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网络层第五章5.1网络层设计要点•存储-转发分组交换•向传输层提供的服务•无连接服务的实现•面向连接服务的实现•虚电路子网和数据报子网的比较存储-转发分组交换网络层协议的环境fig5-1向传输层提供的服务网络层服务的目标是：a)服务应与通信子网技术无关；b)通

信子网的数量、类型和拓补结构对于传输层是隐蔽的；c)传输层所能获得的网络地址应采用统一的编号方式，即使跨越多个LAN和MAN。无连接服务的实现数据报：不预先选择路由，发出的每个分组所选择的路由都独立于其前面发出的分组，这种方式容易处理传送失败

和拥塞。路由器不必用表登记每条打开的虚电路，只需要指明每一条可能的目的路由器的外出线路。无连接服务的实现（2）数据报子网的路由面向连接服务的实现虚电路：建立连接后，所有分组都必须沿这个路线传送，传送完毕后，释放连接。也就是说，从

源端机器到目的端机器的路由作为连接建立的一部分加以保存，此路由也用于传送连接上的所有数据。这与电话系统的工作原理一样。每个路由器必须记住应当把分组发往当前打开的传输要经过的那条虚电路，每个路由器必须保持一张表，每个打开的虚电路占一项；每个分组头除了序号、校验

和等之外，必须包含一个虚电路号；分组到达时，路由器就知道该分组从哪条线路来的及其虚电路号，从而传到正确的路由器。面向连接服务的实现（2）虚电路子网内的路由虚电路子网和数据报子网的比较5-45.2路由算法•优化原则•最短

路径路由•扩散法•距离矢量路由•链路状态路由•分级路由•广播路由•多播路由•移动主机的路由路由算法路由算法应满足的条件：正确性、简单性、健壮性（能妥善处理拓补结构和通信量的变化，而不会使所有主机中的作业都终止，也不必每当某些路由器崩溃时，都要重新启动

该网络）、稳定性（有的路由选择算法不管运行了多长时间，都不可能趋于稳定）、公平性和最优性（常常相互矛盾）。路由算法（2）公平性和最优性之间的冲突优化原则(a)一个子网(b)路由器B的汇集树最短路径路由计算从A到D的最短路径的前5步，图中箭头表示的是工

作节点扩散法每个进来的分组被发送到除了它进来的那条路线之外的每条输出线路上。必须抑制扩散，如采用跳数计数器，使用序列号。选择性扩散：只输出到大概方向正确的线路上。距离矢量路由让每个路由器维护一张表，表中给出了到每个目的地已知的

最佳距离和路线，通过与相邻路由器交换信息来更新表的信息。1)每个路由器维持有一张子网中每一个以其他路由器为索引的路由选择表，表中的每个项目对应于子网中的每个路由器。表项包括：希望使用的到目的地的输出线路和估计到达目的地所需的时间或距离。2)假定用延迟来作为度量标准，且

路由器知道其相邻路由器的延迟。每Tms路由器将它估计的到各目的地的延迟清单送给各个相邻节点，它也从相邻节点收到一份类似的清单。即仅与相邻路由器交换路由表，按固定的时间间隔。缺点：坏消息传得慢，网络出现故障很难更新；存在无穷计算问题。距离矢量路由（2）(a

)一个子网(b)从A,I,H,K的输入，以及J的新路由表距离矢量路由（3）无穷计算问题链路状态路由每个路由器必须：1、发现它的邻居节点，并知道其网络地址；2、测量它到各邻居节点的延迟或开销；3、组装一个分组以告之

它刚知道的所有信息；4、将这个分组发送给所有其他路由器；5、计算到每个其他路由器的最短路径。这样，完整的拓补结构和所有的延迟都已被测量并发布到各个路由器中，随后，各个路由器可以用Dijkstra算法来找出最短路径。发现邻居节点当一个路由器启动

后，要通过每条点到点线路发送特殊的hello分组，在另一端的路由器应发回一个应答来说明它是谁，这个名字必须全局唯一。这样，该路由器就知道了它的邻居都是谁。发现邻居节点（2）(a)3个路由器和一个LAN(b)(a

)的一个图形模型测量线路开销a)需要每个路由器知道它到邻居节点的延迟：发送一个需要对方立即响应的特殊分组ECHO，测量一个来回时间除以2，可以得到一个可靠的延迟估计值。b)测量延迟时间是否要考虑排队延

迟，即是否从echo分组进入队列开始计时：相同带宽时，不繁忙的路径应为最短路径，但这种做法也会引发问题.测量线路开销（2）通过两条线路将东西两部分连接起来的一个子网创建链路状态分组以发送者的标志符开头，紧跟着是顺序号和年龄，和一个邻居节点列表。对每个邻居

节点，都给出了他们的延迟。创建时间：定期创建或当出现重大事件时再创建（线路或邻居节点的增删）。创建链路状态分组（2）(a)一个子网(b)该子网的链路状态分组发布链路状态分组基本思想：利用扩散来发布分组。为控制扩散，每个分组包含一个顺序号，该序号每次发送新分组时加1。路由器记下它所见过的

所有信息对（源路由器、顺序号）。当一个新分组到达时，它先查看一下是否收到过。如果是新的，向除进入线路外的所有线路发布；如果重复则丢弃；如果顺序号比以前到达的最大的顺序号还小，则被认为已经过时而拒绝。使用32位序

号，保证不会发生冲突。路由器崩溃则序号从0开始，会被当作重复分组；序号传送会出错，解决方法：加入年龄字段，每秒钟减1。年龄为0时，来自于那个路由器的信息就被丢弃。发布链路状态分组（2）路由器B的分组缓冲区(图5-13)分级路由随着网络的增大，路由器路由选择表也会成比例的增大，

在某一时刻，网络可能会增大到不可能让每个路由器都给出到其它每个路由器的路径表项。因此不得不进行分级路由选择。将路由器划分为区域，每个路由器知道区域内怎样选择路由，但并不知道其它区域的内部结构。巨型网络要划分为多级：如簇、区、组等。N个路由器的子网最优级数为lnN，其中每个路

由器需要的表项总数为elnN。分级路由（2）分级路由广播路由单独发送给每个目标；扩散；多目标路由；使用汇集树；逆向路径转发；广播路由（2）逆向路径转发(a)一个子网(b)汇集树(c)逆向路径转发算法建立起来的树多播路由(a)一个网络(b)最左边路

由器的生成树(c)针对组1的多播树(d)针对组2的多播树5.3拥塞控制•拥塞控制的通用原则•拥塞预防策略•虚电路子网中的拥塞控制•数据报子网中的拥塞控制•负载丢弃•抖动控制拥塞当流量太大时，拥塞就会发生，性能急剧降低拥塞控制的通用原则1.监视系统–检测到

何时何地发生了拥塞。2.将该信息传递到能够采取行动的地方。3.调整系统的运行，以改正问题。拥塞预防策略影响拥塞的策略5-26虚电路子网中的拥塞控制准入控制：一旦出现拥塞的信号，则不再创建任何虚电路。允许建立虚电路，但谨慎的选择路由，使所有新的虚电路都绕开有问题的区域。资源预留：在建

立虚电路的时候，在主机和子网之间进行协商以达成一致的约定，通常规定了流量的容量和形状，所要求的服务质量和其他的参数。虚电路子网中的拥塞控制（2）(a)一个拥塞子网(b)消除了拥塞之后的子网，同时还显示了从A到B的

一条虚电路数据报子网中的拥塞控制警告位：在分组的头设置一个特殊的位来警告状态，目标端将此位复制到下一个确认分组中，送回源主机。抑制分组：给源主机回送一个抑制分组，源主机收到后，发给指定目标的流量必须减少X百分比

。逐跳抑制分组：让抑制分组影响到沿途的每一跳，会在上游路径消耗更多的缓冲区空间。逐跳抑制分组(a)一个只影响源主机的抑制分组(b)一个影响到沿途每一跳的抑制分组负载丢弃葡萄酒策略牛奶策略标明优先级，并以费用的形式体现。随机的早期检测：路由器维护其队列最近的平均长度值。当某一条线路上的队

列平均长度超过一定阈值的时候，该线路被认定是拥塞的，从而随机的选取分组，丢弃。抖动控制(a)高抖动(b)低抖动抖动控制通过计算出沿途每一跳的期望传输时间，就可以对抖动加以控制。如果一个分组提前到达，那么它尽可能多停留一段时间；如果比预定到达的

晚，则尽快转发。某些应用中，可以先将分组缓存起来。5.4服务质量•需求•获得好的服务质量所使用的技术•综合服务•区分服务•标签交换和MPLS需求服务质量需求的严格程度5-30获得好的服务质量所使用的技术过度提供资源缓冲能力：在接收方，数据流在被递交之前先缓存起来，

可以消除抖动。流量整形：当服务器同时处理多个流的时候，输出可能很不规律。流量整形技术能使主机以均衡的速率发送数据。当一个连接被建立时，用户和子网对于它们之间应该遵循什么样的流量模式达成了一致的协议，可以保证实时数据的传输质量。漏桶算法：在每

个主机连接到网络的接口上都包含一个漏桶，即一个有限长度的内部队列。如果当该队列满的时候，又有一个分组到来，那么该分组将被丢弃。缓冲通过缓存分组的办法来平滑输出流漏桶算法(a)一个盛水的漏桶(b)一个装分组的漏桶漏桶算法(a)进入到漏桶的输入数据；(b)漏桶的输出；(

c)-(e)当容量分别是250KB,500KB,750KB时漏桶的输出；(f)一个500KB的令牌桶接一个10Mbps漏桶的输出；令牌桶算法(a)之前(b)之后5-34资源预留1）带宽；2）缓冲区空间；3）CPU周期。准入控制流规范例子5-34比例路由将到达每个目标节点的流量分散到多条

路径上。由于路由器通常不可能完全了解全网络范围内的流量情况，所以，将流量分散到多条路径上的唯一可行做法是使用本地可用的局部信息。一种简单的方法是将流量平均分配到输出链路上，或者根据这些链路的容量按比例进行分配。分组调度(a)在路由器O的线路上有5个分组

在排队；(b)5个分组的结束时刻RSVP-资源预留协议(a)一个网络；(b)主机1的多播生成树；(c)主机2的多播生成树RSVP-资源预留协议(2)(a)主机3请求一条通向主机1的信道；(b)然后主机3请求另一条通向主机2的信道；(c)

主机5请求一条通向主机1的信道快速型转发快速类别的分组经过一个网络确保型转发确保型转发数据流的一种可能的实现标签交换和MPLS利用IP、MPLS和PPP传送一个TCP分组5.5网络互连•网络的不同之处•网络如何连接起来•连锁虚电路•无连接的网络互连•隧道技术•互连网路由•分段网络互

连一组相互连接的网络网络的不同之处网络的某些不同之处5-43网络如何互连(a)通过交换机连接起来的两个以太网络；(b)通过路由器连接连锁虚电路使用连锁虚电路实现网络互连无连接的网络互连无连接的互连隧道技术从巴黎到伦敦以隧道方式传递一个分组隧道技术(2)利用隧道

将一辆汽车从法国运到英国互连网路由(a)一个互连网络(b)互连网络的图表示分段(a)透明分段(b)不透明分段分段(2)当基本数据长度为一个字节时的分段情况(a)原始分组，包含10个数据字节；(b)当通过一个最大分组长度为“8个净荷字节+头部”的网络之后的分段；(c)当通过一个最大分组长度为5的网关

之后的分段5.6Internet上的网络层•IP协议•IP地址•Internet控制协议•OSPF–内部网关路由协议•BGP–边界网关协议•Internet多播•移动IP•IPv6Internet的设计原则

1.保证它能够工作；2.尽可能使它简单；3.作出明确的选择；4.尽可能做到模块化；5.期望具备异构性；6.避免使用固定不变的选择和参数；7.寻找一个好的设计，它不必是最完美的；8.对于发送操作一定要严格，而对接受要有一定的容忍度

；9.要考虑伸缩性；10.要考虑性能和代价。子网的集合Internet是由许多网络相互连接之后构成的集合IP协议IPv4(Internet协议)头部IP协议(2)一些IP选项5-54IP地址IP地址格

式IP地址(2)特殊的IP地址子网一个典型的校园网络，各系有自己的LAN子网(2)一个B类网络被分成64个子网CIDR–无类别域间路由IP地址的分配示例5-59NAT–网络地址转换NAT盒的位置和操作过程Internet控制消息协议主要的ICMP消息类型5-61ARP–地址解析

协议3个相互连接的/24网络:两个以太网和一个FDDI环动态主机配置协议DHCP的操作过程OSPF–内部网关路由协议(a)一个自治系统(b)对应(a)的一种图表示OSPF(2)在OSPF中，AS、骨干和区域之间的关系OSPF(3)5种OS

PF消息5-66BGP–外部网关路由协议(a)一组BGP路由器(b)发送给F的路由信息IPv6主头部IPv6固定头部(必须的)扩展头部IPv6扩展头部5-69扩展头部(2)对于超大数据报(jumbograms)的逐跳扩展头扩展头部(3)路由扩展头