计算机网络（网络学院）第五章 网络层4

1、计算机网络网络层协议( 网络互联)第五章网络层网络层概述路由算法拥塞控制算法网络互连INTERNET网络层协议2网络互连级联虚电路无连接网络互连隧道技术互联网路由分段防火墙3网络互连4网络互连的意义当主机用户要求对超出一个系统的可用资源进行访问时，就有必要建立分组交换网或分组广播网。而当单个网络的资源不足以满足用户的需要时，就需要将几个分组交换网互相连接起来使用，使接在不同网上的主机能相互通信，就需要网络互连技术。网络互连的分类：（1）局域网（LAN）-局域网（LAN） （2）局域网（LAN）-广域网（WAN） （3）广域网（WAN）-广域网（WAN） （4）局域网（LAN）-广域网（WAN）

2、-局域网（LAN） 5网络互连的要求 提供网络间的连接，至少必须有物理层和数据链路层的链接。 提供不同网络上进程间的路径和数据传输。 提供记帐服务，记录个网络和网间连接器的使用情况，并保存其状态。 网络互连系统必须能适应各网络间的差异，这些差异包括不同的寻址模式、不同的最大分组长度、不同的网络接口和不同的网络存取机制、不同的时限、差错恢复、状态报告、路由技术、访问控制和连接还是无连接。6网络互联的原因互联网（internet）：两个或多个网络构成互联网。多种不同网络（协议）存在的原因历史原因：不同公司的网络产品大量使用；价格原因：网络产品价格低，更多的人有权决定使用何种网络；技术原因：不同网络

3、采用不同技术、不同硬件、不同协议。7网络互连设备中继器（repeater）物理层设备，在电缆段之间拷贝比特；对弱信号进行放大或再生，以便延长传输距离。网桥（bridge）数据链路层设备，在局域网之间存储转发帧；网桥可以改变帧格式。多协议路由器（multiprotocol router）网络层设备，在网络之间存储转发包；必要时，做网络层协议转换。传输网关（transport gateway）传输层设备，在传输层转发字节流。应用网关（application gateway）应用层设备，在应用层实现互连；half-gateway（为了满足不同国家、组织的管理需要）下图8中继器中继器是物理层的互连设备

4、，主要用于扩展局域网段的长度。因其只在两个局域网段间实现电转接，故仅用于连接相同的局域网的网段。其优点是便宜、简单。主要缺点是再生电子干扰及错误信号；其次，每个局域网中接入的中继器数量因受时延和衰耗的影响必须加以限制。有各种各样的中继器产品：（1） 多路复用器：主要用来增加物理介质的利用率，有时分多路复用、频分多路复用和统计多路复用等。（2） 多口中继器：用来支持三个或多个总线网段。多口中继器是支持结构化布线的基础。结构化不线系统使网络管理员轻松地重新配置网络，分配用户，连接不同的LAN系统。9中继器（3） 集线器（HUB）：HUB可分为具有中继功能的HUB和具有桥接功能的HUB，后者常常叫做

5、智能HUB或交换器，主要用于将不同网段相连，或者说，将一个大网络划分成多个按网桥功能分隔的网段，以减小各网段内的冲突和提高网段的带宽。网络中连接工作组的HUB一般只具有中继功能；而网络中心的HUB 一般则具有网桥或交换器功能。 （4） 模块中继器和缓冲中继器等 10网桥网桥是链路层的互连设备，其作用一般是互连多个局域网以组成一个互通的大局域网。网桥也能支持局域网的远程连接。网桥必须作到以下几点（过滤转发功能）1、 读所有在网络A上传送的帧，并接受那些地址直到B的帧。 2、使用对网络B的介质访问控制协议，将该帧重送到网络B。 3、 对网络B到网络A的通信的处理与上相同。 链路层包括MAC子层和L

6、LC子层，网桥也可分成MAC子层互连产品和LLC子层互连产品。MAC网桥只能连接相同的局域网，而LLC网桥能连接不同的局域网。11LLC网桥翻译桥能转换不同局域网帧格式，其功能包括：位和位组的重新排列，以消除不同MAC系统编址机制的区别、帧长限制、帧格式转化和校验的再生、数据缓冲，以补偿数据速率的差别。 封装桥指通信双方的局域网帧被包封在中间网的MAC帧中，通过连通的网络时象经过隧道一样到达目的地，在目的的LAN再被解封。这样通信双方只能是同种网。封装桥只能作中间传输。（实现隧道）12路由器 路由器是网络层的互连设备，路由器提供了各种各样、各种速率的链路或子网接口；参加管理网络，提供对资源的动

7、态控制。路由器的功能包括：(1) 连接WAN包括各种WAN接口，如X.25、ISDN、帧中继、ATM、卫星链路、微波、租用或拨号线、同步链路等。(2) 数据处理包括过滤、转发、优先、复用、加密和压缩等。(3) 管理设施包括配置管理、容错管理、性能管理。 13路由器路由器按功能可分为单协议路由器和多协议路由器。 单协议路由器只能应用于特定的协议环境，它通常是厂商相关设备（用于专用协议）。从长远来看，这种路由器或者因协议的改变而变为多余，或者会限制 网络的发展（不能支持任何协议的改变）。所以它只能作为短期的低廉成本的解决方案。 多协议路由器是单协议路由器的替代产品。它支持多种协议并提供一种管理手段

8、来使能/禁止某些特定协议，提供应用时的灵活选择。 14路由器(1)访问路由器用来连接远程工作组和个人进入骨干网。访问路由器一般由一个LAN接口、两个WAN接口和二三个网络层协议（一般包括IP）组成，这种路由器仍能容纳于传统的路由体系结构。 (2) 边界路由器是配合中央交换路由器用于一种特殊体系的路由器，其特点是： (a)只有中央交换路由器需要两个以上的接口。每一个边界路由器仅需一个 LAN和WAN端口，所以它是一种经济的构造大型网络的方法。(b)每一边界路由器仅需支持它所连LAN上的协议。(c) 中央交换路由器负责域间路由，路由算法会很快在最优路径上收敛。 15 路由器分类路由器按照性能和价格

9、高低，可分为高档、中档和低档三种。高档路由器构成企业互连网的主干，支持所有通用的路由协议和网络协议，支持多于50个的局域网或广播网端口。Cisco 7000是这类产品的典型代表。它是Cisco公司交换式虚拟网络体系Cisco Function的核心。其特点是采用多处理器结构，包交换、路由和接口三种处理器。每种处理器完成特定功能，并进行了优化设计，处理器之间采用高速总线连接。其交换处理器为定制的、经过优化的专用于包交换的处理器。其包交换功能由硬件完成，速度较快。中档路由器用于在大企业中连接主干网设备，也可用于组建小型企业网络主干网络。它可支持常见的网络协议和路由协议。低档路由器一般用作访问路由器

10、。它把小规模的短点连入企业网。其典型的设置是一个以太网接口及令牌环接口，支持低速租用线或拨号连接。一般这种路由器应尽量简单，易于配置和管理。16交换式互连设备网络的发展方向是宽带传输，对互连网络性能至关重要的交换功能起着决定性的作用。在互连网络中采用交换功能可以允许： 高速接口级交换； 网络可伸缩性得到扩张； 更好的故障检测和隔离；构成虚拟网。 交换技术不同于网桥路由器的传统方式，交换为每个终端站提供独占的点对点链路，同时支持通信设备间的多条链路。交换网络最终目的是将LAN分割成每个段一个终端站。交换技术有两种形式：帧交换与信元交换。帧交换是在终端站（或网段）间转发传统的以太网或令牌环网的帧。

11、信元交换即ATM所采用的技术。17协议转换器协议转换器是高层的网络互连设备，它将不同网络的协议进行转换，数据重新分组，实现网络之间的通信。由于三层以下的互连设备分别以网桥和路由器为名，“协议转换器”常常也就与“网关”通用。协议转换器必须能容纳或吸收网络间的各种差异，执行互连网间协议的转换，参与通信协议的转换；执行报文存储转发功能及流量控制；执行不同的编址原理，不同的最大分组长度，不同的网络服务类型（数据报或虚电路），不同的网络接口；不同的超时机构，不同的差错恢复和状态报告能力等等；支持应用层互通及互连网之间的网络管理功能。协议转换器的管理设施包括：活动的会话数量及每个会话支持的交通量，失败的会

12、话数量及连接建立期间总的会话数，每条链路的容量及每条链路的故障记录，协议转换器的状态参数，可获得的链路的描述，默认及活动的内部配置参数。LAN与WAN接口的类型和数量，并发会话的数目，管理接口及应用程序的数量。18网A网B网络接口A协议系统A协议转换模块协议系统B网络接口B协议转换器网1网2网1网2网1网2网1网2网1网间网间网1网1网间网间网1（a）直接转换（b）通过网间协议转换两种协议转换方法19（a）两个WAN之间的全网关 （b）一个LAN和一个WAN之间的全网关 （c）两个半网关20网络之间的区别 网络许多不同之处的某些方面21级联虚电路（Concatenated Virtual Ci

13、rcuits）工作过程级联虚电路工作过程与虚电路子网工作过程相似；建立连接当目的主机不在子网内时，则在子网内找一个离目的网络最近的路由器，与之建立一条虚电路；该路由器与外部网关建立虚电路；该网关与下一个子网中的一个路由器建立虚电路；重复上述操作，直到到达目的主机。传输数据相同连接的包沿同一虚电路按序号传输；网关根据需要转换包格式和虚电路号。拆除连接22 采用连锁虚电路的网络互连23无连接网络互连（Connectionless Internetworking）工作过程无连接网络互连的工作过程与数据报子网的工作过程相似；每个包单独路由，提高网络利用率，但不能保证包按顺序到达；根据需要，连接不同子网

14、的多协议路由器做协议转换，包括包格式转换和地址转换等。24一个无连接的网络互连25级联虚电路与无连接网络互连的比较级联虚电路的优点路由器预留缓冲区等资源，保证服务质量；包按序号传输；短包头。级联虚电路的缺点路由器需要大量内存，存储虚电路信息；一旦发生拥塞，没有其它路由；健壮性差；如果网络中有一个不可靠的数据报子网，级连虚电路很难实现。26无连接网络互连的优点能够容忍拥塞，并能适应拥塞；健壮性好；可用于多种网络互连。无连接网络互连的缺点长包头；包不能保证按序号到达；不能保证服务质量。27隧道技术（Tunneling）源和目的主机所在网络类型相同，连接它们的是一个不同类型的网络，这种情况下可以采用

15、隧道技术。28分组从巴黎经隧道发往伦敦29工作过程工作过程（以上图为例）主机1发送一个包，目的IP地址 = 主机2-IP，将包封装到局域网帧中，帧目的地址 = 路由器1-MAC；局域网传输；路由器1剥掉局域网帧头、帧尾，将得到的IP包封装到广域网包中，包目的地址 = 路由器2地址；广域网传输；路由器2剥掉广域网包头，将得到的IP包封装到局域网帧中，帧目的地址 = 主机2-MAC地址；局域网传输；主机2接收。30互联网路由工作过程互联网络的路由与单独子网的路由过程相似，只是复杂性增加；两级路由算法内部网关协议（IGP: Interior Gateway Protocol）RIP，OSPF外部网关

16、协议（EGP: Exterior Gateway Protocol）BGP自治系统AS（Autonomous System）31（a）一个互联网 （b）一个互联网的图形32分段（Fragmentation）每种网络都对最大包长有限制，有以下原因硬件，例如 TDM 的时槽限制；操作系统；协议，例如包长度域的比特个数；与标准的兼容性；希望减少传输出错的概率；希望避免一个包占用信道时间过长。大包经过小包网络时，网关要将大包分成若干段（fragment），每段作为独立的包传输。33段重组策略段重组策略（1）分段重组过程对其它网络透明网关将大包分段后，每段都要经过同一出口网关，并在那里重组；下图(a)例

17、，ATM网络；带来的问题出口网关需要知道何时所有分组都到齐；所有分组必须从同一出口网关离开；大包经过一系列小包网络时，需要反复地分段重组，开销大。34（a）透明分段 （b）不透明分段35网络互联（11）（2）分段重组过程对其它网络不透明中间网关不做重组，而由目的主机做；上图(b)带来的问题对主机要求高，能够重组；每个段都要有一个包头，网络开销增大；36标记段标记段树型标记法例，包0分成三段，分别标记为0.0, 0.1, 0.2，段0.0构成的包被分成三段，分别标记为0.0.0, 0.0.1, 0.0.2；存在的问题段标记域要足够长分段长度前后要一致偏移量法定义一个基本段长度，使得基本段能够通过所有网络；包分段时，除最后一个段小于等于基本段长度外，所有段长度都等于基本段长度；一个包可以包括几个段，包头中包括；原始包序号，包中第一个基本段的偏移量，最后段指示位；下图37 基本数据长度为1字节时的分段（a