H1 向 H 5 H1 发送分组 通信子网
E A H5 路径可能变化
C
H3
分包 打包 发送 选路 传输 接收 拆包
•目标主 机对收到 的报文分 组进行整 理，拆包 后按序重 组报文。
组包
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数据报服务的特点
• 网络随时接收主机发送的分组（即数据报），并为每个 分组独立地选择路由。 • 网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源 主机没有任何承诺，既不保证所传送的分组不丢失，也 不保证按时限、按源主机发送分组的先后顺序将分组交 付给目的主机。 • 当网络发生拥塞时，网络中的节点可根据情况将一些分 组丢弃。 • 数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。 • 实际上“尽最大努力交付”的服务，就是没有质量保证 的服务。
第五章 网络层
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第5章 网络层
主要学习内容 ：
5.1 网络层概述 5.2 虚电路与数据报 5.3 路由选择 5.4 拥塞控制
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5.1 网络层概述
5.1.1 为什么需要网络层
主机A发出的信息如何穿越通信子网送达主机B？
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交换式虚电路和永久虚呼叫建立的临时连接，也称为呼叫 式虚电路(SVC,Switch Virtual Circuit)。 • 用户可以根据需要动态地建立和释放。
• 永久虚电路
• (PVC, permanence Virtual Circuit) 是在两个节点之间建立 的一条固定的连接。 • 它类似于专用电路，无需建立和拆除，任何时候，站点之 间都可以进行通信。
E
H5
F
H6
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两种服务思想的来源不同
• 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 电信网的节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。
– 可靠通信由用户终端中的软件来保证。
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数据报与虚电路的比较
• 数据报服务：
–每个分组中必须携带完整的地址信息。
• 虚电路服务：
–仅呼叫分组中需要携带完整的地址信息。 –数据分组中只含少量的地址信息(虚电路号)，因而分 组的控制信息部分的比特数较少，额外开销少。
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数据报与虚电路的比较
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虚电路的建立
• 采用虚电路方式传输时，物理介质被划分为多个子信道(称之 为逻辑信道LC) ，子信道的串接形成虚电路(VC).利用不同的 虚电路来支持不同的用户数据的传输。
H2 H3 B H1 A D C H4
虚电路的 建立顺序： 1. 0-ABCD 2. 1-ACD 3. 0-BCD 4. 1-BAE 5. 2-AEFD 6. 2-BFE
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路由的分类
• 根据路由表中的路由信息的建立策略，可将路由分为 两类：
• 静态路由
–是由网络管理员手工配臵的路由信息。 –当网络的状态发生变化时，只能由网络管理员进行 手工修改。
• 动态路由
–是采用某种路由算法，根据网络的实际情况自动建 立的路由信息。 –它会随着网络的变化而改变。
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路由的度量（Metrics）——代价
• 在研究路由选择时，需要给每一条链路指明一定的 传输代价。 • 这里“代价”并不仅仅是指“费用”，而是由一个 或几个因素综合决定的一种度量(metric)，如：跳 距、可信度、延迟、带宽、负载、通信费用和最大 传输单元等等。
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2. 面向连接的网络服务（虚电路服务）。
–
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•源主机将报文分 割成分组按顺序传 给本地的通信子网 节点。 •每个报文分组均 包含详细的源地址 和目标地址。
数据报交换的过程
H2 H2 向 H 6 发送分组 D B H6 H4
中继节点为每个报文分 组分别进行选路，尽快 将分组传给下一节点。
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•自适应路由选择（动态策略）：
固定式路选法
• 基本思想：
– 在每个通信子网节点中建立一张固定的路由表。其中每项 记录对应着由该节点到达某个目标节点的输出路线及代价。 – 当一个分组到达某个节点时，该节点根据分组中的目标地 址，从路由表中找出对应的下一节点，并将分组转发给此 下一节点。 – 注意：在建立路由表时，通常只将最短路径加到路由表中。
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数据报与虚电路的比较
• 数据报服务：
–传输过程无需建立连接和释放连接； –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。 –较适合站点之间少量的、频繁的数据传输，也适合实现广播 和多播。
• 虚电路服务：
–传输前后必须连接建立和释放连接； –由于虚电路的建立和释放需要占用一定的时间，因此不适合 站点之间具有频繁连接和交换短小数据的应用，(如：交互 式的通信)。 –较适合站点之间大批量的数据传输。
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理想的路由算法
5.3.2 路由选择算法
• 路由选择的核心问题是路由算法。理想的路由算法应具有 以下特点 ：
1. 算法必须是正确的和完整的。
2. 算法在计算上应简单。
3. 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化（健壮性）。 4. 算法应具有稳定性（快速收敛）。 5. 算法应是最佳的。 6. 算法应是公平的。
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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： – 它是网络中的所有节点共同协调工作的 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。
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数据报服务与虚电路服务之争
• 让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。 • 但技术的进步使得网络出错的概率已越来越小，因而 让主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多 的负担，反而能够使更多的应用在这种简单的网络上 运行。 • 因特网发展到今天的规模，充分说明了在网络层提供 数据报服务是非常成功的。
寻址和路由的概念
5.3.1 寻址和路由的概念
1. 网络层的地址结构
• 数据链路层采用的是平面地址结构(flat addressing)。 • 网络层采用的是层次地址结构(hierarchical addressing)。 • 网络层的层次地址通常由两部分组成： 网络ID 主机ID
2. 路由和路由选择
主机负责端到端的差错处理和流量 通信子网负责差错处理和流量控制 控制 拥塞控制难 如果有足够的缓冲区分配给已经建 立的每一条虚电路，则容易控制 数据通信与计算机网络——网络层
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5.3 路由选择
• 如何选择最佳路由，将数据送往目标主机， 这是网络层最重要的一项功能。
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路由算法的分类
•非自适应路由选择（静态策略）：
–不测量和利用网络的当前状态信息(当前的通信 量、网络拓扑等)，仅按某种固定规律进行决策。 –主要有：固定路由算法、洪泛法、 分散通信量 法、随机走动法。
–依靠当前网络的状态信息进行动态决策，使路 选结果在一定程度上适应网络通信量和拓扑结 构的变化。 –主要有：距离矢量路由算法和 链路状态路由算 法。
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网络层的主要任务
• 通过路由选择算法，为分组通过通信 子网选择最适当的路径。
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网络层的主要功能
5.1.2 网络层的主要功能 • 路由选择
–所谓路由选择，是指在通信子网中信源节点和中继节点为 了将报文分组传送到信宿节点而对其后继节点的选择。
• 拥塞控制
–网络层的拥塞控制是对进入通信子网的信息量加以控制， 以防止因通信量不均衡，导致网络拥塞或阻塞，而造成的 子网性能下降。
• 特点：
– 算法简单，易于实现； – 不能适应网络拓扑变化，可靠性较差。
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洪泛法（扩散法）
• 基本思想：
– 网络中除了目标节点之外，任一节点在收到报文分组后， 立即发往相邻的所有节点（源节点除外）。 – 但任一节点都只接收最先到达的报文分组，不接收重复报 文。
• 网络连接的建立与管理
– 在面向连接的服务中，网络连接是传输实体之间传输数 据的、贯穿通信子网的端到端的通道。
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5.2 虚电路和数据报
• 网络层为传输层所提供的服务可以分为两大类： 1. 无连接的网络服务（数据报服务）
– 数据报服务（Datagram）：主机只要想发送数据就 随时可发送，每个分组独立地选择路由。 虚电路服务（Virtual circuit）：通信前主机要先建 立一条虚电路，之后数据沿固定路由传送，通信后 拆除虚电路。
• 路由是通往目标主机的路径信息。 • 路由选择是为分组选择一条到达目标网络的路径。
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路由表的构造
• 路由表中保存的是分组到达目标网络的路径上 所要经过的下一个路由器的入口地址。 目标网络ID 代价 下一跳ID
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