计算机网络chapter5.ppt

网络层第五章15.1 网络层设计要点•存储-转发分组交换•向传输层提供的服务•无连接服务的实现•面向连接服务的实现•虚电路子网和数据报子网的比较2存储-转发分组交换网络层协议的环境fig 5-13向传输层提供的服务网络层服务的目标是：a)服务应与通信子网技术无关；b)通信子网的数量、类型和拓补结构对于传输层是隐蔽的；c)传输层所能获得的网络地址应采用统一的编号方式，即使跨越多个LAN和MAN 4无连接服务的实现l数据报数据报：不预先选择路由，发出的每个分组所选择的路由都独立于其前面发出的分组，这种方式容易处理传送失败和拥塞 路由器不必用表登记每条打开的虚电路，只需要指明每一条可能的目的路由器的外出线路5无连接服务的实现（2）数据报子网的路由6面向连接服务的实现l虚电路虚电路：建立连接后，所有分组都必须沿这个路线传送，传送完毕后，释放连接 也就是说，从源端机器到目的端机器的路由作为连接建立的一部分加以保存，此路由也用于传送连接上的所有数据这与系统的工作原理一样 每个路由器必须记住应当把分组发往当前打开的传输要经过的那条虚电路，每个路由器必须保持一张表，每个打开的虚电路占一项； 每个分组头除了序号、校验和等之外，必须包含一个虚电路号；分组到达时，路由器就知道该分组从哪条线路来的及其虚电路号，从而传到正确的路由器。

7面向连接服务的实现（2）虚电路子网内的路由8虚电路子网和数据报子网的比较5-495.2 路由算法•优化原则•最短路径路由•扩散法•距离矢量路由•链路状态路由•分级路由•广播路由•多播路由•移动主机的路由10路由算法l路由算法应满足的条件：路由算法应满足的条件：正确性、简单性、健壮性（能妥善处理拓补结构和通信量的变化，而不会使所有主机中的作业都终止，也不必每当某些路由器崩溃时，都要重新启动该网络）、稳定性（有的路由选择算法不管运行了多长时间，都不可能趋于稳定）、公平性和最优性（常常相互矛盾）11路由算法（2）公平性和最优性之间的冲突12优化原则(a) 一个子网 (b) 路由器B的汇集树13最短路径路由计算从 A 到D的最短路径的前5步，图中箭头表示的是工作节点14扩散法l每个进来的分组被发送到除了它进来的那条路线之外的每条输出线路上l必须抑制扩散，如采用跳数计数器，使用序列号l选择性扩散：只输出到大概方向正确的线路上15距离矢量路由l让每个路由器维护一张表，表中给出了到每个目的地已知的最佳距离和路线，通过与相邻路由器交换信息来更新表的信息。

1)每个路由器维持有一张子网中每一个以其他路由器为索引的路由选择表，表中的每个项目对应于子网中的每个路由器表项包括：希望使用的到目的地的输出线路和估计到达目的地所需的时间或距离 2)假定用延迟来作为度量标准，且路由器知道其相邻路由器的延迟每T ms路由器将它估计的到各目的地的延迟清单送给各个相邻节点，它也从相邻节点收到一份类似的清单l即仅与相邻路由器交换路由表，按固定的时间间隔 l缺点：坏消息传得慢，网络出现故障很难更新；存在无穷计算问题16距离矢量路由（2）a)一个子网 (b) 从 A, I, H, K的输入，以及J的新路由表17距离矢量路由（3）无穷计算问题18链路状态路由l每个路由器必须： 1、发现它的邻居节点，并知道其网络地址； 2、测量它到各邻居节点的延迟或开销； 3、组装一个分组以告之它刚知道的所有信息； 4、将这个分组发送给所有其他路由器； 5、计算到每个其他路由器的最短路径l 这样，完整的拓补结构和所有的延迟都已被测量并发布到各个路由器中，随后，各个路由器可以用Dijkstra算法来找出最短路径。

19发现邻居节点l当一个路由器启动后，要通过每条点到点线路发送特殊的hello分组，在另一端的路由器应发回一个应答来说明它是谁，这个名字必须全局唯一这样，该路由器就知道了它的邻居都是谁20发现邻居节点（2）(a) 3个路由器和一个 LAN (b) (a)的一个图形模型21测量线路开销a)需要每个路由器知道它到邻居节点的延迟：发送一个需要对方立即响应的特殊分组ECHO，测量一个来回时间除以2，可以得到一个可靠的延迟估计值b)测量延迟时间是否要考虑排队延迟，即是否从echo分组进入队列开始计时：相同带宽时，不繁忙的路径应为最短路径，但这种做法也会引发问题 .22测量线路开销（2）通过两条线路将东西两部分连接起来的一个子网23创建链路状态分组l以发送者的标志符开头，紧跟着是顺序号和年龄，和一个邻居节点列表对每个邻居节点，都给出了他们的延迟 l创建时间：定期创建或当出现重大事件时再创建（线路或邻居节点的增删）24创建链路状态分组（2）(a) 一个子网 (b) 该子网的链路状态分组25发布链路状态分组l基本思想：利用扩散来发布分组。

为控制扩散，每个分组包含一个顺序号，该序号每次发送新分组时加1路由器记下它所见过的所有信息对（源路由器、顺序号）当一个新分组到达时，它先查看一下是否收到过如果是新的，向除进入线路外的所有线路发布；如果重复则丢弃；如果顺序号比以前到达的最大的顺序号还小，则被认为已经过时而拒绝l使用32位序号，保证不会发生冲突l路由器崩溃则序号从0开始，会被当作重复分组；序号传送会出错，解决方法：加入年龄字段，每秒钟减1年龄为0时，来自于那个路由器的信息就被丢弃26发布链路状态分组（2）路由器B 的分组缓冲区 (图 5-13)27分级路由l随着网络的增大，路由器路由选择表也会成比例的增大，在某一时刻，网络可能会增大到不可能让每个路由器都给出到其它每个路由器的路径表项因此不得不进行分级路由选择l将路由器划分为区域，每个路由器知道区域内怎样选择路由，但并不知道其它区域的内部结构l巨型网络要划分为多级：如簇、区、组等N个路由器的子网最优级数为ln N，其中每个路由器需要的表项总数为eln N 28分级路由（2）分级路由29广播路由l单独发送给每个目标；l扩散；l多目标路由；l使用汇集树；l逆向路径转发；30广播路由（2）逆向路径转发 (a) 一个子网 (b) 汇集树 (c) 逆向路径转发算法建立起来的树31多播路由 (a) 一个网络 (b) 最左边路由器的生成树 (c) 针对组1的多播树 (d) 针对组2的多播树 325.3 拥塞控制•拥塞控制的通用原则•拥塞预防策略•虚电路子网中的拥塞控制•数据报子网中的拥塞控制•负载丢弃•抖动控制33拥塞 当流量太大时，拥塞就会发生，性能急剧降低34拥塞控制的通用原则a)监视系统–检测到何时何地发生了拥塞。

b)将该信息传递到能够采取行动的地方c)调整系统的运行，以改正问题35拥塞预防策略影响拥塞的策略5-2636虚电路子网中的拥塞控制l准入控制：一旦出现拥塞的信号，则不再创建任何虚电路l允许建立虚电路，但谨慎的选择路由，使所有新的虚电路都绕开有问题的区域l资源预留：在建立虚电路的时候，在主机和子网之间进行协商以达成一致的约定，通常规定了流量的容量和形状，所要求的服务质量和其他的参数37虚电路子网中的拥塞控制（2）(a) 一个拥塞子网 (b) 消除了拥塞之后的子网，同时还显示了从 A 到 B 的一条虚电路38数据报子网中的拥塞控制l警告位：在分组的头设置一个特殊的位来警告状态，目标端将此位复制到下一个确认分组中，送回源主机l抑制分组：给源主机回送一个抑制分组，源主机收到后，发给指定目标的流量必须减少X百分比l逐跳抑制分组：让抑制分组影响到沿途的每一跳，会在上游路径消耗更多的缓冲区空间39逐跳抑制分组(a) 一个只影响源主机的抑制分组(b) 一个影响到沿途每一跳的抑制分组40负载丢弃l葡萄酒策略l牛奶策略l标明优先级，并以费用的形式体现l随机的早期检测：路由器维护其队列最近的平均长度值。

当某一条线路上的队列平均长度超过一定阈值的时候，该线路被认定是拥塞的，从而随机的选取分组，丢弃41抖动控制(a) 高抖动 (b) 低抖动42抖动控制l通过计算出沿途每一跳的期望传输时间，就可以对抖动加以控制如果一个分组提前到达，那么它尽可能多停留一段时间；如果比预定到达的晚，则尽快转发l某些应用中，可以先将分组缓存起来435.4 服务质量•需求•获得好的服务质量所使用的技术•综合服务•区分服务•标签交换和 MPLS44需求服务质量需求的严格程度5-3045获得好的服务质量所使用的技术l过度提供资源l缓冲能力：在接收方，数据流在被递交之前先缓存起来，可以消除抖动l流量整形：当服务器同时处理多个流的时候，输出可能很不规律流量整形技术能使主机以均衡的速率发送数据当一个连接被建立时，用户和子网对于它们之间应该遵循什么样的流量模式达成了一致的协议，可以保证实时数据的传输质量l漏桶算法：在每个主机连接到网络的接口上都包含一个漏桶，即一个有限长度的内部队列如果当该队列满的时候，又有一个分组到来，那么该分组将被丢弃46缓冲通过缓存分组的办法来平滑输出流47漏桶算法(a) 一个盛水的漏桶 (b) 一个装分组的漏桶48漏桶算法(a) 进入到漏桶的输入数据； (b) 漏桶的输出；(c) - (e) 当容量分别是250 KB, 500 KB, 750 KB时漏桶的输出；(f) 一个500KB 的令牌桶接一个10Mbps漏桶的输出；49令牌桶算法(a) 之前 (b) 之后5-3450资源预留1）带宽；2）缓冲区空间；3）CPU周期。

51准入控制流规范例子5-3452比例路由l将到达每个目标节点的流量分散到多条路径上l由于路由器通常不可能完全了解全网络范围内的流量情况，所以，将流量分散到多条路径上的唯一可行做法是使用本地可用的局部信息l一种简单的方法是将流量平均分配到输出链路上，或者根据这些链路的容量按比例进行分配53分组调度(a) 在路由器 O 的线路上有5个分组在排队； (b) 5个分组的结束时刻54RSVP-资源预留协议(a) 一个网络； (b) 主机1的多播生成树； (c) 主机2的多播生成树55RSVP-资源预留协议(2)(a) 主机3请求一条通向主机1的信道； (b) 然后主机3请求另一条通向主机2的信道； (c) 主机5请求一条通向主机1的信道56快速型转发快速类别的分组经过一个网络57确保型转发确保型转发数据流的一种可能的实现58标签交换和 MPLS利用 IP、MPLS和 PPP传送一个TCP分组595.5 网络互连•网络的不同之处•网络如何连接起来•连锁虚电路•无连接的网络互连•隧道技术•互连网路由•分段60网络互连一组相互连接的网络61网络的不同之处网络的某些不同之处5-4362网络如何互连(a) 通过交换机连接起来的两个以太网络； (b) 通过路由器连接63连锁虚电路使用连锁虚电路实现网络互连64无连接的网络互连无连接的互连65隧道技术从巴黎到伦敦以隧道方式传递一个分组66隧道技术(2)利用隧道将一辆汽车从法国运到英国67互连网路由(a) 一个互连网络 (b) 互连网络的图表示68分段(a) 透明分段 (b) 不透明分段69分段 (2)当基本数据长度为一个字节时的分段情况(a) 原始分组，包含10个数据字节；(b) 当通过一个最大分组长度为“8个净荷字节+头部”的网络之后的分段；(c) 当通过一个最大分组长度为5的网关之后的分段705.6 Internet上的网络层•IP 协议•IP 地址•Internet 控制协议•OSPF – 内部网关路由协议•BGP – 边界网关协议•Internet 多播•移动IP•IPv671Internet的设计原则a)保证它能够工作；b)尽可能使它简单；c)作出明确的选择；d)尽可能做到模块化；e)期望具备异构性；f)避免使用固定不变的选择和参数；g)寻找一个好的设计，它不必是最完美的；h)对于发送操作一定要严格，而对接受要有一定的容忍度；i)要考虑伸缩性；j)要考虑性能和代价。

72子网的集合Internet 是由许多网络相互连接之后构成的集合73IP 协议IPv4 (Internet 协议) 头部74IP 协议 (2)一些 IP 选项5-5475IP 地址IP 地址格式76IP 地址(2)特殊的 IP 地址77子网一个典型的校园网络，各系有自己的 LAN78子网 (2)一个B 类网络被分成64个子网79CIDR – 无类别域间路由IP 地址的分配示例5-5980NAT – 网络地址转换NAT 盒的位置和操作过程81Internet 控制消息协议主要的 ICMP 消息类型5-6182ARP– 地址解析协议3个相互连接的 /24网络: 两个以太网和一个FDDI 环83动态主机配置协议DHCP的操作过程84OSPF – 内部网关路由协议(a) 一个自治系统 (b) 对应(a)的一种图表示85OSPF (2)在OSPF中，AS、骨干和区域之间的关系86OSPF (3)5种 OSPF 消息5-6687BGP – 外部网关路由协议(a) 一组 BGP 路由器 (b) 发送给 F 的路由信息88IPv6 主头部IPv6 固定头部 (必须的)89扩展头部IPv6 扩展头部5-6990扩展头部 (2)对于超大数据报 (jumbograms)的逐跳扩展头91扩展头部 (3)路由扩展头92。