计算机网络课件6 网络层

网络层协议的内容

（5）为了实现分组数据传输，通信的两个网 络层设备之间需要一些互动操作，也称同步 机制。

包括连接建立管理（包括面向连接和面向非连接）。 网络层也需要一些辅助协议，该类协议不为分组传 输提供直接服务，而是提供帮助，配合其它传输协 议工作。


（6）辅助协议

如网络运行状态诊断、线路异常报告、地址转换等。
为了得到路由表而采取的方案、实现及程序。即通过某些工作或 措施得到或更新路由表的过程。 对于一个具体的网络系统而言，得到路由表的方法或措施有多种， 那么如何来评价这些算法得到的路由表性能的优劣呢？答案就是 提供评价指标或原则。

算法实体：


算法性能评价指标：


通常路由算法应具有的特性为：

正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性和最优性等。
网络层的工作环境
应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层 A 网络层 数据链路层 网络层 数据链路层 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 B D 物理层 物理层 C
网络层的工作环境


调用数据链路层提供的帧传输服务，为 传输层提供主机到主机的分组传输服务； 对传输层屏蔽掉网络层实现的细节； 通信中的两个主机可以在一个物理网络 中，也可以是在通过通信子网连接的不 同物理网络中。

路由表的形成机制，包括路由算法、优化指标等。
路由功能和交换功能都涉及到网络层的大量设备。数据分组是从哪 个网络设备发出来的？ 发给谁? 因此，必须给网络层的每个设备分配一个身份标识，这就是网络层 的编址技术； 根据分配到的身份标识，把分组送到对应的目标主机的过程就是网 络层的寻址技术。

（4）编址和寻址技术：
应用层 传输层 网络层
应用层 传输层 网络层 通信子网
虚电路子网服务和数据报子网服务对比
问题 呼叫建立过程 地址信息 路由选择 路由故障 可靠性 差错处理 接收顺序 数据报子网 不需要 每个包都有完整源和目的地址信息 每个包独立选择 不作处理 相对较差 由终端解决 无序 虚电路子网 必须 每个包包含虚电路号 仅建立虚电路时选择 终止本次传输 相对可靠 由网络解决 按序接收

（2）路由功能：



网络层协议的功能：

（3）连接建立功能：



有了交换和路由功能之后，网络层设备具备了执行网络层功能的基本条件。 但是数据通信的两台计算机之间必须要有一个作为通信的发起方，另一个 作为通信的接收方。 发起方可以直接发送数据分组给接收方而不事先告知，也可以在发送数据 分组之前先告知接收方。 根据通信前两台主机之间是否执行握手过程，网络层提供了两种不同的通 信设备互动机制，即面向连接的通信机制和面向无连接的通信机制，网络 层把该机制称为连接建立功能。
虚电路通信子网





通信子网负责提供可靠交付功能，采用面向连接的通信 方式。 该方案类似电路交换技术，具有建立连接、数据传输和 释放连接三个过程 但是基于分组交换技术，通信中的双方并不独占线路资 源，因此称为虚电路。 两个站点之间使用虚电路（virtual circuit，VC）方式进 行通信。 ATM、帧中继和X.25等网络等采用虚电路方案。

ICMP：网际控制报文协议 IGMP：网际组管理协议
通信子网的构建和设计

在计算机网络领域，网络层应该向运输层 提供怎样的服务？ 是提供“面向连接”服务还是“面向无连 接”服务呢？ 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？ 对该类问题的解决方案不同，则对应的通 信子网工作机制也不同。 由此形成了两大类基本的通信子网构建机 制，分别是虚电路通信子网和数据报通信 子网。
设计路由算法需要考虑的问题：

网络对象的基本特性：

在自动化系统中，要设计一种控制算法，必须先明确被控对象的 基本特征；路由算法也不例外。设计路由算法时，必须先明确网 络对象的一些基本特征，如通信子网拓扑结构、工作机制、链路 特征等。

算法目标：

对路由算法而言，基本目标就是找到合适的路径，生成或更新路 由表。
网络层协议的内容

（1）通信子网该如何构建和设计？

网络层的分组传输服务是通过通信子网中的大量网络设备、多次接 力转发实现的。通信子网的拓扑结构、工作机制和性能直接影响到 网络层服务。 包括分组格式定义、字段的含义等。

（2）数据分组单元该如何定义？


（3）网络层设备应具备路由和交换功能，路由器硬件、软件设 计和工路(VC)的组成为：


源和目的主机之间的路径，即一系列链路和路由器；VC号， 即沿着该路径的每段链路一个号码； 每台路由器中的转发表。


每个分组携带一个VC号。 因为一条虚电路的每段条链路可能使用不同的VC号， 每经过一个路由器，用新的VC号替换该分组携带的 VC号。 新VC号从路由器的转发表获得。 在虚电路网络中，路由器要为通信中的连接维持状 态信息。每当跨越一台路由器则创建一个新连接， 并加到该路由器转发表中；每当释放一个连接，必 须从该表中删除该项。
网络层协议的功能：

（1）交换功能：

当一个分组到达网络层设备的一条输入链路时，该设备将该分组先 缓存下来，在输出线路空闲的时候，把该分组通过输出链路发送出 去，即基于存储-转发技术完成接收分组并转发分组功能。 当分组从发送方流向接收方时，通信子网提供了很多的传输路径， 网络层必须能够选择分组传输的最佳路径，并形成转发表用于指导 执行交换功能把分组从合适的端口转发出去。 选择最佳路径并形成转发表的算法被称为路由算法（routing algorithm）。 网络设备都具有一张转发表（forwarding table），也称路由表。 无论两个主机是否位于同一个物理网络中，网络设备只能通过和其 直接连的邻居网络设备把数据分组转发出去。因此，路由表通常有 两列组成，第一列为目标网络设备，第二列为将该分组转发到目标 网络设备时选择的该设备的某个输出端口，也可用和该端口直接相 连的邻居网络设备表示，即下一跳节点。
第六章 网络层
网络层的定义


网络层为高层协议提供一个主机到另一个主 机的通信服务。 ISO给出的网络层协议定义为：

网络层为一个网络连接的两个传送实体之间交换 网络服务数据单元提供功能和规程的方法，它使 传送实体独立于路由选择和交换的方式。

网络中的每台主机和路由器中都网络层协议。 网络层是通信子网设备的协议最高层，是通 信子网的边界。

分散式路由算法（decentralized routing algorithm）：


不需要知道通信子网的全部拓扑结构，也不需知道每段 链路的费用。通过与相邻节点交换信息和迭代计算过程， 计算出到达某个目的节点或一组目的节点的最低费用路 径，并形成路由表。 D-V向量算法属于分散式路由算法
（2）路由算法的分类

数据传送阶段



虚电路拆除阶段：

虚电路通信过程示意图
1 呼叫连接
2 同意连接
4 断开连接 应用层 传输层 网络层
3 发送数据
4 断开连接 应用层 传输层 网络层 通信子网
数据报通信子网

因特网采用的设计思想是：


网络层只提供简单灵活的、无连接的、尽最 大努力交付的数据报服务，传输数据的可靠 性由端系统中的高层协议去保证。 因特网的网络层采用面向无连接的方式，为 高层协议提供数据分组传输服务，形成的通 信子网被称为数据报通信子网。
（1）什么是“好”的路径？
2 3 1 7 8 6 4 5 5 8 7 5 3 10 6 6
（2）路由算法的分类

根据路由算法对通信子网的信息要求不同

全局路由算法（global routing algorithm）：


用完整的、全局性的通信子网信息来计算源到目的地址 之间的最低费用路径。在计算以前，每个路由器都需要 知道通信子网的完整拓扑结构、每一段链路的费用信息。 链路状态算法和最短路径算法属于全局路由算法。
（1）什么是“好”的路径？





选路问题可采用图论的方法来研究。在图论中，图（graph） G=（N，E）是一个N个节点和E条边的集合，其中每条边连接 的是来自N的一对节点。 在网络层选路的环境中，图中的节点表示路由器，连接这些节 点的边表示路由器之间的物理链路 给定任意两个节点x和y，在这两个节点之间通常有许多路径可 选，每条路径都会有一个费用，而这些路径中的会有一条或多 条是费用最低的路径。 在计算机网络中，费用可以是延迟、经费、距离、安全性或拥 塞程度等指标，也可以是用户定义的其它指标，通常认为费用 最低的路径就是一条“好”的路径。 确定各条边的费用后，选路算法的目标就是找出从源到目的主 机之间的最低费用路径，并生成或更新路由表。
虚电路通信过程包括三个阶段

虚电路建立阶段：




发送方网络层发出一个呼叫分组，包括初始链路的VC号； 通信子网中的每个路由器执行路由选择功能，为该呼叫分组选择最佳的路径并转发， 同时为该条路径分配一个VC标识，同时在该路由器的转发表中增加一项； 呼叫分组在通信子网中转发并在途经路由器中建立起VC标识直到目标主机为止； 呼叫接入到目标主机后，如果其同意连接，则发送响应分组； 响应分组不再进行路由选择，而是沿着呼叫分组所建立的一系列VC标识路径反向 传递直到源主机为止； 至此，收发主机之间的虚电路连接被建立起来，可以进行数据分组传输了。 虚电路连接建立之后，网络层可以开始发送数据分组； 每一个数据分组携带VC标识，沿着建立起来的虚电路传输路径依次转发，直到目 的主机为止； 在通信子网中传输时，VC号是不断变化的。路由器根据数据分组携带的VC标识进 行查表、转发。 数据发送完毕后，源主机或目的主机都可以终止该虚电路。 网络层将通知另一侧的主机系统结束该虚电路连接，并更新路径上每台路由器中的 转发表。