計算機網(wǎng)絡(luò)課件04

第4章

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層基本概念

ISO定義

網(wǎng)絡(luò)層為一個網(wǎng)絡(luò)連接的兩個傳送實體間交換網(wǎng)絡(luò)

服務(wù)數(shù)據(jù)單元提供功能和規(guī)程的方法，它使傳送實體獨

立于路由選擇和交換的方式。

網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層的區(qū)別：

網(wǎng)絡(luò)層是將源端發(fā)出的分組經(jīng)各種途徑送到目的端。

而數(shù)據(jù)鏈路層僅將數(shù)據(jù)幀從傳輸介質(zhì)的一端送到另

一端。因此，網(wǎng)絡(luò)層是處理端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹蛯印?/p>

網(wǎng)絡(luò)層要解決的關(guān)鍵問題

了解通信子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇路由。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層3

廣域網(wǎng)的基本概念

?構(gòu)成：節(jié)點交換機+鏈路

?接入方式：多點接入

?主要任務(wù)：路由選擇

?主要協(xié)議層：網(wǎng)絡(luò)層

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第5章廣域網(wǎng)

?在互聯(lián)網(wǎng)中，主要特征是不同網(wǎng)絡(luò)的“互連”。

?廣域網(wǎng)是單個的網(wǎng)絡(luò)，它使用結(jié)點交換機連接各主

機。

?結(jié)點交換機在單個網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)分組，

?路由器在多個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)分組。

路由器

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層5

網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)

?為傳輸層提供服務(wù)

?網(wǎng)絡(luò)層為接在網(wǎng)絡(luò)上的主機所提供的服務(wù)

-無連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（數(shù)據(jù)報服務(wù)）

?每個分組攜帶源地址和目的地址，被直接發(fā)送與

接收。

-面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（虛電路服務(wù)）

?連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接釋放；

?每個分組只攜帶虛電路號沿著建立好的虛電路進(jìn)

行傳輸。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層6

服務(wù)的實現(xiàn)

?數(shù)據(jù)報(datagram)服務(wù)

-每個分組都有目的站全地址；

-路由器對每個分組的路由都進(jìn)行獨立選擇。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層7

服務(wù)的實現(xiàn)

?數(shù)據(jù)報(datagram)服務(wù)

-網(wǎng)絡(luò)盡最大努力地將分組交付給目的主機，但網(wǎng)絡(luò)對源

主機沒有任何承諾；

-網(wǎng)絡(luò)不保證所傳送的分組不丟失，也不保證按源主機發(fā)

送分組的先后順序，以及在時限內(nèi)必須將分組交付給目

的主機》;

-當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點可根據(jù)情況將一些分

組丟棄；

-數(shù)據(jù)報提供的服務(wù)是不可靠的，它不能保證服務(wù)質(zhì)量。

-實際上“盡最大努力交付”的服務(wù)，就是沒有質(zhì)量保證的

服務(wù)。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層8

服務(wù)的實現(xiàn)

?虛電路(virtualcircuit)月艮務(wù)

1.在連接建立階段，各路由器就設(shè)置好路由標(biāo)記；

2.在傳輸階段，各路由器依據(jù)每個分組的個虛電路號所對

應(yīng)的路由標(biāo)記進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；

3.在連接釋放階段，各路由器撤銷路由標(biāo)記。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)一期4章網(wǎng)絡(luò)層9

服務(wù)的實現(xiàn)

?虛電路(virtualcircuit)月艮務(wù)

-在虛電路建立后，網(wǎng)絡(luò)向用戶提供的服務(wù)就好像

在兩個主機之間建立了一對穿過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字管道。

-所有發(fā)送的分組都按順序進(jìn)入管道，然后按照先

進(jìn)先出的原則沿著此管道傳送到目的站主機；

-到達(dá)目的站的分組順序就與發(fā)送時的順序一致，

因此網(wǎng)絡(luò)提供虛電路服務(wù)對通信的服務(wù)質(zhì)量

QoS(QualityofService)有較好的保證。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層10

兩種服務(wù)的思路來源不同

?虛電路服務(wù)的思路來源于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)。

-電信網(wǎng)負(fù)責(zé)保證可靠通信的一切措施，因此電信網(wǎng)

的結(jié)點交換機復(fù)雜而昂貴。

?數(shù)據(jù)報服務(wù)力求使網(wǎng)絡(luò)生存性好和使對網(wǎng)絡(luò)的

控制功能分散，因而只能要求網(wǎng)絡(luò)提供盡最大

努力的服務(wù)。

-可靠通信由用戶終端中的軟件（即TCP）來保證。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)一第4章網(wǎng)絡(luò)層11

數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)特點

?網(wǎng)絡(luò)上傳送的報文長度，在很多情況下都很短。

-用數(shù)據(jù)報既迅速又經(jīng)濟。

-若用虛電路，為了傳送一個分組而建立虛電路和釋

放虛電路就顯得太浪費網(wǎng)絡(luò)資源了。

?分組的控制信息部分的開銷

-在使用數(shù)據(jù)報時，每個分組必須攜帶完整的地址信

息。

-在使用虛電路的情況下，每個分組不需要攜帶完整

的目的地址，而僅需要有個很簡單的虛電路號碼的

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層12

數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)特點

?差錯控制和流量控制

-在使用數(shù)據(jù)報時，主機承擔(dān)端到端的差錯控制和流

量控制。

-在使用虛電路時，分組按順序交付，網(wǎng)絡(luò)可以負(fù)責(zé)

區(qū)錯控制和流量控制。

?應(yīng)用情形

-數(shù)據(jù)報服務(wù)對軍事通信有其特殊的意義。當(dāng)某個結(jié)

點發(fā)生故障時，后續(xù)的分組就可另選路由，因而提

高了可靠性。

—但在使用虛電路時，結(jié)點發(fā)生故障就必須重新建立

另一條虛電路。

-數(shù)據(jù)報服務(wù)還很適合于將一個分組發(fā)送到多個地址

（即廣播或多播）。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層13

數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

優(yōu)缺點的歸納

對比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報服務(wù)

思路可靠通信應(yīng)當(dāng)可靠通信應(yīng)當(dāng)

由網(wǎng)絡(luò)來保證由用戶主機來保證

連接的建立必須有不要

目的站地址僅在連接建立階段每個分組都有

使用，每個分組使目的站的全地址

用短的虛電路號

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層14

數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

優(yōu)缺點的歸納

對比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報服務(wù)

分組的轉(zhuǎn)發(fā)屬于同一條虛電路每個分組獨立選擇

的分組均按照同一路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)

路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)結(jié)點出所有通過出故障的故障結(jié)點可能丟失

故障時結(jié)點的虛電路分組，一些路由

均不能工作可能會發(fā)生變化

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層15

數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)

優(yōu)缺點的歸納

對比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報服務(wù)

分組的順序總是按發(fā)送順序到達(dá)目的站時不一定

到達(dá)目的站按發(fā)送順序

端到端的可以由分組交換網(wǎng)由用戶主機負(fù)責(zé)

差錯處理和負(fù)責(zé)也可以由用戶

流量控制主機負(fù)責(zé)

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層16

因特網(wǎng)及協(xié)議

?因特網(wǎng)(Internet)是目前世界上最大的分布式計算機

網(wǎng)絡(luò)的集合。

?在因特網(wǎng)中不存在一個統(tǒng)一管理的單位，而是有各個

本地網(wǎng)自己管理。

?因特網(wǎng)中最重要的是TCP/IP協(xié)議，這個網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)

議使任意數(shù)目的計算機網(wǎng)可以互聯(lián)在一起。

?IP協(xié)議(InternetProtocol)

-網(wǎng)際協(xié)議(網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議)，實現(xiàn)異種機及異種網(wǎng)

的互連。

?TCP協(xié)議(TransmissionControlProtocol)

-傳輸控制協(xié)議(傳輸層的協(xié)議)

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層17

IP協(xié)議(InternetProtocol)

?與IP協(xié)議配套使用的協(xié)議

-地址解析協(xié)議ARP

-反向地址解析協(xié)議RARP

-因特網(wǎng)控制報文協(xié)議ICMP

?在網(wǎng)絡(luò)層,Internet可以看成是自治系統(tǒng)的集合，是

由網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)。

?網(wǎng)絡(luò)之間互連的紐帶是IP協(xié)議。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層18

IP地址(IPAddress)

4字節(jié)

?地址組成：網(wǎng)絡(luò)號+主機號;

?IP地址長度：32bit（4Byte）網(wǎng)絡(luò)號主機號

-網(wǎng)絡(luò)號長度：整個網(wǎng)絡(luò)所能容納的子網(wǎng)數(shù);

-主機號長度：每個子網(wǎng)所能容納的主機數(shù);

?IP地址分類：5類（A、B、C、D、E）

A類地址ByteByteByteByte

0網(wǎng)絡(luò)號（7bit）主機號

適用于大型網(wǎng)絡(luò)（特大型公司或政府機構(gòu)），16,777,216臺主機（224）

B類地址ByteByteByteByte

10網(wǎng)絡(luò)號（14bit）主號

適用于中型網(wǎng)絡(luò)（大型公司或機構(gòu)），65,536臺主機（216）

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層19

C類地址ByteByteByteByte

110網(wǎng)絡(luò)號(21bit)主號

適用于小型網(wǎng)絡(luò)(小型公司或機構(gòu))，256臺主機(28)

D類地址ByteByteByteByte

1110特殊用途(如，多目的廣播地址)

主要留給因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究委員會IAB使用。

E類地址ByteByteByteByte

11110保留備用

?IP地址是網(wǎng)絡(luò)中某一主機的標(biāo)識。

?地址表示采用點分隔的十進(jìn)制表示法。

?例：

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層20

IP地址使用范［

網(wǎng)絡(luò)類別最大網(wǎng)絡(luò)數(shù)網(wǎng)絡(luò)號范圍最大主機數(shù)

A1261?12616777214

B16382128.1-191.25465534

C2097150192.0.1-223.255.254254

IP地址全0時：表示為本主機；

IP地址全1時：點本網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行廣播；

IP地址為127.X.X.X:用于本地軟件回路測試；

?IP地址的分配

由Internet最高管理機構(gòu)(ICANN)分配與管理。

我國用戶可向亞太網(wǎng)絡(luò)信息中心APNIC申請(交

費)。

?主機地址由本網(wǎng)絡(luò)自己分配與管理。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層21

劃分子網(wǎng)和構(gòu)造超網(wǎng)

?為什么要研究子網(wǎng)和超網(wǎng)

-IP地址的有效利用率問題

-路由器的工作效率問題

?子網(wǎng)(subnet)

-將一個大的網(wǎng)絡(luò)劃分成幾個較小的網(wǎng)絡(luò)，而

每一個網(wǎng)絡(luò)都有其自己的子網(wǎng)地址。

?超網(wǎng)(supernet)

-將一個組織所屬的幾個C類網(wǎng)絡(luò)合并成為一

個更大地址范圍的邏輯網(wǎng)絡(luò)。_______________

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層22

劃分子網(wǎng)

?分而治之：為了便于管理和使用，可以將網(wǎng)絡(luò)分成

若干供內(nèi)部使用的部分-子網(wǎng)。對外界，該網(wǎng)絡(luò)還

是一個單獨的網(wǎng)絡(luò)。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層23

一個B類網(wǎng)絡(luò)

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層24

一個B類網(wǎng)絡(luò)一劃分為3個子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

子網(wǎng)142.10.2.X

14□2.10.2.114□

子網(wǎng)142.10.7.X

14□2.10.7.114□

—子網(wǎng)1:142.10.2.X

子網(wǎng)142.10.22.X

—子網(wǎng)2:142.10.7.X

—子網(wǎng)3:142.10.22.X□□

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層25

?一個單位被分配到IP地址的網(wǎng)絡(luò)號，后面的主機號

由本單位進(jìn)行分配。本單位所有主機都使用同一個

網(wǎng)絡(luò)號。

?本單位可將IP地址中的主機號字段劃分出若干位作

為子網(wǎng)號字段。

?利用子網(wǎng)掩碼來提供劃分后的分界情況。

本地分配

IP地址網(wǎng)絡(luò)號主機號

劃分出子網(wǎng)號字段網(wǎng)絡(luò)號子網(wǎng)號?主機號

子網(wǎng)掩碼111...11111111!XX...XX

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層26

掩碼運算一IP地址與掩碼按位進(jìn)行“與”

IP地址：142.16.2.2110001110000100000000001000100101

掩碼:255.255.0.011111111111111110000000000000000

網(wǎng)絡(luò)地址：142.16.0.010001110000100000000000000000000

(a)沒有劃分子網(wǎng)

IP地址：142.16.2.21100011100001000000000001000100101

掩碼：11111111111111111111111100000000

網(wǎng)絡(luò)地址:142.16.2.010001110000100000000001000000000

(b)劃分子網(wǎng)

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層27

?采用子網(wǎng)掩碼一實現(xiàn)三級分址;

?在本單位網(wǎng)絡(luò)中的路由器收到一個分組時，首先檢

查分組的IP地址中的網(wǎng)絡(luò)號（此時不需子網(wǎng)掩碼信

息，因為，從IP地址即可判斷它是A類、B類、C類

地址）;

?若網(wǎng)絡(luò)號不是本單位網(wǎng)絡(luò)，則轉(zhuǎn)發(fā)出去；

?若網(wǎng)絡(luò)號是本單位網(wǎng)絡(luò)，再檢查IP地址中的子網(wǎng)絡(luò)

號（IP地址和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行與運算），

-若子網(wǎng)號不是本子網(wǎng)，則轉(zhuǎn)發(fā)到本單位相應(yīng)的子

網(wǎng)；

-若子網(wǎng)號是本子網(wǎng)，則依據(jù)主機號把分組送到本

路由器相應(yīng)的端口上的主機；

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層28

IP數(shù)據(jù)報

IP數(shù)據(jù)報=首部+數(shù)據(jù)

首部數(shù)據(jù)

-----------------IP數(shù)據(jù)報--------------

?IP數(shù)據(jù)報首部

-包含報文的控制信息

?源IP地址、目的IP地址；

?本報文攜帶的運輸層數(shù)據(jù)屬于何種協(xié)議（TCP、UDP、…）；

?本報文長度（最大65535,實際使用576字節(jié)）；

?首部校驗和；

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層29

IP數(shù)據(jù)報一首部格式

IP數(shù)據(jù)報首部=固定部分（20個字節(jié)）

+變長的可選部分（最長40字節(jié)）

32Bits

VersionIHLTypeofserviceTotallength

DM匚.u.

IdentificationFFFragmentoffset

TimetoliveProtocolHeaderchecksum

Sourceaddress源IP地址

Destinationaddress目的

二Options(0ormorewords);

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層30

IP地址與硬件地址

假定：主機通過局域網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連。

首部應(yīng)用層數(shù)據(jù)

IP地弋TCP才艮文二^網(wǎng)絡(luò)層及以上

使用IP地址

硬件號口__二ip數(shù)據(jù)報》

睿部||尾部

鏈路層及以下

-----------MAC幀----------->使用硬件地址

在IP層抽象的互連網(wǎng)上只能看到的是IP數(shù)據(jù)報。

路由器只根據(jù)目的站的IP地址進(jìn)行選路。

在具體的物理網(wǎng)絡(luò)的鏈路層只能看到的是MAC幀。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層31

地址解析協(xié)議ARP

（TheAddressResolutionProtocol）

?解決IP地址與MAC地址的轉(zhuǎn)換（映射）問題。

-IP地址是主機在網(wǎng)絡(luò)層中的地址，為32bit;

-MAC地址是數(shù)據(jù)鏈路層中的硬件地址，為48bit;

?要發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報必須轉(zhuǎn)變?yōu)镸AC幀，才能發(fā)送到網(wǎng)

絡(luò)。因此需要在IP地址和MAC地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

?若用戶使用主機名字標(biāo)識主機，因此需要在主機名字

和IP地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

-對于小型網(wǎng)絡(luò)，主叫主機通過hosts文件（主機名字

到IP地址轉(zhuǎn)換的映射表）進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

-對于大型網(wǎng)絡(luò)，主叫主機通過網(wǎng)絡(luò)中的域名系統(tǒng)

DNS的服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層32

?每個主機有一個ARP高速緩存，里面有IP地址到硬

件地址的映射表；

?主機A首先在ARP高速緩存中查找主機B的IP地址

對應(yīng)的硬件地址，然后將此硬件地址寫入MAC

幀，再通過局域網(wǎng)發(fā)往此硬件地址。

源主機名^gj=209.0y]

H-a

IP=

H-b

目的主機名

DNS

目的主機

IP地址目的主機名

IP=H?b

目的主機ARP

｛網(wǎng)卡

、硬件地址人

08001234567808001234567相

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層33

若ARP高速緩存中沒有主機B的映射項，主機自

動運行ARP進(jìn)程來尋找主機B的硬件地址：

①ARP進(jìn)程廣播發(fā)送一個ARP請求分組，內(nèi)含主機B的IP地

址；

②所有主機上運行的ARP進(jìn)程都收到此ARP請求分組；

③主機B在ARP請求分組中見到自己的IP地址，就向主機A發(fā)送

一個ARP響應(yīng)分組，內(nèi)含主機B的硬件地址；

④主機A收到主機B的ARP響應(yīng)分組后，就在ARP高速緩存中寫

入主機B的IP地址到硬件地址的映射。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層34

主機A廣播發(fā)送

ARP請求分組我是,硬件地址是00?00?C0-15-AD-18]

我想知道主機的硬件地址

仁ARP請求ARP請求ARP請求？ARP請求0

1

0

IX1YIZ

-I-I

一J_jB

00-00-C0-15-AD-18

00-00-C0-15-AD-1808-00-2B-00-EE-0A

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層35

反向地址解析協(xié)議RARP

(TheReverseAddressResolutionProtocol)

?解決MAC地址與IP地址的轉(zhuǎn)換(映射)問題。

主要用于無盤工作站啟動；

?RARP的工作過程：

-在局域網(wǎng)中有一個主機充當(dāng)RARP服務(wù)器；內(nèi)建

硬件地址到IP地址的映射表。

-無盤工作站廣播發(fā)送一個RARP請求分組，內(nèi)含

自己的硬件地址；

-RARP服務(wù)器收到RARP請求分組后，從映射表

中查出該無盤工作站的IP地址，然后發(fā)回一個

RARP響應(yīng)分組，內(nèi)含無盤工作站的IP地址；

-無盤工作站收到RARP響應(yīng)分組后，就獲得自己

的IP地址。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層36

因特網(wǎng)控制報文協(xié)議ICMP

(TheInternetControlMessageProtocol)

?主要用來分組在傳輸中，由主機和路由器報告差錯

情況和提供有關(guān)異常的報告及網(wǎng)絡(luò)測試。

?ICMP報文封裝在IP數(shù)據(jù)報分組中。

?ICMP報文類型

-ICMP差錯報文

-ICMP測試寺艮文

?例，ICMP請求報文是由主機和路由器向目的主機發(fā)

出的詢問，目的主機收到后回送ICMP應(yīng)答報文。

?應(yīng)用層的Ping程序使用它們就是來測試主機之間的

連通性。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層37

ICMP報文的格式

前4個字節(jié)081631

都是一樣的

IP數(shù)據(jù)報

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層38

ICMP報文

A種類

?ICMP差錯報告報文

?終點不可達(dá)

?源站抑制

?時間超過

?參數(shù)問題

?改變路由（重定向）

?ICMP詢問與艮文

?回送請求和回答4艮文

?時間戳請求和回答報文

?掩碼地址請求和回答報文

?路由器詢問和通告報文

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層39

ICMP差錯報告報文的數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容

IP數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)字段

_________________________________________人-----------------------------------------------

IP數(shù)據(jù)報

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層40

PING(PacketInterNetGroper)

>PING用來測試兩個主機之間的連通性。

>PING使用了ICMP回送請求與回送回答報文。

>PING是應(yīng)用層直接使用網(wǎng)絡(luò)層ICMP的例

子，它沒有通過運輸層的TCP或UDP。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層41

路由選擇機制

1.層次結(jié)構(gòu)的編址方案

主機地址=主機接入的路由器號+主機接入的路由器低速端口號

路由器

日21

，，，I"I''EJ

34

路由器號［低速端口號|_|I__I目的站下一站

路由器

[3,2]\r口,1]3

口,3]路由器3

路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組時只使用主機地址的[2,1]本路由器

第一部分；只有分組到達(dá)目的主機相連的[2,3]本路由器

路由器時，路由器才使用主機地址的第二[3,2]路由器3

路由器

部分。[4,2]4

路由表與源站地址無關(guān)。路由器2中的路由表

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層42

路由選擇機制

2.路由選擇的實現(xiàn)-路由表

3

計算機

通信網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)拓樸圖

路由器1的路由表路由器2的路由表路由器3的路由表路由器4的路由表

目的站下一站目的站下一站目的站下一站目的站下一站

1-131113

232-2222

33333-33

4344444-

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層43

路由表的簡化一消除重復(fù)項目

網(wǎng)絡(luò)越大，重復(fù)項目越多。

使用默認(rèn)路由代替所有的具有相同“下一站”的項

目。

默認(rèn)路由比其它項目的優(yōu)先級地。若轉(zhuǎn)發(fā)分組時

找不到明確的項目對應(yīng)，就使用默認(rèn)路由。

路由器1的路由表路由器2的路由表路由器3的路由表路由器4的路由表

目的站下一站目的站下一站目的站下一站目的站下一站

1-2?1122

*3442241-

*33-*3

44

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層44

路由算法

-路由算法

-就是產(chǎn)生路由表的算法；

-是網(wǎng)絡(luò)層軟件的一部分。

-子網(wǎng)采用數(shù)據(jù)報方式，每個包都要做路由選擇；

-子網(wǎng)采用虛電路方式，只需在建立連接時做一次

路由選擇。

?理想的路由算法

-正確性(correctness):算法必須正確；

-簡單性(simplicity):算法開銷小，效率高；

-健壯性(robustness):算法能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和拓樸的變

化；

-穩(wěn)定性(stability):算法必須收斂，不能振蕩發(fā)散；

振蕩：算法得出的路由是在一些路由之間回蕩。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層45

-公平性（fairness）:算法對所有用戶必須是平等的；

-最優(yōu)性（optimality）:算法應(yīng)提供最佳路徑選擇；

最佳：鏈路長度、傳輸時延、數(shù)據(jù)速率、鏈路容量、鏈路

差錯率、鏈路丟失率等。

-路由算法分類

-非自適應(yīng)算法（靜態(tài)路由算法）

簡單、開銷小，但不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化;

采用離線方式求出路由表。

-自適應(yīng)算法（動態(tài)路由算法）；

復(fù)雜、開銷大，但能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化;

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層46

最優(yōu)化原則(optimalityprinciple)

?從所有的源結(jié)點到一個給定的目的結(jié)點的最優(yōu)路由

的集合形成了一個以目的結(jié)點為根的樹，稱為匯集

樹(sinktree);

?路由算法的目的是找出并使用匯集樹。

子網(wǎng)圖5?6路由器B的匯集樹

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層47

最短路徑路由算法(ShortestPathRouting)

?屬于靜態(tài)路由算法

?基本思想

-構(gòu)建子網(wǎng)的拓?fù)鋱D，圖中的每個結(jié)點代表一個路

由器，每條弧代表一條通信線路。為了選擇兩個

路由器間的路由，算法在圖中找出最短路徑。

?測量路徑長度的方法

-結(jié)點數(shù)量

-地理距離

-傳輸延遲

-距離、信道帶寬等參數(shù)的加權(quán)函數(shù)

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層48

Dijkstra算法

采用標(biāo)注的方式求出某一結(jié)點的匯集樹和路由表。

①每個結(jié)點用從源結(jié)點沿已知最佳路徑到本結(jié)點的距離

兼標(biāo)注，標(biāo)注分為臨時性標(biāo)注和永久性標(biāo)注；

②初始時，所有結(jié)點都為臨時性標(biāo)注，標(biāo)注為無窮大；

③將源結(jié)點標(biāo)注為0,且為永久性標(biāo)注，并令其為工作結(jié)

點；

④檢查與工作結(jié)點相鄰的臨時性結(jié)點，若該結(jié)點到工作

結(jié)點的距離與工作結(jié)點的標(biāo)注之和小于該結(jié)點的標(biāo)

注，則用新計算得到的和重新標(biāo)注該結(jié)點；

⑤在整個圖中查找具有最小值的臨時性標(biāo)注結(jié)點，將其

變?yōu)橛谰眯越Y(jié)點，并成為下一輪檢查的工作結(jié)點；

重復(fù)第④、⑤步，直到所有結(jié)點成為工作結(jié)點；

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層49

G(6,A)H(8.—)△G(5.E)H(oo.-)

(c)??G(5,E)vG(6,A)(d)

VC(9,B)=C(9,F)

「.G(5,E)取代G(6,A)

B(2,A)?懷罌品)B(2,A)C(9,B)

ADg—)AD(°0.—)

D(1O,H)

G(5,E)H(9,G)G(5,E)

(e)(D

取代H(9,G)

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層50

結(jié)點A的路由表

結(jié)點A的匯集樹目的站下一站

,

A

BB

CB

DB

EB

FB

GB

HB

同理，以結(jié)點E為源結(jié)點，采用Dijkstra算法,

求出結(jié)點E的匯集樹和路由表：結(jié)點E的路由表

目的站下一站

結(jié)點E的匯集樹B

A

BB

CF

DF

■

E

FF

GG

HF

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層51

擴散算法(Flooding)

屬于靜態(tài)路由算法

?基本思想

把收到的每一個包，向除了該包到來的線路外的

所有輸出線路發(fā)送。

?主要問題

產(chǎn)生大量重復(fù)包，導(dǎo)致出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象。

?解決措施

方法1:每個包頭包含站點計數(shù)器(端到端的最大

段數(shù))，每經(jīng)過一站計數(shù)器減1,為0時則丟棄該

包。

方法2:在每個節(jié)點建立一個登記表，凡經(jīng)過此節(jié)

點的進(jìn)行登記，若再次經(jīng)過該節(jié)點，丟棄該包。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層52

?選擇性擴散算法(selectiveflooding)

-擴散法的一種改進(jìn)。

-將進(jìn)來的每個包僅發(fā)送到與正確方向接近的線路上。

?應(yīng)用情況

-路由器和線路的資源過于浪費，實際很少直接采

用；

—具有很強的健壯性，常用于軍用網(wǎng)；

-作為衡量標(biāo)準(zhǔn)評價其它路由算法。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層53

距離矢量路由算法(DistanceVectorRouting)

?屬于動態(tài)路由算法

最初應(yīng)用于ARPANET,后來應(yīng)用于因特網(wǎng)的RIP協(xié)

議(路由信息協(xié)議)。

?基本思想

-每個結(jié)點通過測取與相鄰結(jié)點的距離，再依據(jù)與其

相鄰結(jié)點交換的距離信息，間接地求出路由表；

-各結(jié)點周期性地測取相鄰結(jié)點的距離；

向相鄰結(jié)點發(fā)送它到每個目的結(jié)點的距離表，

同時，它也接收每個鄰居結(jié)點發(fā)來的距離表；

-結(jié)點中的老路由表在計算中不被使用。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層54

每個結(jié)點，的路由表中保持兩個向量：

sil

結(jié)點，的結(jié)點，的：

時延向量：5=??后繼結(jié)點向量:與=書

IJ*

*

MNsiN

rr

距離表

4j為結(jié)點if結(jié)的最小時延的當(dāng)前估計值（4i=0）;

Sij為后繼結(jié)點，即，從結(jié)點if結(jié)禹的當(dāng)前最小時延路

由中結(jié)點i的后繼結(jié)點；

N為網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點數(shù)；

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層55

對于任一結(jié)點左：

dkj=["&+dgl

選取不同的，，得到ieA

Skj=i,這個i使Mi+%]為最小

其中，九為結(jié)點左測取相鄰結(jié)點i的時延；

均為相鄰結(jié)點時延向量R中的時延值;

A為結(jié)點左的所有相鄰結(jié)點的集合；

j為目的結(jié)點。

最終得到結(jié)點左的：［dkl~Skl

*

**

時延向量：D=d

kkj后繼結(jié)點向量:sk=skj

（距離表）

其中，加=0'-skN

其中，skk=~

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層56

網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)點1的路由表-更新前

目的站延遲下一站

10■

222

353

414

563

683

DIS1

結(jié)點1測取相來自相鄰結(jié)點時延向量結(jié)點1的路由表-更新后

鄰結(jié)點的時延

Ld[2=1

Yd13=4及

d14=2

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層57

結(jié)點1測取相來自相鄰結(jié)點時延向量結(jié)點1的路由表-更新后

鄰結(jié)點的時延

ld[2=1

<d[3=4及

d14=2

求d12和S12：

d+d2-1+6^1<—最小VJ12+J23=1鉆產(chǎn)4[

122I'

/13+〃33=4*）=41相等

413+^32=4+3=7

II

由4+W2=2+2三4414+443=2f2三4

、,、/

,,d]2=l，§12=2**?43=4,Su=3或2或4

選取513=3,（最直接）

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層58

結(jié)點1測取相來自相鄰結(jié)點時延向量結(jié)點1的路由表-更新后

鄰結(jié)點的時延

ld[2=1

<d[3=4及

d14=2

求心4和§14：

心2+=1+2^3J+tZ5=1+3=4

I?122I?

I?

413+434=4+2=6"13+/35=441=5

II?I

由最小W4+=2+li=3一最小

4+d44=2+.、0/^2<—d45、/

,,心4=2,S]4=4??d15=3?*5=4

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層59

結(jié)點1測取相來自相鄰結(jié)點時延向量結(jié)點1的路由表-更新后

目的站延遲下一站

L

0■

C

M12

c

o43

寸

24

g

34

9

d16=5s16=4

DIS1

結(jié)點1的路由表-更新前

目的站延遲下一站

10■

222

413+〃36=4,3^7

I?353

"14+〃46=2中95<—最小414

563

??d16=5,s16=4

683

DIS1

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層60

結(jié)點J收到的相鄰Newestimated

,,delaydelaydelaydelayNew

結(jié)點J測取相存jisisisisrouting

結(jié)點的時延匚二810126table

forJ

圖5?9(b)路由表

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層61

距離矢量路由算法一時延的測取

方法1：ARPANET最初采用，更新周期為128ms。

把在一個結(jié)點向某條鏈路發(fā)送的等待隊列中的分

組數(shù)目作為時延。

缺點：等待隊列長度并不能準(zhǔn)確反應(yīng)時延。影響時延的

因素還有存儲轉(zhuǎn)發(fā)處理時間、鏈路的數(shù)據(jù)傳輸

率、分組長度、…

方法2：ARPANET后期采用，更新周期為10s。

采用實測方式。分組到達(dá)時，記錄到達(dá)時刻Tr；

當(dāng)該分組轉(zhuǎn)發(fā)完成時，記錄完成時刻Te。

即，時延了d=7e一萬+物理鏈路時延

注：Te-Tr包含了分組存儲處理時間、等待隊列時間、

分組轉(zhuǎn)發(fā)用時等。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層62

鏈路狀態(tài)路由算法(LinkStateRouting)

?距離向量路由算法的主要問題

-選擇路由時，沒有考慮線路帶寬；

-路由收斂速度慢。

鏈路狀態(tài)路由算法

?發(fā)現(xiàn)鄰居結(jié)點，獲取它們的網(wǎng)絡(luò)地址；

-路由器啟動后，通過發(fā)送一個HELLO分組，從鄰

居結(jié)點的應(yīng)答中發(fā)現(xiàn)鄰居結(jié)點。

?測量到每個鄰居結(jié)點的時延；

-發(fā)送一個要對方立即響應(yīng)的ECHO分組，往返時間

除以2即為時延。

陳家琪計算機網(wǎng)絡(luò)-第4章網(wǎng)絡(luò)層63

?構(gòu)造鏈路狀態(tài)分組;

-分組以發(fā)送方的標(biāo)識符開頭，后面是順序號、壽命

和列表；

-列表中包含鄰居結(jié)點，和本結(jié)點到它們的時延；

-鏈路狀態(tài)分組定期創(chuàng)建或發(fā)生重大事件時創(chuàng)建。

LinkStatePackets

AF

順序號Seq.Seq.

D壽命AgeAge