第 6 章网络层

第6章网络层 主要内容 6.1 网络层功能概述（理解） 6.2 数据交换方式(重点、难点） 6.3 流量控制和拥塞控制（难点） 6.4 网络层的设备（重点） 6.5 TCP/IP的网络层(重点、难点） 6.6 路由与路由协议 (重点、难点） 6.7 下一代的网际协议IPv6

6.1 网络层功能概述

主机A 主机B 应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层网络层网络层网络层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层物理层物理层物理层物理层物理层图6.2 网络层的地位与作用 1.网络层的地位和作用

H1 H2 应用层应用层 R1 R2 R3 运输层运输层网络层网络层网络层网络层网络层链路层链路层链路层链路层链路层物理层物理层物理层物理层物理层网络层的简单模型主机H1向H2发送数据路由器R1 路由器R3 主机H1 路由器R2 主机H2 局域网广域网电话网局域网从层次上来看数据的流动

网络层的简单模型( 续） 主机H1向H2发送数据路由器R1 路由器R3 主机H1 路由器R2 主机H2 局域网广域网电话网局域网仅从网络层观察分组的流动 H1 H2 应用层应用层 R1 R2 R3 运输层运输层网络层网络层网络层网络层网络层链路层链路层链路层链路层链路层物理层物理层物理层物理层物理层

1.网络层的地位和作用 • 网络层涉及将源主机发出的分组经由各种网络路径到达目的主机，其利用了数据链路层所提供的相邻结点之间的数据传输服务，向传输层提供了从源到目标的数据传输服务。网络层是处理端到端(end to end)数据传输的最低层，但同时又是通信子网的最高层。如图6.2所示，资源子网中的主机具备了OSI模型中所有七层的功能，但通信子网中的主机因为只涉及通信问题而只拥有OSI模型的下三层。所以网络层被看成是通信子网与资源子网的接口，即通信子网的边界。

2. 网络层的功能 • 首先，需要规定该层协议数据单元的类型和格式，网络层的协议数据单元称为分组（packet）其中要包括实现该层功能所必需的控制信息如收发双方的网络地址等。 • 其次，要了解通信子网的拓扑结构，从而能进行最佳路径的选择，最佳路径选择又被称为路由(Routing)。 • 第三，在选择路径时还要注意既不要使某些路径或通信线路处于超负载状态，也不能让另一些路径或通信线路处于空闲状态，即所谓的拥塞控制和负载平衡； • 另外，当源主机和目标主机的网络不属于同一种类型时，网络层还要能协调好不同网络间的差异即所谓解决异构网络互连的问题。

3. 网络层所提供的服务（难点） • 网络层提供给传输层的服务有面向连接和面向无连接之分。 • 所谓面向连接就是指在数据传输之前双方需要为此建立一种连接，然后在该连接上实现有次序的分组传输，直到数据传送完毕连接才被释放； • 面向无连接则不需要为数据传输事先建立连接，其只提供简单的源和目标之间的数据发送与接收功能。

面向无连接的服务 • 面向无连接的服务在通信子网内通常以数据报(datagram)方式实现。在数据报服务中，每个分组都必须提供关于源结点和目标结点的完整地址信息，通信子网根据地址信息为每一个分组独立进行路径选择。数据报方式的分组传输可能会出现丢失、重复或乱序的现象。

网络随时接受主机发送的分组（即数据报） 网络为每个分组独立地选择路由。提供数据报服务的特点 H4 H2 H2向H6发送分组 D H1向H5发送分组 B 路径可能变化 H6 E H1 A H5 C H3 分组交换网

网络尽最大努力地将分组交付给目的主机， 但网络对源主机没有任何承诺。提供数据报服务的特点 H4 H2 D B H6 E H1 A H5 C H3 分组交换网

网络不保证所传送的分组不丢失 也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机提供数据报服务的特点 H4 H2 D B H6 E H1 A H5 C H3 分组交换网

当网络发生拥塞时 网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃提供数据报服务的特点 H4 H2 D B H6 E H1 A H5 C H3 分组交换网

数据报提供的服务是不可靠的， 它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。提供数据报服务的特点 H4 H2 D B H6 E H1 A H5 C H3 分组交换网

面向连接的服务 • 面向连接的服务则通常采用虚电路(virtual circuit，简称VC)方式实现。 • 虚电路是指通信子网为实现面向连接服务而在源结点与目标结点之间所建立的逻辑通信链路。 • 虚电路服务的实现涉及三个阶段，即虚电路建立、数据传输和虚电路拆除三个阶段。在建立连接时，将从源结点网络到目标结点网络的路由作为连接建立的一部分加以保存；在数据传输过程中，在虚电路上传送的分组总是取相同的路径通过通信子网；数据传输完毕需要拆除连接。

H1向H5发送的 所有分组都沿此虚电路传送。虚电路主机H1先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。提供虚电路服务的特点 H4 H2 D H1要和H5通信 B H6 E H1 A H5 C H3 分组交换网

提供虚电路服务的特点 同理，主机H2和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。 H4 H2 D B H6 E H1 A H5 C H3 分组交换网

在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。提供虚电路服务的特点 H4 H2 D B H6 E H1 A H5 C H3 分组交换网

到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量QoS (Quality of Service)有较好的保证。提供虚电路服务的特点 H4 H2 D B H6 E H1 A H5 C H3 分组交换网

6.2 数据交换方式 • 常用的数据交换方式可分为两大类：电路交换方式报文交换存储转发交换方式报文分组交换

1. 什么是交换技术

回顾一下电路交换的特点 • 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。  

     更多的电话机互相连通 • 5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 • N 部电话机两两相连，需 N(N– 1)/2对电线。 • 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。

使用交换机 • 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。  …    交换机     

“交换”的含义 • 在这里，“交换”(switching)的含义是： • 转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。 • 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

“交换技术”的含义 • 所谓交换技术是采用交换机和节点机等交换系统，通过路由选择技术在欲进行通信的双方之间建立物理的或逻辑的连接，形成一条通路，实现通信双方的信息传输和交换的一种技术

6.2.1 电路交换 • 在电路交换（Circuit Switching）网络中，通过网络结点在两个工作站之间建立一条专用的通信电路。 • 最普通的电路交换例子是公用电话交换网（PSTN）。使用电路交换方式进行通信时，两个结点之间使用实际的物理或逻辑连接，这种连接由结点的各段电路组成，每一段电路都为该连接提供一条通道。

电路交换的通信过程 • 电路交换方式的通信过程包括以下三个阶段：①电路建立：在传输任何数据之前，都必须建立端到端（站到站）的线路，如图6.3所示的网络。② 数据传输：一旦通信电路建立起来，就可通过这条专用电路从主机A通过网络传输数据到主机B。 ③ 电路拆除：数据通信结束后，应拆除电路，供其他用户使用。通常是由两个站点中的一个站来完成这一动作。

电路交换举例 • A 和 B 通话经过四个交换机 • 通话在 A 到 B 的连接上进行交换机中继线交换机用户线中继线 A B ( 交换机 ( 交换机 ( C 用户线 ( D

电路交换举例 • C 和 D 通话只经过一个本地交换机 • 通话在 C 到 D 的连接上进行交换机中继线交换机用户线中继线 A B ( 交换机 ( 交换机 ( C 用户线 ( D

电路交换传送计算机数据效率低 • 计算机数据具有突发性。 • 这导致通信线路的利用率很低。

6.2.2 报文交换 • 报文交换（Message Switching）属于存储交换. • 存储交换的主要原理是：把待传送的信息存储起来，等到信道空闲时发出去。但是，这种方式对于有实时性要求的信息传输是不允许的；而对于数据通信则是合适的。

报文交换工作过程 报文交换工作过程如下： • 发信端将发往收信端（目的地）的信息分割成一份份的报文正文，连同收信地址等辅助信息形成一份份的报文.。 • 首先发往本地的交换中心（或交换局），然后由交换中心将每份报文完整地存储起来；当等到去目的地的线路空闲时，再将一份份报文转发到下一个交换中心，然后再转到目的地。 • 目的地收信交换中心将收到的各份报文按原来的顺序进行装配，而后将完整的信息交付给目的地收信的计算机或终端设备，如图6.4所示。

报文交换过程 报文交换网不能满足实时或交互性通信的要求，因为网络的延时时间相当长，负载不同，延时时间有相当大的变化。不适合声音连接和交互式通信。

6.2.3 报文分组交换 • 报文分组交换（Packet Switching）方式是1964年提出来的，简称为分组交换或包交换，最早在ARPANET上得以应用，它试图兼有报文交换和线路交换的优点，而使两者的缺点最少。报文分组交换方式与报文交换方式相比，它采用了较短的格式化的信息单位，称为报文分组，简称报文组（Packet）。在报文分组交换网络中，典型数据单位分组的长度限制在一千比特到数千比特；而在报文交换网络中，报文长度远比分组长得多。

1101000110101010110101011100010011010010 假定这个报文较长不便于传输分组交换的原理（一） • 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。报文

报文分组1 分组2 分组3 分组交换的原理（二） • 每一个数据段前面添加上首部构成分组。数据数据数据首部首部首部请注意：现在左边是“前面”

首部数据分组1 分组2 分组3 首部数据首部数据分组交换的原理（三） • 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 • 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。

分组首部的重要性 • 每一个分组的首部都含有地址等控制信息。 • 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。 • 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

分组1 分组2 分组3 分组交换的原理（四） • 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。首部数据首部数据首部数据收到的数据

报文 1101000110101010110101011100010011010010 分组交换的原理（五） • 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 • 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。数据数据数据

分组交换网的示意图 H4 H2 注意分组路径的变化！ D 结点交换机 B H6 主机 H1 E H2 向 H6发送分组 A H1 向 H5发送分组 H5 C 分组交换网 H3

注意分组的存储转发过程 H4 H2 在结点交换机A暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机C暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机E暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机H5 D 结点交换机 H1向H5发送分组 B H6 主机 H1 E A H5 C 分组交换网 H3

注意结点交换机有多个端口 H4 H2 D H6 1 234 B 1 234 1 2 3 4 结点交换机 E H1 H5 1 2 3 4 A 高速链路 1 2 3 4 C H3

结点交换机 • 在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。 • 结点交换机处理分组的过程是： • 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）； • 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发； • 把分组送到适当的端口转发出去。

主机和结点交换机的作用不同 • 主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。 • 结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。

分组交换的优点 • 高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 • 灵活以分组为传送单位和查找路由。 • 迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。 • 可靠完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。

分组交换带来的问题 • 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 • 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

存储转发原理并非完全新的概念 • 在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 • 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。

6.2.4 三种交换技术比较 • 不同的交换技术适用于不同的场合： • 对于交互式通信来说，报文交换是不合适的。 • 对于较轻的或间歇式负载来说，电路交换是最合算的，因为可以通过电话拨号来使用公用电话系统。 • 对于两个站之间很重的和持续的负载来说，使用租用的电路交换是最合算的。 • 当有一批中等数量数据必须交换到大量的数据设备时，宁可用分组交换方法，这种技术的线路利用率是最高的。 • 数据报分组交换适用于短报文和具有灵活性的报文。虚电路分组交换适用于长交换和减轻各站的处理负担。

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