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计算机网络 第5章 网络层 网络层概述 路由选择算法 路由选择协议 流量控制和拥塞控制 网络互连设备 5.1 网络层概述 网络层是OSI参考模型中的第三层,目的是屏蔽各种不同类型网络之间的差异，实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括路由选择、阻塞控制等 网络服务模式 Internet团体（正努力获得更好的服务质量） 电话公司 虚电路与数据报机制 设计目标 网络层的服务是按下列目标设计的 服务应与通信子网的技术无关 通信子网的数量、类型和拓扑结构对于传输层来说是隐蔽的 传输层所能获得的网络地址应采用统一的的编号方式，即使跨越了多个LAN和WAN 网络设计冲突的焦点是网络层究竟应该提供面向连接还是无连接的服务 实质是将复杂的功能放在何处的问题 网络服务模式 指整个通信子网向传输层或资源子网提供的服务规范。 虚电路与数据报机制 虚电路（virtual circuit）和数据报(datagrams)是网络层实现面向连接和无连接服务的子网技术。 虚电路操作方式中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间先要建立一条逻辑通路，称之为“虚”电路。每个节点的虚电路表(例)中要记录两个逻辑信道：前一个节点所选取的逻辑信道号和本节点所选取的逻辑信道号。 数据报机制中，每个分组需要携带完整的目的地址，路由器要为每个数据报做路由选择，分组到达的顺序与发送的顺序可能不同。因特网就使用了一个数据报机制的网络层。 虚电路与数据报之间的折衷 路由器的内存与带宽 建立虚电路的时间和地址解析的时间 保证服务质量，子网避免拥塞 交换虚电路和永久虚电路 大量的建立和清除虚电路所需要的开销会影响虚电路的使用 5.2 路由选择算法 路由选择算法概述 静态路由选择策略 动态路由选择策略 路由选择算法(Routing Algorithm) 是网络层软件的一部分，负责确定所收到分组应传送的外出路线。 路由选择算法可以分为两大类： 非自适应---事先脱线计算好或设定好的，在网络启动时就下载到路由器中 自适应---根据拓扑结构、通信量的变化来改变其路由选择。 路由选择算法应具有下列特性：正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性和最优性。 优化的目标：分组的平均延时小，网络吞吐量大。 相互矛盾，因为任何队列系统，在接近容量的情况下有很长的延迟。 折衷—降低跳数(使分组必须经过的站点减少到最少)，减少了延迟和消耗的带宽 5.2.1 静态路由选择算法 最优化原则 最优化原则（optimality principle） 如果路由器 J 在路由器 I 到 K 的最优路由上，那么从 J 到 K 的最优路由会落在同一路由上。 汇集树（sink tree） 从所有的源结点到一个给定的目的结点的最优路由的集合形成了一个以目的结点为根的树，称为汇集树； 路由算法的目的是找出并使用汇集树。 1. 最短路由选择 基本思想 构建子网的拓扑图，图中的每个结点代表一个路由器，每条弧代表一条通信线路。为了选择两个路由器间的路由，算法在图中找出最短路径。 测量路径长度的方法 结点数量 地理距离 传输延迟 距离、信道带宽等参数的加权函数 Dijkstra算法 每个结点用从源结点沿已知最佳路径到本结点的距离来标注,标注分为临时性标注和永久性标注； 初始时,所有结点都为临时性标注,标注为无穷大； 将源结点标注为0,且为永久性标注,并令其为工作结点； 检查与工作结点相邻的临时性结点,若该结点到工作结点的距离与工作结点的标注之和小于该结点的标注，则用新计算得到的和重新标注该结点； 在整个图中查找具有最小值的临时性标注结点，将其变为永久性结点，并成为下一轮检查的工作结点； 重复第四、五步,直到目的结点成为工作结点 2. 扩散法路由选择(洪泛算法) 工作原理：将收到的每一个分组，从除了分组到来的线路外的所有输出线路上发出 缺点：产生大量的重复分组 抑制措施： 让每个分组头包含站点计数器； 记录下分组扩散的路径(记下来自于某源路由器的序列号，可用一计数器)； 选择性扩散 应用情况 路由器和线路的资源过于浪费，实际很少直接采用； 具有极好的健壮性，可用于军事应用； 作为衡量标准评价其它路由算法。 3. 基于流量的路由选择 基本思想 既考虑拓扑结构，又兼顾网络负荷 前提：每对结点间平均数据流是相对稳定和可预测的 根据网络带宽和平均流量，可得出平均包延迟，因此路由选择问题归结为找产生网络最小延迟的路由 提前离线（off-line）计算 需要预知的信息 网络拓扑结构； 通信量矩阵Fij； 线路带宽矩阵Cij； 路由算法（可能是临时的） 5.2.2 动态路由选择算法 可根据网络的变化适时调整路由表选择最佳路径，有利于改善网络的性能。但算法复杂，增加网络负担