計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-網(wǎng)絡(luò)層

教學(xué)內(nèi)容：廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制廣域網(wǎng)的路由選擇廣域網(wǎng)技術(shù)廣域網(wǎng)是作用地理范圍從數(shù)十公里到數(shù)千公里，可以連接若干個(gè)城市、地區(qū)甚至跨越國(guó)界、遍及全球的一種通信網(wǎng)絡(luò)。一般都是由電信公司所擁有。低速?gòu)V域網(wǎng)是傳輸速度較低的廣域網(wǎng)，低速?gòu)V域網(wǎng)包括電話網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN、以及X.25分組交換網(wǎng)。高速?gòu)V域網(wǎng)是速度高、延遲小的一種廣域網(wǎng)，包括幀中繼網(wǎng)、異步傳輸模式ATM網(wǎng)以及同步光纖網(wǎng)SONET等。廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)的區(qū)別廣域網(wǎng)由許多位于交換節(jié)點(diǎn)的交換機(jī)（稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)交換機(jī)）以及連接這些節(jié)點(diǎn)的鏈路組成。局域網(wǎng)的協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層，廣域網(wǎng)的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層。廣域網(wǎng)的主要問(wèn)題是分組轉(zhuǎn)發(fā)。廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間存在著較大的區(qū)別。從連接方式上看，廣域網(wǎng)的組成部分主要是分組交換機(jī)，采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，而局域網(wǎng)的組成多為計(jì)算機(jī)，普遍采用多點(diǎn)接入技術(shù)。一個(gè)典型的互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，位于不同地址位置的多個(gè)局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)連接后形成了互聯(lián)網(wǎng)。局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)件，在局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)內(nèi)部主機(jī)通信使用網(wǎng)絡(luò)的物理地址。

廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)的組成廣域網(wǎng)中最基本的交換機(jī)稱(chēng)為分組交換機(jī)（packetswitch，也稱(chēng)為包交換機(jī)），它可以將分組從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

廣域網(wǎng)的組成在廣域網(wǎng)中，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行互連的交換機(jī)稱(chēng)為內(nèi)部交換機(jī)（interiorswitch），而把外圍與計(jì)算機(jī)直接相連的交換機(jī)稱(chēng)為外部交換機(jī)（exteriorswitch），外部交換機(jī)也稱(chēng)為邊緣交換機(jī)。廣域網(wǎng)的基本工作模式是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（storeandforward），廣域網(wǎng)中的交換機(jī)及連接方式廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層主要功能建立、維護(hù)、拆除N層連接組包/拆包路由，尋址，轉(zhuǎn)發(fā)流控、擁塞控制數(shù)據(jù)：正常數(shù)據(jù)流和快速數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)互連。解決源端和目的端不在同一網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的問(wèn)題。廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)

從OSI參考模型來(lái)看，廣域網(wǎng)涉及到下三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。其中，網(wǎng)絡(luò)層為網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)提供了兩大類(lèi)服務(wù)：面向連接的虛電路服務(wù)

面向非連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)

9面向連接的虛電路服務(wù)用于建立、維護(hù)和拆除VC用于ATM、幀中繼、X.25中沒(méi)有用于今天的因特網(wǎng)中應(yīng)用運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路物理應(yīng)用運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路物理1.發(fā)起呼叫2.入呼叫3.接受呼叫4.呼叫已連接5.數(shù)據(jù)流開(kāi)始6.接收數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)的基本概念虛電路的轉(zhuǎn)發(fā)表廣域網(wǎng)的基本概念11面向非連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)層無(wú)呼叫建立盡最大努力交付分組使用目的主機(jī)地址轉(zhuǎn)發(fā)，在相同源和目的對(duì)可能采用不同的路徑應(yīng)用運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路物理應(yīng)用運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路物理1.發(fā)送數(shù)據(jù)2.接收數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)的基本概念數(shù)據(jù)報(bào)的轉(zhuǎn)發(fā)表廣域網(wǎng)的基本概念13因特網(wǎng)在計(jì)算機(jī)間交換數(shù)據(jù)“彈性”服務(wù)，無(wú)嚴(yán)格的定時(shí)要求“智能”端系統(tǒng)(計(jì)算機(jī))能夠適應(yīng)，執(zhí)行控制，差錯(cuò)控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部簡(jiǎn)單，“邊緣”復(fù)雜許多鏈路類(lèi)型不同的特點(diǎn)難以提供統(tǒng)一服務(wù)ATM從電話技術(shù)演化來(lái)人類(lèi)交談：嚴(yán)格定時(shí)，可靠性要求對(duì)確保服務(wù)的需求“啞”端系統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部復(fù)雜廣域網(wǎng)的基本概念虛電路服務(wù)與數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的對(duì)比對(duì)比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)思路可靠通信應(yīng)當(dāng)由網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證可靠通信應(yīng)當(dāng)由用戶主機(jī)來(lái)保證連接的建立必須有不需要終點(diǎn)地址僅在連接建立階段使用，每個(gè)分組使用短的虛電路號(hào)每個(gè)分組都有終點(diǎn)的完整地址分組的轉(zhuǎn)發(fā)屬于同一條虛電路的分組均按照同一路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)每個(gè)分組獨(dú)立選擇路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)結(jié)點(diǎn)出故障時(shí)所有通過(guò)出故障的結(jié)點(diǎn)的虛電路均不能工作出故障的結(jié)點(diǎn)可能會(huì)丟失分組，一些路由可能會(huì)發(fā)生變化分組的順序總是按發(fā)送順序到達(dá)終點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)不一定按發(fā)送順序端到端的差錯(cuò)處理和流量控制可以由網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)，也可以由用戶主機(jī)負(fù)責(zé)由用戶主機(jī)負(fù)責(zé)教學(xué)內(nèi)容：廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制廣域網(wǎng)的路由選擇廣域網(wǎng)技術(shù)廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制網(wǎng)絡(luò)層涉及的是將源端發(fā)出的分組經(jīng)各種途徑送到目的端。中間可能經(jīng)過(guò)許多結(jié)點(diǎn)。是處理端到端的最低層。路由:

決定分組從源到目的地所采用的路由轉(zhuǎn)發(fā):

將分組從路由器的輸入移動(dòng)到適當(dāng)?shù)穆酚善鬏敵雎酚伤惴?lèi)比:路由:

規(guī)劃從源到目的地路徑的過(guò)程轉(zhuǎn)發(fā):

通過(guò)單個(gè)立交橋的過(guò)程171230111到達(dá)分組首部的值選路算法本地轉(zhuǎn)發(fā)表首部值輸出鏈路01000101011110013221路由對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的影響虛電路的分組轉(zhuǎn)發(fā)建立虛電路時(shí)確定路徑，數(shù)傳階段實(shí)現(xiàn)邏輯電路號(hào)變換，按固定方向轉(zhuǎn)發(fā)。廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制數(shù)據(jù)報(bào)的分組轉(zhuǎn)發(fā)查找轉(zhuǎn)發(fā)表，根據(jù)目的地址確定下一站的轉(zhuǎn)發(fā)端口1.廣域網(wǎng)的物理編址在許多廣域網(wǎng)中使用了層次編址方案（hierarchicaladdressingscheme）最簡(jiǎn)單的層次編址稱(chēng)為兩段式層次地址。主機(jī)地址：每臺(tái)主機(jī)在廣域網(wǎng)中的地址是惟一的所連接交換機(jī)編號(hào)所連接的交換機(jī)的端口號(hào)廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制2.轉(zhuǎn)發(fā)表結(jié)構(gòu)每一個(gè)交換機(jī)中都有一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表，簡(jiǎn)稱(chēng)為路由表（routingtable）。路由表中有兩個(gè)重要的組成：即分組的目的站點(diǎn)和下一站點(diǎn)（nexthop）。

廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制轉(zhuǎn)發(fā)表結(jié)構(gòu)沒(méi)有源地址項(xiàng)，轉(zhuǎn)發(fā)只考慮目的站路由選擇中的下一個(gè)站點(diǎn)只取決于發(fā)組中的目的站點(diǎn)地址，而與源站點(diǎn)地址無(wú)關(guān)，這個(gè)概念稱(chēng)為原地址獨(dú)立性（sourceindependence）。直接交付間接交付

廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制直接交付，當(dāng)分組的源主機(jī)和目的主機(jī)是在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，或轉(zhuǎn)發(fā)是在最后一個(gè)交換機(jī)與目的主機(jī)之間時(shí)將直接交付。廣域網(wǎng)中的

分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制間接交付，目的主機(jī)與源主機(jī)不在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，分組間接交付。廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制3.轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程按照分組的目的站點(diǎn)的交換機(jī)號(hào)確定下一跳目的交換機(jī)根據(jù)主機(jī)連接端口號(hào)確定交付的主機(jī)廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制為使廣域網(wǎng)能夠正常運(yùn)行，交換機(jī)中的路由表必須符合以下條件：

完整的路由。每個(gè)交換機(jī)的路由表中必須包含有能夠到達(dá)所有目的站點(diǎn)的“下一站點(diǎn)”

路由優(yōu)化。對(duì)于一個(gè)給定的目的站點(diǎn)而言，交換機(jī)的路由表中的“下一站點(diǎn)”必須是指向目的站點(diǎn)的最短路徑。廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制4.轉(zhuǎn)發(fā)表簡(jiǎn)化按交換機(jī)號(hào)合并表項(xiàng)，修改第一列目標(biāo)主機(jī)為目標(biāo)主機(jī)所連接交換機(jī)。默認(rèn)路由（缺省路由）項(xiàng)，用一個(gè)條目來(lái)代替路由表中具有相同“下一站點(diǎn)”的多條重復(fù)條目。默認(rèn)路由的目的站點(diǎn)用符號(hào)“*”表示。目的是減少查找轉(zhuǎn)發(fā)表的時(shí)間，提高處理速度。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表使用了默認(rèn)路由后的簡(jiǎn)化路由表教學(xué)內(nèi)容：廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制廣域網(wǎng)的路由選擇廣域網(wǎng)技術(shù)廣域網(wǎng)中的路由選擇路由與轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)路由選擇算法構(gòu)造路由表，根據(jù)路由表得到轉(zhuǎn)發(fā)表，分組轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)查找轉(zhuǎn)發(fā)表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。路由選擇算法是網(wǎng)絡(luò)層軟件的一部分，負(fù)責(zé)確定分組的傳輸路線。具有全局性。路由選擇算法的工作在網(wǎng)絡(luò)層，設(shè)備涉及廣域網(wǎng)中的交換機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的路由器。廣域網(wǎng)互連網(wǎng)的路由區(qū)別一個(gè)理想的路由算法應(yīng)具有以下的特點(diǎn)：算法必須是正確和完整的。分組能夠根據(jù)交換機(jī)中的路由表成功到達(dá)目的計(jì)算機(jī)；在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，路由表應(yīng)該包含所有能夠到達(dá)的交換機(jī)的信息。算法應(yīng)力求盡量簡(jiǎn)單。算法復(fù)雜將會(huì)增加系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)，所以路由算法在保證功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單。算法應(yīng)能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)流量發(fā)生變化時(shí)，算法應(yīng)能夠自動(dòng)改變路由以實(shí)現(xiàn)各鏈路的負(fù)載均衡；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)硬件發(fā)生故障時(shí)，算法能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并將故障發(fā)送給其他的交換機(jī)。同時(shí)，當(dāng)故障排除后，算法也應(yīng)及時(shí)恢復(fù)路由。廣域網(wǎng)中的路由選擇一個(gè)理想的路由算法應(yīng)具有以下的特點(diǎn)：算法應(yīng)具有穩(wěn)定性。當(dāng)路由表建立后，如果網(wǎng)絡(luò)的通信流量和鏈路狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，這時(shí)算法應(yīng)保證路由表的穩(wěn)定性。算法應(yīng)是公平的，對(duì)所有的用戶平等對(duì)待。算法應(yīng)是最佳的，以最小代價(jià)實(shí)現(xiàn)路由算法。廣域網(wǎng)中的路由選擇討論路由選擇算法涉及的主要參數(shù)：跳數(shù)（hopcount），分組從源結(jié)點(diǎn)到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的路由器的個(gè)數(shù)。帶寬（bandwidth），鏈路的傳輸速率。延時(shí)（delay），分組從源結(jié)點(diǎn)到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)花費(fèi)的時(shí)間。負(fù)載（load），通過(guò)路由器或線路的單位時(shí)間通信量。可靠性（reliability），傳輸過(guò)程中的誤碼率。開(kāi)銷(xiāo)（overhead），傳輸過(guò)程中的耗費(fèi)，與所使用的鏈路帶寬相關(guān)。廣域網(wǎng)中的路由選擇分類(lèi)：

靜態(tài)路由（staticrouting）。在交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)計(jì)算和設(shè)置路由，此后路由不再改變。

動(dòng)態(tài)路由（dynamicrouting）。在交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行初始化，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化（如某一臺(tái)交換機(jī)出現(xiàn)阻塞或某一條鏈路出現(xiàn)故障時(shí)）時(shí)隨時(shí)進(jìn)行更新。廣域網(wǎng)中的路由選擇復(fù)雜性所有結(jié)點(diǎn)共同協(xié)調(diào)完成環(huán)境變化，無(wú)法預(yù)測(cè)擁塞狀態(tài)下難于獲得路由選擇策略廣域網(wǎng)中的路由選擇廣域網(wǎng)中的路由選擇與流量控制好的流控使更多的通信量流入網(wǎng)絡(luò)，好的路由選擇可以使網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延較低。輸入網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載增大，網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延增大，需要進(jìn)一步的流量控制，拒絕一些負(fù)載。網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延隨網(wǎng)絡(luò)的通信量增大，良好的路由選擇可以使網(wǎng)絡(luò)對(duì)吞吐量的變化性能得到改善。廣域網(wǎng)中的路由選擇路由選擇對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時(shí)延的影響路由選擇與流量控制之間的關(guān)系教學(xué)內(nèi)容：廣域網(wǎng)的基本概念廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制廣域網(wǎng)的路由選擇廣域網(wǎng)技術(shù)廣域網(wǎng)技術(shù)低速?gòu)V域網(wǎng)是傳輸速度較低的廣域網(wǎng)，低速?gòu)V域網(wǎng)包括電話網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN、以及X.25分組交換網(wǎng)。高速?gòu)V域網(wǎng)是速度高、延遲小的一種廣域網(wǎng)，包括幀中繼網(wǎng)、異步傳輸模式ATM網(wǎng)以及同步光纖網(wǎng)SONET等。公用交換電話網(wǎng)（PSTN）綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）分組交換網(wǎng)X.25幀中繼FR異步傳輸方式ATM同步光纖網(wǎng)SONET廣域網(wǎng)技術(shù)X.25標(biāo)準(zhǔn)的層次關(guān)系廣域網(wǎng)技術(shù)廣域網(wǎng)技術(shù)ISDN是由綜合數(shù)字電話網(wǎng)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它提供端到端的數(shù)字連接以支持廣泛的服務(wù)，包括聲音的和非聲音的，用戶的訪問(wèn)是通過(guò)少量多用途用戶網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的。ISDN協(xié)議參考模型的基本概念是建立在ISO/OSI參考模型的分層通信原理基礎(chǔ)上，它和ISO/OSI參考模型的區(qū)別在于多通道訪問(wèn)接口結(jié)構(gòu)以及公共通道信令，它包括了多種通信模式和能力。分組交換是一種在距離相隔較遠(yuǎn)的工作站點(diǎn)之間進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Х椒ǎY(jié)合線路交換和報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)，將信息分成較小的分組進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，動(dòng)態(tài)分配線路的帶寬。X.25網(wǎng)是最常用的分組交換網(wǎng)，X.25描述了將一個(gè)分組終端連接到一個(gè)分組網(wǎng)絡(luò)上所需要做的工作。X.25包含有3層協(xié)議，即物理層，鏈路層和分組層。X.25的分組層提供虛電路服務(wù)，數(shù)據(jù)以分組形式通過(guò)外部虛電路傳輸。虛電路有兩種類(lèi)型：呼叫虛電路和永久虛電路。呼叫虛電路是通過(guò)呼叫建立和呼叫清除等過(guò)程動(dòng)態(tài)地建立起來(lái)的虛電路。永久虛電路則是固定的虛電路。廣域網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信設(shè)施具有高質(zhì)量、高可靠的傳輸鏈路，很多場(chǎng)合采用光纖，提供了高可靠的傳輸技術(shù)，采用X.25不僅其開(kāi)銷(xiāo)是不必要的，而且會(huì)大大影響高速數(shù)據(jù)鏈路的利用率。幀中繼的設(shè)計(jì)，消除了很多X.25對(duì)最終用戶系統(tǒng)和分組交換網(wǎng)所需的開(kāi)銷(xiāo)。ATM的信元結(jié)構(gòu)包含5個(gè)字節(jié)的信元頭和48個(gè)字節(jié)的信元信息域，合計(jì)為53字節(jié)的固定字長(zhǎng)。字節(jié)是按遞增順序發(fā)送，從第一個(gè)字節(jié)開(kāi)始，字節(jié)中的位是按遞減順序發(fā)送，從第8位開(kāi)始。廣域網(wǎng)技術(shù)ATM網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)成能夠同時(shí)傳送很多不同類(lèi)型的通信量，包括實(shí)時(shí)的流量，例如話音、圖像以及突發(fā)的TCP流量。雖然每一種通信量是以一串53字節(jié)的信元形式通過(guò)虛通路的，但每一種數(shù)據(jù)流量在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)被處理的方法，則依賴(lài)于通信流量的特性和應(yīng)用的需求。SONET和SDH標(biāo)準(zhǔn)