计算机科学与技术-计算机网络原理-重点分析

学习I标

1、理解网络层服务模型以及转发与路由的概念

2、理解网络互连、异构网络的概念

3、掌握实现网络互连的设备路由器的基本结构

4、理解网络拥塞控制

5、掌握典型的路由算法以及典型的路由选择协议

网络层

一、网络层服务：

网络层介于传输层与数据链路层之间，传输层提供端到

端的进程间通信服务，数据链路层的功能则是实现物理链路

直接相连的两个结点之间的数据帧传输服务，而网络层关注

的是如何将承载传输层报文段的网络层数据报从源主机送达

目的主机。

二、网络层的功能

1、路由转发

2、路由选择、'

osi参考模型

发送进程

应用层协议

应用层应用层

表示层协议

表示展表示层

会活必协议

会话展会话层

传输层协议

传输以传输以

网络房网络层网络层网络层网络层

数据链数据链数据性数据链数据链

路层路层路层路层路层

物理所物理必物理公物理房物理必

物理介质物理介质

路由器路由器路由器

主机A主机B

通信子网

TCP/IP参考模型

,<<-

两者对比

TCP/IP豺模型TCP/IP机源

物理层

路由转发与路由选择

一、转发含义：

当通过一条输入链路接收到一个分组后，路由器需要

决策通过哪条输出链路将分组转发出去，并将分组从输入

端口转移到输出接口（如图所示）

0

路由转发与路由选择

二、路由选择含义：

当分组从源主机流向目的主机时，必须通过某种方式

决定分组经过的路由或路径，计算分组所经过的路径算法

被称为路由选择算法（如图）

叁电善2

0

网络互连与网络互连设备

一、异构网络互连

异构网络主要是指两个网络的通信技术和运行协议不同。

实现异构网络互连的基本政策主要包括协议转换和构建虚

拟互联网络。

1、协议转换主要依靠网络设备（网桥、交换机、路由器）

2、虚拟互联网络：IP网络，即：Internet

网络互连与网络互连设备

Internet是利用IP网络实现的全球最大的互连网络,

是典型的网络层实现的网络互连。Internet采用同构的网

络层协议-IP与网络寻址，即：IP地址,引入网络互连设备

-IP路由器。

除了异构网络互连，还有同构网络互连问题，如两个

异地以太网的互连，实现这类同构网络互连的典型技术是

隧道技术。

网络互连与网络互连设备

多个异构网络之间的互连分析:

以太网

PC-PT

日鞋机

如图所不：

假设源主机连接在820.11网络中，目的主机连接在以太网

上，这两个网络就组成了一个异构网络，同时这两个网络

之间还存在着运行多协议标记交换网络（MPLS）

网络互连与网络互连设备

1、源主机的传输层报文段被封装在IP数据报中，在数据

报中封装了目的主机的IP地址，然后数据报被封装进

802.11帧中，并发送到第一个路由器R1。

2、当R1接收到帧时，路由器将数据报从802.11帧中提取

出来，根据数据报中的IP地址信息查询其转发表，并将该

X

数据报通过某条链路发送出去，即发给R2。

网络互连与网络互连设备

3、当R2接收到MPLS帧时，对其中的数据报进行提取,

进行在R1发生的相似过程，下一跳便是目的主机，完成数

据传输。

4、在以太网链路上,由于受到MTU（最大传输单元）限

制，导致数据报无法一次性发送完毕，于是需要对数据报

进行分片，对每个分片根据原数据报设置IP首部，将其封

装进以太网帧并发送至目的主机。目的主机对接收到的分

片进行重组。整个过程数据报从源主机到目的主机经过了

3个异构网络。

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络互连与网络互连设备

二、网络互联设备

用来连接网络的设备多种多样，包括中继器、集线器、交

换机、网桥、路由器和网关等。而在网络层实现的是网络

互连的设备-路由器。

路由器与路由表

一、路由器：

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专

用计算机，主要任务是获取与维护路由信息以及转发分组。

路由器是最典型的网络层设备，工作于OSI的第三层，从

功能体系结构角度，可以分为：输入端口、交换结构、路

由处理器。

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输入端口

输入端口负责从物理接口接收信号，还原数据链路层

帧，提取IP数据报（其他网络层协议分组），根据IP数据

报的目的IP地址检索路由表，决策需要将该IP数据报交换

到哪个输出端口。

路由器输入端口接收与处理数据过程如图所示：

数据链路处理交换结构

X

交换结构

交换机构完成将输入端口的IP数据报交换到指定的输

出端口。主要包括以下3种交换结构：

1、基于内存交换

2、基于总线交换

3、基于网络交换

为

输出端口

输出端口提供一个缓存排队功能，排队交换到该端口

的待发送分组，并从队列中不断取出分组进行数据链路层

数据帧的封装，通过物理线路端接发送出去。（输出端口

处理数据过程如图）

交换机构N排也誉存'BS数据链路处理线路端接

0

路由处理器

路由处理器就是路由器的CPU,负责执行路由器的各种指

令，包括路由协议的运行、路由计算以及路由表的更新维护等。

通常在中低端路由器中，CPU负责交换路由信息、路由表

查找以及转发数据包。在高端路由器中，通常包转发和查表由

ASIC芯片完成,CPU只实现路由协议、计算路由以及分发路

由表。由于技术的发展，路由器中许多工作都可以由硬件实现

（专用芯片）。CPU性能并不完全反映路由器性能。路由器性

能由路由器吞吐量、时延和路由计算能力等指标体现。

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路由处理器

路由器处理器芯片除了通用处理器之外，其它的

嵌入式处理器、ASIC处理器、网络处理器都有它们发

展和用武之地。嵌入式处理器将更多地出现在低端的

路由器产品中，如家用、SOHO级宽带路由器、VPN

防火墙网关；ASIC处理器与网络处理器将更多地出现

在中端、高端的企业级、电信级的路由器及交换机中。

路由器与路由表

•路由器的功能层面

A控制层面：形成和维护全局路由表

，转发层面：使用全局路由表中的路由信息进行IP数据包转发

，控制层面与转发层面的接口:全局路由表

＞彩成和维护全局路由表

T全局路由表—

转发层面f使用全局路由表进行数据包转发

直连路由

-直接连到路由器接口的子网被称为直连子网，路由

器自动将它们的路由加入路由表，称为直连路由。

FO/OS°/016.4.252/24^^^,。八?

~WS8Pl72.16.4.251^4~~~

0so/1

PC1PC2

亿16.1.117.16.3.3

R1IP路由表

子网掩码外出接口下一跳

0172.16.1.0255.255.255.0F0/0N/A

C172.16.4.0255.255.255.0S0/0N/A

---------------<:

路由器与路由表

二、路由表

»又称全局路由表，存储在路由器的内存中，用于指示路由器如

何将IP数据包转发至正确目的地的信息表。

协议目标网段/掩码出接口下一跳

C192.168.1.0/30S0/0—

X

网络层拥塞控制

在分组交换网中，由于丛多的用户随机地将信息送入

网络，使网络中需要传输的信息总量大于其传输能力，以

至于某系网络结点（如路由器）因缓冲器区已满，无法接

收新到达的数据,此时就发生了所谓的拥塞现象。

拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资

源（链路带宽、存储空间、处理器处理能力等）的总需求

超过了网络固有的容量。

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网络层拥塞控制

网络拥塞可以用下图的曲线解释。

负我负载

吞吐威曲线延时曲线

网络层拥塞控制

解决网络拥塞可采用：拥塞控制、流量控制

拥塞控制：端系统或网络结点通过采取某些措施来避

免拥塞的发生，或者对已经发生的拥塞做出反应，以便尽

快消除拥塞。

流量控制：发送数据一方根据接收数据一方的接收数

据的能力，包括接收缓存、处理速度等。调整数据发送速

率和数据量。以避免接收方被数据淹没。

网络层拥塞控制

总体来说：拥塞控制是根据网络环境来调整数据发送

速率和数据量。目的就是使网络负载不超过网络的传送能

力。而流量控制主要是考虑接收端的数据接收和处理能力，

目的是使发送端的发送速率不超过接收端的接收能力。

举个例子：假设从A地向B地放行一列车队，如果为

了适应B停车场的停车能力,来调整A地车辆的放行速率，

这就是流量控制；如果为了避免A地到B地经过的路网不

出现塞车，可调整A地放行车辆的速率。

网络层拥塞控制

在分组交换网中，一个结点收到待转发分组后，先存

储在结点缓冲区，然后按照分组中的目的地址选择一条转

发路径，将该分组交换到所选的输出端口的输出队列中等

待发送。若一个结点剩余缓冲区空间不足，则无法接收分

组，只能丢弃。

一般来说。发送拥塞的原因有：

1、缓冲区容量有限

2、传输线路的带宽有限

3、网络结点的处理能力有限

4、网络中某部分发生了故障

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网络层拥塞控制

网络层常用的拥塞控制措施:

1、流量感知路由

2、准入控制

3、流量调节

4、负载脱落

网络层拥塞控制

1、流量感知路由

网络经常被抽象为一张带权无向图，网络设备（比如

路由器）抽象为图的结点，链路抽象为图的边，链路费用

抽象为边的权值。

网络层拥塞控制

2、准入控制

准入控制是一种广泛应用于虚电路网络的拥塞预防技

术。其基本的思想是对新建虚电路审核，如果新建虚电路会

导致网络拥塞，那么网络拒绝建立该虚电路。

准入控制实现的关键，在于建立一条新虚电路会导致

整个网络发生拥塞时，应该如何反应。所以就需要对网络中

的流量、拥塞情况进行量化。常用的方法有：基于平均流量、

瞬时流量来判断是否有能力接受新虚电路而不会发生的拥塞。

网络层拥塞控制

3、流量调节

在网络发生拥塞时候，可以通过调整发送方向网络发

送数据的速率来消除拥堵。当网络中结点（如路由器）感知

到当前网络发生拥塞时，可以通知上游网络结点（或端系统）

降低发送速率，从而逐渐消除拥塞。

网络层拥塞控制

4、负载脱落

负载脱落是通过有选择地主动丢弃一些数据报，来减

轻网络负载，从而缓解或消除拥塞。当路由器中的数据报得

不到及时处理，可能面临被丢弃的危险，路由器就主动将该

数据报丢弃。