认路由1243目的站下一跳1直接233343结点

1

的转发表这三个项目的“下一跳”都是转发到“3”（结点3）。可以合并以结点

1

和结点

2

中的转发表为例来讨论

在路由表中使用默认路由243目的站下一跳1直接

*3结点1的转发表默认路由1

在路由表中使用默认路由1243目的站下一跳132直接3344结点2的转发表这两个项目的“下一跳”都是转发到“3”（结点3）。可以合并

在路由表中使用默认路由1243目的站下一跳2直接44默认3结点2的转发表默认路由使用默认路由使转发表更加简洁，可减少查找转发表的时间。只有超过一个以上的目的站具有相同的下一跳时，才可使用默认路由，默认路由比其他项目的优先级低。6.2.2路由选择的一般原理

1．理想的路由算法（1）算法必须是正确的和完整的（2）算法在计算上应简单（3）算法应能适应通信量和网络拓扑的变化（4）算法应具有稳定性（5）算法应是公平的（6）算法应是最佳的

2．路由算法的分类

从路由算法能否随网络的通信量或拓扑自适应的进行调整变化来划分：非自适应路由选择也叫做静态路由选择，其特点是简单和开销较小，但它不能及时适应网络状态的变化。自适应路由选择也叫做动态路由选择，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂。

6.2.3静态路由

路由表由用户输入,适用于简单的网络优点：无需动态更新，占用资源少；路由表小，提高网络性能；用户控制数据流，更安全；缺点：只适用于简单的网络；不能动态地适应网络变化；6.2.3静态路由通过在网络上交换路由信息来生成路由表，用于复杂的网络，可以自动适应网络的变化。实例：距离向量路由协议(distancevector)

链路状态路由协议(linkstate)6.2.4动态路由距离矢量路由算法的基本原理是让每个路由器维护一张路由表（即一张距离表），表中列出了当前已知的路由器到每个目标路由器的最佳距离，以及所使用的线路。通过与邻居路由器相互交换各自路由表信息，路由器不断地更新各自的内部路由表。6.2.5距离矢量路由算法链路状态（Link-State，LS）路由算法又称最短路径优先（ShortestPathFirst，SPF）路由算法，该算法是由荷兰计算机科学家艾兹格·迪科斯彻（EdsgerWybeDijkstra）提出的，所以又称Dijkstra算法。Dijkstra算法的前提条件是已知整个网络的拓扑结构和各链路的度量，目标是寻找源节点到网络中的其它各个节点的最短路径6.2.6链路状态路由算法6.2路由选择机制6.2.1节点交换机中的路由表1．层次结构的地址结构2．按照目的站连接的交换机号确定下一跳6.2.2路由选择的一般原理1．理想的路由算法2.

路由算法的分类6.2.3

静态路由6.2.4动态路由6.2.5距离矢量路由算法6.2.6链路状态路由算法6.3拥塞控制

6.3.1拥塞控制的概念

在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏——产生拥塞(congestion)。出现资源拥塞的条件：对资源需求的总和>可用资源若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。