第3讲网络层与ip协议的相关概念网络层1
网络层-1分组交换 网络层提供的两种服务 IP协议与网络互连 硬件地址与地址解析协议ARP IP数据报的格式Date1计算机网络_网络层1分组交换(1.3.2)n教材P11-P15n因特网的核心部分(路由器)采用分组交换 的方式传输数据n它与传统的电路交换(电话网使用)和报文 交换(收发电报)是有区别的。Date2计算机网络_网络层11. 电路交换的主要特点n两部电话机只需要用一对电线就能够互 相连接起来。 Date3计算机网络_网络层1更多的电话机互相连通n5 部电话机两两相连，需 10 对电线。nN 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2 对电线。n当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线 对的数量与电话机数的平方成正比。 Date4计算机网络_网络层1使用交换机n当电话机的数量增多时，就要使用交换 机来完成全网的交换任务。 交换机Date5计算机网络_网络层1电路交换的特点n电路交换必定是面向连接的n连接：可理解为拨通电话n电路交换的三个阶段：n建立连接n通信n释放连接Date6计算机网络_网络层1电路交换举例nA 和 B 通话经过四个交换机n通话在 A 到 B 的连接上进行 交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCADate7计算机网络_网络层1电路交换举例nC 和 D 通话只经过一个本地交换机n通话在 C 到 D 的连接上进行 交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCADate8计算机网络_网络层1电路交换传送计算机数据效率低n计算机数据具有突发性。n而一旦建立，连接是一直占用的。n这导致通信线路的利用率很低。Date9计算机网络_网络层1报文2. 分组交换的主要特点 n在发送端，先把较长的报文划分成较短 的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长 不便于传输Date10计算机网络_网络层1数 据数 据数 据报文添加首部构成分组n每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”Date11计算机网络_网络层1分组交换的传输单元n分组交换网以“分组”作为数据传输单元。n依次把各分组发送到接收端（假定接收 端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3Date12计算机网络_网络层1分组首部的重要性n每一个分组的首部都含有地址等控制信 息。n分组交换网中的结点交换机根据收到分 组首部中的地址信息，把分组转发到下 一个结点交换机。n用这样的存储转发方式，最后分组就能 到达最终目的地。Date13计算机网络_网络层1收到分组后剥去首部n接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据Date14计算机网络_网络层1数 据数 据数 据最后还原成原来的报文n最后，在接收端把收到的数据恢复成为 原来的报文。n这里我们假定分组在传输过程中没有出 现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010Date15计算机网络_网络层1分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器主机Date16计算机网络_网络层1路由器n路由器处理分组的过程是：n把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；n查找转发表(又称路由表)，找出到某个目的 地址应从哪个端口转发；n把分组送到适当的端口转发出去。 Date17计算机网络_网络层1分组交换的特点及问题n分组交换的特点n不需要事先建立连接n每个分组独立选择转发路径n分组交换的问题n分组在各结点存储转发时可能需要排队，这 会造成一定的时延。 n分组必须携带的首部（里面有必不可少的控 制信息）也造成了一定的开销。 Date18计算机网络_网络层1更早的存储转发：报文交换n在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了 基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 n与分组转发的主要区别n以报文为转发单元，一般报文比较长Date19计算机网络_网络层1三种交换的比较 P1 P2 P3 P4P1 P2 P3 P4P3 P4报 文报 文报 文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送 的特点比特流直达终点报文报文报文存储 转发存储 转发分组 分组 分组存储 转发存储 转发发送报文和存储转发的延时都比较长发送时延处理时延传播时延Date20计算机网络_网络层1三种交换的时延n电路交换n连接建立时延 + 发送时延 + 传播时延n报文交换n处理时延 + 发送时延 + 传播时延 n分组转发n第1个分组与报文交换同n之后的分组只加计首段链路的处理时延和发送时延(各条链路累加)(各条链路累加)(存储转发)Date21计算机网络_网络层1特别习题n假设交换网具有下列参数：n 从源站到目的站的中继站数为N（即共经过N+1段 链路）； 每段链路的传输时延为D（s）； 需要 传送的文件长度为L（Byte）（不包括首部）； 线 路传输速率为B（bps）； 在电路交换时，电路的 建立时间为S（s）； 在分组交换时，每个分组的长 度（含分组的首部开销）为P（Byte）； 分组交换 时每个分组的首部开销，以及报文交换时的首部开销 均为H（Byte）； 结点交换机的处理（分组拆装等 ）时延忽略不计。设N=4，D=0.001，L=980000， B=10M，S=0.2s，P=1000，H=20n计算电路交换、报文交换和分组交换的端到端时延。 Date22计算机网络_网络层1习题分析n处理时延、排队时延n忽略不计n发送时延、传播时延把各条链路的总时延累加 注：电路交换得算上连接建立的时间Date23计算机网络_网络层1网络层-1分组交换 网络层提供的两种服务 IP协议与网络互连 硬件地址与地址解析协议ARP IP数据报的格式Date24计算机网络_网络层14.1 网络层提供的两种服务 n虚电路服务和数据报服务n在计算机网络领域，网络层应该向运输 层提供怎样的服务（“面向连接”还是“无 连接”）曾引起了长期的争论。n争论焦点的实质就是：在计算机通信中 ，可靠交付应当由谁来负责？是网络还 是端系统？ Date25计算机网络_网络层1电信网的成功经验 让网络负责可靠交付 n面向连接的通信方式，据此计算机网络应n建立虚电路(Virtual Circuit)，以保证双方通信 所需的一切网络资源。 n再使用可靠传输的网络协议，就可使所发送 的分组无差错按序到达终点。 Date26计算机网络_网络层1应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层虚电路服务H1 H2虚电路H1 发送给 H2 的所有分组都沿着同一条虚电路传送即虚拟的电路交换Date27计算机网络_网络层1虚电路是逻辑连接n虚电路表示这只是一条逻辑上的连接， 分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发 方式传送，并未建立物理连接。n只有传输分组时才占用资源n分组首部不需要地址，只需虚电路号n请注意，电路交换的电话通信是先建立 了一条真正的连接。因此分组交换的虚 连接和电路交换的连接只是类似，但并 不完全一样。 Date28计算机网络_网络层1因特网采用的设计思路n网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽 最大努力交付的数据报服务。n网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个 分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的 分组无关（不进行编号）。n网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分 组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达 终点），当然也不保证分组传送的时限。 Date29计算机网络_网络层1尽最大努力交付的好处n路由器制作简单，价格低廉n可由主机中的运输层负责可靠传输（包括 差错处理、流量控制等）。n网络的造价大大降低，运行方式灵活，能 够适应多种应用。n网络发展之初带宽贫乏，由网络层负责可靠传 输，意味着所有应用都要担负可靠传输的代价Date30计算机网络_网络层1应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层数据报服务H1 H2IP 数据报丢失H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送Date31计算机网络_网络层1虚电路服务与数据报服务的对比对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来 保证 连接的建立必须有不需要 终点地址仅在连接建立阶段使用，每 个分组使用短的虚电路号每个分组都有终点的完整地 址 分组的转发属于同一条虚电路的分组均 按照同一路由进行转发每个分组独立选择 路由进行 转发 当结点出故障时所有通过出故障的结点的虚 电路均不能工作出故障的结点可能会丢失分 组，一些路由可能会发生变 化 分组的顺序总是按发送顺序到达终点到达终点时不一定按发送顺 序 端到端的差错处 理和流量控制可以由网络负责 ，也可以由 用户主机负责由用户主机负责类似电路交换与分组交换的对比Date32计算机网络_网络层1网络层-1分组交换 网络层提供的两种服务 IP协议与网络互连 硬件地址与地址解析协议ARP IP数据报的格式Date33计算机网络_网络层14.2 网际协议IP n网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。 在网络层与 IP 协议配套使用的还有四个协议：n地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol)n逆地址解析协议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)n网际控制报文协议 ICMP(Internet Control Message Protocol)n网际组管理协议 IGMP(Internet Group Management Protocol)Date34计算机网络_网络层1网际层的 IP 协议及配套协议各种应用层协议网络接口层(HTTP, FTP, SMTP 等)物理硬件运输层TCP, UDP应用层ICMP IPRARPARP与各种网络接口网络层 （网际层）IGMPDate35计算机网络_网络层1n互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题需要 解决，如：n不同的寻址方案n不同的最大分组长度n不同的网络接入机制n不同的超时控制n不同的差错恢复方法n不同的状态报告方法n不同的路由选择技术n不同的用户接入控制n不同的服务（面向连接服务和无连接服务）n不同的管理与控制方式 4.2.1 虚拟互连网络 Date36计算机网络_网络层1n中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。n物理层中继系统：转发器(repeater)。n数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。n网络层中继系统：路由器(router)。n网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。n网络层以上的中继系统：网关(gateway)。 网络互相连接起来 要使用一些中间设备 Date37计算机网络_网络层1n当中继系统是转发器或网桥时，一般并不 称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网 络扩大了，而这仍然是一个网络。 n网关由于比较复杂，目前使用得较少。n互联网都是指用路由器进行互连的网络。网络互连使用路由器 Date38计算机网络_网络层1互连网络与虚拟互连网络 网络网络网络网络网络(a) 互连网络(b) 虚拟互连网络路由器虚拟互连网络 （互联网）ATMX.25帧中继广域网使用不同的链路层和物理层下层像是使用同一种技术IP协议要达到的目
