計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)chapter5

1、網(wǎng)絡(luò)層第五章15.1 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計要點(diǎn)存儲-轉(zhuǎn)發(fā)分組交換向傳輸層提供的服務(wù)無連接服務(wù)的實(shí)現(xiàn)面向連接服務(wù)的實(shí)現(xiàn)虛電路子網(wǎng)和數(shù)據(jù)報子網(wǎng)的比較2存儲-轉(zhuǎn)發(fā)分組交換網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的環(huán)境fig 5-13向傳輸層提供的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)的目標(biāo)是：服務(wù)應(yīng)與通信子網(wǎng)技術(shù)無關(guān)；通信子網(wǎng)的數(shù)量、類型和拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)對于傳輸層是隱蔽的；傳輸層所能獲得的網(wǎng)絡(luò)地址應(yīng)采用統(tǒng)一的編號方式，即使跨越多個LAN和MAN。 4無連接服務(wù)的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報：不預(yù)先選擇路由，發(fā)出的每個分組所選擇的路由都獨(dú)立于其前面發(fā)出的分組，這種方式容易處理傳送失敗和擁塞。 路由器不必用表登記每條打開的虛電路，只需要指明每一條可能的目的路由器的外出線路。5無連接服務(wù)的實(shí)

2、現(xiàn)（2）數(shù)據(jù)報子網(wǎng)的路由6面向連接服務(wù)的實(shí)現(xiàn)虛電路：建立連接后，所有分組都必須沿這個路線傳送，傳送完畢后，釋放連接。 也就是說，從源端機(jī)器到目的端機(jī)器的路由作為連接建立的一部分加以保存，此路由也用于傳送連接上的所有數(shù)據(jù)。這與電話系統(tǒng)的工作原理一樣。 每個路由器必須記住應(yīng)當(dāng)把分組發(fā)往當(dāng)前打開的傳輸要經(jīng)過的那條虛電路，每個路由器必須保持一張表，每個打開的虛電路占一項(xiàng)； 每個分組頭除了序號、校驗(yàn)和等之外，必須包含一個虛電路號；分組到達(dá)時，路由器就知道該分組從哪條線路來的及其虛電路號，從而傳到正確的路由器。7面向連接服務(wù)的實(shí)現(xiàn)（2）虛電路子網(wǎng)內(nèi)的路由8虛電路子網(wǎng)和數(shù)據(jù)報子網(wǎng)的比較5-495.2 路由算

3、法優(yōu)化原則最短路徑路由擴(kuò)散法距離矢量路由鏈路狀態(tài)路由分級路由廣播路由多播路由移動主機(jī)的路由10路由算法路由算法應(yīng)滿足的條件：正確性、簡單性、健壯性（能妥善處理拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和通信量的變化，而不會使所有主機(jī)中的作業(yè)都終止，也不必每當(dāng)某些路由器崩潰時，都要重新啟動該網(wǎng)絡(luò)）、穩(wěn)定性（有的路由選擇算法不管運(yùn)行了多長時間，都不可能趨于穩(wěn)定）、公平性和最優(yōu)性（常常相互矛盾）。11路由算法（2）公平性和最優(yōu)性之間的沖突12優(yōu)化原則(a) 一個子網(wǎng) (b) 路由器B的匯集樹13最短路徑路由計算從 A 到D的最短路徑的前5步，圖中箭頭表示的是工作節(jié)點(diǎn)14擴(kuò)散法每個進(jìn)來的分組被發(fā)送到除了它進(jìn)來的那條路線之外的每條輸出線

4、路上。必須抑制擴(kuò)散，如采用跳數(shù)計數(shù)器，使用序列號。選擇性擴(kuò)散：只輸出到大概方向正確的線路上。15距離矢量路由讓每個路由器維護(hù)一張表，表中給出了到每個目的地已知的最佳距離和路線，通過與相鄰路由器交換信息來更新表的信息。 1)每個路由器維持有一張子網(wǎng)中每一個以其他路由器為索引的路由選擇表，表中的每個項(xiàng)目對應(yīng)于子網(wǎng)中的每個路由器。表項(xiàng)包括：希望使用的到目的地的輸出線路和估計到達(dá)目的地所需的時間或距離。 2)假定用延遲來作為度量標(biāo)準(zhǔn)，且路由器知道其相鄰路由器的延遲。每T ms路由器將它估計的到各目的地的延遲清單送給各個相鄰節(jié)點(diǎn)，它也從相鄰節(jié)點(diǎn)收到一份類似的清單。即僅與相鄰路由器交換路由表，按固定的時間

5、間隔。 缺點(diǎn)：壞消息傳得慢，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障很難更新；存在無窮計算問題。16距離矢量路由（2）一個子網(wǎng) (b) 從 A, I, H, K的輸入，以及J的新路由表17距離矢量路由（3）無窮計算問題18鏈路狀態(tài)路由每個路由器必須： 1、發(fā)現(xiàn)它的鄰居節(jié)點(diǎn)，并知道其網(wǎng)絡(luò)地址； 2、測量它到各鄰居節(jié)點(diǎn)的延遲或開銷； 3、組裝一個分組以告之它剛知道的所有信息； 4、將這個分組發(fā)送給所有其他路由器； 5、計算到每個其他路由器的最短路徑。 這樣，完整的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和所有的延遲都已被測量并發(fā)布到各個路由器中，隨后，各個路由器可以用Dijkstra算法來找出最短路徑。19發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)一個路由器啟動后，要通過每條點(diǎn)到點(diǎn)線

6、路發(fā)送特殊的hello分組，在另一端的路由器應(yīng)發(fā)回一個應(yīng)答來說明它是誰，這個名字必須全局唯一。這樣，該路由器就知道了它的鄰居都是誰。20發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)（2）(a) 3個路由器和一個 LAN (b) (a)的一個圖形模型21測量線路開銷需要每個路由器知道它到鄰居節(jié)點(diǎn)的延遲：發(fā)送一個需要對方立即響應(yīng)的特殊分組ECHO，測量一個來回時間除以2，可以得到一個可靠的延遲估計值。測量延遲時間是否要考慮排隊(duì)延遲，即是否從echo分組進(jìn)入隊(duì)列開始計時：相同帶寬時，不繁忙的路徑應(yīng)為最短路徑，但這種做法也會引發(fā)問題 .22測量線路開銷（2）通過兩條線路將東西兩部分連接起來的一個子網(wǎng)23創(chuàng)建鏈路狀態(tài)分組以發(fā)送者的標(biāo)志

7、符開頭，緊跟著是順序號和年齡，和一個鄰居節(jié)點(diǎn)列表。對每個鄰居節(jié)點(diǎn)，都給出了他們的延遲。 創(chuàng)建時間：定期創(chuàng)建或當(dāng)出現(xiàn)重大事件時再創(chuàng)建（線路或鄰居節(jié)點(diǎn)的增刪）。24創(chuàng)建鏈路狀態(tài)分組（2）(a) 一個子網(wǎng) (b) 該子網(wǎng)的鏈路狀態(tài)分組25發(fā)布鏈路狀態(tài)分組基本思想：利用擴(kuò)散來發(fā)布分組。為控制擴(kuò)散，每個分組包含一個順序號，該序號每次發(fā)送新分組時加1。路由器記下它所見過的所有信息對（源路由器、順序號）。當(dāng)一個新分組到達(dá)時，它先查看一下是否收到過。如果是新的，向除進(jìn)入線路外的所有線路發(fā)布；如果重復(fù)則丟棄；如果順序號比以前到達(dá)的最大的順序號還小，則被認(rèn)為已經(jīng)過時而拒絕。使用32位序號，保證不會發(fā)生沖突。路由器

8、崩潰則序號從0開始，會被當(dāng)作重復(fù)分組；序號傳送會出錯，解決方法：加入年齡字段，每秒鐘減1。年齡為0時，來自于那個路由器的信息就被丟棄。26發(fā)布鏈路狀態(tài)分組（2）路由器B 的分組緩沖區(qū) (圖 5-13)27分級路由隨著網(wǎng)絡(luò)的增大，路由器路由選擇表也會成比例的增大，在某一時刻，網(wǎng)絡(luò)可能會增大到不可能讓每個路由器都給出到其它每個路由器的路徑表項(xiàng)。因此不得不進(jìn)行分級路由選擇。將路由器劃分為區(qū)域，每個路由器知道區(qū)域內(nèi)怎樣選擇路由，但并不知道其它區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。巨型網(wǎng)絡(luò)要劃分為多級：如簇、區(qū)、組等。N個路由器的子網(wǎng)最優(yōu)級數(shù)為ln N，其中每個路由器需要的表項(xiàng)總數(shù)為eln N。 28分級路由（2）分級路由2

9、9廣播路由單獨(dú)發(fā)送給每個目標(biāo)；擴(kuò)散；多目標(biāo)路由；使用匯集樹；逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)；30廣播路由（2）逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā) (a) 一個子網(wǎng) (b) 匯集樹 (c) 逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)算法建立起來的樹31多播路由 (a) 一個網(wǎng)絡(luò) (b) 最左邊路由器的生成樹 (c) 針對組1的多播樹 (d) 針對組2的多播樹 325.3 擁塞控制擁塞控制的通用原則擁塞預(yù)防策略虛電路子網(wǎng)中的擁塞控制數(shù)據(jù)報子網(wǎng)中的擁塞控制負(fù)載丟棄抖動控制33擁塞 當(dāng)流量太大時，擁塞就會發(fā)生，性能急劇降低34擁塞控制的通用原則監(jiān)視系統(tǒng)檢測到何時何地發(fā)生了擁塞。將該信息傳遞到能夠采取行動的地方。調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行，以改正問題。35擁塞預(yù)防策略影響擁塞的策略5

10、-2636虛電路子網(wǎng)中的擁塞控制準(zhǔn)入控制：一旦出現(xiàn)擁塞的信號，則不再創(chuàng)建任何虛電路。允許建立虛電路，但謹(jǐn)慎的選擇路由，使所有新的虛電路都繞開有問題的區(qū)域。資源預(yù)留：在建立虛電路的時候，在主機(jī)和子網(wǎng)之間進(jìn)行協(xié)商以達(dá)成一致的約定，通常規(guī)定了流量的容量和形狀，所要求的服務(wù)質(zhì)量和其他的參數(shù)。37虛電路子網(wǎng)中的擁塞控制（2）(a) 一個擁塞子網(wǎng) (b) 消除了擁塞之后的子網(wǎng)，同時還顯示了從 A 到 B 的一條虛電路38數(shù)據(jù)報子網(wǎng)中的擁塞控制警告位：在分組的頭設(shè)置一個特殊的位來警告狀態(tài)，目標(biāo)端將此位復(fù)制到下一個確認(rèn)分組中，送回源主機(jī)。抑制分組：給源主機(jī)回送一個抑制分組，源主機(jī)收到后，發(fā)給指定目標(biāo)的流量必須

11、減少X百分比。逐跳抑制分組：讓抑制分組影響到沿途的每一跳，會在上游路徑消耗更多的緩沖區(qū)空間。39逐跳抑制分組(a) 一個只影響源主機(jī)的抑制分組(b) 一個影響到沿途每一跳的抑制分組40負(fù)載丟棄葡萄酒策略牛奶策略標(biāo)明優(yōu)先級，并以費(fèi)用的形式體現(xiàn)。隨機(jī)的早期檢測：路由器維護(hù)其隊(duì)列最近的平均長度值。當(dāng)某一條線路上的隊(duì)列平均長度超過一定閾值的時候，該線路被認(rèn)定是擁塞的，從而隨機(jī)的選取分組，丟棄。41抖動控制(a) 高抖動 (b) 低抖動42抖動控制通過計算出沿途每一跳的期望傳輸時間，就可以對抖動加以控制。如果一個分組提前到達(dá)，那么它盡可能多停留一段時間；如果比預(yù)定到達(dá)的晚，則盡快轉(zhuǎn)發(fā)。某些應(yīng)用中，可以先

12、將分組緩存起來。435.4 服務(wù)質(zhì)量需求獲得好的服務(wù)質(zhì)量所使用的技術(shù)綜合服務(wù)區(qū)分服務(wù)標(biāo)簽交換和 MPLS44需求服務(wù)質(zhì)量需求的嚴(yán)格程度5-3045獲得好的服務(wù)質(zhì)量所使用的技術(shù)過度提供資源緩沖能力：在接收方，數(shù)據(jù)流在被遞交之前先緩存起來，可以消除抖動。流量整形：當(dāng)服務(wù)器同時處理多個流的時候，輸出可能很不規(guī)律。流量整形技術(shù)能使主機(jī)以均衡的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個連接被建立時，用戶和子網(wǎng)對于它們之間應(yīng)該遵循什么樣的流量模式達(dá)成了一致的協(xié)議，可以保證實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。漏桶算法：在每個主機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)的接口上都包含一個漏桶，即一個有限長度的內(nèi)部隊(duì)列。如果當(dāng)該隊(duì)列滿的時候，又有一個分組到來，那么該分組將被丟棄

13、。46緩沖通過緩存分組的辦法來平滑輸出流47漏桶算法(a) 一個盛水的漏桶 (b) 一個裝分組的漏桶48漏桶算法(a) 進(jìn)入到漏桶的輸入數(shù)據(jù)； (b) 漏桶的輸出；(c) - (e) 當(dāng)容量分別是250 KB, 500 KB, 750 KB時漏桶的輸出；(f) 一個500KB 的令牌桶接一個10Mbps漏桶的輸出；49令牌桶算法(a) 之前 (b) 之后5-3450資源預(yù)留1）帶寬；2）緩沖區(qū)空間；3）CPU周期。51準(zhǔn)入控制流規(guī)范例子5-3452比例路由將到達(dá)每個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的流量分散到多條路徑上。由于路由器通常不可能完全了解全網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的流量情況，所以，將流量分散到多條路徑上的唯一可行做法是使

14、用本地可用的局部信息。一種簡單的方法是將流量平均分配到輸出鏈路上，或者根據(jù)這些鏈路的容量按比例進(jìn)行分配。53分組調(diào)度(a) 在路由器 O 的線路上有5個分組在排隊(duì)； (b) 5個分組的結(jié)束時刻54RSVP-資源預(yù)留協(xié)議(a) 一個網(wǎng)絡(luò)； (b) 主機(jī)1的多播生成樹； (c) 主機(jī)2的多播生成樹55RSVP-資源預(yù)留協(xié)議(2)(a) 主機(jī)3請求一條通向主機(jī)1的信道； (b) 然后主機(jī)3請求另一條通向主機(jī)2的信道； (c) 主機(jī)5請求一條通向主機(jī)1的信道56快速型轉(zhuǎn)發(fā)快速類別的分組經(jīng)過一個網(wǎng)絡(luò)57確保型轉(zhuǎn)發(fā)確保型轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流的一種可能的實(shí)現(xiàn)58標(biāo)簽交換和 MPLS利用 IP、MPLS和 PPP傳送一

15、個TCP分組595.5 網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)的不同之處網(wǎng)絡(luò)如何連接起來連鎖虛電路無連接的網(wǎng)絡(luò)互連隧道技術(shù)互連網(wǎng)路由分段60網(wǎng)絡(luò)互連一組相互連接的網(wǎng)絡(luò)61網(wǎng)絡(luò)的不同之處網(wǎng)絡(luò)的某些不同之處5-4362網(wǎng)絡(luò)如何互連(a) 通過交換機(jī)連接起來的兩個以太網(wǎng)絡(luò)； (b) 通過路由器連接63連鎖虛電路使用連鎖虛電路實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連64無連接的網(wǎng)絡(luò)互連無連接的互連65隧道技術(shù)從巴黎到倫敦以隧道方式傳遞一個分組66隧道技術(shù)(2)利用隧道將一輛汽車從法國運(yùn)到英國67互連網(wǎng)路由(a) 一個互連網(wǎng)絡(luò) (b) 互連網(wǎng)絡(luò)的圖表示68分段(a) 透明分段 (b) 不透明分段69分段 (2)當(dāng)基本數(shù)據(jù)長度為一個字節(jié)時的分段情況(a) 原

16、始分組，包含10個數(shù)據(jù)字節(jié)；(b) 當(dāng)通過一個最大分組長度為“8個凈荷字節(jié)+頭部”的網(wǎng)絡(luò)之后的分段；(c) 當(dāng)通過一個最大分組長度為5的網(wǎng)關(guān)之后的分段705.6 Internet上的網(wǎng)絡(luò)層IP 協(xié)議IP 地址Internet 控制協(xié)議OSPF 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議BGP 邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議Internet 多播移動IPIPv671Internet的設(shè)計原則保證它能夠工作；盡可能使它簡單；作出明確的選擇；盡可能做到模塊化；期望具備異構(gòu)性；避免使用固定不變的選擇和參數(shù)；尋找一個好的設(shè)計，它不必是最完美的；對于發(fā)送操作一定要嚴(yán)格，而對接受要有一定的容忍度；要考慮伸縮性；要考慮性能和代價。72子網(wǎng)的集合Internet 是由許多網(wǎng)絡(luò)相互連接之后構(gòu)成的集合73IP 協(xié)議IPv4 (Internet 協(xié)議) 頭部74IP 協(xié)議 (2)一些 IP 選項(xiàng)5-5475IP 地址IP 地址格式76IP 地址(2)特殊的 IP 地址77子網(wǎng)一個典型的校園網(wǎng)絡(luò)，各系有自己的 LAN78子網(wǎng) (2)一個B 類網(wǎng)絡(luò)被分成64個子網(wǎng)79CIDR 無類別域間路由IP 地址的分配示例5-5980NAT 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT 盒的位置和操作過程81Internet 控制消息協(xié)議主要的 ICMP 消息類型5-6182ARP 地址解析協(xié)議3個相互連接的 /24網(wǎng)絡(luò): 兩個以