第五章网络层

H1 发送给 H5 的分组可能沿着同一路径传送
虚电路服务特点
使用虚电路来进行数据传输能较好地保证通信的服务质 量（QoS）。因为在虚电路建立后，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的网络的通 道（收发各一条）。 虚电路方式能保证报文的传递顺序，能按先进先出的原 则来转发数据报。即目的主机能按顺序来接收分组，而 不用再重新排序。
优缺点的对比 数据报服务和虚电路服务优缺点 数据报服务和虚电路服务优缺点的对比
对比方面 连接建立 分组的转发 分组到达接收端顺序 服务质量保证 地址信息 当结点出故障时 虚电路服务 需要 按同一路由转发 按序到达 网络保证 完整地址刚建立时使用, 交换过程使用VC号 数据报服务 不需要 每个分组独立选择路由 可能失序 用户主机保证 每个分组必须携带 完整地址信息
通过故障结点虚电路中断, 通过故障结点虚电路中断, 故障结点可能会丢失一些 数据传输中断 分组, 分组,但数据传输仍旧继续
5.2 路由选择与路由算法
路由选择：在分布式交换网中每个节点具有自动选择传送分 组到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个分组发往目的端的最佳输出链路。 路由选择算法：网络层软件的一部分，负责确定所收到分组 应传送的输出线路。 采用数据报：对收到的每一个分组都要重新作路由选择，因 为对每个分组来说，上次到达的最佳路由可能已改变； 采用虚电路：建立一条新电路时，仅需作一次路由选择决策。
尽最大努力交付的好处
由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网 络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉（与 电信网的交换机相比较）。 如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠 的，那么就由网络的主机中的运输层负责（包括差错 处理、流量控制等）。
尽最大努力交付的好处
采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低，运 行方式灵活，能够适应多种应用。 因特网能够发展到今日的规模，充分证明了当初采用这 种设计思路的正确性。
路由选择策略
从路由算法的自适应性考虑： 静态路由选择策略——即非自适应路由选择，其特点是 简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。 动态路由选择策略——即自适应路由选择，其特点是能 较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开 销也比较大。
静态路由选择策略分类
洪泛路由选择策略：
最简单的路由选择策略； 一个网络节点从某条线路收到一个不是发给它的分组 后，再向除了该线路外的所有线路转发收到的分组； 网络通信量很小时，可使分组的时延最小； 用于诸如军事网络等健壮性要求很高的场合； 用于将一个分组数据传送到所有其他节点的广播式数 据交换中； 用来进行网络的最短路径及最短传输延时的测试
路由选择策略
自适应——更新时间：连续变更、周 更新时间：连续变更、 自适应 更新时间 期性变化、主要负载改变时、 期性变化、主要负载改变时、拓扑改 变时
路由选择算法的要求
正确性 计算简单 自适应性 稳定性 公平性 最优性
关于“最佳路由”
不存在一种绝对的最佳路由算法。 所谓“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较 为合理的选择而已。 实际的路由选择算法，应尽可能接近于理想的算法。 路由选择是个非常复杂的问题 它是网络中的所有结点共同协调工作的结果。 路由选择的环境往往是不断变化的，而这种变化有时 无法事先知道。
强调：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
数据报方式是指网络层为每个IP数据报单独选择路径。 每当一个端系统要发送数据报时，它就为该数据报加上 目的端的地址，然后将该数据报推进网络中。也就是说 使用数据报方式进行数据传输不用端系统之间先建立连 接,端系统可以随时把数据报发送到网络中去,网络也随 时都接受主机发送来的数据报。
动态路由选择策略分类
集中路由选择策略
每个节点上存储一张由路由控制中心定时根据网络状 态计算、生成并分送到各相应节点的路由表； 各个节点不需要进行路由选择计算； 较容易得到更精确的路由最优化； 起到对进入网络的通信量的某种流量控制作用； 一种很有吸引力的路由选择策略。
路由选择与流量控制关系
路由选择算法确定数据从源节点到目的节 点传送的路径。 流量控制算法限制允许到达数据链路或网 络某个部分的业务量，以防止过分拥挤。 路由选择算法可能引发拥挤，从而需要流 量控制。
网络拓扑结构例子
A
5
B
5
C
5
D 5
5 5
5 E F
5 5
路由选择算法的分类
路由算法的主要功能 源/宿之间的路径选择，以及选定路由后 将报文传送到目的地； 路由表的数据结构，一般是每个节点上 设置一张路由表，表中列出目的地址和 输出路线的对应关系。
虚电路节点上的路由表示例子
节点1上的路由表 入虚电路 （—，—）（—，—）（—，—） （2，1） （4，2） （4，4） 出虚电路 （2，1） （4，2） （4，4） （—，—）（—，—）（—，—）
节点4上的路由表 入虚电路 出虚电路 （1，2） （5，4） （1，4） （3，5） （3，5） （1，4） （5，4） （1，2）
静态路由选择策略分类
固定路由选择策略
路由表：每个网络节点存储一张表格，表格中每一项记 录着对应某个目的节点的下一个节点或链路； 当一个分组到达某节点时，该节点只要根据分组上的目 的地址信息，便可从固定的路由表中查出对应的目的节 点所应选择的下一节点。 每个节点上的路由表是在整个系统进行配置时生成的， 并且在此后的相当一段时间内保持固定不变。 优点：简便易行，在负载稳定、拓扑结构变化不大的网 络运行效果很好； 缺点：灵活性差，无法应付网络中发生的拥塞和故障。
数据报服务的特点
数据报方式因为有多条传输路径可选，一旦某条传输路 径发生拥塞和产生故障，它可以避开故障点和拥塞区， 从其它路径传送数据。 如果两个主机只交换少量数据报，则数据报方式更快。 无论是数据报方式还是虚电路方式都需要路由选择，只 是前者以每个数据报为基础进行，后者以虚电路方式进 行。
因特网采用的设计思路
网络层提供的服务
有两大派别： 有两大派别： 以Internet团体为代表的一派认为网络层 团体为代表的一派认为网络层 只需提供无连接的数据报服务即可。 只需提供无连接的数据报服务即可。 以电话公司为代表的一派认为网络层应 该提供面向连接的可靠的服务。 该提供面向连接的可靠的服务。
网络层的内部结构
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。
动态路由选择策略
节点的路由选择能够依靠网络的当前的状态信 息来决定； 工作步骤： 测量并感知网络状态，主要包括拓扑结构、流 量及延迟； 向有关进程或节点报告测量结果； 根据测量结果更新路由表； 根据新路由表重选合适路由转发数据分组。
动态路由选择策略分类
独立路由选择策略
节点仅根据自己收集到的有关信息作出路由选择的决 定，与其他节点不交换路由选择信息； 不能正确确定距离本节点较远的路由选择； 能较好地适应网络流量和拓扑结构的变化； 热土豆法； 反向探知算法。
虚电路特点
虚电路方式也比较容易实现差错控制。 虚电路方式不需要对每个数据报作路由选择，也就是说 每个数据报不必携带完整的地址信息,所以传递更快， 但需要额外的开销来建立连接。建立的虚电路一旦产生 故障而中断，那么传输数据过程也就结束了，只能再重 新建立其他虚电路来发送数据报。 如果两ຫໍສະໝຸດ Baidu主机需要在一段时间交换大量数据，则虚电路 方式更优越。
虚电路
虚电路：为了避免对发送的每一个分组都必须路由选 择，在建立连接时，从网络的源节点到目的节点的路 由就作为连接建立的一部分被各个路由交换机加以保 存，此路由用于传送此连接虚电路上的所有数据，这 与电话系统的工作原理一样，当释放连接时，虚电路 也随之撤销。
虚电路建立过程
H2 D B H6 H1 A H5 C H3 E H4
路由选择算法涉及的主要参数
跳数：分组从源节点到达目的节点经过的路由 器的个数； 带宽：链路的传输速率； 延时：分组从源节点到达目的节点花费的时间； 负载：通过路由器或者线路的单位时间通信量； 可靠性：传输过程中的误码率； 开销：传输过程中的耗费，与所用的链路带宽 相关。
路由选择的目的和要求
能正确、迅速、合理地传送报文信息； 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。在发生故障时， 允许某些路线的通信量过载而增加时延； 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； 算法尽量简单，以减少网络开销。
第五章 网络层
maokeji@zjut.edu.cn
本章主要内容
网络层概念 路由选择与路由算法 路由表 路由选择算法 网络流量控制 拥塞控制 网络层标准实例：X.25协议
5.1 网络层概念
网络层是OSI参考模型中的第三层。 为运输层提供服务，跨越不同的网络将 运输层的数据送达到目的地 。 发送方和接收方之间可能会相隔很多网 络，所以网络层的主要任务就是为运输 层的数据选择一条合适的路，将其运输 到目的地。
分类 决策地点
要素 每一节点（分布式） 每一节点（分布式） 中央节点（集中式） 中央节点（集中式） 源节点 节点子集
决策时间
分组（数据报） 分组（数据报） 会话（虚电路） 会话（虚电路） 链路数
性能准则
设施代价 时延 吞吐量 无
网络信息源（ 网络信息源（与路由选择有关的信息 ）
本地 相邻节点 路径上的节点 所有节点 静态——简单类算法 简单类算法 静态
网络层为传输层提供了两种服务，即面向连接服务和无 连接服务。不过这两种服务不是依靠网络层的某种协议 来实现的，而是依靠网络层数据传输方式不同来实现的。 网络层数据传输方式有两种：一种是数据报，另一种是 虚电路。在网络层依靠数据报方式提供的服务是无连接 服务，又称为数据报(datagram)服务；在网络层依靠虚 电路方式提供的服务是面向连接服务，又称为虚电路 (virtual-circuit ,VC) 服务。
数据报服务过程
应用层 H1 运输层 网络层 数据链路层 物理层
IP 数据报
H2
丢失
应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层
H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送
数据报服务的特点
使用数据报方式来进行数据传输只是尽最大努力地将数 据报交付给目的主机，网络对源主机没有任何承诺。 数据报方式不能保证包的传递顺序，也不一定能按先进 先出的原则来转发数据报。即目的主机不一定能按顺序 接收到数据报，可能需要重新排序。
5.3 路由表
2 1 4 节点1上的路由表 目标节点 下一个节点 2 2 3 2 4 4 5 2 6 2 目标节点 下一个节点 5 节点4上的路由表 1 1 2 2 3 3 5 5 6 5 3 6
包含最少链路数的节点1上的路由表 目的节点 下一个节点 链路数 2 2 1 3 2 2 4 4 1 5 4 2 6 2 3
静态路由选择策略分类
随机路由选择策略
按随机方式选择路由的节点，是按某个随机数的值来 选择传送分组的输出链路。除了要避免原路返回之外， 可向任一链路发送； 缺点：效率低、时延大； 优点：到达目的地的可能性较大，路由选择与网络拓 扑结构无关。 分组实际路由不是最佳路由，增加不必要的负担，传 输延迟也不可预测，故此策略应用不广。
网络层主要功能
网络连接的建立和终止、一个给定的数据链路 上网络连接的复用； 路由控制：利用网络的拓扑结构等网络状态， 选择分组传送路径； 拥塞控制：控制和预防网络中出现过多的分组； 异种网络的互连：解决不同网络在寻址、分组 大小、协议等方面的差异。 分组生成和装配：传输层报文与网络层分组间 的相互转换。