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计 算 机 网 络 原 理网 络 层 尹 霞 yxia@csnet1.cs.tsinghua.edu.cn 清华大学计算机科学与技术系 计算机网络技术研究所 2000 年 11 月14日 网络层主要内容 网络层概述 ? 网络层的地位 网络层需要解决的问题 数据报和虚电路 网络层提供的服务 路由算法 ? 最优化原则 最短路径路由算法 洪泛算法 基于流量的路由算法 距离向量路由算法 链路状态路由算法 分级路由 拥塞控制算法 ? 拥塞控制的基本原理 开环控制 拥塞预防策略 通信量整形(漏桶和令牌桶) 流说明 闭环控制 虚电路网络中的拥塞控制 抑制分组 负载丢弃 网络互联技术 ? 级联虚电路 无连接网络互联 隧道技术 互联网路由 分段 防火墙 Internet网络层协议 ? 支撑协议 IP/ICMP协议 ARP/RARP协议 内部网关路由协议 RIP，OSPF 外部网关路由协议 BGP 网络层的位置 当今流行的通信技术 传统的电信网络：线路交换、x.25、帧中继、ATM。 计算机网络：ARPANET、INTERNET等。 有线电视网络。 计算机网络中的网络层至关重要 网络层是通信子网的最高层，关系着整个网络的运行控制。 网络层需要解决的问题是确定分组从源地址到目的地址是如何路由的。 网络层利用数据链路层提供的服务，为传输层提供服务。网络层处理端到端传输的最低层。 在广播网络中，路由选择很简单，所以网络层也很薄，甚至不存在。而在大型网络中，分组不得不跨越若干个网络到达目的地址，这其中的种种问题就需要由网络层来解决。 网络层需要解决的问题 网络层为了能够了解通信子网的拓扑结构，以便选择路由，需要解决以下问题： 屏蔽各种不同类型网络之间的差异 需要统一数据格式 需要统一网络地址 实现全网的数据传输 建立跨越网络的虚电路 网络之间实现分组的寻址和转发 网络层的两种实现方式 虚电路(virtual circuit)：提供面向连接的服务。 类似于电话，先建立连接，之后依次发送分组，最后关闭连接。 避免对每个分组进行路由。 数据报(datagram)：提供无连接的服务。 类似于发送信件。对每个数据报(对于无连接中的独立分组称作数据报)分别进行路由。 通信交换技术 计算机网络总是由资源子网和通信子网组成。通信交换技术是指数据信息如何在通信子网的各个结点之间进行传输的。通常存在三种交换技术：线路交换、报文交换和分组交换。还存在某几个技术的融合，即混合交换。 线路交换(circuit switching)在网络中利用可切换的物理通信线路直接连接通信双方。 最常见的例子是电话系统。 线路交换包括三种状态：线路建立、数据传送、线路拆除。 线路交换方式中通道是专用的，利用效率低，并存在延迟。 报文交换(message switching)是指信息以报文(逻辑上完整的信息段)为单位进行存储转发。 存储转发 (Store and Forward) 发送报文的主机在发送之前，要将报文的目的地址附加在报文前面。然后将报文发送到网络中的结点中。 每个网络中的结点将完整地接收报文，暂存报文，然后将报文发送到下一个更接近目的主机的结点中。如此操作，直至将报文发送到目的主机为止。 分组交换(packet switching) 分组交换结合报文交换和线路交换的优点，采用存储转发机制，但是规定了传输数据的单位长度。 过长的报文被分成较小的单位(分组packet)，依次发送。 如何管理这些分组的正确传输：数据报和虚电路。 数据报(datagram)：每个分组被单独处理。 每个分组带有自己的目的地址和序号被发出，由通信子网中的结点进行路由选择。 在所有分组到达了目的主机后，再将各个分组按照序号编排起来。 虚电路(virtual circuit)： 在发送任何分组之前，首先在发送主机和目的主机之间建立一条逻辑连接，即在通信子网中确定一条用于本次传输数据用的结点序列。 建立虚电路后，所有的分组都将按照循序依次被发送到目的主机。 当所有的分组都发送之后，虚电路将被拆除。在虚电路方法中，每个分组无须进行路径选择。 每个主机可以和另一个主机建立若干个虚电路，每个主机也可以同时和若干主机个建立虚电路。 虚电路与数据报的比较 虚电路与数据报之间的权衡 路由器内存空间与带宽的权衡 虚电路占用路由器中的表空间 每个数据报都携带完整的目的/源地址，浪费带宽 连接建立时间与地址查找时间的权衡 虚电路需要在建立连接时花费时间 数据报则在每次路由时过程复杂 服务质量和健壮性的权衡 虚电路方式很容易保证服务质量QoS(Quality of Service)，适用于实时操作，但比较脆弱。通信线路的故障，对于虚电路而言有时是致命的。 数据报不太容易保证服务质量，但是对于通信线路的故障，