第5章 网络层

1、计算机网络原理（4741）第五章 网络层本章主要内容 通信子网的操作方式和网络层服务 路由选择 拥塞控制 服务质量 网络互连 因特网的互连层协议一、串讲 1、网络层的功能：路由选择、拥塞控制和网际互联等。P93 2、在虚电路中，所谓占用某条逻辑信道，实质上是指占用了该段物理信道上节点分配的（分组缓冲器）（P93） 3、虚电路服务是网络层向（传输层）提供的一种使所有分组按顺序到达目的端系统的可靠数据传送方式P95 4、在虚电路服务中，数据由（网络）层拆成若干分组送给通信子网，再传送到接收方（P95） 5、ARPANET、DNA 网络提供了（数据报）服务（P96） 6、虚电路只需要在（连接建立）时

2、确定路由（P97） 7、路由选择包括两个基本操作：（最佳路径的判定）和（网间信息包的传送/交换）（P97） 8、（最优化原则）和（汇集树）为路由选择算法的提供了衡量标准（P98） 确定路由选择的策略称路由路由选择算法（P98） 静态 最短、扩散/泛射（应用：军事管理/强壮性） 动态 距离矢量、链路状态（OSPF开放的最短路径优先协议 P103 GSR全局状态路由协议 P202） 移动主机 迁移主机（一固定移到另一固定）、漫游主机（离开了原点继续保持） 广播 生成树是子网的子集，包含路由器不含环 多播 分组交换方式中，通信子网向端系统提供虚电路和数据报两种网络服务。 最优化原则：如果路由器J在从

3、路由器I到K的最佳路由上，那么从J到K的最佳路线就会在同一路由之中。 开环控制手段有：接受 丢弃 调度（P108） 监视拥塞情况的度量标准有： 丢弃分组百分比 平均队列长度 超时和重传分组数量 平均分组延迟 分组延迟的标准方差（P109） 影响拥塞的策略（P109） 虚电路子网中的拥塞控制：1，准入控制，2，路由选择，3，资源预留。 在虚电路子网中，采用（准入控制）防止已经拥塞的子网进一步恶化（P110） 数据报子网中的拥塞控制：1，警告位，2，抑制分组，3，逐跳抑制分组。 （抑制分组）中暗含的反馈信息有助于拥塞同时又不影响正常的分组流（P111） 当其他方法不能消除拥塞时，路由器即实施（负载

4、脱落）丢弃这些分组（P113） 负载脱落策略有（葡萄酒策略）和（牛奶策略）两种（P113） 得到每一跳的期望传输（时间），就可以对抖动加以控制（P114） QoS四个特征：可靠性、延迟、抖动、带宽。 基于流的计算或（集成服务）是设计（流式多媒体）体系结构，其主要 IETF 协议是（资源预留协议）（P115） IETF 对基于类别的服务质量的体系结构进行了标准化，称为（区分服务）（P116） 集成服务：每个连接有专用资源。区分服务：每一类连接有专用资源。 标签交换：类似虚电路，查表得到整条线路。 MPLS（多协议标签交换协议）是实现服务质量 QoS 保证的关键技术。 网络互连的目的是使一个网络上

5、的用户能访问其它网络上的资源，使不同网络上的用户互相通信和交换信息。 路由信息协议（RIP）分被动状态和主动状态两种操作方式。 开放最短路径优先协议（OSPF）是一种链路状态路由协议。 网桥用来连接类型相似的局域网，局域网本身没有网络层。 网桥工作在数据链路层，路由器工作在网络层。 （网桥）是把那些具有相同物理层和介质访问控制子层的局域网互连起来的设备（P118） 网桥的作用是通过（过滤）和（转发）功能实现的（P119） 开放最短路径优先协议 OSPF 支持 3 类网络：（点到点）（广播）和（非广播）（P122） 网桥接收帧并送（数据链路层）进行差错校验，然后送到（网络层）再经物理传输介质送到

6、另一个子网（P123） 网桥必须具备（寻址）和（路由选择）的逻辑功能（P123） 路由器的主要服务功能：1，建立并维护路由表，2，提供网络间的分组转发功能。 网管也称协议转换器，用于高层协议的转换，对传输层到应用层均能支持。 IP（互联网协议）TCP/IP核心 传送独立数据报；不可靠、无连接，ICMP（互联网控制报文协议）通知修改/报告阻塞，ARP（地址转换协议），RARP（反向地址转换协议）。 IP协议提供不可靠的、无连接的数据包传输机制。 ARP：IP地址（32位）到物理网络地址（以太网地址，DA，48位）的转换。 RARP：物理网络地址到IP地址的转换（应用于获取无盘工作站的IP地址）。

7、 IGMP（因特网组管理协议）：只有两种报文，多波路由器和主机间的询问和响应过程使用。 IPv6把IP地址长度增加到128比特影响拥塞的策略（P109）层 策略 数据链路层策略 传输层 确定定时策略 子网内部的虚电路与数据报策略 分组排队和服务策略 网络层 分组丢弃策略 路由算法 分组生存管理 重传 乱序缓存 数据链路层 确认 流控制 简述拥塞现象出现的原因。（2.42.P108） （1） 多条流入线路有分组到达，并需要同一输出线路 （2） 路由器的慢速处理器的缘故，以至于难以完成必要的处理工作 简述拥塞控制和流量控制的差异。（3.42.P108） 拥塞控制 确保子网能承载所到达的流量 流量控

8、制 只与特定的发收之间点到点的流量有关； 确保一个快速的发送方不会持续地以超过接收方吸收能力的速率传输数据扩散法（泛射路由选择法）：一个网络节点从某条线路收到一个分组后，再向除该条线路外的所有线路发送收到的分组。简述泛射路由选择法的基本思想。（P100）一个网络节点从某条线路收到一个分组后，再向其他线路发送。最先到达目的地的肯定经过了最短的路径，而且所有路径都尝试过。简述源路由选择的核心思想。（P120）假定每个帧的发送者都知道接收者是否在同一 LAN 上。当发送一个帧到另外的 LAN 时，源机器将目的地址的高位设置成 1 作为标记，并在此帧头加进应走的实际路径。拥塞发生的原因：1，内存不够，

9、没有足够的内存存放同时到达的分组，2，路由器处理器的处理速度慢，难以完成排队，更新路由表等工作拥塞控制的任务是确保子网能够承载所有到达的流量，这是一个全局的问题。流量控制只与特定的发送方和特定的接收方之间的点到点流量有关。拥塞控制的解决方案可分成两类：开环（不考虑网络的当前状态）的和闭环的。简答二、本章主要填空题 1、在虚电路子网中，_防止已经拥塞的子网进一步恶化。(准入控制) 2、可靠性、延迟、_和带宽这四个特征合起来决定了一个流所要求的服务质量。(抖动) 3、_是一种低层次设备，实现网络物理层的连接，它对网段上的衰减信号进行放大整形或再生。(转发器) 4、_是子网的一个子集，它包含所有的路

10、由器，但不包含任何环。(生成树) 5、集成服务是设计_的体系结构。(流式多媒体) 6、_是指当路由器因为来不及处理分组而被淹没的时候，只要将这些分组丢弃即可。(负载脱落) 7、路由选择的核心是_。(路由选择算法) 8、网络层的具体功能包括最短路由选择算法、扩散法和_。(网际互连) 9、在_方式中，网络节点要每个分组路由做出选择。(数据报) 10、静态路由选择算法包括最短路由选择算法、扩散法和_。(基于流量的路由选择) 11、IETF 对基于类别的服务质量的体系结构进行了标准化，称为_。(区分服务) 12、距离矢量路由算法被用于Internet 的_协议。(Rip 路由信息) 13、网桥必须具备

11、_和路由选择的功能。(寻址) 14、_是指如果路由器J 在从路由器I 到K 的最佳路由上，那么从J 到K 的最佳线路 就会在同一路由中。(最优化原则)三、本章课后作业及答案 1、 网络层实现的功能主要有哪些？ 路由选择：通信子网为网络源节点和目的节点提供了多条传输路径的可能性。网络节点在收到一个分组后，要确定向下一节点传送的路径，这就是路由选择，路由选择是网络层要实现的基本功能。路由选择包括两个基本操作，即最佳路径的判定和网间信息包的传送（交换）。两者之间，路径的判定相对复杂。 拥塞控制：拥塞控制是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能

12、下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。 网际互连：网际互连的目的是使用一个网络上的用户能访问其它网络上的资源，使不同网络上的用户互相通信和交换信息。这不仅有利于资源共享，也可以从整体上提高网络的可靠性。 2、 虚电路中的“虚”是什么含义？如何区分一个网络节点所处理的多个虚电路？ 在虚电路操作方式中，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，因为这条逻辑通路不是专用的，所以称之为“虚”电路。 为使节点能区分一个分组属于哪条虚电路，每个分组必须携带一个逻辑信道号；同样，同一条虚电路的分组在各段逻辑信道上的逻辑信道号可能也不相同，传输中，当一个分组

13、到达节点时，节点根据其携带的逻辑信道号查找虚电路表，以确定该分组应该应发往的下一个节点及其下一段信道上所占用的逻辑信道号，用该逻辑信道号替换分组中原先的逻辑信道号后，再将该分组发往下一个节点。3、 简述虚电路操作与数据报操作的特点、虚电路服务与数据报服务的特点。虚电路操作的特点：在虚电路操作方式中，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，因为这条逻辑通路不是专用的，所以称之为“虚”电路。每个节点到其它任一节点之间可能有若干条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输。两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路径可能相同也可能不相同，各节点的虚电

14、路表是在虚电路建立过程中建立的。各节点的虚电路表空间和逻辑信道号都是网络资源，当虚电路拆除时必须回收。数据报操作的特点：在数据报操作方式中，每个分组被称为一个数据报，若干个数据报构成一次要传送的报文或数据报。每个数据报自身携带有足够的信息，它的传送是被单独处理的。整个数据报传送过种中，不需要建立虚电路，但网络节点要为每个数据报做路由选择。虚电路服务的特点：虚电路服务是网络层向传输层提供的一种使所有分组按顺序到达目的可靠的数据传送方式。进行数据交换的两个端系统之间存在着一条为它们服务的虚电路。提供这种虚电路服务的通信子网内部既可以是虚电路方式的，也可以是数据报方式的。数据报服务的特点：数据报服务

15、一般仅由数据报交换网来提供。端系统的网络层同网络节点中网络层之间，一致地按照数据报操作方式交换数据。当端系统要发送数据时，网络层给该数据附加上地址、序号等信息，然后作为数据报发送给网络节点。目的端系统收到的数据报可能不是按序到达的，也可能有数据报的丢失。 4、 考虑下面虚电路服务实现涉及的设计问题。如果虚电路用在子网内部，每个数据报文必须有一个3 字节的含义，每个路由器必须留有8 个字节的空间来标识虚电路。如果内部使用数据报，则需要使用一个15字节的分组头。假定每站段传输带宽的费用为第106 字节1 元人民币；路由器存储器的价格为每字节0.1元人民币，并且在未来两年会下降。平均每次会话长度为1

16、000 秒，传输200 分组；分组平均需传4 个站段。试问子网内部采用虚电路或数据报哪个便宜？便宜多少？ 5、考虑图5-5(a)中的子网。该子网使用了距离矢量路由算法，下面的矢量刚刚到达路由器C，来自B 的矢量为（5,0,8,12,6,2）；来自D 的矢量为（16，12，6，0，9，10）；来自E 的矢量为（7，6，3，9，0，4）经测量，到B、D 和E 的延迟分别为6、3、5。请问C 新路由表将会怎么样？请给出将使用的输出线路及期望（预计）的延迟。 6、假定所有的路由器和主机都正常工作，路由器和主机的软件都没有错误。问：有没有可能（无论可能性多小）把一个分组递交到错误的目的地？ 通信子网为网

17、络源节点和目的节点提供了多条传输路径的可能性。网络节点在收到一个分组后，要确定向下一个节点传送的路径，这就是路由选择，路由选择是网络层要实现的基本功能。所以，当路由器和主机都正常工作的时候，不可能把一个分组传送到错误的目的地。 9、什么叫拥塞？造成拥塞的原因是什么？ 拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现假死锁现象。 拥塞发生的原因：多条流入线路有分组到达，并需要同一输出线路，此时，如果路由器没有足够的内存来存放所有这些分组，那么有的分组就会丢失。路由器的慢速处理器的缘故

18、，以至于难以完成必要的处理工作（如缓冲区排队、更新路由表等）。 10、简述防止拥塞的几种方法 拥塞控制问题可以从控制论角度看待，解决的方案可以分为两类：开环的闭环的。完成开环控制的手段有：确定何时接受新的流量、确定何时丢弃分组及丢弃哪些分组，以及在网络的不同点执行调度决策，所有这些手段的共同之处是它们在做决定的时候不考虑网络的当前状态。 开环算法可以分成在源端采取动作还是在目的端采取动作两类算法。闭环方案则建立在反馈环路的概念基础上，当这种方法用于拥塞控制的时候，它有三个部分： 监视系统，检测到何时何地发生了拥塞。 将该信息传递到能够采取行动的地方。 调整系统的运行，以改正问题。 11网络互连

19、设备按其工作的层次可分为几类？它们分别是什么？网际互连的意义是什么？请列出各种网络互连设备及它们工作的OSI 协议层。 网络互连设备按其工作的层次可分为四类：它们分别是转发器、网桥、路由器和网关。 网际互连的意义：网际互连的目的是使一个网络上的用户能访问其它网络上的资源，使不同网络上的用户互相通信和交换信息。这不仅有利于资源共享，也可以从整体上提高网络的可靠性。 转发器，是一种低层次设备，实现网络物理层的连接。 网桥，提供数据链路层上的协议转换，在不同或相同的局域网之间存储和转发帧。 路由器，作用于网络层，提供网络层上的协议转换，在不同的网络之间存储和转发分组。 网关，提供传输层及传输层以上的

20、各层间的协议转换，又称协议转换器。 12、简述透明网桥的工作原理 透明网桥以混杂方式工作。接收连接到该网桥的局域网上传递的所有帧。每个网桥维护一个基于MAC 地址的过滤数据库。数据库中列出了每个可能的目的地（目前的MAC 地址），以及它属于哪一条输出线路（一个端口号，即表示转发给哪个LAN），同时每个表项还有一个超时。网桥根据这个数据库把接收到的帧向相应的局域网中转发。 13、比较透明网桥和源端路由网桥各自的优缺点。 透明网桥的优点是易于安装，只需要插进电缆即大功告成。但是从另一方面来讲，这种网桥并没有最佳地利用网络带宽，以为它们只用到了拓扑结构的一个子集（生成树）。一般支持总线网的人喜欢选择

21、透明网桥。而令牌环的支持者则偏爱一种称为源路由的选择网桥。 源路由选择的缺点是：使用它的前提是互联网中的每台机器都知道所有其它机器的最佳路径。获取路由算法的基本思想是：如果不知道目的地地址的位置，源机器就发一个广播帧，询问它在哪里。每个网桥都会转发此帧，这样查找帧就可以到达互连网的第一个LAN。当应答回来时，途径的网桥将它们自己的标识记录在应答帧中，于是广播帧的发送者就可得到确切的路由，并从中选取最佳者。 14、一台主机的RIP 协议可以是主动方式吗？说明理由。 不可以。主机中实现的工作在被动状态，它不会传递自己的路由表的信息给别的路由器，它只是接收其它路由器广播的路由信息，并且根据收到的路由

22、信息更新自己的路由表。 15、简述协议和协议的要点。 为了正确地向目的站传送报文，必须把目的站的32 位地址转换成48 位以太网目的地址。这就需要在互连层有一组服务将地址转换为相应物理网络地址。这组协议即是。在进行报文发送时，如果源互连层所给的报文只有地址，而没有对应的以太网地址，则互连层广播请求以获取目的站信息，而目的站必须回答该请求。地址转换协议使主机可以找出同一物理网络中任一个物理主机的物理地址，只需给出目的主机的IP 地址即可。如果站点初始化以后，只有自己的物理网络地址而没有地址，则它可以通过协议，发出广播请求，征求自己的地址，而服务器负责回答。这样，无地址的站点可以通过协议取得自己的地址，这个地址在下一次系统重新开始以前都是有效的，不用连续广播请求，广泛用于无盘工作站的地址。 16、多播和广播有何异同？若要路由器支持多播，还需要添加哪些功能？ 局域网中可以实现对所有网络节点的广播，但对于有些应用，需要同时向大量接收者发送信息，这些应用的共同特点就是一个发送方对应多个接收方，接收方可能不是网络中的所有主机，也可能没有位于同一子网。这种通信方式介于单播和广播之间，被称为组播或多播。 多播需要特殊的多播路由器支持，多播路由器可以兼有普通路由器的功能。因为组