计算机网络-网络层

1、教学内容教学内容：n广域网的基本概念n广域网中的分组转发机制n广域网的路由选择n广域网技术广域网广域网是作用地理范围从数十公里到数千公里，是作用地理范围从数十公里到数千公里，可以连接若干个城市、地区甚至跨越国界、可以连接若干个城市、地区甚至跨越国界、遍及全球的一种通信网络。一般都是由电信遍及全球的一种通信网络。一般都是由电信公司所拥有。低速广域网是传输速度较低的公司所拥有。低速广域网是传输速度较低的广域网，低速广域网包括电话网、综合业务广域网，低速广域网包括电话网、综合业务数字网数字网ISDN、以及、以及X.25分组交换网。高速分组交换网。高速广域网是速度高、延迟小的一种广域网，包广域网是速度

2、高、延迟小的一种广域网，包括帧中继网、异步传输模式括帧中继网、异步传输模式ATM网以及同步网以及同步光纤网光纤网SONET等。等。广域网的基本概念广域网的基本概念广域网的基本概念广域网的基本概念广域网与局域网的区别广域网与局域网的区别n广域网由许多位于交换节点的交换机（称为节点广域网由许多位于交换节点的交换机（称为节点交换机）以及连接这些节点的链路组成。交换机）以及连接这些节点的链路组成。n局域网的协议在数据链路层，广域网的协议在网局域网的协议在数据链路层，广域网的协议在网络层。广域网的主要问题是分组转发。络层。广域网的主要问题是分组转发。n广域网与局域网之间存在着较大的区别。从连接广域网与局

3、域网之间存在着较大的区别。从连接方式上看，广域网的组成部分主要是分组交换机，方式上看，广域网的组成部分主要是分组交换机，采用的是点对点连接，而局域网的组成多为计算采用的是点对点连接，而局域网的组成多为计算机，普遍采用多点接入技术。机，普遍采用多点接入技术。一个典型的互联网拓扑结构，位于不同地址位置一个典型的互联网拓扑结构，位于不同地址位置的多个局域网、广域网连接后形成了的多个局域网、广域网连接后形成了互联网互联网。局域网、广域网是互联网的构件，在局域网或局域网、广域网是互联网的构件，在局域网或广域网内部主机通信使用网络的物理地址。广域网内部主机通信使用网络的物理地址。 广域网的基本概念广域网的

4、基本概念广域网的基本概念广域网的基本概念广域网的组成广域网的组成广域网中最基本的交换机称为广域网中最基本的交换机称为分组交换机分组交换机（packet switch，也称为包交换机），它可以将分组从一，也称为包交换机），它可以将分组从一个节点传送到另一个节点。个节点传送到另一个节点。 广域网的组成广域网的组成在广域网中，将网络内部进行互连的交换机称为在广域网中，将网络内部进行互连的交换机称为内内部交换机部交换机（interior switch），而把外围与计算），而把外围与计算机直接相连的交换机称为机直接相连的交换机称为外部交换机外部交换机（exterior switch），外部交换机也称为边

5、缘交换机。），外部交换机也称为边缘交换机。广域网的基本工作模式是存储转发广域网的基本工作模式是存储转发（store and forward），广域网中的交换机及连接方式），广域网中的交换机及连接方式广域网的基本概念广域网的基本概念广域网的基本概念广域网的基本概念广域网网络层主要功能广域网网络层主要功能n建立、维护、拆除建立、维护、拆除N层连接层连接n组包组包/拆包拆包n路由，寻址，转发路由，寻址，转发 n流控、拥塞控制流控、拥塞控制n数据：正常数据流和快速数据流数据：正常数据流和快速数据流n网络互连。解决源端和目的端不在同一网络互连。解决源端和目的端不在同一网络带来的问题。网络带来的问题。广域

6、网的基本概念广域网的基本概念广域网网络层服务广域网网络层服务 从从OSI参考模型来看，广域网涉及到下三参考模型来看，广域网涉及到下三层：物理层、数据链路层和网络层。其层：物理层、数据链路层和网络层。其中，网络层为网络中的主机提供了两大中，网络层为网络中的主机提供了两大类服务：类服务： 面向连接的虚电路服务面向连接的虚电路服务 面向非连接的数据报服务面向非连接的数据报服务 9面向连接的虚电路服务面向连接的虚电路服务n用于建立、维护和拆除用于建立、维护和拆除VCn用于用于ATM、帧中继、帧中继、X.25中中n没有用于今天的因特网中没有用于今天的因特网中应用运输网络数据链路物理应用运输网络数据链路物

7、理1. 发起呼叫2. 入呼叫3. 接受呼叫4. 呼叫已连接5. 数据流开始6. 接收数据广域网的基本概念广域网的基本概念虚电路的转发表虚电路的转发表广域网的基本概念广域网的基本概念11面向非连接的数据报服务面向非连接的数据报服务n在网络层无呼叫建立在网络层无呼叫建立n尽最大努力交付尽最大努力交付n分组使用目的主机地址转发，在相同源和目的分组使用目的主机地址转发，在相同源和目的对可能采用不同的路径对可能采用不同的路径应用运输网络数据链路物理应用运输网络数据链路物理1. 发送数据2. 接收数据广域网的基本概念广域网的基本概念数据报的转发表数据报的转发表广域网的基本概念广域网的基本概念13因特网因特

8、网n在计算机间交换数据在计算机间交换数据n“弹性弹性”服务，无严格服务，无严格的定时要求的定时要求n“智能智能” 端系统端系统 (计算机计算机)n能够适应，执行控制，能够适应，执行控制，差错控制差错控制n网络内部简单，网络内部简单，“边缘边缘”复杂复杂n许多链路类型许多链路类型 n不同的特点不同的特点n难以提供统一服务难以提供统一服务ATMn从电话技术演化来从电话技术演化来n人类交谈：人类交谈：n严格定时，可靠性严格定时，可靠性要求要求n对确保服务的需求对确保服务的需求n“哑哑” 端系统端系统n电话电话n网络内部复杂网络内部复杂广域网的基本概念广域网的基本概念虚电路服务与数据报服务的对比对比的

9、方面对比的方面虚电路服务虚电路服务数据报服务数据报服务思路思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来保可靠通信应当由用户主机来保证证连接的建立连接的建立必须有必须有不需要不需要终点地址终点地址仅在连接建立阶段使用，每仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号个分组使用短的虚电路号每个分组都有终点的完整地址每个分组都有终点的完整地址分组的转发分组的转发属于同一条虚电路的分组均属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发按照同一路由进行转发每个分组独立选择路由进行转每个分组独立选择路由进行转发发当结点出故障时当结点出故障时所有通过出故障的结点的虚所有通过出故障

10、的结点的虚电路均不能工作电路均不能工作出故障的结点可能会丢失分组，出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化一些路由可能会发生变化分组的顺序分组的顺序总是按发送顺序到达终点总是按发送顺序到达终点到达终点时不一定按发送顺序到达终点时不一定按发送顺序端到端的差错处端到端的差错处理和流量控制理和流量控制可以由网络负责，也可以由可以由网络负责，也可以由用户主机负责用户主机负责由用户主机负责由用户主机负责教学内容教学内容：n广域网的基本概念n广域网中的分组转发机制n广域网的路由选择n广域网技术广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制网络层涉及的是将源端发出的分组经各种途径送网络层涉及的是将源

11、端发出的分组经各种途径送到目的端。中间可能经过许多结点。是处到目的端。中间可能经过许多结点。是处理端到端的最低层。理端到端的最低层。n路由路由: 决定分组从源决定分组从源到目的地所采用的路到目的地所采用的路由由n转发转发: 将分组从路由将分组从路由器的输入移动到适当器的输入移动到适当的路由器输出的路由器输出n路由算法路由算法类比类比: :n路由路由: : 规划从源到目规划从源到目的地路径的过程的地路径的过程n转发转发: : 通过单个立交通过单个立交桥的过程桥的过程171230111到达分组首部的值到达分组首部的值选路算法选路算法本地转发表本地转发表首部值输出链路0100010101111001

12、3221路由对转发的影响路由对转发的影响虚电路的分组转发虚电路的分组转发n建立虚电路时确定路径，数传阶段实现逻辑电路建立虚电路时确定路径，数传阶段实现逻辑电路号变换，按固定方向转发。号变换，按固定方向转发。广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制数据报的分组转发数据报的分组转发n查找转发表，根据目的地址确定下一站的转发端口查找转发表，根据目的地址确定下一站的转发端口1. 广域网的物理编址广域网的物理编址在许多广域网中使用了层次编址方案（在许多广域网中使用了层次编址方案（hierarchical addressing scheme）最简单的层次编址

13、称为两段式）最简单的层次编址称为两段式层次地址。层次地址。n主机地址主机地址：n每台主机在广域网中的地址是惟一的每台主机在广域网中的地址是惟一的所连接交换机编号所连接交换机编号所连接的交换机的端口号所连接的交换机的端口号广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制2. 转发表结构转发表结构n每一个交换机中都有一个转发表，简称为路由表每一个交换机中都有一个转发表，简称为路由表（routing table）。路由表中有两个重要的组成：即分）。路由表中有两个重要的组成：即分组的目的站点和下一站点（组的目的站点和下一站点（next hop）。）。 广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制转发表结构

14、转发表结构n没有源地址项，转发只考虑目的站没有源地址项，转发只考虑目的站路由选择中的下一个站点只取决于发组中的目的路由选择中的下一个站点只取决于发组中的目的站点地址，而与源站点地址无关，这个概念称站点地址，而与源站点地址无关，这个概念称为为原地址独立性原地址独立性（source independence）。）。n直接交付直接交付n间接交付间接交付 广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制n直接交付，直接交付，当分组的源主机和目的主机是在同当分组的源主机和目的主机是在同一个网络，或转发是在最后一个交换机与目的一个网络，或转发是在最后一个交换机与目的主机之间时将直接交付。主机之间时将直接交付。

15、广域网中的广域网中的分组转发机制分组转发机制n间接交付，间接交付，目的目的主机与源主机不主机与源主机不在同一个网络上，在同一个网络上，分组间接交付。分组间接交付。广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制3. 转发过程转发过程n按照分组的目的站点的交换机号确定下一跳按照分组的目的站点的交换机号确定下一跳n目的交换机根据主机连接端口号确定交付的主机目的交换机根据主机连接端口号确定交付的主机广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制为使广域网能够正常运行，交换机中的路由表必须为使广域网能够正常运行，交换机中的路由表必须符合以下条件：符合以下条件：n 完整的路由完整的路由。每个交换机的路由表中必

16、须包含。每个交换机的路由表中必须包含有能够到达所有目的站点的有能够到达所有目的站点的“下一站点下一站点”n 路由优化。路由优化。对于一个给定的目的站点而言，交对于一个给定的目的站点而言，交换机的路由表中的换机的路由表中的“下一站点下一站点”必须是指向目的必须是指向目的站点的最短路径。站点的最短路径。广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制4. 转发表简化转发表简化n按交换机号合并表项，修改第一列目标主机为按交换机号合并表项，修改第一列目标主机为目标主机所连接交换机。目标主机所连接交换机。n默认路由（缺省路由）项，用一个条目来代替默认路由（缺省路由）项，用一个条目来代替路由表中具有相同路由表

17、中具有相同“下一站点下一站点”的多条重复条的多条重复条目。默认路由的目的站点用符号目。默认路由的目的站点用符号“*”表示。表示。目的是减少查找转发表的时间，提高处理速度。目的是减少查找转发表的时间，提高处理速度。每个节点的路由表每个节点的路由表使用了默认路由后的简化路由表使用了默认路由后的简化路由表教学内容教学内容：n广域网的基本概念n广域网中的分组转发机制n广域网的路由选择n广域网技术广域网中的路由选择广域网中的路由选择路由与转发，路由与转发，根据路由选择算法构造路由表，根根据路由选择算法构造路由表，根据路由表得到转发表，分组转发时查找转发据路由表得到转发表，分组转发时查找转发表进行转发。表

18、进行转发。n路由选择算法是网络层软件的一部分，负责路由选择算法是网络层软件的一部分，负责确定分组的传输路线。具有全局性。确定分组的传输路线。具有全局性。n路由选择算法的工作在网络层，设备涉及广路由选择算法的工作在网络层，设备涉及广域网中的交换机和互联网的路由器。域网中的交换机和互联网的路由器。n广域网互连网的路由区别广域网互连网的路由区别一个理想的路由算法应具有以下的特点：一个理想的路由算法应具有以下的特点：n算法必须是正确和完整的算法必须是正确和完整的。分组能够根据交换机中的路。分组能够根据交换机中的路由表成功到达目的计算机；在一个网络中，路由表应该由表成功到达目的计算机；在一个网络中，路由

19、表应该包含所有能够到达的交换机的信息。包含所有能够到达的交换机的信息。n算法应力求尽量简单算法应力求尽量简单。算法复杂将会增加系统的开销，。算法复杂将会增加系统的开销，所以路由算法在保证功能实现的同时应尽可能的简单。所以路由算法在保证功能实现的同时应尽可能的简单。n算法应能够适应网络流量和网络拓扑的变化算法应能够适应网络流量和网络拓扑的变化。当网络流。当网络流量发生变化时，算法应能够自动改变路由以实现各链路量发生变化时，算法应能够自动改变路由以实现各链路的负载均衡；当网络硬件发生故障时，算法能够及时发的负载均衡；当网络硬件发生故障时，算法能够及时发现故障并将故障发送给其他的交换机。同时，当故障

20、排现故障并将故障发送给其他的交换机。同时，当故障排除后，算法也应及时恢复路由。除后，算法也应及时恢复路由。广域网中的路由选择广域网中的路由选择一个理想的路由算法应具有以下的特点：一个理想的路由算法应具有以下的特点：n算法应具有稳定性算法应具有稳定性。当路由表建立后，如果网。当路由表建立后，如果网络的通信流量和链路状态相对稳定，这时算法络的通信流量和链路状态相对稳定，这时算法应保证路由表的稳定性。应保证路由表的稳定性。n算法应是公平的算法应是公平的，对所有的用户平等对待。，对所有的用户平等对待。n算法应是最佳的算法应是最佳的，以最小代价实现路由算法。，以最小代价实现路由算法。广域网中的路由选择广

21、域网中的路由选择讨论讨论路由选择算法涉及的主要参数路由选择算法涉及的主要参数：n跳数跳数（hop counthop count），分组从源结点到达目的结点），分组从源结点到达目的结点经过的路由器的个数。经过的路由器的个数。n带宽带宽（bandwidthbandwidth），链路的传输速率。），链路的传输速率。n延时延时（delaydelay），分组从源结点到达目的结点花费），分组从源结点到达目的结点花费的时间。的时间。n负载负载（loadload），通过路由器或线路的单位时间通信），通过路由器或线路的单位时间通信量。量。n可靠性可靠性（reliabilityreliability），传输过程中

22、的误码率。），传输过程中的误码率。n开销开销（overheadoverhead），传输过程中的耗费，与所使用），传输过程中的耗费，与所使用的链路带宽相关。的链路带宽相关。广域网中的路由选择广域网中的路由选择分类：分类： n静态路由静态路由（static routing）。在交换机）。在交换机启动时计算和设置路由，此后路由不再改启动时计算和设置路由，此后路由不再改变。变。n 动态路由动态路由（dynamic routing）。在交）。在交换机启动时进行初始化，当网络发生变化换机启动时进行初始化，当网络发生变化（如某一台交换机出现阻塞或某一条链路（如某一台交换机出现阻塞或某一条链路出现故障时）时随

23、时进行更新。出现故障时）时随时进行更新。广域网中的路由选择广域网中的路由选择复杂性复杂性n 所有结点共同协调完成所有结点共同协调完成n 环境变化，无法预测环境变化，无法预测 n 拥塞状态下难于获得路由选择策略拥塞状态下难于获得路由选择策略广域网中的路由选择广域网中的路由选择广域网中的路由选择与流量控制广域网中的路由选择与流量控制n好的流控使更多的通信量流入网络，好的路由好的流控使更多的通信量流入网络，好的路由选择可以使网络的平均时延较低。选择可以使网络的平均时延较低。n输入网络的负载增大，网络的平均时延增大，输入网络的负载增大，网络的平均时延增大，需要进一步的流量控制，拒绝一些负载。需要进一步

24、的流量控制，拒绝一些负载。n网络的平均时延随网络的通信量增大，良好的网络的平均时延随网络的通信量增大，良好的路由选择可以使网络对吞吐量的变化性能得到路由选择可以使网络对吞吐量的变化性能得到改善。改善。广域网中的路由选择广域网中的路由选择路由选择对网络吞路由选择对网络吞吐量和时延的影响吐量和时延的影响路由选择与流量路由选择与流量控制之间的关系控制之间的关系教学内容教学内容：n广域网的基本概念n广域网中的分组转发机制n广域网的路由选择n广域网技术广域网技术广域网技术低速广域网是传输速度较低的广域网，低低速广域网是传输速度较低的广域网，低速广域网包括电话网、综合业务数字速广域网包括电话网、综合业务数

25、字网网ISDN、以及、以及X.25分组交换网。高分组交换网。高速广域网是速度高、延迟小的一种广速广域网是速度高、延迟小的一种广域网，包括帧中继网、异步传输模式域网，包括帧中继网、异步传输模式ATM网以及同步光纤网网以及同步光纤网SONET等。等。n公用交换电话网（PSTN）n综合业务数字网（ISDN）n分组交换网X.25n帧中继FRn异步传输方式ATMn同步光纤网SONET广域网技术广域网技术X.25标准的层次关系标准的层次关系广域网技术广域网技术广域网技术nISDNISDN是由综合数字电话网发展起来的一个网络，是由综合数字电话网发展起来的一个网络，它提供端到端的数字连接以支持广泛的服务，包它

26、提供端到端的数字连接以支持广泛的服务，包括声音的和非声音的，用户的访问是通过少量多括声音的和非声音的，用户的访问是通过少量多用途用户网络接口标准实现的。用途用户网络接口标准实现的。nISDNISDN协议参考模型的基本概念是建立在协议参考模型的基本概念是建立在ISO/OSIISO/OSI参参考模型的分层通信原理基础上，它和考模型的分层通信原理基础上，它和ISO/OSIISO/OSI参考参考模型的区别在于多通道访问接口结构以及公共通模型的区别在于多通道访问接口结构以及公共通道信令，它包括了多种通信模式和能力。道信令，它包括了多种通信模式和能力。n分组交换是一种在距离相隔较远的工作站点之分组交换是一

27、种在距离相隔较远的工作站点之间进行大容量数据传输的有效方法，它结合线间进行大容量数据传输的有效方法，它结合线路交换和报文交换的优点，将信息分成较小的路交换和报文交换的优点，将信息分成较小的分组进行存储、转发，动态分配线路的带宽。分组进行存储、转发，动态分配线路的带宽。X.25X.25网是最常用的分组交换网，网是最常用的分组交换网，X.25X.25描述了将描述了将一个分组终端连接到一个分组网络上所需要做一个分组终端连接到一个分组网络上所需要做的工作。的工作。X.25X.25包含有包含有3 3层协议，即物理层，链路层协议，即物理层，链路层和分组层。层和分组层。nX.25X.25的分组层提供虚电路服

28、务，数据以分组形的分组层提供虚电路服务，数据以分组形式通过外部虚电路传输。虚电路有两种类型：式通过外部虚电路传输。虚电路有两种类型：呼叫虚电路和永久虚电路。呼叫虚电路是通过呼叫虚电路和永久虚电路。呼叫虚电路是通过呼叫建立和呼叫清除等过程动态地建立起来的呼叫建立和呼叫清除等过程动态地建立起来的虚电路。永久虚电路则是固定的虚电路。虚电路。永久虚电路则是固定的虚电路。广域网技术广域网技术n现代数据通信设施具有高质量、高可靠的传输链现代数据通信设施具有高质量、高可靠的传输链路，很多场合采用光纤，提供了高可靠的传输技路，很多场合采用光纤，提供了高可靠的传输技术，采用术，采用X.25X.25不仅其开销是不必要的，而且会大不仅其开销是不必要的，而且会大大影响高速数据链路