第6章-路由选择与网络拥塞控制
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第六章 路由选择 与网络拥塞控制
本章掌握重点：
网络层的主要功能和提供的服务； 路由选择和流量控制思想；
2014-12-02
1
6.1 概述
ISO 定义
网络层为一个网络连接的两个传输层实体间交换 网络服务数据单元提供功能和规程的方法，它使 传输层实体看不到下面资源的使用情况。
网络层是处理端到端传输的最低层。 网络层要解决的关键问题:
传送失败概率
连接恢复力 拆连时延 拆连失败概率 连接保护能力 连接优先权 最大开销
2014-12-02
传送失败数占传送尝试总数的比例
在网络连接过程中，服务提供者激活释放和复位的概率 从发起连接拆除请求至成功释放所需要的时间 未成功拆除连接次数与尝试次数之比 网络服务提供者试图防止对用户数据的未授权操作的程度 考虑网络连接及其数据的相对重要性 网络服务的开销范围
N_Request 时间 N_Indication N_Response
N_Confirm
OSI网络层服务原语的使用示例
2014-12-02 7
阶段
服务
原语 N_Connect.Request N_Connect.Indication N_Connect.Response N_Connect.Confirm N_Data.Request N_Data.Indication N_Reset.Request N_Reset.Indication N_Reset.Response N_Reset.Confirm 可选服务 接收确认 原语 N_DataAcknowledge.Request N_DataAcknowledge.Indication N_ExpeditedData.Request N_ExpeditedData.Indication
在传输层 面向连接和无连接服务
2014-12-02
网络层概述
虚电路（virtual circuit）
在发送第一个数据包之前要进行连接的建立,一般等待 时间为RTT. 连接请求包含完整的目的地地址,但每个数据包只携带 很小的VC标识,因此每个包的开销很小. 如果连接的链路或交换机故障,连接将被中断,必须建 立一个新的连接. 连接建立为预留资源提供了支持. 数据报（datagram）
11
6.1.3 网络层的内部结构
比较项目 初始建立连接 地址 状态信息 路由选择 分组的顺序 节点故障影响 差错处理 拥塞控制 功能复杂性部 分 适用方式 不需要 每个分组都含有完整的源地址和目的地址 子网不存储状态信息 每个分组独立选择 到达目的站时可能不按发送顺序 除节点崩溃时会丢失分组外，无其他影响 由主机承担 由主机负责，较难实现 数据报子网 需要 每个分组含有一个短的虚电路号，目的 站地址仅在连接建立阶段使用 已建立的虚电路占用子网路由表空间 虚电路一建立，路由就已确定，所有分 组都经过此路径 总是按发送顺序到达目的站 所有经过失效设备的虚电路都会被终止 对主机透明（由通信子网承担） 由通信子网负责，若每条虚电路分配有 足够的缓冲区，则容易控制 在网络层 面向连接服务 12 虚电路子网
了解通信子网的拓扑结构，选择路由; 另一个需要解决的问题是网络的拥塞控制.
2
2014-12-02
概述
6.1.1 网络层的任务
(1)通信子网的拓扑结构 (2)路由选择方法 (3)流量和拥塞控制 (4)网络互连
OSI标准集中于网络层提供给传输层的功能和服务， 以及网络层与传输层及数据链路层的接口。
18
决策时间
性能准则
网络信息源 （与路由选择有关的信息）
路选策略
2014-12-02
3. 对路由选择算法的要求
正确性:确保分组从源节点传送到目的节点； 简单性:实现方便，软硬件开销小； 自适应性,也称健壮性:算法能够适应业务量和网 络拓扑的变化 稳定性:能长时间无故障运行; 公平性:每个节点都有机会传送信息; 最优性:尽量选取"好的"路由
4. 路由选择的实现——路由表
2014-12-02 19
路由算法
路由选择的实现-路由表
2 3
1
6
4
5
如：路径选择的原则是 使到达目的节点的链路 (hops)数最少,当存在2 条以上的最少链路的路 径时,则可以选择其中一 条.路由表对每个目的节 点指出分组应该发向的 下一个节点.
节点1上的路由表 节点4上的路由表 12 3 5 6 目的节点 2 3 4 5 6 目的节点 12 3 5 5 下一个节 2 2 4 4 2 下一个节点 点
N_Unitdata.request(源地址，目的地址，QoS，用户数据) N_Unitdata.indication(源地址，目的地址，QoS，用户数 据) N_Facility.request(QoS) N_Facility.indication(目的地址，QoS，原因) N_Report.indication(目的地址，QoS，原因)
又分为完全扩散和选择扩散两种 基本思想:把收到的每一个包，向除了该包到来的线路 外的所有输出线路发送。 主要问题:洪泛要产生大量重复包。 解决措施:每个包头包含站点计数器，每经过一站计数 器减1，为0时则丢弃该包；
2014-12-02 24
扩散法（flooding）
不计算路径，有路就走
2014-12-02
3
网络层概述
6.1.2 向传输层提供的服务
面向连接的服务:将复杂的功能放在网络层(通信子网) 无连接服务:将复杂的功能放在传输层 通信子网提供的服务（面向连接或无连接）与通信子网结构 （虚电路或数据报）没有必然联系。
2014-12-02
4
网络服务
面向连接方式包括连接建立、数据传送及连接释放 三个阶段。一条连接由下列方面规定：
还有3条属于正式标准的附件中的服务原语：
2014-12-02
9
面向连接的服务质量
建连时延 建连失败概率 吞吐量 转换时延 残留误差率 建立网络连接所需要的时间 建立网络连接失败次数与尝试次数之比 单位时间内传送的数据量 从发送请求原语至目的端，到接收指示原语所需要的时间 通过网络服务边界仍有出错、丢失、重复数据占传送数据总数的比例
10
无连接的服务质量
转换时延 接入保护 开销决定性因素 残留误差率 优先权 从发出N_Unitdata请求至响应所需要的时间 防止对网络服务用户信息的非法监测和操纵 确定对数据选择路由所需要的开销 某数据单元发生丢失、重复或误传的可能性 数据单元之间的相对重要性
源路由
指定数据传向目的地的路径
2014-12-02
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9 5 6
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3
3
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11
4
3
6
5
7
如从5出发到4： 数据包从51,2；23,6；36,4；63,7；74 要解决的问题：数据包重复到达某一节点，如3，6
2014-12-02 25
扩散法（续）
解决方法
在数据包头设一计数器初值，每经过一个节 点自动减1，计数值为0 时，丢弃该数据包 在每个节点上建立登记表，则数据包再次经 过时丢弃
缺点：重复数据包多，浪费带宽 优点：可靠性高，路径最短，常用于军事
2014-12-02 26
静态路由算法
固定式路由选择
固定式单路由算法(绝对固定式路由选择):每个节点都有一张人工 计算得到的固定路由表，它给出了子网中每个节点作为目的节点 时，分组对应的转发出口的对应关系。每收到一个分组，去查表 中目的节点，找出相应的转发出口。优点是简单、实现方便，可 选择正常情况下的最佳路由。缺点是路由表不能联机修改，不能 适应网络的业务量及拓扑变化。 固定式多路由算法（迂回式路由选择）:固定式多路由算法是任何 一对节点之间有多条可选路由。一旦最佳的路由不通，或负荷过 大，就可以选择第二、第三条路由。实现方法是每个节点装有一 张路由表，对应每个目的节点，给出最佳、次佳、再次佳 ……的 后继节点和权数。缺点是路由表不能联机修改。
(4,2) (-,-)
(4,4) (-,-) (5,4) (1,2)
节点4上的路由表
输入虚电路,(X,n)表示前一个节点X和虚电路号; 输出虚电路,(X,n)表示后一个节点X和虚电路号; (-,-)表示虚电路在这个节点上起始和或终止.
2014-12-02 21
汇集树（sink tree） 从所有的源节点到一个给定的目的节点的最优路由的集 合形成了一个以目的节点为根的树，称为汇集树；
连接建立
连接建立
数据传输 数据传输 重 建
加速数据 传输
连接拆除
连接释放
N_Disconnect.Request N_Disconnect.Indication 表6-1 面向连接的服务及原语
2014-12-02
与面向连接的服务有关的原语有六种
8
无连接服务原语
N_Unitdata 服务不提供差错控制，也不提供流量 控制、分组重新排序及其它的控制
没有连接建立阶段 每个包包含完整的目的地址 每个包独立地被转发 转发表由路由协议动态生成
13
2014-12-02
服务与子网类型不同组合
2014-12-02
14
小结
网络层的地位
位于数据链路层和传输层之间，使用数据链路层提供的服务，为传输层提供 服务； 通信子网的最高层； 处理端到端传输的最低层。 屏蔽各种不同类型网络之间的差异，实现互连 了解通信子网的拓扑结构，选择路由，实现报文的网络传输 都属于分组交换，采用存储转发机制。 数据报(datagram)：每个分组被单独路由，分组带有全网唯一的地址 虚电路(virtual circuit)：先在源端和目的端之间建立一条虚电路，所有分组 沿虚电路按次序存储转发，最后拆除虚电路。在虚电路中，每个分组无须进 行路径选择。 面向连接的服务和无连接的服务。
网络层的作用
网络层的两种实现方式 —— 数据报和虚电路
网络层提供的服务
2014-12-02
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6.2 路由选择算法
路由选择的定义
指的是在分布式分组交换网中每个节点具有自动选择传送 分组到达目的地的最佳路径的能力,就是说节点设备要根 据一定的原则通过计算来确定每一分组发往宿端的最佳输 出路径. (1)能正确、迅速、合理地传送报文信息； (2) 能适应网络内节点或链路故障而引起的拓扑变化，使 报文在故障条件下一般仍能到达终点。 (3) 能适应网络流量的变化，使各通路的流量均匀，整个 网络的通信设备负荷平衡，充分发挥效率； (4)算法尽量简单，以减少网络开销。
2014-12-02 20
路由算法
虚电路使用的路由表 路由表中使用的是虚电路号而不是目的节点
节点1上的路由表 入虚电路 出虚电路 入虚电路 出虚电路
(-,-) (2,1) (1,2) (5,4)
(-,-) (4,2)
(-,-) (4,4) (1,4) (3,5)
(2,1) (-,-) (3,5) (1,4)
(1)由端系统与一个网络或几个网络之间三方或多方一致 同意而建立的一条路径。 (2)协商确定的参数值和任选项(Options)； (3)连接标识（例如虚电路号）； (4)指定连续的数据单元之间逻辑关系、排序和控制的有 关上下文内容。
无连接方式不在端系统之间建立这类关系，所需要 的仅是通信实体之间的关联。
16
6.2.1 关于路由选择
2014-12-02
1. 路由选择与流量控制的关系
时延
提交的负荷
流量控制
吞吐量
路由选择
时延
被拒绝的负荷
路由选择和流量控制之间的交互作用
2014-12-02
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2. 路由选择算法的分类
分类 决策地点 要素 每一节点（分布式） 中央节点（集中式） 源节点 节点子集 分组（数据报） 会话（虚电路） 链路数 设施代价 时延 吞吐量 无 本地 相邻节点 路径上的节点 所有节点 静态——简单类算法 自适应
2014-12-02
22
6.2.2 简单路由选择算法
1. 随机路由选择 2. 洪泛式路由选择 3. 固定式路由选择
绝对固定式路由选择 迂回式路由选择
2014-12-02
23
静态路由算法
随机路由选择:是由收到分组的节点随机地选择一 个出口转发出去。缺点也是十分明显的，可能造 成某些分组长期在通信子网中转，到达不了目的 节点。 洪泛算法（Flooding）:
2014-12-02 5
服务原语
wenku.baidu.com
服务原语是层服务用户和服务提供者之间的 一种抽象且与实现无关的交互，服务原语不 必直接与协议要素相关。 服务原语可分为请求、指示、响应和证实四 种类型。
2014-12-02
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面向连接服务原语
端系统A 传输层 网络层 通信媒介 （数据链路层） 端系统B 网络层 传输层
本章掌握重点：
网络层的主要功能和提供的服务； 路由选择和流量控制思想；
2014-12-02
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6.1 概述
ISO 定义
网络层为一个网络连接的两个传输层实体间交换 网络服务数据单元提供功能和规程的方法，它使 传输层实体看不到下面资源的使用情况。
网络层是处理端到端传输的最低层。 网络层要解决的关键问题:
传送失败概率
连接恢复力 拆连时延 拆连失败概率 连接保护能力 连接优先权 最大开销
2014-12-02
传送失败数占传送尝试总数的比例
在网络连接过程中，服务提供者激活释放和复位的概率 从发起连接拆除请求至成功释放所需要的时间 未成功拆除连接次数与尝试次数之比 网络服务提供者试图防止对用户数据的未授权操作的程度 考虑网络连接及其数据的相对重要性 网络服务的开销范围
N_Request 时间 N_Indication N_Response
N_Confirm
OSI网络层服务原语的使用示例
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阶段
服务
原语 N_Connect.Request N_Connect.Indication N_Connect.Response N_Connect.Confirm N_Data.Request N_Data.Indication N_Reset.Request N_Reset.Indication N_Reset.Response N_Reset.Confirm 可选服务 接收确认 原语 N_DataAcknowledge.Request N_DataAcknowledge.Indication N_ExpeditedData.Request N_ExpeditedData.Indication
在传输层 面向连接和无连接服务
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网络层概述
虚电路（virtual circuit）
在发送第一个数据包之前要进行连接的建立,一般等待 时间为RTT. 连接请求包含完整的目的地地址,但每个数据包只携带 很小的VC标识,因此每个包的开销很小. 如果连接的链路或交换机故障,连接将被中断,必须建 立一个新的连接. 连接建立为预留资源提供了支持. 数据报（datagram）
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6.1.3 网络层的内部结构
比较项目 初始建立连接 地址 状态信息 路由选择 分组的顺序 节点故障影响 差错处理 拥塞控制 功能复杂性部 分 适用方式 不需要 每个分组都含有完整的源地址和目的地址 子网不存储状态信息 每个分组独立选择 到达目的站时可能不按发送顺序 除节点崩溃时会丢失分组外，无其他影响 由主机承担 由主机负责，较难实现 数据报子网 需要 每个分组含有一个短的虚电路号，目的 站地址仅在连接建立阶段使用 已建立的虚电路占用子网路由表空间 虚电路一建立，路由就已确定，所有分 组都经过此路径 总是按发送顺序到达目的站 所有经过失效设备的虚电路都会被终止 对主机透明（由通信子网承担） 由通信子网负责，若每条虚电路分配有 足够的缓冲区，则容易控制 在网络层 面向连接服务 12 虚电路子网
了解通信子网的拓扑结构，选择路由; 另一个需要解决的问题是网络的拥塞控制.
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概述
6.1.1 网络层的任务
(1)通信子网的拓扑结构 (2)路由选择方法 (3)流量和拥塞控制 (4)网络互连
OSI标准集中于网络层提供给传输层的功能和服务， 以及网络层与传输层及数据链路层的接口。
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决策时间
性能准则
网络信息源 （与路由选择有关的信息）
路选策略
2014-12-02
3. 对路由选择算法的要求
正确性:确保分组从源节点传送到目的节点； 简单性:实现方便，软硬件开销小； 自适应性,也称健壮性:算法能够适应业务量和网 络拓扑的变化 稳定性:能长时间无故障运行; 公平性:每个节点都有机会传送信息; 最优性:尽量选取"好的"路由
4. 路由选择的实现——路由表
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路由算法
路由选择的实现-路由表
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如：路径选择的原则是 使到达目的节点的链路 (hops)数最少,当存在2 条以上的最少链路的路 径时,则可以选择其中一 条.路由表对每个目的节 点指出分组应该发向的 下一个节点.
节点1上的路由表 节点4上的路由表 12 3 5 6 目的节点 2 3 4 5 6 目的节点 12 3 5 5 下一个节 2 2 4 4 2 下一个节点 点
N_Unitdata.request(源地址，目的地址，QoS，用户数据) N_Unitdata.indication(源地址，目的地址，QoS，用户数 据) N_Facility.request(QoS) N_Facility.indication(目的地址，QoS，原因) N_Report.indication(目的地址，QoS，原因)
又分为完全扩散和选择扩散两种 基本思想:把收到的每一个包，向除了该包到来的线路 外的所有输出线路发送。 主要问题:洪泛要产生大量重复包。 解决措施:每个包头包含站点计数器，每经过一站计数 器减1，为0时则丢弃该包；
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扩散法（flooding）
不计算路径，有路就走
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网络层概述
6.1.2 向传输层提供的服务
面向连接的服务:将复杂的功能放在网络层(通信子网) 无连接服务:将复杂的功能放在传输层 通信子网提供的服务（面向连接或无连接）与通信子网结构 （虚电路或数据报）没有必然联系。
2014-12-02
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网络服务
面向连接方式包括连接建立、数据传送及连接释放 三个阶段。一条连接由下列方面规定：
还有3条属于正式标准的附件中的服务原语：
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9
面向连接的服务质量
建连时延 建连失败概率 吞吐量 转换时延 残留误差率 建立网络连接所需要的时间 建立网络连接失败次数与尝试次数之比 单位时间内传送的数据量 从发送请求原语至目的端，到接收指示原语所需要的时间 通过网络服务边界仍有出错、丢失、重复数据占传送数据总数的比例
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无连接的服务质量
转换时延 接入保护 开销决定性因素 残留误差率 优先权 从发出N_Unitdata请求至响应所需要的时间 防止对网络服务用户信息的非法监测和操纵 确定对数据选择路由所需要的开销 某数据单元发生丢失、重复或误传的可能性 数据单元之间的相对重要性
源路由
指定数据传向目的地的路径
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如从5出发到4： 数据包从51,2；23,6；36,4；63,7；74 要解决的问题：数据包重复到达某一节点，如3，6
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扩散法（续）
解决方法
在数据包头设一计数器初值，每经过一个节 点自动减1，计数值为0 时，丢弃该数据包 在每个节点上建立登记表，则数据包再次经 过时丢弃
缺点：重复数据包多，浪费带宽 优点：可靠性高，路径最短，常用于军事
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静态路由算法
固定式路由选择
固定式单路由算法(绝对固定式路由选择):每个节点都有一张人工 计算得到的固定路由表，它给出了子网中每个节点作为目的节点 时，分组对应的转发出口的对应关系。每收到一个分组，去查表 中目的节点，找出相应的转发出口。优点是简单、实现方便，可 选择正常情况下的最佳路由。缺点是路由表不能联机修改，不能 适应网络的业务量及拓扑变化。 固定式多路由算法（迂回式路由选择）:固定式多路由算法是任何 一对节点之间有多条可选路由。一旦最佳的路由不通，或负荷过 大，就可以选择第二、第三条路由。实现方法是每个节点装有一 张路由表，对应每个目的节点，给出最佳、次佳、再次佳 ……的 后继节点和权数。缺点是路由表不能联机修改。
(4,2) (-,-)
(4,4) (-,-) (5,4) (1,2)
节点4上的路由表
输入虚电路,(X,n)表示前一个节点X和虚电路号; 输出虚电路,(X,n)表示后一个节点X和虚电路号; (-,-)表示虚电路在这个节点上起始和或终止.
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汇集树（sink tree） 从所有的源节点到一个给定的目的节点的最优路由的集 合形成了一个以目的节点为根的树，称为汇集树；
连接建立
连接建立
数据传输 数据传输 重 建
加速数据 传输
连接拆除
连接释放
N_Disconnect.Request N_Disconnect.Indication 表6-1 面向连接的服务及原语
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与面向连接的服务有关的原语有六种
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无连接服务原语
N_Unitdata 服务不提供差错控制，也不提供流量 控制、分组重新排序及其它的控制
没有连接建立阶段 每个包包含完整的目的地址 每个包独立地被转发 转发表由路由协议动态生成
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服务与子网类型不同组合
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小结
网络层的地位
位于数据链路层和传输层之间，使用数据链路层提供的服务，为传输层提供 服务； 通信子网的最高层； 处理端到端传输的最低层。 屏蔽各种不同类型网络之间的差异，实现互连 了解通信子网的拓扑结构，选择路由，实现报文的网络传输 都属于分组交换，采用存储转发机制。 数据报(datagram)：每个分组被单独路由，分组带有全网唯一的地址 虚电路(virtual circuit)：先在源端和目的端之间建立一条虚电路，所有分组 沿虚电路按次序存储转发，最后拆除虚电路。在虚电路中，每个分组无须进 行路径选择。 面向连接的服务和无连接的服务。
网络层的作用
网络层的两种实现方式 —— 数据报和虚电路
网络层提供的服务
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6.2 路由选择算法
路由选择的定义
指的是在分布式分组交换网中每个节点具有自动选择传送 分组到达目的地的最佳路径的能力,就是说节点设备要根 据一定的原则通过计算来确定每一分组发往宿端的最佳输 出路径. (1)能正确、迅速、合理地传送报文信息； (2) 能适应网络内节点或链路故障而引起的拓扑变化，使 报文在故障条件下一般仍能到达终点。 (3) 能适应网络流量的变化，使各通路的流量均匀，整个 网络的通信设备负荷平衡，充分发挥效率； (4)算法尽量简单，以减少网络开销。
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路由算法
虚电路使用的路由表 路由表中使用的是虚电路号而不是目的节点
节点1上的路由表 入虚电路 出虚电路 入虚电路 出虚电路
(-,-) (2,1) (1,2) (5,4)
(-,-) (4,2)
(-,-) (4,4) (1,4) (3,5)
(2,1) (-,-) (3,5) (1,4)
(1)由端系统与一个网络或几个网络之间三方或多方一致 同意而建立的一条路径。 (2)协商确定的参数值和任选项(Options)； (3)连接标识（例如虚电路号）； (4)指定连续的数据单元之间逻辑关系、排序和控制的有 关上下文内容。
无连接方式不在端系统之间建立这类关系，所需要 的仅是通信实体之间的关联。
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6.2.1 关于路由选择
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1. 路由选择与流量控制的关系
时延
提交的负荷
流量控制
吞吐量
路由选择
时延
被拒绝的负荷
路由选择和流量控制之间的交互作用
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2. 路由选择算法的分类
分类 决策地点 要素 每一节点（分布式） 中央节点（集中式） 源节点 节点子集 分组（数据报） 会话（虚电路） 链路数 设施代价 时延 吞吐量 无 本地 相邻节点 路径上的节点 所有节点 静态——简单类算法 自适应
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6.2.2 简单路由选择算法
1. 随机路由选择 2. 洪泛式路由选择 3. 固定式路由选择
绝对固定式路由选择 迂回式路由选择
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静态路由算法
随机路由选择:是由收到分组的节点随机地选择一 个出口转发出去。缺点也是十分明显的，可能造 成某些分组长期在通信子网中转，到达不了目的 节点。 洪泛算法（Flooding）:
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服务原语
wenku.baidu.com
服务原语是层服务用户和服务提供者之间的 一种抽象且与实现无关的交互，服务原语不 必直接与协议要素相关。 服务原语可分为请求、指示、响应和证实四 种类型。
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面向连接服务原语
端系统A 传输层 网络层 通信媒介 （数据链路层） 端系统B 网络层 传输层