第4章网络层

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4.3.2 交换结构
第4章 网络层-20
输出端口
交换 结构
排队（缓 存管理） ■■■■ ■
数据链路处 理： （协议、封 装）
线路 端接
缓存管理：当交换结构将分组交付给输出端口的速率超
过输出链路速率时 调度原则：在数据报队列中选择数据报进行传输
第4章 网络层-21
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4.6 因特网中的选路 RIP OSPF BGP 4.7 广播和多播
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第4章 网络层-2
网络层的功能
在收发主机之间传输分组
网络层协议必须在每一台
端系统H1
应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层
网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层
应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
端系统H2
4.1 概述
第4章 网络层-3
网络层2个主要功能
转发: 路由器将输入链路的分组移动到适当的输出链路 选路: 分组从发送方流向接收方时，网络层必须决定分组所采用
的路径
比较:
选路: 分组从源到目的地时，决定端到端路径的网络范围的进程 转发: 是本地动作，指分组从输入接口转移到适当输出接口的过
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4.3 路由器工作原理
第4章 网络层-14
典型的路由器的结构
选路处理器
路由选择协议
路由表 输出端口 3
3——网络层 2——数据链路层 1——物理层
输入端口 1
路由 选择
2
… 输入端口
分组处理 转发表
3
2
… 输出端口
1
分组 转发
1
1
2
3
交换结构
3
2
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4.3 路由器工作原理
网络类型 服务模型 确保 带宽？ 不丢失？ 顺序交付？ 按时？ 否
否 是 是 否 否
拥塞反馈
否(通过
因特网
尽力而 为服务
否
否 是
丢包来推断)
否 否
ATM
ATM ATM ATM
CBR
VBR ABR UBR
恒定比特 率 确保速率 确保最小 带宽
无
是
是 否
是
是 是
是
否
否
Internet 正在进化: Intserv, Diffserv
应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
1. 发送数据
应用层 传输层 网络层 2. 接收数据 数据链路层 物理层
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4.2.2 数据报网络
第4章 网络层-11
转发表
目的地址范围
可能有超过40亿个地址！
链路接口
11001000 00010111 00010000 00000000 到 11001000 00010111 00010111 11111111
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4.2.2 数据报网络
0
1
2
3 该通过哪个接口转发？ 该通过哪个接口转发？
第4章 网络层-12
第4章: 网络层
4. 1 概述 4.2 虚电路和数据报网络 4.3 路由器工作原理 4.4 网际协议: 数据报格式 IPv4 编址 ICMP：网际控制报文协议 IPv6 4.5 选路算法 链路状态选路算法 距离向量选路算法 层次路由
4.6 因特网中的选路 RIP OSPF BGP 4.7 广播和多播
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4.2 虚电路和数据报网络
第4章 网络层-10
数据报网络：因特网模型
在网络层没有连接建立过程 路由器：在端到端的连接中不维护连接状态信息 在网络层不存在“联接”的概念 传输报文时使用目的主机地址信息 同一对主机间的报文可能会走不同的路径
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数据 (可变长度, 典型情况下是一个 TCP 或 UDP 报文段)
4.4.1 数据报格式
第4章 网络层-26
IP分片和重组
网络链路具有 MTU (最大传
输单位)属性 – 是由链路层 最大帧的限制决定的 不同类型的链路有不同的 MTU值 大的IP数据报在网络中会被 分成小的分片 一个数据报变成了几个数 据报 重组只在目的主机进行 数据报头部的标识、标志 以及片偏移字段用于目的 主机对接收的分片进行重 组
11001000 00010111 00011000 00000000 到 11001000 00010111 00011000 11111111 11001000 00010111 00011001 00000000 到 11001000 00010111 00011111 11111111 其他 例子： DA: 11001000 00010111 00010110 10100001 DA: 11001000 00010111 00011000 10101010
4.6 因特网中的选路 RIP OSPF BGP 4.7 广播和多播
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4.3 路由器工作原理
第4章 网络层-13
路由器体系结构概述 路由器的2个主要功能:
运行选路算法/协议
(RIP(Routing Information Protocol，选路信息协议), OSPF(Open Shortest Path First,开放最短路径), BGP(Border Gateway Protocol，边界网关协议)) 根据转发表将数据报从输入链路传送到输出链路
程
第4章 网络层-4
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4.1.1 转发和选路
选路和转发的相互作用
选路算法 本地转发表 首部值 输出链路 0100 3 0101 2 0111 2 1001 1 到达分组的首部值
0111
1
3 2
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4.1.1 转发和选路
第4章 网络层-5
连接建立
在某些计算机网络中，网络层有第3种重要的功能
4.6 因特网中的选路 RIP OSPF BGP 4.7 广播和多播
2018/9/28
第4章 网络层-23
主机、路由器的网络层功能:
运输层: TCP, UDP 选路协议 •路径选择 •RIP, OSPF, BGP
网络层
转发表
IP 协议 •编制规则 •数据报格式 •分组处理规则 ICMP 协议 •错误报告 •路由器 信令
Q: 对收发双方而言，到底采用什么样的“信道（channel

）” 服务模型? 保证带宽? 还原分组间的时序 (消除抖动)? 无损传递? 有序传递? 向发送端反馈拥塞信息? 网络层所提供的最重要的抽象是 :虚电路或数据报
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4.1.2 网络服务模型
第4章 网络层-7
网络服务模型:
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4.3.2 交换结构
第4章 网络层-19
通过内联网络交换
克服总线带宽限制
Banyan 网络： 过去在多处理机计算机体系结构中用
来互连多个处理器的网络 设计先进：将长度变化的IP分组分片成固定尺寸的信 元，通过交换结构对信元进行转发 Cisco 12000: 通过内联网络交换速度为若干Gb/s
系统总线
现代路由器: 输入端口处理器执行查询路由表、和拷贝的功能 Cisco Catalyst 8500
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4.3.2 交换结构
第4章 网络层-18
经总线交换
输入端口经一根共享总线将分组直接
传送到输出端口 总线交换的问题: 交换速度受限于总 线的带宽 1 Gbps 总线, Cisco 1900:对于运行 在接入网或企业网的路由器，通过总 线交换的转发速度是足够的。(区域网 和主干网则不行)
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4.1.2 网络服务模型 第4章 网络层-8
有连接和无连接服务
数据报网络提供网络层无连接服务 虚电路网络提供有连接服务 与传输层提供的服务有相似之处，但也有很多区别 服务: 主机到主机 别无选择: 由网络提供服务类型，但不能同时提供2种服 务类型 实现: 在网络内核的路由器进行（也可以在连接服务的 端系统中实现）
4.3.3 输出端口
输出端口排队
当通过交换结构到达的分组速率超过了输出链路的速率时，
需要对分组进行缓存 输出端口缓冲区溢出会导致分组的排队和丢失!
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4.3.3 输出端口 第4章 网络层-22
第4章: 网络层
4. 1 概述 4.2 虚电路和数据报网络 4.3 路由器工作原理 4.4 网际协议: 数据报格式 IPv4 编址 ICMP：网际控制报文协议 IPv6 4.5 选路算法 链路状态选路算法 距离向量选路算法 层次路由
第4章: 网络层
目标:
理解网络层服务的基本原理: 选路 (路径选择) 可扩展性 路由器的工作原理 高级话题: IPv6, 移动性
因特网的实现实例
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第4章 网络层-1
第4章: 网络层
4. 1 概述 4.2 虚电路和数据报网络 4.3 路由器工作原理 4.4 网际协议: 数据报格式 IPv4 编址 ICMP：网际控制报文协议 IPv6 4.5 选路算法 链路状态选路算法 距离向量选路算法 层次路由
2018/9/28

4.1.2 网络服务模型
第4章 网络层-9
第4章: 网络层
4. 1 概述 4.2 虚电路和数据报网络 4.3 路由器工作原理 4.4 网际协议: 数据报格式 IPv4 编址 ICMP：网际控制报文协议 IPv6 4.5 选路算法 链路状态选路算法 距离向量选路算法 层次路由
标志
分段偏移
首部校验和
用于分片和重组
生存时间 上层协议
32 bit 源 IP 地址
32 bit 目的 IP 地址 选项 (如果有的话) 例如时间戳,记录路 由信息，定义要访 问的路由器等。 （在IPv6被废止）
TCP报文可以有多长 的负载? 20 字节 TCP首部 20 字节 IP首部 = 40字节 + 应用 层数据
4.6 因特网中的选路 RIP OSPF BGP 4.7 广播和多播
2018/9/28
第4章 网络层-25
IP数据报格式
IP 协议版本号 头部长度 (字节) 服务类型 报文的寿命 (在每个路由器，该值减1) 用来递交有效负荷的 上层协议 版本 32 比特 首部 服务类型 长度 16bit标识 数据报长度（字节） 整个数据报的长度
第4章 网络层-15
输入端口功能
数据链路处 理 （协议、拆 封） 网络层处 理 排队 查表、转 发、 ■■■ 交换 结构
线路 端接
物理层: 位流级的接收 数据链路层: e.g.,以太网
分散式交换:
按照给出的目的地址,使用输入端口的内存中存
储的转发表，查找输出端口 目标:以“线路速度”完成输入端口的处理 排队：如果数据报到达的速度超过了输入端口 将数据报转交给交换结构的速度，则后到的分 组会暂时阻塞
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4.3.1 输入端口 第4章 网络层-16
交换结构的3种类型
2018/9/28
4.3.2 交换结构
第4章 网络层-17
经内存交换
第一代路由器: 在输入端口和输出端口之间的交换是在CPU（选路处理器） 的直接控制下完成的 分组被拷贝到系统内存中 转发速度受限于内存的带宽
输入端口 内存 输出端口
主机和路由器上实现 三项重要功能: 路径决策: 为分组在收发 双方之间确定路径， 路由 选择算法 交换: 在路由器的输入、 输出端口传递分组 建立连接: 某些网络的体 系结构要求在数据流经之 前，在所经由的路由器中 建立连接（call setup）
2018/9/28
网络层 数据链路层 物理层
链路层 物理层
2018/9/28
4.4 网际协议
第4章 网络层-24
第4章: 网络层
4. 1 概述 4.2 虚电路和数据报网络 4.3 路由器工作原理 4.4 网际协议: 数据报格式 IPv4 编址 ICMP：网际控制报文协议 IPv6 4.5 选路算法 链路状态选路算法 距离向量选路算法 层次路由
，即连接建立:

ATM, 帧中继, X.25
数据传输之前, 源主机和目的主机之间要建立虚连
接（包括路径中间涉及到的路由器） 网络层和传输层提供的服务的区别:
网络层: 在2个主机间提供服务 传输层: 在2个进程间提供服务

2018/9/28
4.1.1 转发和选路
第4章 网络层-6
网络服务模型