第四章 网络层

第四章 网络层

第一节 网络层服务

网络层的主要作用是将网络层数据报从源主机送达目的主机。

主要功能包括：

1. 转发：分组从输入接口转移到输出接口；
2. 路由选择：决定分组经过的路由或路径。

路由器工作原理图：

完成网络层路径的路由选择和数据转发的工作的设备主要是路由器

第二节 数据报网络与虚电路网络

数据报网络和虚电路网络是网络层二种典型的网络服务。

一、数据报网络(当前主流的网络服务数据报网络)

数据报网络：按照目的主机地址进行路由选择的网络。

特点：

1. 无连接；
2. 每个分组作为一个独立的数据报进行传送，路径也可能不同；
3. 分组可能出现乱序和丢失。
4. 当前主流的网络服务就是数据报网络

二、虚电路网络

虚电路网络在网络层提供面向连接的分组交换服务。

特点：

1. 建立一条网络层逻辑连接；
2. 不需要为每条虚电路分配独享资源（区别于电路交换）；
3. 根据虚电路号沿虚电路路径按序发送分组。

用于：

​ 异步传输模式

​ 跟中期

第三节 网络互连与网络互连设备

一、异构网络互连

异构网络通俗的讲就是二个不同的网络。

二、路由器（实现了异步网络互联的设备）

常用的网络互连设备有中继器、集线器、网桥、网络交换机、路由器和网关

第四节 网络层拥塞控制

一、网络拥塞

拥塞：

一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源（包括链路带宽，存储空间和处理器处理能力等）的总需求超过了网络固有的容量。

造成网络拥塞的原因：

1. 缓冲区容量有限；
2. 传输线路的带宽有限；
3. 网络节点的处理能力有限；
4. 网络中某些部分发生了故障。

怎么解决网络拥塞：流量感知路由，准入控制，流量调节，负载脱落。

二、流量感知路由

通俗的讲：就是知道前面堵车，换条路走

流量感知路由：

​ 根据网络负载动态调整，将网络流量引导到不同的链路上，均衡网络负载，从而延缓或避免拥塞发生。

解决网络负载的震荡现象：

1. 多路径路由；
2. 缓慢转移流量至另一链路。

三、准入控制

通俗的讲：就是限牌

准入控制：

​ 是一种广泛应用于虚电路网络的拥塞预防技术。

基本思想：

​ 对新建虚电路进行审核，如果新建立的虚电路会导致网络变得拥塞，那么网络拒绝建立该新虚电路。

​ 拥塞状况的量化：基于平均流量和瞬时流量。

四、流量调节

1. 感知拥塞
2. 处理拥塞：将拥塞信息通知到其上游节点。

处理方法：

​ (1) 抑制分组：给拥塞数据报的源主机返回一个抑制分组。

​ (2) 背压：让抑制分组在从拥塞节点到源节点的路径上的每一跳，都发挥抑制作用。

五、负载脱落

负载脱落：路由器主动丢弃某些数据报。

如何选择要丢弃的数据报：

1. 丢弃新分组：如GBN(停等协议)
2. 丢弃老分组：如实时视频流

第五节 Internet网络层

一、IPv4协议

IP协议主要分成IPV4协议和IPV6协议

数据报格式

IP数据报分片

二、IPv4编码

子网划分：

​ 将一个较大的子网划分为多个较小子网的过程。

​ 较大子网具有较短的网络前缀，较小子网具有稍长的前缀。

超网：

​ 将具有较长前缀的相对较小的子网合并为一个具有稍等前缀的相对较大的子网。

子网掩码：

​ 用来定义一个子网的网络前缀长度。

第六节 路由算法与路由协议

一、链路状态路由选择算法

链路状态路由选择算法是一种全局式路由选择算法。

每个路由器通过从其他路由器获得的链路状态信息构建成整个网络的拓扑图。

计算最短路径----Dijkstra算法(迪杰斯特拉算法)

二、距离向量路由选择算法

每个结点基于其与邻居结点间的直接链路距离，以及邻居交换过来的距离向量，计算并更新其到达每个目的结点的最短距离，然后将新的距离向量再通告给其所有邻居，直到距离向量不再改变。

贝尔曼-福特算法

三、层次化路由选择

实现大规模网络路由选择最有效的，可行的解决方案。

四、Internet路由选择协议

1. 内部网关协议

   （1）RIP：

   ​ 基于距离向量路由选择算法，跳数作为距离度量，最大距离不超过15跳，每30秒交换一次距离向量。

   （2）OSPF:

   ​ 基于链路状态路由选择算法

2. 外部网关协议

   BGP

本章小结：

​ 本章主要介绍了网络层提供的服务、异构网络互连，拥塞控制、Internet网络层协议和路由算法与路由协议等内容。

重难点回顾

1. IP协议数据报结构、IP数据报分片、IP地址、子网划分，路由聚合等；
2. 链路状态路由算法，距离向量路由算法。