计算机网络基础(第3版)[李志球][电子教案]第5章

[e-mail]1第5章网络层、传输层和高层协议本章要点◆掌握网络层的功能和路由选择概念◆掌握数据报和虚节能电路等数据交换技术◆了解面向连接和无连接的概念◆掌握传输层的功能◆了解会话层、表示层和应用层各层功能[e-mail]2目录5.1网络层5.2传输层5.3高层协议第5章网络层、传输层和高层协议[e-mail]3物理层的数据传输单位是位，如同一个学校的一个学生；数据链路层的传输单位是帧；如同班级中的一个小组；而网络层的数据传输单位是包，如同一个学校的一个班级。物理层和数据链路层考虑节点间直接相连的情形（LAN内），而从网络层开始，则考虑源和目的节点存在许多中间节点的情形（WAN内）。LANWAN第5章网络层、传输层和高层协议[e-mail]4网络层是通信子网的最高层，主要任务是提供路由，完成数据交换、拥塞控制、阻塞与死锁处理和网际互联等问题。网络层数据单元称为分组或者叫包（Packet）。5.1网络层[e-mail]5◆网络层的主要作用l建立网络连接，提供网络地址，提供寻址l实现网络数据单元（包）的传送（数据交换）l路由选择l拥塞控制l差错控制l消除通信子网的质量差异l确定网络层服务质量参数，如网络吞吐量、网络延迟等5.1网络层[e-mail]65.1.1数据交换方式广域网中，从一个网络传输数据到另一个网络，一般不是点到点直接连接，数据可能经过多个中间节点组成的路径。数据从源节点到目标节点之间的数据传输过程称为数据交换（Switch），其对应的技术称为数据交换技术。中间节点并不关心数据内容，只作为一个交换设备，就像甲地给乙地打电话，中间需要通过许多中间转接点一样。常用的数据交换技术有电路交换、存储-转发交换、包（分组）交换、ATM信元交换和帧中继等。5.1网络层[e-mail]71.电路交换电路交换（CircuitSwitching）源于电话交换技术。数据传输前，先由一端发起呼叫开始建立连接，直到两端建立起一条通路，然后才开始进行数据传输。在整个传输期间，该通路一直为通信双方独占，直到通信结束后才释放线路。电路交换过程需要线路连接、数据传输和线路拆除三个阶段。电路交换是由交换机负责在两个节点之间建立一条专用物理线路，它不改变传输数据的形式，即传输信息的符号、编码、格式和通信控制规程均由用户决定，不受交换机的约束。5.1.1数据交换方式5.1网络层建立一条专门通路；传输期间通路一直为通信双方独占[e-mail]8电路交换的优缺点：电路交换的优点是数据以固定速度传输，传送快，延迟小，适用于实时传输、远程成批处理、发送大量数据和持续通信要求高的场合。缺点是整个连接过程的信道容量完全被通信双方占用，线路利用率不高。而且电路交换系统不具备差错控制能力，交换机也不具备数据存储能力。现代计算机网络很少的场合使用电路交换方式。5.1.1数据交换方式5.1网络层[e-mail]92.存储转发交换存储转发交换也称报文交换，源于电报传输方式。它不需要通过呼叫建立物理通路，而是以接力方式，报文在网络节点之间逐段传送直到目的地。存储转发交换时，传输前先将需要发送的数据分割成一定大小的块（报文），一个报文被存储在节点上并不立即发送，而是等到信道或路由中的下一节点的缓冲器空闲时再发送出去。传输的路径可以是固定的，也可动态建立，这就充分利用了信道和转接设备的容量。5.1.1数据交换方式5.1网络层电路交换类似于打电话，存储转发交换类似于发短信[e-mail]102.存储转发交换存储转发交换方式在20世纪六、七十年代常用。主要用于电子邮件、电报、非紧急的业务查询及应答等场合。现代计算机网络也较少使用。存储转发交换有如下特点：(1)多个源可同时共享信道，线路利用率高，(2)传输可靠性高，具有检验方法和重发措施，可选不同路由发送信息。(3)使用灵活，两个传输速率不同或代码不同的节点也可以连接起来。(4)网络传输延迟长，不适合实时或交互通信。5.1.1数据交换方式5.1网络层[e-mail]113.包交换计算机网络中的数据通信具有特发性，即在短时间内可能有大量数据到来，而大部分时间不占用线路。因此对于数据传输来说，电路交换和存储-转发交换都不合适，一个更好的解决方法是包（分组）交换方式。包交换（Packetswitching）也称分组交换。在包交换网络中，数据单元（包或分组）是大小可变的数据块，包的长度由网络确定。包交换有虚电路和数据报两种方式。5.1网络层5.1.1数据交换方式[e-mail]123.包交换l数据报方式数据报（面向无连接，无需呼叫等连接过程）方式中，每个包在传输时都是一个独立的传输单元（包含源和目标地址），传输时自己选择传输路径，即使若干个包可能属于同一个报文时也是如此。5.1网络层各包独立数据报flash动画演示[e-mail]13l虚电路方式虚电路（面向连接，传输前需建立路径）传输过程时，属于同一个报文的所有包之间的先后顺序被保留了下来，源节点和目的节点之间路径在会话开始的时候先被选中，即先建立一条逻辑通路。5.1网络层与电路交换不同处，能多路复用3.包交换[e-mail]143.包交换5.1网络层两者区别数据报方式提供面向无连接、不可靠的传输服务，它充分利用传输线路，传输效率高；虚电路方式提供的是面向连接、可靠的传输服务，相比而言，速度较慢。例如教学楼有4个楼梯出口，下课时本班先选择一个人最少的楼梯，然后排队按学号顺序下楼（虚电路方式，可靠但慢，因为当时这个楼梯再挤也从这个地方下）。也可以每人独立，自己选择一个当时最不拥挤的楼梯下楼，然后到某地集合（数据报），这种方式效率高，但无序到达目的地，且容易出错。[e-mail]155.1.2网络层提供的服务1.面向连接的服务面向连接的服务主要是虚电路服务（电话型服务）。这种方式在数据传输时，需要经过连接的建立、维持（数据传输）和连接的拆除三个阶段。连接建立好后，所有的包沿着虚电路有序、无差错的传输，面向连接的服务往往是有确认的服务，适用于可靠性要求高和有大量数据传输的应用领域，典型的提供面向连接的服务是X.25协议。5.1网络层[e-mail]165.1.2网络层提供的服务2.面向无连接的服务面向无连接的服务主要是数据报服务（电报型服务）。数据传输不需建立连接和拆除过程，各个数据包都有自己的控制信息，它将差错控制、流量控制和包的排序等均交给传输层处理。因此，面向无连接的服务是不可靠的网络服务，但这种方式因无信道的连接和拆除过程，开销小，在信息不太长时非常适用。典型的面向无连接的服务是IP协议。5.1网络层[e-mail]17广域网中源节点和目的节点之间一般有多条传输路径供选择，网络中每个中间节点在收到一个数据包后，都要确定向下一个节点传送的路径，这就是路由选择。完成路由选择的设备是路由器。5.1网络层5.1.3路由选择在数据报方式中，网络中的每个中间节点要为每个包的路由做出选择；而在虚电路方式中，在连接建立时就已确定好路由。确定路由选择的策略称路由算法，它是网络层软件的一部分。[e-mail]18l路由选择的工作由路由器完成；l路由器根据路由表进行操作；l路由表通过路由算法生成；l路由算法由路由协议确定。5.1网络层5.1.3路由选择广域网中源节点和目的节点之间一般有多条传输路径供选择，网络中每个中间节点在收到一个数据包后，都要确定向下一个节点传送的路径，这就是路由选择。[e-mail]19路由算法应具有正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性、最优性和高效性的特征。设计时要考虑许多技术因素。一要考虑选择最短路由还是最佳路由；二要考虑数据交换是虚电路还是数据报方式；三要考虑是采用分布式路由算法还是采用集中式路由算法（由中央节点或始发节点来决定整个路由）；第四要考虑网络拓扑、流量和延迟等网络信息；第五需要确定是采用静态路由选择策略，还是动态路由选择策略，在动态路由选择策略中还要考虑路由信息更新时间等问题。5.1网络层5.1.3路由选择[e-mail]201.静态路由选择策略l扩散法l固定路由选择l随机路由选择2.动态路由选择策略l独立路由选择l集中路由选择l分布路由选择5.1网络层5.1.3路由选择[e-mail]21拥塞也称阻塞，是指源和目的节点之间中某一个中间节点缓存中的包数量过多，使得该部分网络来不及处理，而后续的数据包还不断传送过来，导致缓存中的数据包“淹没”，以致这部分乃至整个网络性能急剧下降（甚会至死锁）。拥塞现象如同交通拥挤一样，在某个瓶颈路段，各种走向的车流相互干扰，使每辆车到达目的地的时间都相对增加(延迟增加)，甚至有时在某段公路上车辆因堵塞而无法开动(局部死锁)。5.1网络层5.1.4拥塞控制[e-mail]225.1网络层5.1.4拥塞控制LANWAN流量控制和拥塞控制区别拥塞控制流量控制流量控制是在数据链路层，是当点到点连接时发送方速率大于接收方的速率而采取的控制措施。拥塞控制在网络层，是指某一个中间节点缓存中的包数量过多，导致缓存中的数据包“淹没”，而采取的控制措施。[e-mail]23网络层最典型的协议是IP协议、X.25、帧中继（FrameRelay）和ATM。IP协议是面向无连接的数据报服务，它着眼于传输速率的高效性，但不可靠，是目前使用最多的协议；X.25提供了面向连接的虚电路服务，着眼于高可靠性，但传输速度慢；帧中继是20世纪80年代在X.25的基础上，简化了差错控制（检测、重发和确认）、流量控制和路由选择而形成的一种新型交换技术；异步传输模式ATM是以信元（cell）为传输单位，同样在数据链路层交换。有关X.25、帧中继、ATM和IP协议将在后面章节中讨论。5.1网络层[e-mail]24物理层、数据链路层和网络层属于通信子网范畴，而会话层、表示层和应用层属于资源子网范畴。传输层处于通信子网和资源子网之间，起着承上启下的作用，它能在源和目的计算机之间提供可靠经济的数据传输服务，而且独立于所使用的网络（屏蔽各种通信子网的差异），同时向高层提供一个标准及完善的服务界面。5.2传输层传输层也称为运输层，意思是要可靠地把信息发送到对方而进行的搬运、输送，常被解释为“补充各种通信子网的差异，保证无误地在相互通信的两个终端进程之间进行透明数据传输的层”。[e-mail]25低三层的通信为系统间通信，而会话层以上为进程间的通信。从物理层到传输层，虽然传输的对象（比特、帧、包等）不同，但都是考虑纯粹的数据传输服务，不关心数据所表达的含义。而高层协议管理具有某种含义的信息传输及信息的数据结构问题。所以传输层起着保证进程间通信的重要作用，有了这些保障，高层协议就可以不用考虑数据传输中是否会出现差错等问题了。5.2传输层传输层的传输单位为段高三层的传输单位为报文[e-mail]26传输层是OSI/RM的核心，它提供的服务类似于数据链路层。区别是数据链路层控制局域网中单条链路上“点到点”传输的情形，而“端到端”是指从源端到目的端，中间可以有一个或多个交换节点。5.2传输层5.2.1传输层的功能[e-mail]27传输层功能有下面几个：l端到端的传递传输层针对的是报文而不是单个数据包。端到端是指从源端到目的端，中间可以有一个或多个交换节点。传输层监视的是整个报文端到端的传递。l寻址传输层地址为端口号，它描述通信的进程，用于区分各种应用程序。例如，HTTP的端口号为80。l可靠传递网络层数据