第五章網(wǎng)絡(luò)層

第五章網(wǎng)絡(luò)層

主要內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)層概述路由算法擁塞控制算法網(wǎng)絡(luò)互連INTERNET網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的作用

332222211111物理層協(xié)議路由路由器（網(wǎng)絡(luò)層）

物理層

數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議A網(wǎng)絡(luò)層是通信子網(wǎng)的最高層，不僅是層間接口，而且也是通信子網(wǎng)與資源子網(wǎng)的接口。B數(shù)據(jù)鏈路層在完成了兩個相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸之后，網(wǎng)絡(luò)層的任務就是為其選擇一條快捷的路徑把這個數(shù)據(jù)盡快的傳向目的方。C因這次數(shù)據(jù)傳送，會加大網(wǎng)絡(luò)的負荷；因網(wǎng)絡(luò)負荷的加大會增添網(wǎng)絡(luò)的變數(shù)，從而影響網(wǎng)絡(luò)的整體運行狀況，甚至會導致運行狀況的惡化5.1 網(wǎng)絡(luò)層概述（2）

網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的有關(guān)問題為傳輸層提供服務無連接服務面向連接服務網(wǎng)絡(luò)層服務應該做到服務與通信子網(wǎng)的實現(xiàn)技術(shù)無關(guān)子網(wǎng)的數(shù)量、類型與拓撲結(jié)構(gòu)對傳輸層透明網(wǎng)絡(luò)地址應統(tǒng)一編號A網(wǎng)絡(luò)層不進行排序B不進行流量控制C數(shù)據(jù)報都必須帶有地址A發(fā)送前必須進行連接B連接時協(xié)商服務質(zhì)量，參數(shù)與開銷C信息依次雙向傳遞D自動進行流量控制虛電路和數(shù)據(jù)報虛電路服務（virtualcircuit）提供面向連接的服務發(fā)送前進行路由選擇。數(shù)據(jù)報服務（datagram)提供無連接的服務主機有數(shù)據(jù)可隨時發(fā)送數(shù)據(jù)每到一個節(jié)點，獨立進行路由選擇虛電路的實現(xiàn)虛電路服務的實現(xiàn)（virtualcircuit）把主機與DTE，DTE與DCE，DCE與DCE之間的數(shù)據(jù)電路進行邏輯拆分，使其成為一個個邏輯信道。邏輯信道的有機有序連接，成為一條條虛電路。虛電路的管理每個節(jié)點（包括主機節(jié)點）都要設(shè)置邏輯信道管理表以記錄入出每個節(jié)點都要設(shè)輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)以存放數(shù)據(jù)虛電路任務完成后要予以拆除。虛電路的實現(xiàn)（續(xù)1）

主機DTEDCEABCDEFGHIJ虛電路1：ABCDEF虛電路2：ABCDHG虛電路3：JICDEF虛電路4：ABCDEF虛電路的實現(xiàn)（續(xù)2）虛電路的管理每個節(jié)點都設(shè)有虛電路表（如D節(jié)點）虛電路1：ABCDEF虛電路2：ABCDHG虛電路3：JICDEF虛電路4：ABCDEF每個節(jié)點都設(shè)有邏輯信道管理表（如D節(jié)點）入出數(shù)據(jù)報的實現(xiàn)數(shù)據(jù)報的實現(xiàn)分組從源節(jié)點傳向目的節(jié)點時，帶有地址的分組每轉(zhuǎn)發(fā)一次都要進行路由選擇。發(fā)送前進行路由選擇。各分組到達目的節(jié)點的路徑可能不同5.2 路由算法（1）路由算法的時機子網(wǎng)采用數(shù)據(jù)報方式，每個節(jié)點都要做路由選擇；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。路由算法應具有的特性正確性（correctness）簡單性（simplicity）健壯性（robustness）穩(wěn)定性（stability）公平性（fairness）最優(yōu)性（optimality）注：路有計算最佳特性之間存在著相互影響的制衡。5.2 路由算法（2）路由算法分類按照所選擇的通路數(shù)量全路，多路和單路單路里分為自適應算法和非自適應算法非自適應算法，靜態(tài)路由算法不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和拓撲結(jié)構(gòu)的變化更新路由表，使用靜態(tài)路由表，也稱為固定式路由選擇算法。

特點：簡單，開銷少；靈活性差。自適應算法，動態(tài)路由算法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和拓撲結(jié)構(gòu)的變化更新路由表。

特點：開銷大；健壯性和靈活性好。一、最優(yōu)化原則最優(yōu)化原則（optimalityprinciple）如果路由器J在路由器I到K的最優(yōu)路由上，那么從J到K的最優(yōu)路由會落在同一路由上。匯集樹（sinktree）從所有的源節(jié)點到一個給定的目的節(jié)點的最優(yōu)路由的集合形成了一個以目的節(jié)點為根的樹，稱為匯集樹；路由算法的目的是找出并使用匯集樹。為明晰復雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，最優(yōu)化的思想可以應用到網(wǎng)絡(luò)中的局部環(huán)節(jié)。無論過程與目的都找最短的二、最短路徑路由算法

（ShortestPathRouting）基本思想構(gòu)建子網(wǎng)的拓撲圖，圖中的每個節(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。路徑長度節(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)Dijkstra算法每個節(jié)點用從源節(jié)點沿已知最佳路徑到本節(jié)點的距離來標注，標注分為臨時性標注和永久性標注；初始時，所有節(jié)點都為臨時性標注，標注為無窮大；將源節(jié)點標注為0，且為永久性標注，并令其為工作節(jié)點；檢查與工作節(jié)點相鄰的臨時性節(jié)點，若該節(jié)點到工作節(jié)點的距離與工作節(jié)點的標注之和小于該節(jié)點的標注，則用新計算得到的和重新標注該節(jié)點；在整個圖中查找具有最小值的臨時性標注節(jié)點，將其變?yōu)橛谰眯怨?jié)點，并成為下一輪檢查的工作節(jié)點；重復第四、五步，直到目的節(jié)點成為工作節(jié)點；三、洪泛及選擇洪泛算法1.洪泛算法（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。主要問題洪泛要產(chǎn)生大量重復包以及存在著循環(huán)路由，穩(wěn)定性差。解決措施每個包頭包含站點計數(shù)器，每經(jīng)過一站計數(shù)器減1，為0時則丟棄該包；每個包都含有序號，已經(jīng)過境的包重繞時拒絕選擇性洪泛算法2.選擇性洪泛算法（selectiveflooding）洪泛法的一種改進。將進來的每個包僅發(fā)送到與正確方向接近的線路上。3.應用情況路由器和線路的資源過于浪費，實際很少直接采用；具有極好的健壯性，可用于軍事應用；作為衡量標準評價其它路由算法。五、距離向量路由算法（1）

（DistanceVectorRouting）屬于動態(tài)路由算法，也稱Bellman-Ford路由算法和Ford-Fulkerson算法，最初用于ARPANET，被RIP協(xié)議采用。距離向量路由算法也稱為分布式路由算法基本思想每個路由器維護一張表，表中給出了到每個目的地的已知最佳距離和線路，并通過與相鄰路由器交換距離信息來更新表；五、距離向量路由算法（2）

（DistanceVectorRouting）以子網(wǎng)中其它路由器為表的索引，表項包括兩部分：到達目的節(jié)點的最佳輸出線路，和到達目的節(jié)點所需時間或距離；每隔一段時間，路由器向所有鄰居節(jié)點發(fā)送它到每個目的節(jié)點的距離表，同時它也接收每個鄰居節(jié)點發(fā)來的距離表；鄰居節(jié)點X發(fā)來的表中，X到路由器i的距離為Xi，本路由器到X的距離為m，則路由器經(jīng)過X到i的距離為Xi+m。根據(jù)不同鄰居發(fā)來的信息，計算Xi+m，并取最小值，更新本路由器的路由表；立足現(xiàn)實從我做起誰短算誰注意：本路由器中的老路由表在計算中不被使用。六、鏈路狀態(tài)路由算法（1）

（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)鄰居節(jié)點，并學習它們的網(wǎng)絡(luò)地址；路由器啟動后，通過發(fā)送HELLO包發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點；測量到每個鄰居節(jié)點的延遲或開銷；一種直接的方法是：發(fā)送一個要對方立即響應的ECHO包，來回時間除以2即為延遲。學習左鄰右舍六、鏈路狀態(tài)路由算法（2）

（LinkStateRouting）將所有學習到的內(nèi)容封裝成一個包；包以發(fā)送方的標識符開頭，后面是序號、年齡和一個鄰居節(jié)點列表；列表中對應每個鄰居節(jié)點，都有發(fā)送方到它們的延遲或開銷；Fig.5-15鏈路狀態(tài)包定期創(chuàng)建或發(fā)生重大事件時創(chuàng)建。將這個包發(fā)送給所有其它路由器；基本思想：洪泛鏈路狀態(tài)包，為控制洪泛，每個包包含一個序號，每次發(fā)送新包時加1。路由器記錄信息對（源路由器，序號），當一個鏈路狀態(tài)包到達時，若是新的，則分發(fā)；若是重復的，則丟棄；若序號比路由器記錄中的最大序號小，則認為過時而丟棄；向全網(wǎng)告知左鄰右舍六、鏈路狀態(tài)路由算法（3）

（LinkStateRouting）路由器崩潰后，序號重置；序號出錯；第二、三問題的解決辦法：增加年齡（age）域，每秒鐘年齡減1，為零則丟棄。鏈路狀態(tài)包到達后，延遲一段時間，并與其它已到達的來自同一路由器的鏈路狀態(tài)包比較序號，丟棄重復包，保留新包；鏈路狀態(tài)包需要應答；Fig.5-16計算到每個其它路由器的最短路徑。根據(jù)Dijkstra算法計算最短路徑；從E發(fā)來的鏈路狀態(tài)包有兩個，一個經(jīng)過EAB，另一個經(jīng)過EFB；從D發(fā)來的鏈路狀態(tài)包有兩個，一個經(jīng)過DCB，另一個經(jīng)過DFB；七、分層路由（HierarchicalRouting）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增長帶來的問題路由器中的路由表增大；路由器為選擇路由而占用的內(nèi)存、CPU時間和網(wǎng)絡(luò)帶寬增大。分層路由分而治之的思想；根據(jù)需要，將路由器分成區(qū)域（regions）、聚類（clusters）、區(qū)（zones）和組（groups）…Fig.5-17，路由表由17項減為7項。分層路由帶來的問題路由表中的路由不一定是最優(yōu)路由，特別對地理位置相近而又分屬不同區(qū)域的節(jié)點更是這樣。八、移動主機的路由（1）需要解決的問題為了能夠?qū)?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給移動主機，網(wǎng)絡(luò)必須首先要找到移動的主機。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖八、移動主機的路由（2）一些基本概念移動用戶（mobileusers）：包括位置發(fā)生變化，通過固定方式或移動方式與網(wǎng)絡(luò)連接的兩類用戶；家鄉(xiāng)位置（homelocation）：所有用戶都有一個永久的家鄉(xiāng)位置，用一個地址來標識；外部代理（foreignagent）：每個區(qū)域（一個LAN或一個wirelesscell）有一個或多個外部代理，它們記錄被該區(qū)域覆蓋的移動用戶；家鄉(xiāng)代理（homeagent）：每個區(qū)域有一個家鄉(xiāng)代理，負責記錄家鄉(xiāng)在該區(qū)域，但是目前處在其它區(qū)域的用戶。八、移動主機的路由（3）移動用戶進入一個新區(qū)域時，必須首先向外部代理注冊外部代理定期廣播聲明自己的存在和地址的包，新到達的移動主機接收該信息；若移動用戶未能收到該信息，則移動主機廣播包，詢問外部代理的地址；移動主機向外部代理注冊，告知其家鄉(xiāng)地址、目前的數(shù)據(jù)鏈路層地址和一些安全信息；外部代理與移動主機的家鄉(xiāng)代理聯(lián)系，告知移動主機的目前位置、自己的網(wǎng)絡(luò)地址和一些安全信息；家鄉(xiāng)代理檢查安全信息，通過，則給外部代理確認；外部代理收到確認后，在登記表中加入一項，并通知移動主機注冊成功。八、移動主機的路由（4）移動用戶的路由轉(zhuǎn)發(fā)過程當一個包發(fā)給移動用戶時，首先被轉(zhuǎn)發(fā)到用戶的家鄉(xiāng)局域網(wǎng)；（1）該包到達用戶的家鄉(xiāng)局域網(wǎng)后，被家鄉(xiāng)代理接收，家鄉(xiāng)代理查詢移動用戶的新位置和與其對應的外部代理的地址；家鄉(xiāng)代理采用隧道技術(shù)，將收到的包作為凈荷封裝到一個新包中，發(fā)給外部代理；（2）家鄉(xiāng)代理告訴發(fā)送方，發(fā)給移動用戶的后續(xù)包可直接發(fā)給外部代理；（3）外部代理收到包后，將凈荷作為數(shù)據(jù)鏈路幀發(fā)給移動用戶；（4）發(fā)送方以后直接與外部代理通過隧道交換信息（4）九、廣播路由（BroadcastRouting）（1）廣播（broadcasting）：同時發(fā)送一個包給所有目的地。實現(xiàn)廣播路由的方法通過多個點到點通信實現(xiàn)，缺點：浪費帶寬，源主機需要知道所有目的地；洪泛（flooding）方式，缺點：浪費帶寬多目的地路由（multidestinationrouting）每個包包括一個目的地列表或一個目的地位圖；路由器根據(jù)目的地做路由選擇，在相應輸出線路上復制一個包，并將該線路對應的目的地填入包中。九、廣播路由（BroadcastRouting）（2）利用匯集樹（sinktree）或生成樹（spanningtree）生成樹是通信子網(wǎng)的一個子集，將所有路由器連接起來，并且沒有循環(huán)回路；如果每個路由器知道它的哪些線路屬于生成樹，則將收到的廣播包拷貝到輸入線路以外的所有其它生成樹線路上；算法評價優(yōu)點：最優(yōu)利用帶寬，產(chǎn)生最小數(shù)目的包缺點：每個路由器都需要構(gòu)造生成樹，路由器成本大幅提高5.3 擁塞控制算法（1）擁塞（congestion）與擁塞控制提交給網(wǎng)絡(luò)的包增多時，網(wǎng)絡(luò)性能反而下降的現(xiàn)象稱為擁塞。擁塞控制則是要扭轉(zhuǎn)性能下降這種頹勢。Fig.5-22擁塞產(chǎn)生的原因或可能性緩沖空間小，分組丟失；隊列長度不夠充分，無法表示進入的分組；超時或分組重發(fā)；平均分組延時增大，特別出現(xiàn)在未來互聯(lián)的情況下；進入路由器的分組企圖選取同一出口路由；信息容量或帶寬狹小或變窄。5.3 擁塞控制算法（2）擁塞控制與流量控制的關(guān)聯(lián)與差別做好流量控制會在一定程度上根除或緩解擁塞。擁塞控制（congestioncontrol）是要解決全通信網(wǎng)絡(luò)信息流通的通暢問題，是一個全局性問題，涉及主機、路由器等很多因素；流量控制（flowcontrol）與點到點的通信量有關(guān)，主要解決快速發(fā)送方與慢速接收方的問題，是局部問題，一般都是基于反饋進行控制的。CongestionControlThespendingofcongestioncontrol一、擁塞控制的基本原理根據(jù)控制論，擁塞控制的策略分為兩類開環(huán)控制通過好的設(shè)計來解決問題，避免擁塞發(fā)生，防患于未然。閉環(huán)控制基于反饋機制；工作過程監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)何時何地發(fā)生擁塞； 把發(fā)生擁塞的消息傳給能采取動作的站點；調(diào)整系統(tǒng)操作，解決問題。二、擁塞控制算法（1）擁塞預防策略開環(huán)控制影響擁塞的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計策略

流量整形（TrafficShaping）開環(huán)控制基本思想應對突發(fā)性網(wǎng)絡(luò)流量的形成；強迫包以一種可預測的速率發(fā)送；注：在ATM網(wǎng)中廣泛使用。漏桶算法（TheLeakyBucketAlgorithm）Fig.5-24將用戶發(fā)出的不平滑的數(shù)據(jù)包流轉(zhuǎn)變成網(wǎng)絡(luò)中平滑的數(shù)據(jù)包流；可用于固定包長的協(xié)議，如ATM；也可用于可變包長的協(xié)議，如IP，使用字節(jié)計數(shù)；例，F(xiàn)ig.5-25(a)(b)；無論負載突發(fā)性如何，漏桶算法強迫輸出按平均速率進行，不靈活。二、擁塞控制算法（2）令牌桶算法（TheTokenBucketAlgorithm）漏桶算法不夠靈活，因此加入令牌機制；基本思想：漏桶存放令牌，每T秒產(chǎn)生一個令牌，令牌累積到超過漏桶上界時就不再增加。獲得一個令牌向漏桶提交一個數(shù)據(jù)包，傳輸之后刪除該令牌；Fig.5-26漏桶算法與令牌桶算法的區(qū)別流量整形策略不同：漏桶算法不允許空閑主機積累發(fā)送權(quán)，以便以后發(fā)送大的突發(fā)數(shù)據(jù)；令牌桶算法允許，最大為桶的大小。漏桶中存放的是數(shù)據(jù)包，桶滿了丟棄數(shù)據(jù)包；令牌桶中存放的是令牌，桶滿了丟棄令牌，不丟棄數(shù)據(jù)包。虛電路子網(wǎng)中的擁塞控制許可控制（admissioncontrol），基本思想：一旦發(fā)生擁塞，在問題解決之前，不允許建立新的虛電路；另一種方法是發(fā)生擁塞后可以建立新的虛電路，但要繞開發(fā)生擁塞的地區(qū)；資源預留：建立虛電路時，主機與子網(wǎng)達成協(xié)議，子網(wǎng)根據(jù)協(xié)議在虛電路上為此連接預留資源。（許可證池）許可證池掌握的原則當所有具有許可證資格的主機把信息涌向全網(wǎng)時也不會造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞抑制分組法（ChokeDatagram）A擁塞節(jié)點路由器監(jiān)控資源利用情況，若超過某個閾值，則此資源進入警戒狀態(tài)；輸出線路輸入緩沖器

若是，則向源主機發(fā)送抑制分組，分組中指出發(fā)生擁塞的目的地址。同時將原分組（要轉(zhuǎn)發(fā)的包）打上標記發(fā)送，以免后序節(jié)點再次產(chǎn)生抑制分組。

抑制分組法（ChokeDatagram）（續(xù)1）

B源發(fā)主機源主機收到抑制分組后，按一定比例減少發(fā)向特定目的地（相關(guān)擁塞處）的流量，并一度不再理會新到來的抑制分組，原因是這些抑制分組的到來可能就是已在線路上的那些分組造成的。調(diào)整發(fā)送速度的策略是：

Unew=αUold+（1-α）f一度不理會，二度則要理會。原因是一定的時間間隔之后，減緩了的發(fā)送速度在擁塞處看來還會引起擁塞，還要求源發(fā)主機再次減緩發(fā)送速度。抑制分組法（ChokeDatagram）（續(xù)2）

B源發(fā)主機通常采用的策略是減少與增加發(fā)送速度是一個動態(tài)的過程，不是一成不變的。減少時，按一定比例減少，保證快速解除擁塞；增加時，以常量增加，防止很快導致?lián)砣Ｒ种品纸M法（ChokeDatagram）（續(xù)3）向沿途各驛站都發(fā)抑制分組Hop-by-Hop適應范圍：在高速、長距離的網(wǎng)絡(luò)中，由于源主機響應太慢，抑制分組算法對擁塞控制的效果并不好，可采用逐跳抑制分組算法； Fig.5-30(a)基本思想抑制分組對它經(jīng)過的每個路由器都起作用；能夠迅速緩解發(fā)生擁塞處的擁塞；上游路由器要求有更多的緩沖區(qū)；Fig.5-30(b)同樣要采取Unew=αUold+（1-α）f加權(quán)公平隊列（WeightedFairQueueing）

公平隊列（FairQueueing）算法目的：克服抑制分組法無法解決的多個輸入選取了同一出口路由而會引起的擁塞問題。適應范圍：分組的長度龐大且各自又有明顯的標識，同時選取同一路由。路由器的每個輸出線路有多個隊列，每個隊列對應一個源主機；路由器循環(huán)掃描各個隊列，發(fā)送隊頭的包；所有主機具有相同優(yōu)先級；一些ATM交換機、路由器使用這種算法；一種改進：對于變長包，由逐包輪詢改為逐字節(jié)輪詢 Fig.5-29加權(quán)公平隊列（WeightedFairQueueing）加權(quán)公平隊列算法給不同主機以不同的優(yōu)先級；優(yōu)先級高的主機在一個輪訊周期內(nèi)獲得更多的時間片從而發(fā)送較多的字節(jié)數(shù)。負載丟棄（LoadShedding）上述算法都不能消除擁塞時，路由器只得將包丟棄；原則的堅定性：不能丟棄應答分組。策略的靈活性：針對不同服務，可采取不同丟棄策略文件傳輸，優(yōu)先丟棄新包，wine（陳年老酒）策略；多媒體服務，優(yōu)先丟棄舊包，milk策略；早期丟棄包，會減少擁塞發(fā)生的概率，提高網(wǎng)絡(luò)性能。（斷臂取義）5.4 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（1）多種不同網(wǎng)絡(luò)（協(xié)議）存在的原因歷史原因：不同公司的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品大量使用；價格原因：網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品價格低，更多的人有權(quán)決定使用何種網(wǎng)絡(luò)；技術(shù)原因：不同網(wǎng)絡(luò)采用不同技術(shù)、不同硬件、不同協(xié)議。一、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備中繼器（repeater）物理層設(shè)備，在電纜段之間拷貝比特；對弱信號進行放大或再生，以便延長傳輸距離。網(wǎng)橋（bridge）數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，在局域網(wǎng)之間存儲轉(zhuǎn)發(fā)幀；網(wǎng)橋可以改變幀格式。多協(xié)議路由器（multiprotocolrouter）網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)之間存儲轉(zhuǎn)發(fā)包；必要時，做網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議轉(zhuǎn)換。傳輸網(wǎng)關(guān)（transportgateway）傳輸層設(shè)備，在傳輸層轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)流。應用網(wǎng)關(guān)（applicationgateway）應用層設(shè)備，在應用層實現(xiàn)互連；half-gateway（為了滿足不同國家、組織的管理需要）網(wǎng)橋的基本特征網(wǎng)橋能夠互聯(lián)兩個采用不同數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、不同傳輸介質(zhì)與不同傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)橋以接收、存儲、地址過濾與轉(zhuǎn)發(fā)的方式實現(xiàn)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)之間的通信；用網(wǎng)橋互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)要求在數(shù)據(jù)鏈路層以上采用相同的協(xié)議；網(wǎng)橋可以分隔兩個網(wǎng)絡(luò)的廣播通信量，有利于改善網(wǎng)絡(luò)的性能和安全性。網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)設(shè)備是路由器Router；網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)主要解決的問題是路由選擇、擁塞控制、差錯處理與分段技術(shù)；如果網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議相同，互聯(lián)主要解決路由選擇的問題；如果網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議不同，則需要使用多協(xié)議路由器（MultiprotocolRouter);用路由器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)時，網(wǎng)絡(luò)層及以下各層協(xié)議可以相同也可以不同。路由器與網(wǎng)橋常用路由器實現(xiàn)LAN互聯(lián)。與網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)LAN互聯(lián)區(qū)別：兩個LAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層可以不同，每個LAN只要求網(wǎng)絡(luò)層以上層協(xié)議相同；路由器將多個LAN的廣播通信量相互隔離開；路由器轉(zhuǎn)發(fā)效率低于網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的效率；路由器可完成LAN與WAN的互聯(lián)。高層互聯(lián)傳輸層及以上各層協(xié)議不同的互聯(lián)屬于高層互聯(lián)；高層協(xié)議互聯(lián)的設(shè)備是網(wǎng)關(guān)（Gateway）；高層互聯(lián)使用的網(wǎng)關(guān)很多是應用層網(wǎng)關(guān)，簡稱應用網(wǎng)關(guān)（ApplicationGateway)；如果使用應用網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)的高層互聯(lián)，允許兩個網(wǎng)絡(luò)的應用層及以下各層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同。網(wǎng)關(guān)的基本類型 網(wǎng)關(guān)通過使用適當?shù)能浻布韺崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間的轉(zhuǎn)換功能。其中：硬件提供不同網(wǎng)絡(luò)的接口；軟件實現(xiàn)不同的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)如下，由兩個半網(wǎng)關(guān)組成：網(wǎng)1網(wǎng)2網(wǎng)1←→網(wǎng)間網(wǎng)間←→網(wǎng)2網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法直接將輸入網(wǎng)絡(luò)信息包的格式轉(zhuǎn)換為輸出網(wǎng)絡(luò)信息包的格式；將輸入網(wǎng)絡(luò)信息包的格式轉(zhuǎn)換成一種統(tǒng)一的標準的網(wǎng)間信息包的格式；二、級聯(lián)虛電路

（ConcatenatedVirtualCircuits）工作過程級聯(lián)虛電路工作過程與虛電路子網(wǎng)工作過程相似；建立連接當目的主機不在子網(wǎng)內(nèi)時，則在子網(wǎng)內(nèi)找一個離目的網(wǎng)絡(luò)最近的路由器，與之建立一條虛電路；該路由器與外部網(wǎng)關(guān)建立虛電路；該網(wǎng)關(guān)與下一個子網(wǎng)中的一個路由器建立虛電路；重復上述操作，直到到達目的主機。傳輸數(shù)據(jù)相同連接的包沿同一虛電路按序號傳輸；網(wǎng)關(guān)根據(jù)需要轉(zhuǎn)換包格式和虛電路號。拆除連接三、無連接網(wǎng)絡(luò)互連

（ConnectionlessInternetworking）工作過程無連接網(wǎng)絡(luò)互連的工作過程與數(shù)據(jù)報子網(wǎng)的工作過程相似；每個包單獨路由，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，但不能保證包按順序到達；根據(jù)需要，連接不同子網(wǎng)的多協(xié)議路由器做協(xié)議轉(zhuǎn)換，包括包格式轉(zhuǎn)換和地址轉(zhuǎn)換等。級聯(lián)虛電路與無連接網(wǎng)絡(luò)互連的比較1級聯(lián)虛電路的優(yōu)點路由器預留緩沖區(qū)等資源，保證服務質(zhì)量；包按序號傳輸；短包頭。級聯(lián)虛電路的缺點路由器需要大量內(nèi)存，存儲虛電路信息；一旦發(fā)生擁塞，沒有其它路由；健壯性差；如果網(wǎng)絡(luò)中有一個不可靠的數(shù)據(jù)報子網(wǎng)，級連虛電路很難實現(xiàn)。級聯(lián)虛電路與無連接網(wǎng)絡(luò)互連的比較2無連接網(wǎng)絡(luò)互連的優(yōu)點能夠容忍擁塞，并能適應擁塞；健壯性好；可用于多種網(wǎng)絡(luò)互連。無連接網(wǎng)絡(luò)互連的缺點長包頭；包不能保證按序號到達；不能保證服務質(zhì)量。四、隧道技術(shù)（Tunneling）隧道技術(shù)源和目的主機所在網(wǎng)絡(luò)類型相同，連接它們的是一個不同類型的網(wǎng)絡(luò)，這種情況下可以采用隧道技術(shù)。隧道技術(shù)工作過程主機1發(fā)送一個包，目的IP地址=主機2-IP，將包封裝到局域網(wǎng)幀中，幀目的地址=路由器1-MAC；局域網(wǎng)傳輸；路由器1剝掉局域網(wǎng)幀頭、幀尾，將得到的IP包封裝到廣域網(wǎng)包中，包目的地址=路由器2地址；廣域網(wǎng)傳輸；路由器2剝掉廣域網(wǎng)包頭，將得到的IP包封裝到局域網(wǎng)幀中，幀目的地址=主機2-MAC地址；局域網(wǎng)傳輸；主機2接收。五、互聯(lián)網(wǎng)路由（InternetworkRouting）工作過程互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的路由與單獨子網(wǎng)的路由過程相似，只是復雜性增加；兩級路由算法自治系統(tǒng)AS（AutonomousSystem）內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP:InteriorGatewayProtocol） RIP，OSPF外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EGP:ExteriorGatewayProtocol） BGP六、分段（Fragmentation）每種網(wǎng)絡(luò)都對最大包長有限制，有以下原因硬件，例如TDM的時槽限制；操作系統(tǒng)；協(xié)議，例如包長度域的比特個數(shù)；與標準的兼容性；希望減少傳輸出錯的概率；希望避免一個包占用信道時間過長。大包經(jīng)過小包網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)關(guān)要將大包分成若干段（fragment），每段作為獨立的包傳輸。段重組策略(1)分段重組過程對其它網(wǎng)絡(luò)透明網(wǎng)關(guān)將大包分段后，每段都要經(jīng)過同一出口網(wǎng)關(guān)，并在那里重組；例，ATM網(wǎng)絡(luò)；帶來的問題出口網(wǎng)關(guān)需要知道何時所有分組都到齊；所有分組必須從同一出口網(wǎng)關(guān)離開；大包經(jīng)過一系列小包網(wǎng)絡(luò)時，需要反復地分段重組，開銷大。段重組策略(2)分段重組過程對其它網(wǎng)絡(luò)不透明中間網(wǎng)關(guān)不做重組，而由目的主機做；帶來的問題對主機要求高，能夠重組；每個段都要有一個包頭，網(wǎng)絡(luò)開銷增大；段重組策略(3)標記段樹型標記法例，包0分成三段，分別標記為0.0,0.1,0.2，段0.0構(gòu)成的包被分成三段，分別標記為0.0.0,0.0.1,0.0.2；存在的問題段標記域要足夠長分段長度前后要一致偏移量法定義一個基本段長度，使得基本段能夠通過所有網(wǎng)絡(luò)；包分段時，除最后一個段小于等于基本段長度外，所有段長度都等于基本段長度；一個包可以包括幾個段，包頭中包括；原始包序號，包中第一個基本段的偏移量，最后段指示位；七、防火墻（Firewalls）什么情況下使用防火墻？為防止網(wǎng)絡(luò)中的信息泄露出去或不好的信息滲透進來，在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)置防火墻；防火墻的一種常用配置兩個路由器，根據(jù)某種規(guī)則表，進行包過濾；一個應用網(wǎng)關(guān)，審查應用層信息。5.5 INTERNET網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層，Internet可以看成是許多網(wǎng)絡(luò)的集合。

網(wǎng)絡(luò)之間互連的紐帶是IP（InternetProtocol）協(xié)議。何謂IP協(xié)議：無連接的，不可靠的Internet網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議一、IP協(xié)議IP分組頭（1）IP頭包括20個字節(jié)的固定部分和變長（最長40字節(jié)）的可選部分，從左到右傳輸；版本域（version）；IHL（頭長度）：IP包頭長度，最小為5，最大為15，單位為32-bitword；IP分組頭（2）服務類型域（TypeofService）3個優(yōu)先級位；3個標志位：D（Delay）、T（Throughput）、 R（Reliability）；2個保留位；目前，很多路由器都忽略服務類型域。總長度域（Totallength）標識域（Identification）DF：Don’tFragment；所有機器必須能夠接收小于等于576字節(jié)的段。MF：MoreFragments除最后一個段外的所有段都要置MF位。IP傳輸?shù)奶攸c是：粉身碎骨義無反顧IP分組頭（3）段偏移量（Fragmentoffset）除最后一個段外的所有段的長度必須是8字節(jié)（基本段長）的倍數(shù)。ID=xoffset=0fragflag=0length=4000ID=xoffset=0fragflag=1length=1500ID=xoffset=1480fragflag=1length=1500ID=xoffset=2960fragflag=0length=1040一個大分組被分解為若干小分組IP分片的根本原因是受制于中間驛站的MTU（MaximumTransferUnit）IP分片機制（續(xù)）片位移處填充的是被8整除后的數(shù)值，如前例，各分片的位移分別為0，185和370受制于某一驛站MTU的影響，IP分片以后在IP層如果以后遇到較大的MTU或更大的MTU，不再進行分片的重新整合或重組。這樣，從某種意義上講，會浪費網(wǎng)絡(luò)的帶寬。IP分片機制里的ID號實際上是本IP的DNA7.5 INTERNET網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（5）生存期（Timetolive）實際實現(xiàn)中，IP包每經(jīng)過一個路由器TTL減1，為0則丟棄，并給源主機發(fā)送一個告警包。協(xié)議域（Protocol）：上層為哪種傳輸協(xié)議，TCP、UDP…頭校驗和（Headerchecksum）只對IP包頭做校驗；算法：每16位求反，循環(huán)相加（進位加在末尾），和再求反；有簡單算法。源地址（Sourceaddress）和目的地址（Destinationaddress）7.5 INTERNET網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（6）選項（Options）變長，長度為4字節(jié)的倍數(shù)，不夠則填充，最長為40字節(jié)；選項的格式拷貝位為1，則把選項參數(shù)拷貝到后序的碎片當中選項類（0—3）只選0（數(shù)據(jù)報或網(wǎng)絡(luò)控制）與2（調(diào)試與測量）拷貝選項類選項號1257.5 INTERNET網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（6）選項號0，選項表結(jié)束1，NON2，安全與處理限制（軍方）3，自由的源選徑4，Internet時戳7，記錄路徑9，嚴格的源選徑7.5 INTERNET網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（6）選項舉例9，嚴格的源選徑137長度指針第一驛站IP第三驛站IP第二驛站IP……注：自由的源選徑同嚴格的源選徑，不同的是相鄰兩個IP在物理連接上可以不連續(xù)，但是要求在路由行進中必須歷經(jīng)這些羅列的IP7.5 INTERNET網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（6）選項舉例7，路徑記錄7長度指針第一驛站IP第三驛站IP第二驛站IP……注：IP每行進一個驛站就記錄所歷經(jīng)的路徑7.5 INTERNET網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（6）選項舉例68，時戳記錄68長度指針第一驛站IP第二驛站IP第一時戳第二時戳注：標志0，只記錄時間，不記錄IP1，時間地址同時記錄3，IP由源發(fā)主機指定，只記錄指定處的時戳溢出標志IP地址（IPAddress）IP地址（IPAddress）地址組成：網(wǎng)絡(luò)號+主機號Fig.5-47地址表示采用用點分隔的十進制表示法，如166.111.68.3；特征地址Fig.5-48子網(wǎng)（Subnets）分而治之的思想：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，稱為子網(wǎng)。對外界，該網(wǎng)絡(luò)還是一個單獨的網(wǎng)絡(luò)。Fig.5-49子網(wǎng)劃分舉例例如：C類網(wǎng)絡(luò)192.10.1.0，主機號部分的前三位用于標識子網(wǎng)號，即：110000000000101000000001xxxyyyyy網(wǎng)絡(luò)號+子網(wǎng)號新的主機號部分子網(wǎng)號為全“0”全“1”不能使用，于是劃分出23-2=6個子網(wǎng)，子網(wǎng)地址分別為：

11000000000010100000000100100000--192.10.1.3211000000000010100000000101000000--192.10.1.6411000000000010100000000101100000--192.10.1.9611000000000010100000000110000000--192.10.1.12811000000000010100000000110100000--192.10.1.16011000000000010100000000111000000--192.10.1.192子網(wǎng)掩碼（SubnetMask）子網(wǎng)劃分后，如何識別不同的子網(wǎng)？解決：采用子網(wǎng)掩碼來分離網(wǎng)絡(luò)號和主機號。子網(wǎng)掩碼格式：32比特，網(wǎng)絡(luò)號(包括子網(wǎng)號)部分全為“1”，主機號部分全為“0”?！熬W(wǎng)絡(luò)號+子網(wǎng)號”部分“主機號”部分11……1100….00子網(wǎng)掩碼計算前面的例子中：網(wǎng)絡(luò)號24位，子網(wǎng)號3位，總共27位。所以子網(wǎng)掩碼為：

11111111

11111111

11111111

11100000即255.255.255.224缺省子網(wǎng)掩碼：A類：255.0.0.0 B類：255.255.0.0 C類：255.255.255.0子網(wǎng)地址計算子網(wǎng)掩碼∧IP地址，結(jié)果就是該IP地址的網(wǎng)絡(luò)號。例如：IP地址202.117.1.207，子網(wǎng)掩碼255.255.255.22411001010011101010000000111001111∧11111111111111111111111111100000

11001010011101010000000111000000∴子網(wǎng)地址為：202.117.1.192主機號為：15主機之間要能夠通信，它們必須在同一子網(wǎng)內(nèi)，否則需要使用路由器（或網(wǎng)關(guān)）實現(xiàn)互聯(lián)。子網(wǎng)規(guī)劃舉例網(wǎng)絡(luò)分配了一個C類地址：201.222.5.0。假設(shè)需要20個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)有5臺主機。試確定各子網(wǎng)地址和子網(wǎng)掩碼。1）對C類地址，要從最后8位中分出幾位作為子網(wǎng)地址：∵24＜20＜25，∴選擇5位作為子網(wǎng)地址，共可提供30個子網(wǎng)地址。2）檢查剩余的位數(shù)能否滿足每個子網(wǎng)中主機臺數(shù)的要求：∵子網(wǎng)地址為5位，故還剩3位可以用作主機地址。而23＞5+2，所以可以滿足每子網(wǎng)5臺主機的要求。3）子網(wǎng)掩碼為255.255.255.248。（11111000B=248）4）子網(wǎng)地址可在8、16、24、32、……、240共30個地址中任意選擇20個。子網(wǎng)掩碼及其功效子網(wǎng)掩碼有主機子網(wǎng)掩碼和路由器子網(wǎng)掩碼主機子網(wǎng)掩碼的作用是尋找一個出口路由子網(wǎng)掩碼及其功效

子網(wǎng)N1

子網(wǎng)N2

子網(wǎng)N5

子網(wǎng)N3

子網(wǎng)N4G2G1H11H33NID.子網(wǎng)N1.H11NID.子網(wǎng)N3.H33路由器子網(wǎng)掩碼的功效是為IP報文的傳遞導航三、Internet控制協(xié)議Internet控制報文協(xié)議ICMP（TheInternetControlMessageProtocol）主要用來報告出錯和測試；報文類型ICMP報文封裝在IP包中。四、地址解析協(xié)議ARP（TheAddressResolutionProtocol）解決網(wǎng)絡(luò)層地址（IP地址）與物理層地址（MAC地址）的映射問題，確切的講，是確定目的節(jié)點是否存在工作過程建立一個ARP表，表中存放（IP地址，MAC地址）對；若目的主機在同一子網(wǎng)內(nèi)，用目的IP地址在ARP表中查找，否則用缺省網(wǎng)關(guān)的IP地址在ARP表中查找。若未找到，則發(fā)送廣播包，目的主機收到后給出應答，ARP表增加一項；ARP表中的表項有生存期，超時則刪除。四、地址解析協(xié)議ARP（TheAddressResolutionProtocol）（續(xù)）ARP的改進信源地址一同發(fā)放，以免信宿機再次發(fā)放ARP請求信源機廣播地址時，網(wǎng)上在線機都記錄下這個地址于Caching中新機入網(wǎng)時，主動廣播ARP請求五、反向地址解析協(xié)議RARP（TheReverseAddressResolutionProtocol）解決數(shù)據(jù)鏈路層地址（MAC地址）與網(wǎng)絡(luò)層地址（IP地址）的映射問題；主要用于無盤工作站啟動；RARP原理通過ROM自舉程序發(fā)放RARP請求RARP服務器接收后，指定IP并應答RARP服務器可分為主（Primary）和次（Secondary）服務器，一個功能失去后另一個行使指派IP地址的任務RARP服務器存有網(wǎng)卡地址與IP地址對照一覽表五、反向地址解析協(xié)議RARP（TheReverseAddressResolutionProtocol）解決這一問題也稱謂為動態(tài)聯(lián)編（Dynamicbinding）ARP和RARP公用一個解析報文五、反向地址解析協(xié)議RARP（TheReverseAddressResolutionProtocol）報文格式如下硬件類型協(xié)議類型硬件地址長度協(xié)議地址長度操作發(fā)送者硬件地址（0—3）發(fā)送者硬件地址（4—5）發(fā)送者IP地址（0--1）發(fā)送者IP地址（2—3）目的硬件地址（0—1）目的硬件地址（2—5）目的IP地址注：硬件類型實際上為網(wǎng)絡(luò)類型，“1”代表以太網(wǎng)協(xié)議類型里，0x0800代表IP協(xié)議操作(1—ARP請求，2—ARP應答，3—RARP請求，4–RARP應答）發(fā)送者永遠是發(fā)送者七、Internet路由協(xié)議內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議IGP（interiorgatewayprotocol）：自治系統(tǒng)AS內(nèi)使用的路由算法，RIP、OSPF外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議EGP（exteriorgatewayprotocol）：自治系統(tǒng)AS之間使用的路由算法，BGPRIP(RoutingInformationProtocol)DestinationNetwork NextRouterNum.ofhopstodest.

w A 2

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x -- 1 …. …. ....wxyzACDBRoutingtableinD內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議：OSPF（1）開放最短路徑優(yōu)先OSPF（OpenShortestPathFirst）開放，公開發(fā)表；支持多種距離衡量尺度，例如，物理距離、延遲等；動態(tài)算法；支持基于服務類型的路由；負載平衡；支持分層系統(tǒng)；適量的安全措施；支持隧道技術(shù)。內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議：OSPF（2）構(gòu)造有向拓撲圖根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)、路由器和線路構(gòu)造有向圖；每個弧賦一個開銷值；兩個路由器之間的線路用一對弧來表示，弧權(quán)可以不同；多路訪問（multiaccess）網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)用一個節(jié)點表示，每個路由器用一個節(jié)點表示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與路由器節(jié)點的弧權(quán)為0；內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議：OSPF（3）分層路由自治系統(tǒng)AS可以劃分區(qū)域（areas）；每個AS有一個主干（backbone）區(qū)域，稱為區(qū)域0，所有區(qū)域與主干區(qū)域相連；一般情況下，有三種路由區(qū)域內(nèi)區(qū)域間從源路由器到主干區(qū)域；穿越主干區(qū)域到達目的區(qū)域；到達目的路由器。自治系統(tǒng)間內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議：OSPF（4）四類路由器，允許重疊完全在一個區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部路由器；連接多個區(qū)域的區(qū)域邊界路由器；主干路由器；自治系統(tǒng)邊界路由器。信息類型外部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議：BGP（1）邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP（BorderGatewayProtocol）通過TCP連接傳送路由信息；采用路徑向量（pathvector）算法，路由信息中記錄路徑的軌跡與距離矢量法非常類似每個邊界網(wǎng)關(guān)向鄰居路由器廣播到目的節(jié)點完整路徑例如：,網(wǎng)關(guān)X可能發(fā)送到目的節(jié)點Z的路徑如下:Path(X,Z)=X,Y1,Y2,Y3,…,Z外部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議：BGP（2）假設(shè):網(wǎng)關(guān)X將它的路徑送到網(wǎng)關(guān)WW可能接受或者不接受X所提供的路徑如果W接受X發(fā)來的路徑,則:Path(W,Z)=w,Path(X,Z)注意:X可以通過控制是否廣播某條路徑來控制該路徑的流量:無類域間路由CIDR(1)

ClasslessInterDomainRouting）CIDR的提出Internet指數(shù)增長，IP地址即將用完，基于分類的IP地址空間的組織浪費了大量的地址 CIDRRFC1519基本思想：將剩余的C類地址分成大小可變的地址空間；例如，需要2000個地址，則分配一個2048個地址（8個C類地址）的連續(xù)地址塊，而不是一個B類地址；無類域間路由CIDR(2)

ClasslessInterDomainRouting）RFC1519改變了過去C類地址的分配規(guī)則，將世界分成4個區(qū)，每個區(qū)分配一塊連續(xù)的C類地址空間； 歐洲：194.0.0.0~195.255.255.255 北美：198.0.0.0~199.255.255.255 中、南美：200.0.0.0~201.255.255.255 亞太：202.0.0.0~203.255.255.255最長匹配原則：路由查找時，若多個路由表項匹配成功，選擇掩碼長（1比特數(shù)多）的路由表項；路由表中增加一個32位的掩碼（mask）域CIDR思想可用于所有IP地址，沒有A、B、C類之分。地址格式:a.b.c.d/x,x表示地址中網(wǎng)絡(luò)部分的位數(shù)無類域間路由CIDR(例)CambridgeUniversity需要2048個地址，194.24.0.0~194.24.7.255，掩碼255.255.248.0； OxfordUniversity需要4096個地址，194.24.16.0~194.24.31.255，掩碼255.255.240.0； EdinburghUniversity需要1024個地址，194.24.8.0~194.24.11.255，掩碼255.255.252.0；路由表內(nèi)容