在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層位于數(shù)據(jù)鏈路層之上，傳輸層之下，位于提供端到端傳輸層服務(wù)的協(xié)議棧的底層?！揪W(wǎng)絡(luò)層】是網(wǎng)絡(luò)核心的最高層，是實(shí)現(xiàn)大型網(wǎng)絡(luò)互連的關(guān)鍵，是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中最重要的一層。

第一節(jié)?網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)層介于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，傳輸層提供端到端的進(jìn)程間通信服務(wù)，數(shù)據(jù)鏈路

層的功能則是實(shí)現(xiàn)物理鏈路直接相連的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)幀傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層關(guān)注的是

如何將承載傳輸層報(bào)文段的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)從源主機(jī)送達(dá)目的主機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)層需要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)重要功能：轉(zhuǎn)發(fā)（forwarding）和路由選擇（routing）。
1） ?轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)通過一條輸入鏈路接收到一個(gè)分組后，路由器需要決策通過哪條輸出鏈路將

分組發(fā)送出去，并將分組從輸入接口轉(zhuǎn)移到輸出接口。

2） ?路由選擇。當(dāng)分組從源主機(jī)流向目的主機(jī)時(shí)，必須通過某種方式?jīng)Q定分組經(jīng)過的路由

或路徑，計(jì)算分組所經(jīng)過的路徑的算法被稱為路由選擇算法，或稱為路由算法。

?

轉(zhuǎn)發(fā)與路由區(qū)別與聯(lián)系：每個(gè)路由器上都有一張轉(zhuǎn)發(fā)表（也稱為路由表），其表結(jié)構(gòu)類

似于一種鍵值對的形式。當(dāng)一個(gè)分組到達(dá)路由器時(shí)，路由器會以該分組的網(wǎng)絡(luò)層首部地址

字段的值（比如目的IP地址）作為鍵，去轉(zhuǎn)發(fā)表中查詢相應(yīng)的表項(xiàng)，從而獲知該分組應(yīng)轉(zhuǎn)

發(fā)至哪條鏈路上。?

第二節(jié)?數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)與虛電路網(wǎng)絡(luò)

一、數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)

按照目的主機(jī)地址進(jìn)行路由選擇的網(wǎng)絡(luò)稱為【數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)】。

在數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)中，無連接的發(fā)送方和接收方之間不存在固定的連接（或路徑），所以發(fā)送的分組和接收的分組次序不一定相同，每個(gè)分組被傳送的路徑也可能不一致。接收方收到分組后要根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議，對分組重新進(jìn)行排序，從而生成原始的完整報(bào)文，這個(gè)任務(wù)通常

由傳輸層來完成。如果分組在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)了丟失或者差錯(cuò)，數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)本身也不

做處理，可以由通信雙方的傳輸層協(xié)議（如TCP）來解決。雖然數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)不維護(hù)任何連

接狀態(tài)信息，但仍然需要在轉(zhuǎn)發(fā)表中維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)信息，這些轉(zhuǎn)發(fā)信息相比于虛電路網(wǎng)絡(luò)中的

連接狀態(tài)信息其更新頻率要慢很多。對于轉(zhuǎn)發(fā)表中轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)信息的更新是根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)

行的路由選擇算法來進(jìn)行的，通常需要1?5min的時(shí)間。

二、虛電路網(wǎng)絡(luò)

虛電路網(wǎng)絡(luò)【在網(wǎng)絡(luò)層提供面向連接】的分組交換服務(wù)。

通信之前，雙方需要先建立虛電路，通信結(jié)束后再拆除虛電路。虛電路是在源主機(jī)到目的主機(jī)的一條路徑上建立的一條網(wǎng)絡(luò)層邏輯連接，為區(qū)別于電路交換中的電路，稱之為虛電路。

虛電路網(wǎng)絡(luò)是一種【分組交換網(wǎng)絡(luò)】，虛電路只是標(biāo)識了從源到目的的一條網(wǎng)絡(luò)層邏輯連接，并不需要為每條虛電路分配獨(dú)享資源。虛電路網(wǎng)絡(luò)的某條虛電路分組，在通過某鏈路（經(jīng)過該鏈路可能存在多條虛電路）傳輸時(shí)，通常使用該鏈路的全部帶寬，這是完全有別于電路交換的。每條虛電路都有虛電路號，稱位虛電路標(biāo)識（VCID）。

虛電路分組交換技術(shù)比較多用于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，例如X.25網(wǎng)路、幀中繼網(wǎng)絡(luò)以及異步傳輸模式網(wǎng)絡(luò)等。

簡述一條虛電路的構(gòu)成要素。

一條虛電路（VC）由?3?個(gè)要素構(gòu)成。

?從源主機(jī)到目的主機(jī)之間的一條路徑（即一系列的鏈路和分組交換機(jī)）。

?該路徑上的每條鏈路各有一個(gè)虛電路標(biāo)識（VCID）。

?該路徑上每臺分組交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表中記錄虛電路標(biāo)識的接續(xù)關(guān)系。

?

虛電路轉(zhuǎn)發(fā)表

虛電路網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)表需要記錄或建立鄰接鏈路的 VCID 間的接續(xù)關(guān)系。

簡述虛電路交換與電路交換的關(guān)系。

虛電路交換與電路交換類似，兩者都是面向連接的，即數(shù)據(jù)按照正確的順序發(fā)送，并且在連接建立階段都需要額外開銷。但是，電路交換提供穩(wěn)定的傳輸縮率和延遲時(shí)間，而虛電路是分組交換，通常提供的是統(tǒng)計(jì)多路復(fù)用傳輸服務(wù)。

?

簡述永久型虛電路與交換型虛電路的區(qū)別

虛電路分組交換有永久型和交換型兩種。永久型虛電路(Permanent Virtual Circuit, PVC)是一種提前建立、長期使用的虛電路，虛電路的建立時(shí)間開銷基本上可以忽略。交換型虛電路(Switch ?Virtual ?Circuit, SVC)是根據(jù)通信需要而臨時(shí)建立的虛電路，通信結(jié)束后立即拆除，虛電路的建立和拆除時(shí)間開銷有時(shí)相對影響較大。

?

簡述虛電路交換與數(shù)據(jù)包交換的主要差別

虛電路交換與數(shù)據(jù)報(bào)交換的主要差別表現(xiàn)為：是將順序控制、差錯(cuò)控制和流量控制等功能交由網(wǎng)絡(luò)來完成，還是由端系統(tǒng)來完成。虛電路網(wǎng)絡(luò)(如ATM網(wǎng)絡(luò))通常由網(wǎng)絡(luò)完成這些

功能，向端系統(tǒng)提供無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，而端系統(tǒng)則可以很簡單；數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)(如 ?Internet)通常網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的功能很簡單，如基本的路由與轉(zhuǎn)發(fā)，順序控制、差錯(cuò)控制和流量控制等功能則由端系統(tǒng)來完成。?

第三節(jié)?網(wǎng)絡(luò)互連與網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

一、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要是指兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)和運(yùn)行協(xié)議的不同。實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連的基本策略主要包括【協(xié)議轉(zhuǎn)換】和【構(gòu)建虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)】。協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制采用一類支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)中間設(shè)備，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)發(fā)。

支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備有【網(wǎng)橋】、【交換機(jī)】、【多協(xié)議路由器】和【應(yīng)用網(wǎng)關(guān)】等。

通過構(gòu)建虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連是在現(xiàn)有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)同構(gòu)的虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)均只需封裝、轉(zhuǎn)發(fā)虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分組，同時(shí)引入虛擬互聯(lián)網(wǎng)中間設(shè)

備互連異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)發(fā)統(tǒng)一的虛擬互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分組。

????IP網(wǎng)路就是此類虛擬互聯(lián)網(wǎng)，Internet是利用【IP網(wǎng)絡(luò)】實(shí)現(xiàn)的全球最大的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是典型的網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)互連。除了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連，還有同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連問題，如兩個(gè)異地以太網(wǎng)的互連，實(shí)現(xiàn)這類網(wǎng)絡(luò)互連的典型技術(shù)是【隧道技術(shù)】。

二、路由器

【路由器】是一種具有多個(gè)輸入端口和多個(gè)輸出端口的專用計(jì)算機(jī)，主要任務(wù)是獲取與維護(hù)路由信息以及轉(zhuǎn)發(fā)分組。路由器是最典型的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備。

路由器從功能體系結(jié)構(gòu)角度，可以分為輸入端口、交換結(jié)構(gòu)、輸出端口與路由處理器。

簡述路由器輸入端口接收與處理數(shù)據(jù)的過程

1.?輸入端口

輸入端口負(fù)責(zé)從物理接口接收信號，還原數(shù)據(jù)鏈路層幀，提取IP數(shù)據(jù)報(bào)（或其他網(wǎng)絡(luò)

層協(xié)議分組），根據(jù)IP數(shù)據(jù)報(bào)的目的IP地址檢索路由表，決策需要將該IP 數(shù)據(jù)報(bào)交換到

哪個(gè)輸出端口。

?

當(dāng)確定輸入端口接收的分組要轉(zhuǎn)發(fā)至哪個(gè)輸出端口之后，分組需要交給交換結(jié)構(gòu)來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。假如輸入端口接收到分組的速率超過了交換結(jié)構(gòu)對分組進(jìn)行交換的速率，如果不對輸入端口到達(dá)的分組進(jìn)行緩存，那么將導(dǎo)致大量丟包情況的發(fā)生，所以輸入端口除了需要提供查找、轉(zhuǎn)發(fā)的功能，還需要提供對到達(dá)分組的緩存排隊(duì)功能。

2.?交換結(jié)構(gòu)

當(dāng)分組到達(dá)路由器后，通過在輸入端口上的處理，分組將會被轉(zhuǎn)發(fā)至哪個(gè)輸出端口上已

經(jīng)確定，具體的轉(zhuǎn)發(fā)工作則是由交換結(jié)構(gòu)來完成。

交換結(jié)構(gòu)完成將輸入端口的IP數(shù)據(jù)報(bào)交換到指定的輸出端口。主要包括基于內(nèi)存交換，基于總線交換和基于網(wǎng)絡(luò)交換的3種交換結(jié)構(gòu)。

1）基于內(nèi)存交換。

最早期的路由器就像傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，在路由處理器的直接控制下，輸入端口和輸出端口就像操作系統(tǒng)中的I/O設(shè)備。當(dāng)分組到達(dá)輸入端口時(shí)，通過中斷方式將分組由輸入端口送至內(nèi)存，路由器處理器對內(nèi)存中的分組首部進(jìn)行解析，獲取其目的地址，并根據(jù)目的地址查找轉(zhuǎn)發(fā)表，確定將該分組轉(zhuǎn)發(fā)至哪個(gè)端口，進(jìn)而將分組由內(nèi)存復(fù)制到相應(yīng)的輸出端口。

2）基于總線交換

在基于總線交換的交換結(jié)構(gòu)中，路由器的輸入端口與輸出端口同時(shí)連接到一條數(shù)據(jù)總線上，達(dá)到輸入端口的分組首先經(jīng)過查詢轉(zhuǎn)發(fā)表，確定要轉(zhuǎn)發(fā)到的輸出端口，然后分組經(jīng)由數(shù)據(jù)總線傳輸至指定輸出端口。

3）基于網(wǎng)絡(luò)交換

可以使用一個(gè)復(fù)雜的互連網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)交換結(jié)構(gòu)。相比于基于總線交換，基于網(wǎng)絡(luò)交換可以實(shí)現(xiàn)并行交換傳輸，使得交換效率得到了極大的提高。需要注意的是，若兩個(gè)分組經(jīng)由不同的輸入端口到達(dá)，且均需要轉(zhuǎn)發(fā)到相同的輸出端口，則在同一時(shí)刻只能轉(zhuǎn)發(fā)其中一個(gè)分組，而另一個(gè)需要等待。

交換結(jié)構(gòu)的性能在很大程序上決定了路由器的性能，上述3種交換結(jié)構(gòu)中，基于內(nèi)存交換的交換結(jié)構(gòu)性能最低，相應(yīng)的路由器通常價(jià)格也最便宜，基于網(wǎng)絡(luò)交換的交換結(jié)構(gòu)性能最好，通常這類路由器價(jià)格也比較昂貴。

性能最好的路由器交換結(jié)構(gòu)是基于網(wǎng)絡(luò)交換。

3.?輸出端口

輸出端口首先提供一個(gè)緩存排隊(duì)功能，排隊(duì)交換到該端口的待發(fā)送分組，并從隊(duì)列中不斷取出分組進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀的封裝，通過物理線路端接發(fā)送出去。

4.?路由處理器

路由處理器就是路由器的CPU,負(fù)責(zé)執(zhí)行路由器的各種指令，包括路由協(xié)議的運(yùn)行、路由計(jì)算以及路由表的更新維護(hù)等。

轉(zhuǎn)發(fā)與路由選擇是路由器兩項(xiàng)最重要的基本功能。通過靜態(tài)（人工方式）或者動(dòng)態(tài)（運(yùn)行路由協(xié)議）獲取的路由信息被保存在路由表（即轉(zhuǎn)發(fā)表）中，供分組轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)使用。

路由器在收到IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，會利用IP數(shù)據(jù)報(bào)的目的IP地址檢索匹配路由表，如果路由表中沒有匹配成功的路由項(xiàng)，則通過默認(rèn)路由對應(yīng)的接口轉(zhuǎn)發(fā)該IP數(shù)據(jù)報(bào)；如果除默認(rèn)路由外，有一條路由項(xiàng)匹配成功，則選擇該路由項(xiàng)對應(yīng)的接口，轉(zhuǎn)發(fā)該IP數(shù)據(jù)報(bào)；如果除默認(rèn)路由外，有多條路由項(xiàng)匹配成功，則選擇網(wǎng)絡(luò)前綴匹配成功位數(shù)最長的路由項(xiàng)，通過該路由項(xiàng)指定的接口轉(zhuǎn)發(fā)該IP數(shù)據(jù)報(bào)，這就是路由轉(zhuǎn)發(fā)過程的“最長前綴匹配優(yōu)先原則”。

第四節(jié)?網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制

一、網(wǎng)絡(luò)擁塞

在分組交換網(wǎng)中，由于眾多的用戶隨機(jī)地將信息送入網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸?shù)男畔⒖??量經(jīng)常大于其傳輸能力，以至于某些網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)（如路由器）因緩沖區(qū)已滿，無法接收新到達(dá)

的分組，此時(shí)就發(fā)生了所謂的擁塞現(xiàn)象。

擁塞是一種持續(xù)過載的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，此時(shí)用戶對網(wǎng)絡(luò)資源（包括鏈路帶寬、存儲空間和處理器處理能力等）的總需求超過了網(wǎng)絡(luò)固有的容量。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，吞吐量的增長與負(fù)載相比基本呈線性關(guān)系，分組平均延遲增長緩慢；當(dāng)負(fù)載超過膝點(diǎn)之后，吞吐量隨負(fù)載增長的速率放緩，分組平均延遲增長較快；當(dāng)負(fù)載超過崖點(diǎn)之后，吞吐量隨負(fù)載的增加不僅不再增長，反而急劇下降，分組平均延遲急劇上升?？梢钥闯?，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在膝點(diǎn)附近時(shí)，吞吐量和分組平均延遲達(dá)到理想的平衡，網(wǎng)絡(luò)的使用效率最高。

【擁塞控制】就是端系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，通過采取某些措施來避免擁塞的發(fā)生，或者對已發(fā)生的擁塞做出反應(yīng)，以便盡快消除擁塞。

【流量控制】是發(fā)送數(shù)據(jù)一方根據(jù)接收數(shù)據(jù)一方的接收數(shù)據(jù)的能力，包括接收緩存、處理速度等，調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率和數(shù)據(jù)量，以避免接收方被數(shù)據(jù)淹沒；擁塞控制則是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通過能力或網(wǎng)絡(luò)擁擠程度，來調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率和數(shù)據(jù)量。也就是說，擁塞控制主要考慮端系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，目的是使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不超過網(wǎng)絡(luò)的傳送能力；而流量控制主要考慮接收端的數(shù)據(jù)接收與處理能力，目的使發(fā)送端的發(fā)送速率不超過接收端的接收能力。另外，擁塞控制的任務(wù)是確保網(wǎng)絡(luò)能夠承載所達(dá)到的流量；而流量控制只與特定的發(fā)送方和特定的接收方之間的點(diǎn)到點(diǎn)流量有關(guān)。

雖然流量控制和擁塞控制都可能需要約束或調(diào)整端系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的速率或者數(shù)量，但兩者的目標(biāo)和解決的問題不同，調(diào)整速率的依據(jù)也不同，因此，二者不可能彼此相互取代。

擁塞的主要原因

1、緩沖區(qū)容量有限。

2、傳輸線路的帶寬有限。

3、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的處理能力有限。

4、網(wǎng)絡(luò)中某些部分發(fā)生了故障。

?

簡述擁塞的解決

網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞就意味著負(fù)載暫時(shí)大于網(wǎng)絡(luò)資源的處理能力，因此對于擁塞的解決一般可 ?從兩個(gè)方面進(jìn)行：增加網(wǎng)絡(luò)資源或者是減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。增加網(wǎng)絡(luò)資源，就是在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞 ?前為網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)結(jié)點(diǎn)分配更多可用的資源，從而降低擁塞出現(xiàn)的可能性，即擁塞預(yù)防；而 ?減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，一般是指在網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)出現(xiàn)負(fù)載大于資源的情況下（即擁塞），通過減小當(dāng) ?前網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載來實(shí)現(xiàn)對擁塞的消除，這種策略一般被稱作擁塞消除。

二、流量感知路由

如果權(quán)值能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整，則可以將網(wǎng)絡(luò)流量引導(dǎo)到不同的鏈路上，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，從而延緩或避免擁塞的發(fā)生，這就是流量感知路由在擁塞控制中起到的作用。

解決振蕩現(xiàn)象的成功方法主要有兩種：一種是多路徑路由，即兩個(gè)區(qū)域間流量的傳輸分散到兩條不同的鏈路上，從而使其中任一條鏈路上的負(fù)載都不會太大；另一種將負(fù)載過大的鏈路上的流量，緩慢地轉(zhuǎn)移至另一條鏈路上，而不是一次性將全部流量從一條鏈路轉(zhuǎn)移到另一條鏈路上。

流量感知路由是一種【擁塞預(yù)防措施】，可以在一定程度上緩解或預(yù)防擁塞的發(fā)生。

三、準(zhǔn)入控制

準(zhǔn)入控制是一種廣泛應(yīng)用于虛電路網(wǎng)絡(luò)的擁塞預(yù)防技術(shù)。準(zhǔn)入控制的基本思想是對新建虛電路審核，如果新建立的虛電路會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)變得擁塞，那么網(wǎng)絡(luò)拒絕建立該新虛電路。對

于一個(gè)處于擁塞邊緣的虛電路網(wǎng)絡(luò)來說，任何新虛電路的建立都會使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)變得擁塞，

因此，當(dāng)判斷網(wǎng)絡(luò)處于即將發(fā)生擁塞的邊緣時(shí)，拒絕新虛電路的建立將有效避免網(wǎng)絡(luò)發(fā)生

擁塞。

準(zhǔn)入控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，在于當(dāng)建立一條新虛電路會導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，應(yīng)該如何反應(yīng)。常用的方法是基于平均流量和瞬時(shí)流量，來判斷是否有能力接受新虛電路而不會發(fā)生

擁塞。

四、流量調(diào)節(jié)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，可以通過調(diào)整發(fā)送方向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的速率來消除擁塞。

當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)（如路由器）感知到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞時(shí)，可以通知其上游網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)（或端系統(tǒng)）降低發(fā)送速率，從而逐漸消除擁塞。為此，需要解決兩個(gè)基本問題。

第一個(gè)問題，就是網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)如何能夠感知到網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)生了擁塞呢？第二個(gè)問題，就是當(dāng)路由器感知到網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞時(shí)，應(yīng)該如何將這個(gè)擁塞信息通知到其上游結(jié)點(diǎn)，從而使之

降低發(fā)送速率。解決這個(gè)問題的方法有幾種。

1.?抑制分組

通知擁塞上游的最直接的方式是直接告知發(fā)送方。感知到擁塞的路由器選擇一個(gè)被擁塞的數(shù)據(jù)報(bào)，給該數(shù)據(jù)報(bào)的源主機(jī)返回一個(gè)抑制分組，抑制分組的目的地址即從被擁塞數(shù)據(jù)報(bào)

的源地址得到。同時(shí)，需要對選擇的被擁塞數(shù)據(jù)報(bào)（該數(shù)據(jù)報(bào)可能繼續(xù)向目的傳送）的首

部進(jìn)行修改，即修改其首部中的一個(gè)標(biāo)志位，從而使得該數(shù)據(jù)報(bào)在后續(xù)傳輸過程中，不會

被后續(xù)的路由器再次選擇來發(fā)送抑制分組。

2.?背壓

如果因發(fā)送速率過快而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，與感知到擁塞發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間的距離（或是跳數(shù)）較遠(yuǎn)，那么，在抑制分組到達(dá)源結(jié)點(diǎn)的過程中，實(shí)際上又有很多新的分組

進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步加重了網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。在這種情況下，需要另外采取某種策略來

對網(wǎng)絡(luò)中的擁塞進(jìn)行消除。一種可行方案，就是讓抑制分組在從擁塞結(jié)點(diǎn)到源結(jié)點(diǎn)的路徑

上的每一跳，都發(fā)揮抑制作用。當(dāng)抑制分組從擁塞結(jié)點(diǎn)傳輸?shù)缴嫌蔚牡谝惶鴷r(shí)，接收到抑

制分組的結(jié)點(diǎn)便會立即降低其向擁塞結(jié)點(diǎn)發(fā)送分組的速率，從而在極短的時(shí)間內(nèi)使得擁塞

結(jié)點(diǎn)的擁塞狀況得到緩解。但是，由于上游的第一跳的上游結(jié)點(diǎn)并沒有降低發(fā)送速率（因

為還沒有收到抑制分組），而其向鏈路輸出數(shù)據(jù)的速率卻降低了，因此需要在其輸出端口

分配更多的緩沖區(qū)，當(dāng)抑制分組到達(dá)擁塞結(jié)點(diǎn)上游的第二跳時(shí)，又能使得第一跳的擁塞狀

況立即得到改善，以此類推。最終，直到抑制分組到達(dá)源結(jié)點(diǎn)（如某端系統(tǒng)），才使得造

成網(wǎng)絡(luò)擁塞的過快發(fā)送方的發(fā)送速率真正地降低下來。

????使抑制分組逐跳發(fā)揮作用的背壓方式，可以使擁塞結(jié)點(diǎn)的擁塞狀況很快得到緩解，但其代價(jià)是抑制分組途徑的每一跳都需要分配更大的緩沖區(qū)。

五、負(fù)載脫落

????負(fù)載脫落是消除擁塞的另一種方法，即通過有選擇地主動(dòng)丟棄一些數(shù)據(jù)報(bào)，來減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，從而緩解或消除擁塞。當(dāng)路由器中的數(shù)據(jù)報(bào)得不到及時(shí)處理，可能面臨被丟棄的危險(xiǎn)時(shí)，路由器就主動(dòng)將該數(shù)據(jù)報(bào)丟棄掉。

因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，而需要采取負(fù)載脫落時(shí)，選擇丟棄哪些數(shù)據(jù)報(bào)是關(guān)鍵，通常與上層應(yīng)用有關(guān)。

第五節(jié)?Internet網(wǎng)絡(luò)層

Internet 網(wǎng)絡(luò)層主要包括網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol, IP）、路由協(xié)議以及互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（Internet Control Message Protocol，ICMP）等內(nèi)容。

一、IPv4協(xié)議

IP目前主要有兩個(gè)版本：IPv4和IPv6。IP定義了如何封裝上層協(xié)議（如UDP、TCP等）的報(bào)文段，定義了Internet網(wǎng)絡(luò)層尋址（IP地址）以及如何轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)等內(nèi)容，是Internet網(wǎng)絡(luò)層最核心的協(xié)議。

1.IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式
Internet是典型的數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)。

?

下面對IPv4數(shù)據(jù)報(bào)各個(gè)字段的作用進(jìn)行說明

1）版本號字段占4位，給出的是IP的版本號。路由器根據(jù)該字段確定按哪個(gè)版本的IP來解析數(shù)據(jù)報(bào)。

2）首部長度字段占4位，給出的是IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部長度，包括可變長度的選項(xiàng)字段，以4字節(jié)為單位。4位可表示的最大數(shù)值是15，因此IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部長度的最大值是60字節(jié)。則一個(gè)實(shí)際IP數(shù)據(jù)報(bào)的第1個(gè)字節(jié)是45H(十六進(jìn)制)，表示IPv4，首部長度為5*4=20字節(jié)。

3）區(qū)分服務(wù)字段占8位。用來指示期望獲得哪種類型的服務(wù)。

4）數(shù)據(jù)報(bào)長度字段也稱為總長度字段，占16位，給出IP數(shù)據(jù)報(bào)的總字節(jié)數(shù)，包括首部和數(shù)據(jù)部分。16位可以表示的最大IP數(shù)據(jù)報(bào)的總長度為65535字節(jié)，除去最小的IP數(shù)據(jù)報(bào)首部20字節(jié)，最大IP數(shù)據(jù)報(bào)可以封裝 65535-20=65515字節(jié)的數(shù)據(jù)。

5）標(biāo)識字段占16位，用于標(biāo)識一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)。

6）標(biāo)志位字段占3位。

7）片偏移字段占13位，表示一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)分片封裝與原IP數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)的相對偏移量。

8）生存時(shí)間字段占8位，表示該IP數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中可以通過的路由器數(shù)。

9）上層協(xié)議字段占8位，指示該IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝的是哪個(gè)上層協(xié)議的報(bào)文段。

10）首部校驗(yàn)和字段占16位，利用校驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)對IP數(shù)據(jù)報(bào)首部的差錯(cuò)檢測。

11）源IP地址字段占32位，是發(fā)出IP數(shù)據(jù)報(bào)的源主機(jī)的IP地址。

12）目的IP地址字段占32位，是IP數(shù)據(jù)報(bào)的需要送達(dá)的主機(jī)的IP地址。

13）選項(xiàng)字段長度可變，范圍在1~40字節(jié)，取決于選項(xiàng)內(nèi)容。

14）數(shù)據(jù)字段
2.IP數(shù)據(jù)報(bào)分片

一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議幀所能承載的最大數(shù)據(jù)量稱為該鏈路的最大傳輸單 元（Maximum Transmission Unit, MTU）。

二、IPv4編址

1.?分類地址

在因特網(wǎng)剛開始發(fā)展的時(shí)期，IPv4 地址被設(shè)計(jì)為定長前綴，但考慮到不同組織所要使用到的地址數(shù)量是不同的，因此設(shè)計(jì)了 ?3 種長度的前綴，分別為 8、16、24 位，整個(gè)地址空間被分為 5 類，A、B、C、D 和 E 類，并規(guī)定 A、B、C 三類可以分配給主機(jī)或路由器使用，D 類地址作為組播地址，E 類地址保留，該方案被稱作分類尋址。具體分類方法是依次從最髙比特位逐步“二分”。

?

2.?特殊地址

除了D 類和E類地址外，占IP地址空間 87.5%的 A、B、C 類地址可以用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)或路由器，但并不是所有地址都可用，因?yàn)橛行┑刂酚刑厥庥猛荆荒芊峙浣o主機(jī)或路由器。

三、動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議

當(dāng)一個(gè)組織分配到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址塊后，就可以為該組織內(nèi)的主機(jī)和路由器接口分配 IP ?地址了。這個(gè)工作可以由網(wǎng)絡(luò)管理員進(jìn)行手動(dòng)配置（靜態(tài)分配），也可以通過動(dòng)態(tài)主機(jī)配置 ?協(xié)議（DHCP）來動(dòng)態(tài)分配。事實(shí)上，很多實(shí)際網(wǎng)絡(luò)都選擇動(dòng)態(tài)IP地址分配。DHCP 是在應(yīng)

用層實(shí)現(xiàn)的，傳輸層使用UDP。提供動(dòng)態(tài) IP 地址分配的網(wǎng)絡(luò)，需要運(yùn)行DHCP服務(wù)器（端

口號為 67），并且配置其可以為其他主機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)地址分配的 IP 地址范圍等。

四、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

簡述NAT的一般工作原理

對于從內(nèi)網(wǎng)出去，進(jìn)入公共互聯(lián)網(wǎng)的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)，將其源 IP 地址替換為NAT服務(wù)器擁有的

合法的公共 IP 地址，同時(shí)替換源端口號，并將替換關(guān)系記錄到NAT轉(zhuǎn)換表中；對于從公

共互聯(lián)網(wǎng)返回的IP數(shù)據(jù)報(bào)，依據(jù)其目的IP地址與目的端口號檢索NAT轉(zhuǎn)換表，并利用檢

索到的內(nèi)部私有 IP 地址與對應(yīng)的端口號替換目的 IP 地址和目的端口號，然后將 IP 數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

五、ICMP

主機(jī)或路由器在處理或轉(zhuǎn)發(fā) IP 數(shù)據(jù)報(bào)的過程中，由于種種原因可能導(dǎo)致異常發(fā)生，此時(shí)主機(jī)或路由器就可能需要將這些異常情況，及時(shí)地反饋給其他主機(jī)或路由器，而 IP 本身并沒有這種功能?；ヂ?lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議(Internet ?Control ?Message ?Protocol，ICMP)的主要目的，就是在這種情況下，在主機(jī)或路由器間，實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)信息報(bào)告。

六、IPv6

?

?

IPv6 地址包括單播地址、組播地址和任播地址 3 種類型。

第六節(jié)?路由算法與路由協(xié)議

路由選擇基本原理

當(dāng)主機(jī)要與所處子網(wǎng)之外的主機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，分組首先被傳送到其默認(rèn)路由器，然后再轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)核心。顯然，路由選擇的關(guān)鍵，就是從源主機(jī)的默認(rèn)路由器到目的主機(jī)的默認(rèn)路

由器之間的路徑優(yōu)選。于是，路由選擇問題就可以簡化為在路由器之間選擇最佳路徑問題。

路由選擇算法的目的，就是在給定一組網(wǎng)絡(luò)中的路由器以及路由器間的連接鏈路的情況下，

尋找一條從源路由器到目的路由器的最優(yōu)路徑。

路由選擇算法分為全局式路由選擇算法和分布式路由選擇算法。

1） ?全局式路由選擇算法。這類路由選擇算法，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的完整信息（即完整的網(wǎng)絡(luò)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），來計(jì)算最短路徑。全局式路由選擇算法并不是說路由計(jì)算只在某個(gè)路由器上

進(jìn)行，而是指每個(gè)路由器在計(jì)算路由時(shí)，都要獲取完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰＷ罹哂写硇缘?/p>

全局式路由選擇算法是鏈路狀態(tài)路由選擇算法，簡稱 LS 算法。

2） ?分布式路由選擇算法。在分布式路由選擇算法中，結(jié)點(diǎn)不會（也不需要）嘗試獲取整

個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲY(jié)點(diǎn)只需獲知與其相連的鏈路的“費(fèi)用”信息，以及鄰居結(jié)點(diǎn)通告的到

達(dá)其他結(jié)點(diǎn)的最短距離（估計(jì)）信息，經(jīng)過不斷的迭代計(jì)算，最終獲知經(jīng)由哪個(gè)鄰居可以

具有到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)的最短距離。最具有代表性的分布式路由選擇算法是距離向量路由選擇

算法，簡稱 DV 算法。

一、鏈路狀態(tài)路由選擇算法

鏈路狀態(tài)路由選擇算法就是利用 Dijkstra 算法求最短路徑的。

二、距離向量路由選擇算法

距離向量路由選擇算法是一種異步的、迭代的分布式路由選擇算法。在距離向量路由選擇算法中，沒有任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的完整信息。每個(gè)結(jié)點(diǎn)可以測得與所有鄰居結(jié)點(diǎn)

之間的直接鏈路代價(jià)，并將其到達(dá)每個(gè)目的結(jié)點(diǎn)的最短距離（可能是最短距離估計(jì)），以

（目的，最短距離）的距離向量形式交換給所有的鄰居結(jié)點(diǎn)。每個(gè)結(jié)點(diǎn)基于其與鄰居結(jié)點(diǎn)

間的直接鏈路距離，以及鄰居交換過來的距離向量，計(jì)算并更新其到達(dá)每個(gè)目的結(jié)點(diǎn)的最

短距離，然后將新的距離向量再通告給其所有鄰居，直到距離向量不再改變。

三、層次化路由選擇

層次化路由選擇將大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)的路由劃分為兩層：自治系統(tǒng)內(nèi)路由選擇和自治系統(tǒng)間路由選擇。在層次化路由選擇網(wǎng)絡(luò)中，路由器的轉(zhuǎn)發(fā)表由自治系統(tǒng)內(nèi)路由選擇協(xié)議和自治系

統(tǒng)間路由選擇協(xié)議共同設(shè)置。路由器運(yùn)行自治系統(tǒng)內(nèi)路由選擇協(xié)議，在一個(gè)自治系統(tǒng)范圍

內(nèi)，基于所在自治系統(tǒng)采用的路由選擇算法，計(jì)算到達(dá)自治系統(tǒng)內(nèi)的目的網(wǎng)絡(luò)的路由，并

存儲到轉(zhuǎn)發(fā)表中。每個(gè)自治系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)路由器，運(yùn)行自治系統(tǒng)間路由選擇協(xié)議，負(fù)責(zé)與其

他自治系統(tǒng)交換跨越自治系統(tǒng)的路由可達(dá)性信息，并基于自治系統(tǒng)間路由選擇協(xié)議，將跨

自治系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性信息，交換給其所在自治系統(tǒng)內(nèi)的其他路由器，這些路由器進(jìn)一步

將這些路由信息也存儲到轉(zhuǎn)發(fā)表中。這樣，自治系統(tǒng)內(nèi)的路由器，收到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層分組時(shí)，

無論該分組去往的目的網(wǎng)絡(luò)在自治系統(tǒng)內(nèi)，還是在自治系統(tǒng)外，路由器都可以通過查找轉(zhuǎn)

發(fā)表，知道如何轉(zhuǎn)發(fā)分組。

四、Internet路由選擇協(xié)議

1.?RIP

RIP是一種基于距離向量路由選擇算法的IGP。RIP 協(xié)議在使用 DV 算法時(shí)，有其特性。首先，RIP 在度量路徑時(shí)采用的是跳數(shù)，即每條鏈路的費(fèi)用都為 1。其次，RIP 的費(fèi)用是定

義在源路由器和目的子網(wǎng)之間的，最短路徑的費(fèi)用就是沿著從源路由器到目的子網(wǎng)的最短

路徑所經(jīng)過的子網(wǎng)數(shù)量。第三，RIP 被限制在網(wǎng)絡(luò)直徑不超過 15 跳的自治系統(tǒng)內(nèi)使用，即

分組從一個(gè)子網(wǎng)到另一個(gè)子網(wǎng)穿越的最多的子網(wǎng)數(shù)目不超過 15，因此在 RIP 中一條路徑的

最大費(fèi)用不會超過15,在 RIP 中，路徑費(fèi)用 16 表示無窮大，即目的網(wǎng)絡(luò)不可到達(dá)。在 RIP

中，相鄰的路由器間通過 RIP 響應(yīng)報(bào)文來交換距離向量，交換頻率約為 30 s—次，RIP 響

應(yīng)報(bào)文中包含了從該路由器到達(dá)其他目的子網(wǎng)的估計(jì)距離的列表(即 DV), ?RIP 響應(yīng)報(bào)文也稱為RIP通告。

2.?OSPF

1） ?安全。所有 OSPF報(bào)文（如鏈路狀態(tài)分組）都是經(jīng)過認(rèn)證的，這樣可以預(yù)防惡意入侵

者將不正確的路由信息注入到路由器的轉(zhuǎn)發(fā)表中。

2） ?支持多條相同費(fèi)用路徑。OSPF 允許使用多條具有相同費(fèi)用的路徑，這樣可以防止在具有多條從源到目的的費(fèi)用相同的路徑時(shí)，所有流量都發(fā)往其中一條路徑。這一特性有利于

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量均衡。

3） ?支持區(qū)別化費(fèi)用度量。OSPF 支持對于同一條鏈路，根據(jù) IP 數(shù)據(jù)報(bào)的 TOS 不同，設(shè)置不同的費(fèi)用度量，從而可以實(shí)現(xiàn)不同類型網(wǎng)絡(luò)流量的分流。

4） ?支持單播路由與多播路由。OSPF ?綜合支持單播路由與多播路由，多播路由只是對

OSPF 的簡單擴(kuò)展，使用 OSPF 的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫就可以計(jì)算多播路由。

5） ?分層路由。OSPF 支持在大規(guī)模自治系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)一步進(jìn)行分層路由。

3.?BGP

BGP 就是 Internet 的標(biāo)準(zhǔn) EGP，目前典型版本為 BGP4。每個(gè) AS 可以通過 BGP 實(shí)現(xiàn)如下功能。

1）從相鄰 AS 獲取某子網(wǎng)的可達(dá)性信息。

2）向本 AS 內(nèi)部的所有路由器傳播跨 AS 的某子網(wǎng)可達(dá)性信息。

3）基于某子網(wǎng)可達(dá)性信息和 AS 路由策略，決定到達(dá)該子網(wǎng)的最佳路由。

通過 BGP，使得 Internet 中的眾多 AS 互連在一起，成為全球性的互聯(lián)網(wǎng)；使得一個(gè)主機(jī)無論位于世界哪個(gè)角落的子網(wǎng)中，都可以成功地訪問遠(yuǎn)隔重洋的服務(wù)器。?