1第四章第四章 网络层网络层2 第四章第四章: 网络层网络层4. 1 概述概述4.2 虚电路和数据报网虚电路和数据报网络络4.3 路由器工作原理路由器工作原理4.4 网际协议网际协议数据报格式数据报格式IPv4 编址编址ICMP协议协议IPv64.5 选路算法选路算法链路状态选路算法链路状态选路算法距离向量算法距离向量算法层次选路层次选路4.6 因特网中的选路因特网中的选路RIPOSPFBGP4.7 广播和多播选路广播和多播选路34.1 网络层网络层将分组从发送方主机传将分组从发送方主机传送到接收方主机送到接收方主机 发送方将数据段封装成发送方将数据段封装成分组分组接收方将分组解封装后接收方将分组解封装后将数据段递交给传输层将数据段递交给传输层网络层协议存在于每台网络层协议存在于每台主机和路由器上主机和路由器上路由器检查所有经过它路由器检查所有经过它的的IP分组的分组头分组的分组头networkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysical44.1.1 网络层的重要功能网络层的重要功能转发转发: 路由器将收到的路由器将收到的分组移动到适当的输出分组移动到适当的输出链路。链路。选路选路: 决定分组从源端决定分组从源端到目的端所经过的路径。到目的端所经过的路径。选路算法选路算法术语术语:forwarding: 将分组从一个输将分组从一个输入链路接口转移到适当输出链入链路接口转移到适当输出链路接口的过程。路接口的过程。routing: 决定分组从源端到目决定分组从源端到目的端所经过路径的过程。的端所经过路径的过程。51230111到达分组的首部中的值到达分组的首部中的值选路算法选路算法 本地转发表本地转发表首部值首部值输出链路输出链路010001010111100132214.1.1 转发和选路转发和选路选路算法决定转发表中的值选路算法决定转发表中的值64.1.1 网络层的第三种功能：连接建立网络层的第三种功能：连接建立某些网络体系结构上某些网络体系结构上ATM, 帧中继帧中继, X.25在网络数据开始流动之前在网络数据开始流动之前, 在源和目的端需在源和目的端需要建立虚连接路径。要建立虚连接路径。包括中间经过的路由器包括中间经过的路由器网络层和传输层提供的服务对比网络层和传输层提供的服务对比:Network: 两台主机（两台主机（host）之间）之间Transport: 两个进程（两个进程（process）之间）之间74.1.2 网络服务模型网络服务模型问题问题:源端到目的端之间分组传送提供了哪些服务模型呢？源端到目的端之间分组传送提供了哪些服务模型呢？网络层为单个数据分组网络层为单个数据分组提供的服务提供的服务:确保交付确保交付具有时延上界（不到具有时延上界（不到40ms ）的确保交付）的确保交付网络层为分组的流提供的网络层为分组的流提供的服务：服务：有序的分组递交有序的分组递交确保最小带宽确保最小带宽确保最大时延抖动确保最大时延抖动注意注意:现在的因特网网络层并没有提供上述服务，因特网只提供现在的因特网网络层并没有提供上述服务，因特网只提供了尽力而为的服务（实际上就是没有提供任何特定的服务）。了尽力而为的服务（实际上就是没有提供任何特定的服务）。84.1.2 网络层服务模型：网络层服务模型：网络体网络体系结构系结构InternetATMATM服务服务模型模型尽力而为尽力而为CBRABR带宽保证带宽保证无无恒定速率恒定速率保证最小保证最小速率速率无丢包无丢包保证保证无无是是无无排序排序任何可任何可能顺序能顺序有序有序有序有序定时定时不维持不维持维持维持不维持不维持拥塞指示拥塞指示无无无拥塞无拥塞提供拥塞提供拥塞指示指示服务质量服务质量9第四章 网络层4. 1 概述概述4.2 虚电路和数据报网虚电路和数据报网络络4.3 路由器工作原理路由器工作原理4.4 网际协议网际协议数据报格式数据报格式IPv4 编址编址ICMP协议协议IPv64.5 选路算法选路算法链路状态选路算法链路状态选路算法距离向量算法距离向量算法层次选路层次选路4.6 因特网中的选路因特网中的选路RIPOSPFBGP4.7 广播和多播选路广播和多播选路104.2 网络层有连接服务和无连接服务网络层有连接服务和无连接服务数据报网络在网络层中提供无连接服务数据报网络在网络层中提供无连接服务虚电路在网络层中提供有连接服务虚电路在网络层中提供有连接服务与传输层服务有相似之处，但也有很大不同：与传输层服务有相似之处，但也有很大不同：服务服务: 主机到主机（传输层：端到端）主机到主机（传输层：端到端）服务选择服务选择:在同一时间仅提供以上两种服务中的一种在同一时间仅提供以上两种服务中的一种 （传输层：提供（传输层：提供TCP和和UDP）实现实现: 在端系统及网络核心实现（传输层：在端系在端系统及网络核心实现（传输层：在端系 统中实现）统中实现）114.2.1 虚电路虚电路(Virtual Circuit)数据传输前建立虚电路，传输完毕后拆除虚电路数据传输前建立虚电路，传输完毕后拆除虚电路每个分组携带每个分组携带 VC 标识标识(并非目的地址并非目的地址)在源在源-目的目的路径上每个路由器要维护每个连结的状态信息路径上每个路由器要维护每个连结的状态信息链路、路由器资源（带宽、缓冲区）可能分配给链路、路由器资源（带宽、缓冲区）可能分配给VC“源端到目的端的路径，正如普通电话线路源端到目的端的路径，正如普通电话线路“性能可靠性能可靠网络行为沿网络路径发生网络行为沿网络路径发生124.2.1 VC 实现实现一条一条 VC 的组成的组成:m源和目的主机间的路径源和目的主机间的路径mVC号号,沿着该路径中的每段链路一个号码沿着该路径中的每段链路一个号码 m沿着该路径的每台路由器中的转发表项沿着该路径的每台路由器中的转发表项VC上传送的分组携带有上传送的分组携带有VC号号每台中间路由器用一个新的每台中间路由器用一个新的VC号取代原号取代原来的来的VC号号.新的新的VC 号从转发表中获得号从转发表中获得134.2.1 转发表转发表122232123VC 号号接口标号接口标号入接口入接口 入口入口VC # 出接口出接口 出口出口VC #1 12 3 222 63 1 18 3 7 2 171 97 3 87 左上角路由器的转发表左上角路由器的转发表 路由器维护连接状态信息路由器维护连接状态信息144.2.1 虚电路虚电路: 信令协议信令协议用来建立，维护及拆除虚电路用来建立，维护及拆除虚电路在在 ATM, 帧中继帧中继frame-relay, X.25中应用中应用applicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysical1. Initiate call2. incoming call3. Accept call4. Call connected5. Data flow begins6. Receive data154.2.2 数据报网络数据报网络(Datagram)在网络层没有呼叫建立在网络层没有呼叫建立路由器路由器: 对于端到端的连接没有状态信息维护对于端到端的连接没有状态信息维护没有网络层的没有网络层的“连接连接”的概念的概念分组使用目的主机地址进行转发分组使用目的主机地址进行转发在同一个源在同一个源-目的主机对中的分组可能走不同的路径目的主机对中的分组可能走不同的路径applicationtransportnetworkdata linkphysicalapplicationtransportnetworkdata linkphysical1. Send data2. Receive data164.2.2 转发表转发表 目的地址范围目的地址范围 链路接口链路接口 11001000 00010111 00010000 00000000 到到 0 11001000 00010111 00010111 11111111 11001000 00010111 00011000 00000000 到到 1 11001000 00010111 00011000 11111111 11001000 00010111 00011001 00000000 到到 2 11001000 00010111 00011111 11111111 其他其他 3有超过有超过40亿亿IP地址，地址，转发表就需要转发表就需要40亿项吗？亿项吗？174.2.3 数据报和虚电路网络的由来数据报和虚电路网络的由来Internet数据在计算机中进行交换数据在计算机中进行交换”弹性弹性“服务，没有严格的服务，没有严格的时间限制时间限制. ”智能智能“终端系统终端系统 (computers)具有适应性，性能控制，错具有适应性，性能控制，错误恢复误恢复网络内部简单，边缘复杂网络内部简单，边缘复杂多种链路类型（卫星，以太网多种链路类型（卫星，以太网光纤，无线等）光纤，无线等）具有不同特性具有不同特性统一服务困难统一服务困难ATM由电话系统演变而来由电话系统演变而来人类会话人类会话: 严格的时间和可靠性严格的时间和可靠性要求要求需要有保障的服务需要有保障的服务哑终端系统哑终端系统电话电话网络内部复杂网络内部复杂18 第四章第四章: 网络层网络层4. 1 概述概述4.2 虚电路和数据报网虚电路和数据报网络络4.3 路由器工作原理路由器工作原理4.4 网际协议网际协议数据报格式数据报格式IPv4 编址编址ICMP协议协议IPv64.5 选路算法选路算法链路状态选路算法链路状态选路算法距离向量算法距离向量算法层次选路层次选路4.6 因特网中的选路因特网中的选路RIPOSPFBGP4.7 广播和多播选路广播和多播选路194.3 路由器结构概要路由器结构概要路由器两个主要功能路由器两个主要功能: 运行路由算法运行路由算法/协议协议 (RIP, OSPF, BGP)将分组从输入链路转发到适当的输出链路将分组从输入链路转发到适当的输出链路204.3.1 输入端口功能输入端口功能分散式转发分散式转发: 根据分组中的目的地址根据分组中的目的地址, 在输入端口在输入端口的缓存中查找转发表得出适当的输的缓存中查找转发表得出适当的输出端口出端口目标目标: 要求输入端口的处理速度超要求输入端口的处理速度超过线路处理速度过线路处理速度 line speed排队排队: 如果输入端口分组的到达如果输入端口分组的到达快快于于其转发到交换结构的速度其转发到交换结构的速度物理层物理层:bit接收接收数据链路层数据链路层以太网以太网参第五章参第五章214.3.2 三种类型的交换结构三种类型的交换结构224.3.2 经内存交换经内存交换第一代路由器第一代路由器: 传统的计算机，交换在传统的计算机，交换在CPU的直接控制下完成的直接控制下完成 分组被拷贝到系统内存分组被拷贝到系统内存 速度受内存带宽限制速度受内存带宽限制 (每个分组需要两次经过总每个分组需要两次经过总线线)InputPortOutputPortMemorySystem Bus许多现代路由器许多现代路由器: 输入端口处理器处理分组地址查找输入端口处理器处理分组地址查找,拷贝到输出端口的缓冲区拷贝到输出端口的缓冲区如同共享内存的多处理器如同共享内存的多处理器 Cisco Catalyst 85002