计算机网络(第 5 版)第四章 网络层

路由选择和转发(Routing and Forwarding)
通过网络连接在主机之间提供分组交换功能 分组的分段与成块，差错控制、顺序化、流量控制
4.1 网络层提供的两种服务


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。 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？
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
主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组， 要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意 通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。 提供虚电路服务的特点
H2 H4 D
H1 要和 H5 通信 虚电路
H1 A
B
H1 向 H5 发送的 所有分组都沿此 虚电路传送。
4.3 划分子网和构造超网 4.3.1 划分子网 4.3.2 使用子网时分组转发 4.3.3 无分类编址 CIDR（构造超网） 4.4 网际控制报文协议 ICMP 4.4.1 ICMP 报文的种类 4.4.2 ICMP 的应用举例 4.5 因特网的路由选择协议 4.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念 4.5.2 内部网关协议 RIP 4.5.3 内部网关协议 OSPF 4.5.4 外部网关协议 BGP
H6 E
H5 C H3 分组交换网
同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。
提供虚电路服务的特点
H2 D H4
B
H6 H1 E A H5 C H3 分组交换网
在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在 两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。 所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照 提供虚电路服务的特点 先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。


分组发送前建立虚连接（VC：Virtual Circuit），即 在源和目的主机之间的每个交换机上建立“连接状态” 分组只需携带链路范围有效的VCI（虚电路标识符）
交换机1
输入接口 0
输入VCI 3 输入VCI 5 输入VCI 7
H
输出端口 4 输出端口 2 输出端口 4
输出VCI 5 输出VCI 7 输出VCI 4
网络为每个分组单独选路，路径可能不同 分组达到顺序可能与发出顺序不同

分组中需要携带完整的目的地址
两种服务的思路来源不同

虚电路服务的思路来源于传统的电信网。

电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此 电信网的结点交换机复杂而昂贵。

数据报服务力求使网络生存性好和使对网 络的控制功能分散，因而只能要求网络提 供尽最大努力的服务。
H2 D H4
B
H6 H1 E A H5 C H3 分组交换网
到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致， 因此网络提供虚电路服务对通信的 服务质量 QoS (Quality of Service)有较好的保证。 提供虚电路服务的特点
H2 D H4
B
H6 H1 E A H5 C H3 分组交换网
虚电路交换的特点



（四） IPv6 1. IPv6 的主要特点 2. IPv6 地址 （五） 路由协议 1. 自治系统 2. 域内路由与域间路由 3. RIP 路由协议 4. OSPF 路由协议 5. BGP 路由协议 （六） IP 组播 1. 组播的概念 2. IP 组播地址 3. 组播路由算法
第 4 章 网络层
电信网的成功经验 让网络负责可靠交付



面向连接的通信方式 建立虚电路(Virtual Circuit)，以保证双方 通信所需的一切网络资源。 如果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。
虚电路服务
应用层 H1 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
第 4 章 网络层（续）
4.5.6 路由器的构成 4.6 IP 多播 4.6.1 IP 多播的基本概念 4.6.2 在局域网上进行硬件多播 4.6.2 因特网组管理协议 IGMP 和多播路由选 择协议 4.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT 4.7.1 虚拟专用网 VPN 4.7.2 网络地址转换 NAT
转发表
目的地址 A、B、C H D、E、E 端口 1 0 2
H
0
A
0 1 2
Si
1
Si
2 0 4
Si
D
4
分组交换网
3 0
Si
1
3 2
1
B
E
C
F
数据报交换的特点


无连接性：主机不需要建立连接就可以 发送分组，每个分组的转发根据其携带 的全局地址进行，并且独立于前面的分 组 健壮性：如果存在可替代路径则可以绕 开故障交换机或者链路
4.1 网络层提供的两种服务 4.2 网际协议 IP 4.2.1 虚拟互连网络 4.2.2 分类的 IP 地址 4.2.3 IP 地址与硬件地址 4.2.4 地址解析协议 ARP 与逆地址解析协议 RARP 4.2.5 IP 数据报的格式 4.2.6 IP 层转发分组的流程
第 4 章 网络层（续）
网络层的两种操作方式：

虚电路服务(virtual circuit)

在传送数据之前，首先通过虚呼叫建立一条虚电路
所有分组沿同一条路径传送，并且按发出顺序到达 类似电路交换
建立连接之后，分组中只需要携带连接标识
可以在建立连接时协商参数、开销等

数据报(datagram)

每个分组单独传送
大纲要求

（四） IPv6 1. IPv6 的主要特点 2. IPv6 地址 （五） 路由协议 1. 自治系统 2. 域内路由与域间路由 3. RIP 路由协议 4. OSPF 路由协议 5. BGP 路由协议 （六） IP 组播 1. 组播的概念 2. IP 组播地址 3. 组播路由算法
考研大纲要求
数据报服务
应用层 H1 运输层 网络层 数据链路层 物理层 IP 数据报 H2 应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层
丢失
H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送
数据报交换


分组中携带完整的目的地址 交换机根据转发表（forwarding table）或者称 为路由表（routing table）来转发分组
交换机2
输入端口 1
交换机4
输入端口 0
0
交换机2
2
Si
A
0 1 2
Si
1 4
D
0 4
Si
分组交换网
3
1
3 2
B
交换机1
0
Si
1
交换机4
E
交换机3
C
F
虚电路建立与分组转发
建立连接：



源结点发送一个连接建立分组，分组中携带完整的 源地址和目的地址，以及源结点与源路由器之间线 路上的一个虚电路号； 每个中间结点根据目的地址查找路由表，选择一条 合适的输出线路，在输出线路上选择一个当前未用 的虚电路号，替换分组头中的虚电路号，并在结点 的虚电路表中记录下这条连接（输入线路，输入虚 电路号，输出线路，输出虚电路号），然后从输出 线路上转发分组； 该过程不断重复直至到达目的结点，目的结点发送 一个连接确认分组，分组沿相反路径返回源结点， 全双工的虚电路就建立起来了；
释放连接：

因特网采用的设计思路

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ


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。 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）。 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。
计算机网络（第 5 版）
第 4 章 网络层
课件制作人：谢希仁
大纲要求


（一） 网络层的功能 1. 异构网络互联 2. 路由与转发 3. 拥塞控制 （二） 路由算法 1. 静态路由与动态路由 2. 距离-向量路由算法 3. 链路状态路由算法 4. 层次路由 （三） IPv4 1. IPv4 分组 2. IPv4 地址与 NAT 3. 子网划分与子网掩码、CIDR 4. ARP 协议、DHCP 协议与 ICMP 协议


连接性：主机建立虚连接以后才能发送 分组，分组携带链路范围内有效的VCI沿 同一虚电路转发 服务质量保证：在建立连接阶段为每条 虚电路分配足够的资源，以保证带宽、 延时等需求
虚电路是逻辑连接


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，而并不是真正建立了一条物 理连接。 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。
数据报服务和虚电路服务 都各有一些优缺点


网络上传送的报文长度，在很多情况下 都很短。 用数据报既迅速又经济。 若用虚电路，为了传送一个分组而建立 虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络 资源了。
数据报服务和虚电路服务 都各有一些优缺点



在使用数据报时，每个分组必须携带完 整的地址信息。 在使用虚电路的情况下，每个分组不需 要携带完整的目的地址，而仅需要有个 很简单的虚电路号码的标志。 这就使分组的控制信息部分的比特数减 少，因而减少了额外开销。


（一） 网络层的功能 1. 异构网络互联 2. 路由与转发 3. 拥塞控制 （二） 路由算法 1. 静态路由与动态路由 2. 距离-向量路由算法 3. 链路状态路由算法 4. 层次路由 （三） IPv4 1. IPv4 分组 2. IPv4 地址与 NAT 3. 子网划分与子网掩码、CIDR 4. ARP 协议、DHCP 协议与 ICMP 协议