3.3 3.3 网络层及其协议网络层及其协议 网络层概述网络层概述　 网络层是　 网络层是 OSIOSI 参考模型中的第三层，它建立在参考模型中的第三层，它建立在数据链路层所提供的两个相邻端点之间的数据帧数据链路层所提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能之上，将数据从源端经过若干中间节的传送功能之上，将数据从源端经过若干中间节点传送到目的端。从而向运输层提供最基本的端点传送到目的端。从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。网络层是处理端到端数据到端的数据传送服务。网络层是处理端到端数据传输的最底层，体现了网络应用环境中资源子网传输的最底层，体现了网络应用环境中资源子网访问通信子网的方式。访问通信子网的方式。

网络层的功能网络层的功能 网络服务网络服务 路由控制路由控制 拥塞控制拥塞控制 透明传输透明传输　　透明传输就是不管所传数据是什么样的比　　透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧出现了与某一个控制信息据中的比特组合恰巧出现了与某一个控制信息完全一样时，必须采取适当的措施，使收方不完全一样时，必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输的透明的。才能保证数据链路层的传输的透明的。

··

网络层的功能网络层的功能 异种网络的互联异种网络的互联　　解决不同网络在寻址、分组大小、协议等方面的差异。　　解决不同网络在寻址、分组大小、协议等方面的差异。不同类型的网络对分组大小，分组结构等的要求都不相同，不同类型的网络对分组大小，分组结构等的要求都不相同，因此要求在不同种类网络交界处的路由器能够对分组进行因此要求在不同种类网络交界处的路由器能够对分组进行处理，使得分组能够在不同网络上传输。处理，使得分组能够在不同网络上传输。

·· 分组生成和装配：分组生成和装配：　　运输层报文与网络层分组间的相互转换。运输层报文　　运输层报文与网络层分组间的相互转换。运输层报文通常很长，不适合直接在分组交换网络中传输。在发送端，通常很长，不适合直接在分组交换网络中传输。在发送端，网络层负责将运输层报文拆成一个个分组，再进行传输。网络层负责将运输层报文拆成一个个分组，再进行传输。在接收端，网络层负责将分组组装成报文交给运输层处理。在接收端，网络层负责将分组组装成报文交给运输层处理。

对于网络层应提供的服务，两个观点争论得很激烈。一个对于网络层应提供的服务，两个观点争论得很激烈。一个观点认为不管怎样设计，通信子网注定是不可靠的，因此观点认为不管怎样设计，通信子网注定是不可靠的，因此差错控制和流量控制必须由主机自己完成，即网络层提供差错控制和流量控制必须由主机自己完成，即网络层提供的服务是无连接的。另一个观点认为，通信子网应该提供的服务是无连接的。另一个观点认为，通信子网应该提供一种可靠的、面向连接的服务。面向连接的网络服务是在一种可靠的、面向连接的服务。面向连接的网络服务是在数据交换之前，必须先建立连接，当数据交换结束后，终数据交换之前，必须先建立连接，当数据交换结束后，终止这个连接。无连接服务是两个实体之间的通信不需要事止这个连接。无连接服务是两个实体之间的通信不需要事先建立好一个连接，通信所需的资源无需事先预定保留，先建立好一个连接，通信所需的资源无需事先预定保留，所需的资源是在数据传输时动态地进行分配的。所需的资源是在数据传输时动态地进行分配的。

网络层的服务网络层的服务

网络层的服务网络层的服务 面向连接和面向无连接的服务各有其适用场合，面向面向连接和面向无连接的服务各有其适用场合，面向连接的服务是可靠的报文序列服务；无连接服务却不连接的服务是可靠的报文序列服务；无连接服务却不能防止报文的丢失、重复或失序，但无连接服务灵活能防止报文的丢失、重复或失序，但无连接服务灵活方便，并且迅速。因此，当前的网络层既提供面向连方便，并且迅速。因此，当前的网络层既提供面向连接的服务，即虚电路方式，又提供面向无连接的服务，接的服务，即虚电路方式，又提供面向无连接的服务，即数据报方式。即数据报方式。 面向连接和无连接两种服务方式的争论，实质就是将面向连接和无连接两种服务方式的争论，实质就是将复杂的功能放在何处的问题。在面向连接服务中，它复杂的功能放在何处的问题。在面向连接服务中，它们被置于网络层（通信子网），而在面向无连接服务们被置于网络层（通信子网），而在面向无连接服务中，则被置于运输层（主机）。 中，则被置于运输层（主机）。

指整个通信子网向传输层或资源子网提供的服务规范。指整个通信子网向传输层或资源子网提供的服务规范。 网络服务模式网络服务模式

面向连接面向连接 无连接无连接优点优点 11、分组携带虚电路号，带宽利用率高、分组携带虚电路号，带宽利用率高22、连接一旦建立，容易进行拥塞控制、连接一旦建立，容易进行拥塞控制33、容易实现保证质量服务、容易实现保证质量服务44、容易实现计费、容易实现计费

11、无连接开销，分组可立即发送、无连接开销，分组可立即发送22、对于通信线路的故障，如路由、对于通信线路的故障，如路由器崩溃等，适应性很强，可以及器崩溃等，适应性很强，可以及时绕道时绕道

缺点缺点 11、有呼叫损耗，有创建开销、有呼叫损耗，有创建开销22、路由器需要存储虚电路状态信息、路由器需要存储虚电路状态信息33、所有经过失效路由器的虚电路要终止、所有经过失效路由器的虚电路要终止11、每个分组必须携带完整的目的、每个分组必须携带完整的目的地址，浪费带宽地址，浪费带宽22、拥塞控制较难实现、拥塞控制较难实现33、不易实现保证质量服务、不易实现保证质量服务

实现实现 虚电路虚电路 数据报数据报实例实例 X.25 ATM X.25 ATM 帧中继帧中继 ARPANETARPANET、因特网、因特网

分组交换，虚电路工作原理及其特性分组交换，虚电路工作原理及其特性 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 。某种方式动态地分配传输线路的资源 。 分组交换又称包交换，它是现代计算机网络的技分组交换又称包交换，它是现代计算机网络的技术基础。术基础。 19661966 年年 66 月，英国国家物理实验室（月，英国国家物理实验室（ NNPLPL）的戴维斯（）的戴维斯（ DaviesDavies）首次提出）首次提出 ""分组分组 ""（（ PPacketacket）一词。）一词。 19691969 年年 1212 月美国的分组交换网月美国的分组交换网ARPANETARPANET 投入运行。从此，计算机网络的发展就投入运行。从此，计算机网络的发展就进入了一个新的纪元，分组交换网的出现成为现进入了一个新的纪元，分组交换网的出现成为现代电信时代的开始。代电信时代的开始。分组交换方式又可分为虚电路方式和数据报方式。分组交换方式又可分为虚电路方式和数据报方式。

虚电路 虚电路 基本思想：基本思想： 在虚电路方式中，为进行数据传输，源和目的节点间必须为分组的在虚电路方式中，为进行数据传输，源和目的节点间必须为分组的传输预先建立一条逻辑通路。这条传输数据的逻辑通道和电路交换传输预先建立一条逻辑通路。这条传输数据的逻辑通道和电路交换中的连接类似，叫做中的连接类似，叫做虚电路虚电路。之所以是。之所以是 ""虚虚 ""的，是因为这条电路的，是因为这条电路不是专用的，分组仍然在每个节点处首先被缓冲，并排队等待转发。不是专用的，分组仍然在每个节点处首先被缓冲，并排队等待转发。呼叫分组：呼叫分组：源主机首先发起一个虚呼叫，即发送一个特定格式的呼叫源主机首先发起一个虚呼叫，即发送一个特定格式的呼叫分组到目的主机，要求进行通信，同时也寻找一条合适的路由。若分组到目的主机，要求进行通信，同时也寻找一条合适的路由。若目的主机同意通信，就发回响应，这样在源主机和目的主机之间就目的主机同意通信，就发回响应，这样在源主机和目的主机之间就建立了一条虚电路。建立了一条虚电路。虚电路工作过程虚电路工作过程 虚电路建立： 通过呼叫分组虚电路建立： 通过呼叫分组 数据传输：源主机向目的主机传送的所有分组都必须沿着这条虚数据传输：源主机向目的主机传送的所有分组都必须沿着这条虚电 路进行数据传送电 路进行数据传送 释放虚电路：在数据传送完毕后，还要将这条虚电路释放掉释放虚电路：在数据传送完毕后，还要将这条虚电路释放掉虚电路分类：虚电路分类：– 呼叫虚电路呼叫虚电路– 永久虚电路永久虚电路

注意：注意：1.1. 每个节点到其他节点之间可能同时有若干条虚每个节点到其他节点之间可能同时有若干条虚电路，也可能同时与多个节点间存在虚电路。电路，也可能同时与多个节点间存在虚电路。2.2. 每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。不同的进程服务。3.3. 由于采用了存储转发技术，所以这种虚电路和由于采用了存储转发技术，所以这种虚电路和电路交换的连接有很大的不同。 电路交换的连接有很大的不同。 4.4. 当我们占用一条虚电路进行计算机通信时，由当我们占用一条虚电路进行计算机通信时，由于采用的是存储转发的分组交换，所以只是断于采用的是存储转发的分组交换，所以只是断续地占用一段又一段的链路。续地占用一段又一段的链路。

虚电路虚电路

H

B C

A D

E F

H

H

H

H

H

呼叫分组：一个特殊的分组。携带全称地址，呼叫分组：一个特殊的分组。携带全称地址，需要路由选择。需要路由选择。 呼叫虚电路号呼叫虚电路号 呼叫虚电路号的分配：选取当前尚未使用的呼叫虚电路号的分配：选取当前尚未使用的最低的虚电路号。最低的虚电路号。 虚电路表虚电路表 数据传输：虚电路号的替换，不需要全称地数据传输：虚电路号的替换，不需要全称地址。址。

H 0 B 0H 1 C 0

01E2H

B 1 E

入口出口

A 0 C 0H 0 C 1

10F2H

H 1 A

入口出口

A B

B 0 D 0A 0 D 1

2

B 1 D

入口出口

C

C 0 H 0C 1 H 1

23H 0 F

C 2 H

入口出口

D

A 0 H 0A 0 F 0

1

F 1 H

入口出口

E

E 0 D 0B 0 E 1

入口出口

F

数据报方式数据报方式 在在数据报方式数据报方式中，每个分组的传输是被单独处理的，与中，每个分组的传输是被单独处理的，与先前传送的分组无关。每个分组被称为一个数据报。每先前传送的分组无关。每个分组被称为一个数据报。每个数据报自身必须包含有目的地的完整地址信息。主机个数据报自身必须包含有目的地的完整地址信息。主机只要想发送数据就随时可以发送。每个分组独立地选择只要想发送数据就随时可以发送。每个分组独立地选择路由。这样，先发送出去的分组不一定先到达目的站主路由。这样，先发送出去的分组不一定先到达目的站主机。机。 这就是说，数据报不能保证按发送数据顺序交付给目的这就是说，数据报不能保证按发送数据顺序交付给目的站。当需要把数据按发送顺序交付给目的主机时，在目站。当需要把数据按发送顺序交付给目的主机时，在目的站还必须把收到的分组缓存一下，等到能够按顺序交的站还必须把收到的分组缓存一下，等到能够按顺序交付主机时再进行交付。当网络发生拥塞时，网络中的某付主机时再进行交付。当网络发生拥塞时，网络中的某个节点可以将一些分组丢弃。所以，数据报提供的服务个节点可以将一些分组丢弃。所以，数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量，而是一种是不可靠的，它不能保证服务质量，而是一种 "" 尽最大尽最大努力交付努力交付 ""的服务。 的服务。

数据报数据报 每个分组都有目的地址和源地址的全称每个分组都有目的地址和源地址的全称地址地址 每个分组独立地送到目的地每个分组独立地送到目的地 发送分组的数量、分组的丢失或重发由发送分组的数量、分组的丢失或重发由主机负责主机负责 优点：灵活、可以很快地对拥塞做出反优点：灵活、可以很快地对拥塞做出反应应

虚电路和数据报的比较虚电路和数据报的比较 　　数据报子网数据报子网 　　虚电路子网虚电路子网　延时　延时 　分组传输延时　分组传输延时 　电路建立，分组传输延时　电路建立，分组传输延时

　路由选择　路由选择 　每个分组单独选择路由　每个分组单独选择路由 　建立虚电路时选择路由，以　建立虚电路时选择路由，以　后所有分组都使用该路由　后所有分组都使用该路由　状态信息　状态信息 　子网无需保存状态信息　子网无需保存状态信息 　每个节点要保存一张虚电路表　每个节点要保存一张虚电路表　地址　地址 　每个分组包括源和目的的　每个分组包括源和目的的　完整地址　完整地址 　每个分组含有一个短的虚电　每个分组含有一个短的虚电　路号　路号　节点失败的　节点失败的影响影响 　除了在崩溃时正在该节点处理　除了在崩溃时正在该节点处理　的分组都丢失外，无其他影响　的分组都丢失外，无其他影响 　所有经过失效节点的虚电路　所有经过失效节点的虚电路　都要被终止　都要被终止　拥塞控制　拥塞控制 　难　难 　如果有足够的缓冲区分配给已　如果有足够的缓冲区分配给已　经建立的虚电路，则容易控制　经建立的虚电路，则容易控制 服务服务 传输层增加对包的差错检测和顺序控制传输层增加对包的差错检测和顺序控制 包按照顺序传输，提供流量控制包按照顺序传输，提供流量控制

网络层提供的服务网络层提供的服务 网络层为传输层提供的服务网络层为传输层提供的服务

– 面向连接服务：将复杂的功能放在网络层面向连接服务：将复杂的功能放在网络层((通信子网通信子网 ))。。 建立连接建立连接 传输数据传输数据 拆除连接拆除连接

– 无连接服务：将复杂的功能放在传输层。无连接服务：将复杂的功能放在传输层。只负责传输分组。只负责传输分组。

网络层提供的服务网络层提供的服务 通信子网提供的服务通信子网提供的服务 ((面向连接或无连面向连接或无连接接 ))与通信子网结构与通信子网结构 ((虚电路或数据报虚电路或数据报 ))无关。无关。

– 面向连接的服务用虚电路来实现面向连接的服务用虚电路来实现 ((比较合理比较合理 ))– 面向连接的服务用数据报来实现面向连接的服务用数据报来实现– 面向无连接的服务用虚电路来实现面向无连接的服务用虚电路来实现– 面向无连接的服务用数据报来实现面向无连接的服务用数据报来实现 ((比较合比较合理理 ))

路由选择算法路由选择算法路由选择算法概述路由选择算法概述静态路由选择策略静态路由选择策略动态路由选择策略动态路由选择策略距离向量路由算法距离向量路由算法链路状态路由算法链路状态路由算法路由选择协议路由选择协议

路由选择算法概述路由选择算法概述 路由：网络中每个节点选择通往目的节点的路由：网络中每个节点选择通往目的节点的最佳路径的过程最佳路径的过程 要求：要求：

– 选择路由要正确选择路由要正确– 选择路由要简单（运算简单、运算时间短、存储选择路由要简单（运算简单、运算时间短、存储开销小、通信量小 开销小、通信量小 ))– 满足设计目标满足设计目标– 路径选择要公平及最优化路径选择要公平及最优化– 路径选择要可靠路径选择要可靠

路由选择算法概述路由选择算法概述 步骤：步骤：

– 全局了解网络拓扑结构全局了解网络拓扑结构– 确定路由选择原则确定路由选择原则

整个网络的路径选择不影响局部路径选择办法整个网络的路径选择不影响局部路径选择办法 网络的变化不影响原确定的路径选择方法网络的变化不影响原确定的路径选择方法

– 选择合适的路径选择算法选择合适的路径选择算法– 确定决策地点：确定决策地点：

各个节点都有路由选择的责任各个节点都有路由选择的责任 由中心节点完成由中心节点完成

路由选择算法概述路由选择算法概述 路径选择类型 路径选择类型 路由选择算法可以分为两大类：路由选择算法可以分为两大类： 非自适应非自适应 ------事先脱线计算好或设定好的，事先脱线计算好或设定好的，在网络启动时就下载到路由器中在网络启动时就下载到路由器中 自适应自适应 ------ 根据拓扑结构、通信量的变化来根据拓扑结构、通信量的变化来改变其路由选择。 。 改变其路由选择。 。 路由选择算法应具有下列特性：正确性、路由选择算法应具有下列特性：正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性和最优性。简单性、健壮性、稳定性、公平性和最优性。

路由选择算法概述路由选择算法概述 路由算法中的度量标准 路由算法中的度量标准 路径长度： hop 数可靠性：线路出错率延迟时间：路径延迟（带宽、路由器的排队长度 ）带宽：最大带宽路由器的负载通信成本

最优化原则最优化原则 最优化原则最优化原则 (optimality principle)(optimality principle)

– 如果路由器 如果路由器 J J 在路由器 在路由器 I I 到 到 K K 的最优路由上，那么从 的最优路由上，那么从 J J 到 到 K K 的最优的最优路由会落在同一路由上。路由会落在同一路由上。 汇集树汇集树 (sink tree)(sink tree)

– 路由算法的目的是找出并使用汇集树。路由算法的目的是找出并使用汇集树。– 从所有的源从所有的源结点到一个结点到一个给定的目的给定的目的结点的最优结点的最优路由的集合路由的集合形成了一个形成了一个以目的结点以目的结点为根的树，为根的树，称为汇集树。称为汇集树。

几种常见的路由算法几种常见的路由算法 静态路由算法静态路由算法

– 最短路径选择最短路径选择 (Shortest Path Routing) (Shortest Path Routing) – 洪泛算法洪泛算法 (Flooding Routing) (Flooding Routing) – 基于流量的路由算法基于流量的路由算法 (Flow-Based Routing) (Flow-Based Routing)

动态路由算法动态路由算法– 距离向量路由算法距离向量路由算法 (Distance Vector Routing) (Distance Vector Routing) – 链路状态路由算法链路状态路由算法 (Link State Routing) (Link State Routing) – 分级路由分级路由 (Hierarchical Routing) (Hierarchical Routing)

最短路径路由算法最短路径路由算法 基本思想基本思想

– 构建子网的拓扑图，图中的每个结点代表一个路由器，每条弧代表构建子网的拓扑图，图中的每个结点代表一个路由器，每条弧代表一条通信线路。一条通信线路。– 目的是构建两个路由器间的路由，算法是在子网拓扑图中找出最短目的是构建两个路由器间的路由，算法是在子网拓扑图中找出最短路径。路径。

得到最短路径，有不同的测量得到最短路径，有不同的测量路径长度的方法：路径长度的方法：– 计算结点数量计算结点数量– 计算地理距离计算地理距离– 计算传输延迟计算传输延迟– 计算距离、信道带宽等参数的加权函数计算距离、信道带宽等参数的加权函数– …………– DijkstraDijkstra算法是其中的一种计算最短路径的算法。算法是其中的一种计算最短路径的算法。

DijkstraDijkstra 算法算法 每个结点用从源结点沿已知最佳路径到本结点的距离来标注，标注分为临时每个结点用从源结点沿已知最佳路径到本结点的距离来标注，标注分为临时性标注和永久性标注。开始时，所有结点都为临时性标注，标注为无穷大。性标注和永久性标注。开始时，所有结点都为临时性标注，标注为无穷大。 源结点标注为源结点标注为 00，且为永久性标注，令其为工作结点。，且为永久性标注，令其为工作结点。 检查与工作结点相邻的临时性结点，若该结点到工作结点的距离与工作结点检查与工作结点相邻的临时性结点，若该结点到工作结点的距离与工作结点的标注之和小于该结点的标注，则用新计算得到的和重新标注该结点。的标注之和小于该结点的标注，则用新计算得到的和重新标注该结点。 在整个图中查找具有最小值的临时性标注结点，将其变为永久性结点，并成在整个图中查找具有最小值的临时性标注结点，将其变为永久性结点，并成为下一轮检查的工作结点。为下一轮检查的工作结点。 重复第三、四步，直到目的结点成为工作结点。重复第三、四步，直到目的结点成为工作结点。 DijkstraDijkstra 算法的图例。算法的图例。 DijkstraDijkstra 算法的程序：与算法的区别是从目的结点开始。算法的程序：与算法的区别是从目的结点开始。

DijkstraDijkstra 算法图例算法图例

DijkstraDijkstra 算法程序算法程序

洪泛算法洪泛算法 基本思想基本思想

– 把收到的每一个分组，向除了该分组到来的线路外的所有输出线路把收到的每一个分组，向除了该分组到来的线路外的所有输出线路发送。发送。 主要问题主要问题

– 洪泛要产生大量重复分组。洪泛要产生大量重复分组。 解决措施解决措施

– 每个报头包含站点计数器，每经过一站计数器减每个报头包含站点计数器，每经过一站计数器减 11，为，为 00时则丢弃时则丢弃该分组。该分组。– 记录下分组扩展的路径，防止它第二次扩散到已经扩散过的路径中。记录下分组扩展的路径，防止它第二次扩散到已经扩散过的路径中。

较实用的方法——选择性洪泛算法较实用的方法——选择性洪泛算法 (selective flooding)(selective flooding)– 洪泛法的一种改进：将进来的每个分组仅发送到与正确方向接近的洪泛法的一种改进：将进来的每个分组仅发送到与正确方向接近的线路上。线路上。

洪泛算法洪泛算法 应用情况应用情况

– 洪泛算法由于过于浪费路由器和线路的资源，在实洪泛算法由于过于浪费路由器和线路的资源，在实际应用中很难被直接采用，但还是有一些用处的。际应用中很难被直接采用，但还是有一些用处的。– 在军事领域中，由于需要极好的健壮性，扩散法可在军事领域中，由于需要极好的健壮性，扩散法可以一展身手。以一展身手。– 在分布式数据库中，有时需要并行地更新所有数据在分布式数据库中，有时需要并行地更新所有数据库，这时洪泛算法也是最佳方案。库，这时洪泛算法也是最佳方案。– 因为洪泛算法总是能够选择最短的路径，可以产生因为洪泛算法总是能够选择最短的路径，可以产生一个最短的延迟。洪泛算法可以作为一种尺度衡量一个最短的延迟。洪泛算法可以作为一种尺度衡量标准来评价其它路由算法。标准来评价其它路由算法。

随机走动式：类似分子的“布朗运动”随机走动式：类似分子的“布朗运动” 这种方法又称为随机徘徊，其特点是这种方法又称为随机徘徊，其特点是当分组到达某个节点时就随机地选择一当分组到达某个节点时就随机地选择一条链路作为转发的路由。在非自适应的条链路作为转发的路由。在非自适应的路由选择算法中，若可能发生节点或链路由选择算法中，若可能发生节点或链路的故障，那么随机走动法已被证明是路的故障，那么随机走动法已被证明是非常有效的，它使得路由算法具有较好非常有效的，它使得路由算法具有较好的稳健性。 的稳健性。

随机走动式随机走动式

固定路由法固定路由法 固定路由法 固定路由法 在每个节点保持一张路由表，这些表是在整个系统进行配置时生成的，在每个节点保持一张路由表，这些表是在整个系统进行配置时生成的，

并且在此后的一段时间内保持固定不变并且在此后的一段时间内保持固定不变。 。 实现实现 将网络内任何两个节点之间的最短通路事先计算好，然后根据这些最短通将网络内任何两个节点之间的最短通路事先计算好，然后根据这些最短通路制成路由表，存放在各个节点中。每个分组都可以在所到达的节点中查路制成路由表，存放在各个节点中。每个分组都可以在所到达的节点中查找到下一站应转发到哪一个节点。可见这种路由选择策略的关键就是要算找到下一站应转发到哪一个节点。可见这种路由选择策略的关键就是要算出给定网络中任意两个节点之间的最短通路。该算法就是出给定网络中任意两个节点之间的最短通路。该算法就是 DijkstraDijkstra 算法。算法。特点特点 当网络拓扑结构固定不变并且通信量也相对稳定时，采用固定路由法是最当网络拓扑结构固定不变并且通信量也相对稳定时，采用固定路由法是最

好的。好的。

基于流量的路由算法基于流量的路由算法 基本思想基本思想

– 既考虑拓扑结构，又兼顾网络负荷。既考虑拓扑结构，又兼顾网络负荷。– 前提：每对结点间平均数据流是相对稳定前提：每对结点间平均数据流是相对稳定和可预测的。和可预测的。– 根据网络带宽和平均流量，可得出平均分根据网络带宽和平均流量，可得出平均分组延迟，因此路由算法就演变为寻找网络组延迟，因此路由算法就演变为寻找网络中连接两个路由器的线路上具有最小平均中连接两个路由器的线路上具有最小平均分组延迟的问题。分组延迟的问题。

基于流量的路由算法基于流量的路由算法 需要预知的信息需要预知的信息

– 网络拓扑结构。网络拓扑结构。– 通信量矩阵通信量矩阵 FijFij，即线路，即线路 ijij之间的平均通信量。之间的平均通信量。– 线路带宽矩阵线路带宽矩阵 CijCij，即线路，即线路 ij ij 之间允许的最大通之间允许的最大通信量。信量。– 临时的路由算法。临时的路由算法。

图例。图例。

基于流量的路由算法图例基于流量的路由算法图例

根据队列原理，线路根据队列原理，线路平均分组延迟的计算平均分组延迟的计算公式为：公式为： T=1/(T=1/(C-C-)) 1/1/=800 bit=800 bit

基于流量的路由算法图例基于流量的路由算法图例

动态路由选择策略动态路由选择策略 独立路由：独立路由：选择节点仅根据自己搜集到选择节点仅根据自己搜集到的有关信息做出路由选择的决定，与其它的有关信息做出路由选择的决定，与其它节点不交换路由选择信息。节点不交换路由选择信息。 集中路由选择：集中路由选择：节点路由表由路由控制节点路由表由路由控制中心中心 RCC(Routing Control Center)RCC(Routing Control Center)定时定时根据网络状态计算、生成并分送到各相应根据网络状态计算、生成并分送到各相应节点。节点。 分布路由选择：分布路由选择：所有节点定期地与其每所有节点定期地与其每个相邻节点交换路由选择信息。个相邻节点交换路由选择信息。

D-VD-V （距离矢量）算法（距离矢量）算法（（ Distance Vector RoutingDistance Vector Routing ）） 是动态、分布式算法，是动态、分布式算法， RIPRIP 协议中使用协议中使用

本算法，较小系统中常使用本算法，较小系统中常使用 RIP RIP 实现分布式算法的三要素： 实现分布式算法的三要素： The measurament process （测量）The update protocal （更新邻接点距离矢量）The calculation （计算）

距离向量路由算法距离向量路由算法 属于动态路由算法，最初用于属于动态路由算法，最初用于 ARPANET,DECnetARPANET,DECnet等网等网络。络。 基本思想：每个路由器维护一张表，表中列出了到每个基本思想：每个路由器维护一张表，表中列出了到每个目的地址的最佳距离和线路，并通过与邻居结点交换信目的地址的最佳距离和线路，并通过与邻居结点交换信息来更新表。息来更新表。 表表 ((路由表路由表 ))的构成：以子网中其它路由器为表的索引，的构成：以子网中其它路由器为表的索引，到达目的结点的最佳输出线路，和到达目的结点所需时到达目的结点的最佳输出线路，和到达目的结点所需时间或距离。间或距离。

距离向量路由算法距离向量路由算法 路由器需要知晓自己到邻居结点的“距离”。所用的路由器需要知晓自己到邻居结点的“距离”。所用的度量标准可以为站点、估计的时间延迟等。度量标准可以为站点、估计的时间延迟等。

– 如果为站点，本路由器到每个邻居结点的距离都为如果为站点，本路由器到每个邻居结点的距离都为 11 。。– 如果是延迟，本路由器就发送一个要对方立即响应的如果是延迟，本路由器就发送一个要对方立即响应的 ECHOECHO分组，用来回时间除以分组，用来回时间除以 22即得到延迟时间，即得到延迟时间，

每隔一段时间，路由器向所有邻居结点发送它到每个每隔一段时间，路由器向所有邻居结点发送它到每个目的结点的距离表，同时它也接收每个邻居结点发来目的结点的距离表，同时它也接收每个邻居结点发来的距离表。的距离表。 邻居结点邻居结点 XX 发来的表中，发来的表中， XX 到路由器到路由器 ii的距离为的距离为 XiXi。。本路由器到本路由器到 XX 的距离为的距离为 mm，则本路由器经过，则本路由器经过 XX 到到 ii的距离为的距离为 Xi + mXi + m。根据不同邻居发来的信息，计算。根据不同邻居发来的信息，计算Xi + mXi + m，取最小值，更新本路由器的表。，取最小值，更新本路由器的表。 注意：在计算中不使用本路由器中的老路由表。注意：在计算中不使用本路由器中的老路由表。

距离向量路由算法图例距离向量路由算法图例以以 JJ为例，为例， 以以 ECHOECHO 分组测出分组测出 JJ到到 AA，， II ，， KK，， HH的距离，的距离， JJ（（ AA，， II ，，KK，， HH）） ==（（ 88，， 1010，， 1212，， 66）） 利用相邻节点的清单，找出利用相邻节点的清单，找出 JJ到各目的节点的最新延迟线路到各目的节点的最新延迟线路 路由器路由器 JJ计算到达路由器计算到达路由器 CC的最新路由的最新路由

– JAC=8+25=33msJAC=8+25=33ms– JIC=10+18=28msJIC=10+18=28ms– JHC=12+19=31msJHC=12+19=31ms– JKC=6+36=42msJKC=6+36=42ms

其中其中 JICJIC 是最好的。是最好的。因此在路由器因此在路由器 JJ 的新路由表中填上到的新路由表中填上到 CC 的延迟为的延迟为 28ms28ms ，经过路由器，经过路由器 II 。。

D-VD-V 算法的缺点 算法的缺点 路径信息传播慢路径信息传播慢 路径信息不一致路径信息不一致 交换的路径信息量大交换的路径信息量大 不适合大型网络不适合大型网络 收敛速度慢收敛速度慢

无穷计算问题无穷计算问题 好消息传播得快，坏消息传播得慢好消息传播得快，坏消息传播得慢AA BB CC DD EE

∞∞ ∞∞ ∞∞ ∞∞ 初始时初始时11 ∞∞ ∞∞ ∞∞ 第第 11 次交换后次交换后11 22 ∞∞ ∞∞ 第第 22 次交换后次交换后11 22 33 ∞∞ 第第 33 次交换后次交换后11 22 33 44 第第 44 次交换后次交换后

AA BB CC DD EE

11 22 33 44 初始时初始时33 22 33 44 第第 11 次交换后次交换后33 44 33 44 第第 22 次交换后次交换后55 44 55 44 第第 33 次交换后次交换后55 66 55 66 第第 44 次交换后次交换后77 66 77 66 第第 55 次交换后次交换后77 88 77 88 第第 66 次交换后次交换后

… … … … … … … … ∞∞ ∞∞ ∞∞ ∞∞

A 下网了

水平分裂算法基本思想水平分裂算法基本思想– 工作过程与距离向量算法相同，区别在于到工作过程与距离向量算法相同，区别在于到 XX 的距离不向的距离不向真正通向真正通向 XX 的邻居结点报告。从而使得坏消息以每次一个的邻居结点报告。从而使得坏消息以每次一个结点的速度传播。结点的速度传播。– CC 告诉告诉 DD 到到 AA的真实距离，告诉的真实距离，告诉 BB 为为∞∞

举例：如右图。举例：如右图。– 在路由信息的交换中，在路由信息的交换中， BB 知道可以直达知道可以直达 AA，并告诉，并告诉 CC ，通，通过过 BB 到到 CC 路径为路径为 11 。。 CC 得到得到 BB 发来的路由信息后，告诉发来的路由信息后，告诉 DD通过通过 CC 到达到达 AA 距离为距离为 22，告诉，告诉 BB 通过通过 CC 到达到达 AA为无穷。为无穷。 DD得到得到 CC 发来的路由信息后，告诉发来的路由信息后，告诉 EE 通过通过 DD 到达到达 AA 距离为距离为 33 ，，告诉告诉 CC 通过通过 DD 到达到达 AA为无穷。为无穷。

解决方案之一水平分裂解决方案之一水平分裂

ABCDE

解决方案之一水平分裂解决方案之一水平分裂– 当当 AA 下网后，下网后，

第一次交换：第一次交换： BB 发现到达发现到达 AA 的直达路线没有了，而且的直达路线没有了，而且 CC也向也向 BB 说到达说到达 AA 为为无穷，故无穷，故 BB将其到达将其到达 AA的距离的距离设置为无穷。设置为无穷。 第二次交换：第二次交换： CC得到得到 BB的通知，的通知， BB到达到达 AA为为无穷；同时无穷；同时 DD 也告诉也告诉 CC ，通过，通过 DD到达到达 AA为无为无穷，故穷，故 CC将其到达将其到达 AA的距离设置为无穷。的距离设置为无穷。以次类推，在第四次交换的时候，以次类推，在第四次交换的时候， EE 也知道也知道 AA不可达了。不可达了。

L-SL-S （链路状态）算法（链路状态）算法（（ Link State RoutingLink State Routing ））

基本思想 基本思想 发现它的邻接节点，并得到其网络地址 测量它到各邻接节点的延迟或开销 组装一个分组以告知它刚知道的所有信息 将这个分组发给所有其他路由器 计算到每个其他路由器的最短路径

发现邻接节点 发现邻接节点 当一个路由器启动后，向每个点到点线当一个路由器启动后，向每个点到点线

路发送路发送 HELLOHELLO 分组，另一端的路由器分组，另一端的路由器发送回来一个应答来说明它是谁 发送回来一个应答来说明它是谁

测量线路开销 测量线路开销 发送一个发送一个 ECHOECHO 分组要求对方立即响应，分组要求对方立即响应，

通过测量一个来回时间再除以通过测量一个来回时间再除以 22，发送，发送方就可以得到一个延迟估计值，想要更方就可以得到一个延迟估计值，想要更精确些，可以重复这一过程，取其平均精确些，可以重复这一过程，取其平均值 值

构造分组构造分组子网及其节点到其邻节点（路由器）的线子网及其节点到其邻节点（路由器）的线路开销测量值（即延时，假设以路开销测量值（即延时，假设以 msms 计）计）

AA BB CC DD EE FF序号序号 序号序号 序号序号 序号序号 序号序号 序号序号年龄年龄 年龄年龄 年龄年龄 年龄年龄 年龄年龄 年龄年龄BB 44 AA 44 BB 22 CC 33 AA 55 BB 66EE 55 CC 22 DD 33   FF 77   CC 11   DD 77

FF 66 EE 11 FF 88 EE 88

A

E

3

2

4

F

D

CB

561

8

7

子网的链路、状态及分组情况：

节点 A 仅与节点 B 和 E 相邻A B 的时延为 4msA E 的时延为 5ms

发布链路状态 发布链路状态 用扩散法（向邻接的节点）发布链路状态分组 用扩散法（向邻接的节点）发布链路状态分组 （以（以 BB为例，为例， BB的邻接点有的邻接点有 AA、、 CC、、 FF） ）

源源 序号序号 年龄年龄 AA CC FF AA CC FF 数据数据AA 2121 6060 00 11 11 11 00 00 FF 2121 6060 11 11 00 00 00 11 EE 2121 5959 00 11 00 11 00 11 CC 2020 6060 11 00 11 00 11 00 DD 2121 5959 11 00 00 00 11 11

从 A 来的路由信息不必再转送到 A ，但必须向 A 发 ACK

Tnbm P364 书 278 图 5-16

发送标志 ACK 标志

存在的问题 存在的问题 状态分组的重复到达 ；状态分组的重复到达 ； 如果序号循环使用，就会发生重复 ；如果序号循环使用，就会发生重复 ； 如果一个路由器被重起，序号将从如果一个路由器被重起，序号将从 00开始重新开始重新

计数，但这些分组会被当成过时分组 ；计数，但这些分组会被当成过时分组 ； 如果序号发生错误（如如果序号发生错误（如 44被看成被看成 6554065540，，第第 1616位的位的 00被误传成了被误传成了 11），则很多分组将被看成过时），则很多分组将被看成过时分组（此时分组（此时 5~655395~65539均为过时分组，因为当前均为过时分组，因为当前的分组序号是的分组序号是 6554065540））

解决办法解决办法 使用一个使用一个 3232 位序号，即使每秒钟发送位序号，即使每秒钟发送

一个分组，一个分组， 137137年才会循环一次 年才会循环一次 在每个分组中加一年龄字段（如初值为在每个分组中加一年龄字段（如初值为6060），每秒钟将年龄减），每秒钟将年龄减 11 ，为，为 00 后该后该分组将被丢弃 ，否则不会被认为是过时分组将被丢弃 ，否则不会被认为是过时分组分组

计算新路由 计算新路由 用用 DijstraDijstra 算法计算到每个节点的路由 算法计算到每个节点的路由 得到该节点到每个节点的最短路径得到该节点到每个节点的最短路径

分级路由分级路由 网络规模增长带来的问题网络规模增长带来的问题

– 路由器中的路由表增大。路由器中的路由表增大。– 路由器为选择路由而占用的内存、路由器为选择路由而占用的内存、 CPUCPU时间和网络带时间和网络带宽增大。宽增大。解决办法 —— 分级路由解决办法 —— 分级路由– 对于大型网络分而治之，每个路由器只知道自己所在对于大型网络分而治之，每个路由器只知道自己所在子网的路由信息，而不去了解其他子网的内部结构。子网的路由信息，而不去了解其他子网的内部结构。– 根据需要，可以分成区域根据需要，可以分成区域 (regions)(regions)、聚类、聚类 (clusters)(clusters)、、区区 (zones)(zones)和组和组 (groups)… (groups)… – 图例。图例。

分级路由带来的问题分级路由带来的问题– 路由表中的路由不一定是最优路由。路由表中的路由不一定是最优路由。

分级路由图例分级路由图例

特殊类型的路由选择特殊类型的路由选择广播路由算法广播路由算法

用扩散式实现用扩散式实现广播路由算法广播路由算法多地址路由选择多地址路由选择以源点为根的树以源点为根的树

移动主机的路由移动主机的路由

登录外部代理的过程 登录外部代理的过程 外部代理定期广播声明自己的存在和地址的包，新到外部代理定期广播声明自己的存在和地址的包，新到达的移动主机接收该信息；若移动用户未能收到该信达的移动主机接收该信息；若移动用户未能收到该信息，则移动主机广播包，询问外部代理的地址；息，则移动主机广播包，询问外部代理的地址； 移动主机向外部代理注册，告知其家乡地址、目前移动主机向外部代理注册，告知其家乡地址、目前的数据链路层地址和一些安全信息；的数据链路层地址和一些安全信息；外部代理与移动主机的家乡代理联系，告知移动主机外部代理与移动主机的家乡代理联系，告知移动主机的目前位置、自己的网络地址和一些安全信息；的目前位置、自己的网络地址和一些安全信息；家乡代理检查安全信息，通过，则给外部代理确认；家乡代理检查安全信息，通过，则给外部代理确认；外部代理收到确认后，在登记表中加入一项，并通知外部代理收到确认后，在登记表中加入一项，并通知移动主机注册成功。移动主机注册成功。

移动用户的路由转发过程 移动用户的路由转发过程

e

f

数据报路径选择数据报路径选择核心网络

G G G G

自治系统 自治系统 自治系统GG G G

自治系统 自治系统 自治系统 自治系统

核心网关

外部网关

路由选择协议路由选择协议 内部网关协议内部网关协议 (interior gateway protocol):(interior gateway protocol):在自在自治系统内部执行路由功能。如治系统内部执行路由功能。如路由信息协议(路由信息协议(RIP)RIP)、、开放最短路径优先(开放最短路径优先(OSPF) OSPF) 外部网关路由协议外部网关路由协议 (exterior gateway protocol) :(exterior gateway protocol) :在不同的自治系统间进行路由。如在不同的自治系统间进行路由。如边缘网关协议(边缘网关协议(BGP) BGP) 自治系统自治系统 (AS)(AS)，即遵循共同的路由策略统一管理，即遵循共同的路由策略统一管理下的网络群。 下的网络群。

路由信息协议路由信息协议 (RIP)(RIP) 基本工作原理基本工作原理 RIPRIP分组格式 分组格式 RIPRIP的局限性 的局限性

基本工作原理基本工作原理 RIPRIP是是以跳数作为度量标准以跳数作为度量标准的距离向量协议。的距离向量协议。RIPRIP分组在分组在 IPIP之上用之上用 UDPUDP传送。传送。 RIPRIP通过对通过对从源到目的的最大跳数加以限制来防止路由从源到目的的最大跳数加以限制来防止路由环，最大值为环，最大值为 1515。。 RIPRIP使用了一些计时器来控制其性能，包括使用了一些计时器来控制其性能，包括路由更新计时器、路由超时和路由清空的计路由更新计时器、路由超时和路由清空的计时器。时器。

RIPRIP 分组格式 分组格式 命令 版本 未使用 地址簇标志 路由标记 IP 地址 子网掩码 下一跳 度量值

命令 -- 表示该分组是请求还是响应。版本 --指明使用的 RIP版本。 未使用 --值为 0。 地址族标志 (AFI)--指明使用的地址族。每个项都有地址族标志来表明使用的地址类型， IP的 AFI 是 2。若 AFI 为 0xFFFF，该项剩下的部分就是认证信息。路由标记 --提供区分内部路由（由 RIP学得）和外部路由（由其它协议学得）的方法。 IP地址 --指明该项的 IP地址。 子网掩码 -- 包含该项的子网掩码。如果此域为 0，则该项不指定子网掩码。 下一跳 --指明下一跳的 IP地址。 度量值 -- 表示到目的的过程中经过了多少跳数（路由器数）。

在一个在一个 IP RIPIP RIP分组中最多可有分组中最多可有 2525个个 AFIAFI 、地址和度、地址和度量域，即一个量域，即一个 RIPRIP分组中最多可含有分组中最多可含有 2525个地址项。个地址项。如果如果 AFIAFI 指明为认证信息，则只能有指明为认证信息，则只能有 2424个路由表项个路由表项。大的路由表要通过多个。大的路由表要通过多个 RIPRIP分组来传递。 分组来传递。

RIPRIP 的局限性的局限性 RIPRIP 约定目的端距离值超过约定目的端距离值超过 1515 就不可达，随就不可达，随着互连网的增长，使得着互连网的增长，使得 RIPRIP 不适合在大型网不适合在大型网络应用，但如果允许更大的距离值，会造成络应用，但如果允许更大的距离值，会造成初始化或拓扑改变时协议的收敛时间增加。初始化或拓扑改变时协议的收敛时间增加。 RIPRIP 采用路段数作为度量值，但过分简化的采用路段数作为度量值，但过分简化的距离值可能使得路由选择表达不到最佳状态。距离值可能使得路由选择表达不到最佳状态。 支持支持 RIPRIP 的设备要从所有设备接收的设备要从所有设备接收 RIPRIP 更新更新向量，可能会使个别设备的配置错误影响到向量，可能会使个别设备的配置错误影响到整个网络的配置。整个网络的配置。

开放最短路径优先开放最短路径优先 (OSPF)(OSPF)

路由层次 路由层次 SPFSPF算法 算法 OSPFOSPF分组格式分组格式 OSPFOSPF附加特性 附加特性

OSPF是个链接状态路由协议，是由 IETF的 IGP工作组为 IP网开发的路由协议。

路由层次路由层次

AS1

内部路由器

AS2

BGP 路由器

主干主干路由器

用 EGB 连接各个 AS

区域

一个 AS 可以分为多个区间。拥有多个接口的路由器可以加入多个区间，称为区间边缘路由器，为每个区间保存其拓扑数据库。拓扑数据库 ---与路由器有关联的网络的总图，包含从同一区间所有路由器收到的 LSA的集合。OSPF主干负责在区间之间分发路由信息。

SPFSPF 算法算法 最短路径优先（最短路径优先（ SPFSPF）路由算法是）路由算法是 OSPFOSPF的基础。的基础。 在多重访问网络（支持多于两个路由器的网络）中，在多重访问网络（支持多于两个路由器的网络）中，HelloHello协议选出一个“指派路由器”和一个备份指协议选出一个“指派路由器”和一个备份指派路由器。指派路由器负责为整个多重访问网络生派路由器。指派路由器负责为整个多重访问网络生成成 LSALSA ，它可以减少网络通信量和拓扑数据库的，它可以减少网络通信量和拓扑数据库的大小。大小。 每个路由器周期性地发送每个路由器周期性地发送 LSALSA ，提供其邻接点的，提供其邻接点的信息或当其状态改变时通知其它路由器。信息或当其状态改变时通知其它路由器。 LSA---LSA---拓扑数据库拓扑数据库 --------最短路径树最短路径树 ------路由表。路由表。

OSPFOSPF 分组格式分组格式版本号 类型 分组长度 路由器 ID 区间 ID 检验码 认证类型 认证 数据

版本号 -- 标识使用的 OSPF 版本。 类型 -- 标识 OSPF分组类型分组长度 --指示包括 OSPF 头在内的分组长度，以字节计。 路由器 ID-- 标识分组来源。区间 ID-- 标识分组所属的区间。 校验码 --对整个分组的内容检查传输中是否发生损坏。 认证类型 --所有的 OSPF协议交换均被认证。认证类型可以在每区间的基础上配置。 认证 -- 包含认证信息。 数据 -- 包含封装的上层信息。

OSPFOSPF 附加特性 附加特性 OSPFOSPF 的附加特性包括等价、多路径路由和基的附加特性包括等价、多路径路由和基于上层服务类型请求的路由。于上层服务类型请求的路由。 OSPFOSPF 支持一个或多个测量标准。如果使用多支持一个或多个测量标准。如果使用多于一个测量值，通过对由三个于一个测量值，通过对由三个 IP TOSIP TOS 位（延位（延迟、吞吐量和可靠性）生成的八种组合各使用迟、吞吐量和可靠性）生成的八种组合各使用独立的测量值可以支持独立的测量值可以支持 TOSTOS 。。 每个目的地址都含有每个目的地址都含有 IPIP子网掩码，允许子网掩码，允许 VLSMVLSM。。通过通过 VLSMVLSM，， IPIP网可以分成各个不同大小的网可以分成各个不同大小的子网，这给了网管更大的网络管理的灵活性。 子网，这给了网管更大的网络管理的灵活性。

边缘网关协议边缘网关协议 (BGP) (BGP) BGPBGP是一种外部网关协议，在多个自治系统或域是一种外部网关协议，在多个自治系统或域间执行路由。使不同自治系统中的路由器能够互相间执行路由。使不同自治系统中的路由器能够互相协作、交换路由信息。由于不同协作、交换路由信息。由于不同 ASAS 可能采用不同可能采用不同的度量方案，不同的的度量方案，不同的 ASAS 可能有不同的优先级别，可能有不同的优先级别，也可能有禁止使用某些其他也可能有禁止使用某些其他 ASAS 的限制政策，例如的限制政策，例如出于信息安全方面的考虑，将某些出于信息安全方面的考虑，将某些 ASAS 列为禁止通列为禁止通过的区域。过的区域。 路径向量算法路径向量算法。与距离向量算法有两点不同：舍。与距离向量算法有两点不同：舍弃了路由度量值，不包含距离或耗费的估计值；每弃了路由度量值，不包含距离或耗费的估计值；每个路由信息块列出沿某路由到达目标网络要经过的个路由信息块列出沿某路由到达目标网络要经过的所有所有 ASAS 。。

小结 — 路由算法小结 — 路由算法 最优化原则最优化原则

– 路由算法的目的是找出并使用汇集路由算法的目的是找出并使用汇集树。树。 最短路径路由算法最短路径路由算法

– 目的是构建两个路由器间的路由，目的是构建两个路由器间的路由，算法是在子网拓扑图中找出最短路算法是在子网拓扑图中找出最短路径。径。 DijkstraDijkstra 算法。算法。 洪泛算法洪泛算法

– 把收到的每一个分组，向除了该分把收到的每一个分组，向除了该分组到来的线路外的所有输出线路发组到来的线路外的所有输出线路发送。送。 基于流量的路由算法基于流量的路由算法

– 根据网络带宽和平均流量，可得出根据网络带宽和平均流量，可得出平均延迟，因此路由问题归结为找平均延迟，因此路由问题归结为找产生网络最小延迟的路由算法。产生网络最小延迟的路由算法。

距离向量路由算法距离向量路由算法– 根据两个结点间的队列长度来完成根据两个结点间的队列长度来完成路由选择，但是最大的问题是无穷路由选择，但是最大的问题是无穷计算，而且水平分裂也不能完全解计算，而且水平分裂也不能完全解决所有的问题。决所有的问题。

链路状态路由算法链路状态路由算法– 发现邻居结点发现邻居结点– 测量线路开销测量线路开销– 将所有学习到的内容封装成一个分将所有学习到的内容封装成一个分组组– 发布链路状态信息发布链路状态信息– 计算新路由计算新路由

分级路由分级路由– 对于大型网络分而治之，每个路由对于大型网络分而治之，每个路由器只知道自己所在子网的路由信息，器只知道自己所在子网的路由信息，而不去了解其他子网的内部结构。而不去了解其他子网的内部结构。

拥塞控制 拥塞控制 当通信子网中有太多的分组，导致其性当通信子网中有太多的分组，导致其性

能降低，这种情况叫拥塞 能降低，这种情况叫拥塞 拥塞控制和流量控制的区别拥塞控制和流量控制的区别 造成拥塞的原因 造成拥塞的原因

全局性问题和局部性问题

节点存储容量（缓冲区）不够处理机速度太低 线路容量（带宽）不够

拥塞控制拥塞控制

发送的分组

提交的分组

子 网 的最 大 传输容量完美的

理想的拥塞的

拥塞控制拥塞控制 提供足够的缓冲区提供足够的缓冲区公平分配资源公平分配资源 33级拥塞控制级拥塞控制 跳跃级（节点级）、入口出口级、网络存取级跳跃级（节点级）、入口出口级、网络存取级

跳跃级入口出口级

网络存取级• 跳跃级：相邻节点之间的流量均衡，防止本地缓冲区的拥塞和死锁• 入口出口级：防止主机与子网接口的出入口处缓冲区的拥塞• 网络存取级：根据对网络内部的拥塞程度的测量来阻止子网外主机的输入

跳跃级拥塞控制跳跃级拥塞控制 问题：死锁和吞吐量的下降问题：死锁和吞吐量的下降 解决方法：解决方法：

– 信道队列限制方法信道队列限制方法– 结构化缓冲区结构化缓冲区

入口出口级拥塞控制入口出口级拥塞控制 问题：重装死锁和重排序死锁问题：重装死锁和重排序死锁 解决方法：解决方法：

– RFNMRFNM方法方法 (Request For Next Message)(Request For Next Message)– 预约缓冲区预约缓冲区

网络存取级拥塞控制网络存取级拥塞控制 方法：方法：

– IsarithmicIsarithmic方法：许可证方法：许可证– 阻止报文分组方法阻止报文分组方法

流量控制和拥塞控制流量控制和拥塞控制流量控制（流量控制（flow controlflow control）：）：与点到点的通信量与点到点的通信量有关，主要解决快速发送方与慢速接收方的问有关，主要解决快速发送方与慢速接收方的问题，是局部问题，一般都是基于反馈进行控制题，是局部问题，一般都是基于反馈进行控制的。的。拥塞控制（拥塞控制（congestion controlcongestion control）：）：需要确保需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量，是一个通信子网能够承载用户提交的通信量，是一个全局性问题，涉及主机、路由器等很多因素；全局性问题，涉及主机、路由器等很多因素；

拥塞控制拥塞控制拥塞控制的基本策略拥塞控制的基本策略 开环控制开环控制 -------- 事先对通信流参数进行协商，事先对通信流参数进行协商，协商后，不管网络是拥塞还是带宽富裕，参协商后，不管网络是拥塞还是带宽富裕，参数不能动态改变。这是一种预防性拥塞控制，数不能动态改变。这是一种预防性拥塞控制，使网络总是无拥塞区运作，但网络的利用率使网络总是无拥塞区运作，但网络的利用率可能较低。如可能较低。如漏桶算法漏桶算法、、令牌桶算法、许可令牌桶算法、许可证法、证法、缓冲区预分配法缓冲区预分配法 闭环控制闭环控制 ------动态系统控制，包括两部分：反动态系统控制，包括两部分：反馈机制和控制机制馈机制和控制机制。。如抑制分组法、分组丢如抑制分组法、分组丢弃法、接纳控制方法弃法、接纳控制方法

闭环控制闭环控制 何为拥塞 —— 衡量网络拥塞的参数何为拥塞 —— 衡量网络拥塞的参数

– 缺乏缓冲区造成的丢包率缺乏缓冲区造成的丢包率– 平均队列长度平均队列长度– 超时重传的分组数目超时重传的分组数目– 平均分组延迟平均分组延迟– 分组延迟变化分组延迟变化 (Jitter)(Jitter)

如何反馈 —— 反馈方法如何反馈 —— 反馈方法– 向负载的发生源发送一个报警分组，这同时加强了拥塞。向负载的发生源发送一个报警分组，这同时加强了拥塞。– 在分组结构中保留一个位或一个域来表示发生拥塞，一旦发生拥塞，在分组结构中保留一个位或一个域来表示发生拥塞，一旦发生拥塞，路由器将所有输出分组的拥塞位填充，报警。路由器将所有输出分组的拥塞位填充，报警。– 主机或路由器主动地、周期性地发送探报主机或路由器主动地、周期性地发送探报 (probe)(probe)，查询是否发生拥，查询是否发生拥塞。塞。

如何解决 —— 利用拥塞控制算法如何解决 —— 利用拥塞控制算法

开环控制 — 拥塞预防策略开环控制 — 拥塞预防策略 影响拥塞的网络设计策略影响拥塞的网络设计策略

– 数据链路层数据链路层 重传、乱序缓存、重传、乱序缓存、确认、流控确认、流控

– 网络层网络层 子网中的虚电路和子网中的虚电路和数据报、分组排队数据报、分组排队和服务策略、分组和服务策略、分组丢弃策略、路由算丢弃策略、路由算法、分组的生存时法、分组的生存时间管理间管理

– 传输层传输层 重传、乱序缓存、重传、乱序缓存、确认、流控、超时确认、流控、超时中止中止

开环控制 — 通信量整形开环控制 — 通信量整形 通信量整形通信量整形 (Traffic Shaping)(Traffic Shaping)的基本思想的基本思想

– 网络上，突发的通信量是造成拥塞的主要原因。网络上，突发的通信量是造成拥塞的主要原因。– 强迫分组以某种可以预见的速率传送，减少拥塞，这种方法就被强迫分组以某种可以预见的速率传送，减少拥塞，这种方法就被称为通信量整形。称为通信量整形。– 此方法广泛应用于此方法广泛应用于 ATMATM网络中。网络中。– 漏桶算法和令牌桶算法都可以实现通信量整形。漏桶算法和令牌桶算法都可以实现通信量整形。

漏桶算法漏桶算法 (The Leaky Bucket Algorithm)(The Leaky Bucket Algorithm)– 基本原理：基本原理：图例图例。。– 在计算机中的使用在计算机中的使用

漏桶——有限内部队列；水 —— 通信量，需要发送的分组。漏桶——有限内部队列；水 —— 通信量，需要发送的分组。 分组到达队列时，队列满，分组被丢弃；队列空，分组放置分组到达队列时，队列满，分组被丢弃；队列空，分组放置在队尾。在队尾。

开环控制 — 通信量整形开环控制 — 通信量整形– 效果效果

将用户发出的不平滑的分组流转变成网络中平滑的分组将用户发出的不平滑的分组流转变成网络中平滑的分组流。流。 漏桶算法既可以用于分组长度固定的协议，如漏桶算法既可以用于分组长度固定的协议，如 ATMATM ，，使用分组计数；也可用于可变长分组的协议，如使用分组计数；也可用于可变长分组的协议，如 IPIP ，使，使用字节计数。用字节计数。

无论水流进桶的速度为多少，只要桶中有水，无论水流进桶的速度为多少，只要桶中有水，水从桶中外水从桶中外漏的速度是恒定的。桶空了，速度为零。桶漏的速度是恒定的。桶空了，速度为零。桶满了，水外泄。满了，水外泄。

漏桶算法漏桶算法

令牌桶算法令牌桶算法 由于漏桶算法不够灵活，因由于漏桶算法不够灵活，因此加入令牌机制。此加入令牌机制。 令牌桶算法 令牌桶算法 (The Token Bu(The Token Bucket Algorithm) cket Algorithm)

– 基本思想：漏桶存放令基本思想：漏桶存放令牌，每牌，每 TT秒产生一个令秒产生一个令牌，分组发送传输之前牌，分组发送传输之前必须获得一个令牌，传必须获得一个令牌，传输之后删除该令牌。输之后删除该令牌。– 令牌代表的不是发送一令牌代表的不是发送一个分组的权利，而是可个分组的权利，而是可以发送的字节数。以发送的字节数。

漏桶和令牌桶算法的比较漏桶和令牌桶算法的比较通信量整形策略不同通信量整形策略不同

– 漏桶算法不允许空闲主机积累发送权。漏桶算法不允许空闲主机积累发送权。– 令牌桶算法允许空闲主机积累发送权，以便令牌桶算法允许空闲主机积累发送权，以便以后发送大的突发数据，最大为桶的大小。以后发送大的突发数据，最大为桶的大小。

桶中存放的内容不同桶中存放的内容不同– 漏桶中存放的是数据，桶满了丢弃数据。漏桶中存放的是数据，桶满了丢弃数据。– 令牌桶中存放的是令牌，桶满了丢弃令牌，令牌桶中存放的是令牌，桶满了丢弃令牌，不丢弃数据。不丢弃数据。

闭环控制 —虚电路子网中的拥塞闭环控制 —虚电路子网中的拥塞控制控制 方法一 方法一

– 许可控制许可控制 (admission control)(admission control) ：：一旦发生拥塞，就不允许再建立一旦发生拥塞，就不允许再建立新的虚电路，直到拥塞解除为止。新的虚电路，直到拥塞解除为止。 方法二方法二

– 在发生拥塞后可以建立新的虚电在发生拥塞后可以建立新的虚电路，但要绕开发生拥塞的地区。路，但要绕开发生拥塞的地区。 方法三方法三

– 资源预留：建立虚电路时，主机资源预留：建立虚电路时，主机与子网达成协议，子网根据协议与子网达成协议，子网根据协议在虚电路上为此连接预留资源。在虚电路上为此连接预留资源。

闭环控制 — 抑制分组闭环控制 — 抑制分组 抑制分组抑制分组 (Choke Packets)(Choke Packets)

– 路由器监控输出线路及其它资源的利用情况，超过某个阈值，则此资源进入警戒路由器监控输出线路及其它资源的利用情况，超过某个阈值，则此资源进入警戒状态。状态。– 每个新分组到来，检查它的输出线路是否处于警戒状态。若是，向源主机发送抑每个新分组到来，检查它的输出线路是否处于警戒状态。若是，向源主机发送抑制分组，分组中指出发生拥塞的目的地址。同时将源分组打上标记制分组，分组中指出发生拥塞的目的地址。同时将源分组打上标记 ((为了以后不为了以后不再产生抑制分组再产生抑制分组 ))后，正常转发。后，正常转发。– 源主机收到抑制分组后，按一定比例减少发向特定目的地的通信量，并在固定时源主机收到抑制分组后，按一定比例减少发向特定目的地的通信量，并在固定时间间隔内忽略指示同一目的地的抑制分组。然后开始监听，若此线路仍然拥塞，间间隔内忽略指示同一目的地的抑制分组。然后开始监听，若此线路仍然拥塞，则主机在固定时间内减轻负载、忽略抑制分组；若在监听周期内没有收到抑制分则主机在固定时间内减轻负载、忽略抑制分组；若在监听周期内没有收到抑制分组，则增加通信量。组，则增加通信量。– 通常采用的通信量增减策略是：通常采用的通信量增减策略是：

减少时按一定比例减少，保证快速解除拥塞。减少时按一定比例减少，保证快速解除拥塞。 增加时以常量增加，防止很快导致拥塞。增加时以常量增加，防止很快导致拥塞。

闭环控制 — 抑制分组闭环控制 — 抑制分组 每个每个 CCPCCP 监视其输出线路的利用率，以监视其输出线路的利用率，以 ūū表示表示 为使为使 uu 准确，需要周期性地测试线路利用率的瞬时值，并对准确，需要周期性地测试线路利用率的瞬时值，并对 uu进行更新进行更新 uu 新新 =a*u=a*u 旧旧 ++（（ 1-a1-a）） *f*f 0≦a ≦10≦a ≦1，表示遗忘系数，表示遗忘系数 a=0 a=0 完全遗忘完全遗忘 a=1 a=1 一点也不遗忘一点也不遗忘 0≦a ≦1 0≦a ≦1 逐渐遗忘逐渐遗忘 f=0 f=0 该线路未被占用该线路未被占用 f=1 f=1 该线路被占用该线路被占用 当当 uu≧u≧u 阈值阈值，该输出线处于警告状态，导致下，该输出线处于警告状态，导致下列动作：列动作：

闭环控制 — 抑制分组闭环控制 — 抑制分组 本本 CCPCCP向源主机发一阻止报文分组，并将该向源主机发一阻止报文分组，并将该分组的目的地址放入分组中，同时将该数据分组的目的地址放入分组中，同时将该数据分组加上特殊标记后继续前进，使其向前进分组加上特殊标记后继续前进，使其向前进不会回发；不会回发； 源主机受到分组后，将通往该分组中目的地源主机受到分组后，将通往该分组中目的地址的分组减少址的分组减少 X%,X%, 并在一段时间内不理睬该并在一段时间内不理睬该分组；分组； 源主机经过一段时间后再查分组，若仍有，源主机经过一段时间后再查分组，若仍有，这进一步减少流量，若没有，则逐步增加流这进一步减少流量，若没有，则逐步增加流量量

小结 —拥塞控制算法小结 —拥塞控制算法 拥塞控制的基本原理拥塞控制的基本原理

– 网络中存在过多分组的时候，网络性能降低，网络中存在过多分组的时候，网络性能降低，产生拥塞。产生拥塞。 开环控制 开环控制 ((通过良好的设计解决问题通过良好的设计解决问题 ))

拥塞预防策略：数据链路层、网络层、传输层都策略拥塞预防策略：数据链路层、网络层、传输层都策略可以进行预防可以进行预防 通信量整形通信量整形

– 强迫分组以某种可以预见的速率传送。强迫分组以某种可以预见的速率传送。– 漏桶和令牌桶均可实现通信量整形。漏桶和令牌桶均可实现通信量整形。

流说明流说明

小结 —拥塞控制算法小结 —拥塞控制算法 闭环控制闭环控制

虚电路网络中的拥塞控制虚电路网络中的拥塞控制– 许可控制、绕开拥塞、资源预留许可控制、绕开拥塞、资源预留

抑制分组：向源主机发送抑制分组。抑制分组：向源主机发送抑制分组。– 为了公平，可以采用加权公平算法为了公平，可以采用加权公平算法 ((字节轮巡字节轮巡 ))。。– 为了得到快速的抑制效果，可采用为了得到快速的抑制效果，可采用 Hop-by-HopHop-by-Hop抑抑制分组，抑制分组对其所经过的路由器都起作用。制分组，抑制分组对其所经过的路由器都起作用。

负载丢弃：对不同服务采用不同的丢弃策略。负载丢弃：对不同服务采用不同的丢弃策略。

X.25X.25 网络 网络 X.25X.25 协议不涉及到分组交换网内部，协议不涉及到分组交换网内部，仅用于定义分组交换网络和用户之间仅用于定义分组交换网络和用户之间的接口，即定义了用户的的接口，即定义了用户的 DTEDTE （（ Data Data Terminal EquipmentTerminal Equipment ）如何接入公共）如何接入公共分组交换网（通常把分组交换网（通常把 DCEDCE 划入分组交划入分组交换网内） 换网内）

X.25X.25 定义的三层通信协议定义的三层通信协议 X.25X.25定义了三层通信协议：物理层、数定义了三层通信协议：物理层、数据链路层、网络层（分组层） 据链路层、网络层（分组层）

DTE DCE

DCE DTE

DCE DTE

VC1

VC2

X.25 接口

X.25 接口X.25 接口

用户层用户层分组层分组层

数据链路层数据链路层 LAPBLAPB物理层物理层 X.21,X.21bisX.21,X.21bis

X.25X.25 的物理层协议的物理层协议 X.25X.25 物理层的协议为物理层的协议为 X.21X.21 和和 X.21bisX.21bis ，，

分别定义数字和模拟接口（分别定义数字和模拟接口（ XX 系列规程系列规程是专为公用数据网设定的；是专为公用数据网设定的； bisbis 表示能表示能与与 VV 系列调制解调器相连，等效于系列调制解调器相连，等效于 RS-RS-232C232C和和 V.24V.24 标准） 标准）

X.25X.25 的数据链路层协议的数据链路层协议 X.25X.25 数据链路层的接口标准通常用平衡数据链路层的接口标准通常用平衡

型链路接入规程型链路接入规程 LAPBLAPB（（ Link Access Link Access Procedure-BalancedProcedure-Balanced ，是，是 HDLCHDLC的一的一个子集个子集）），来建立一条传输可靠的逻辑，来建立一条传输可靠的逻辑链路 链路

X.25X.25 的网络层协议的网络层协议 X.25X.25 的的网络层处理寻址、流量控制、传网络层处理寻址、流量控制、传

输确认等功能。建立虚电路，发送不超输确认等功能。建立虚电路，发送不超过过 128128 字节的分组，并有序地传输。通字节的分组，并有序地传输。通常常 X.25X.25的速率为的速率为 64Kb/s 64Kb/s

X.25X.25 是面向连接的是面向连接的 X.25X.25 是面向连接的，到目前为止，是面向连接的，到目前为止， X.2X.255协议仍被广泛地使用 协议仍被广泛地使用 交换式虚电路：发送前必须申请建立一条虚电路，然后，顺序发送，并得到确认，发送完后，要释放虚电路。费用支付则按流量 永久式虚电路：相当于租用的专线（不是线路，而是信道），使用时毋需申请和释放，费用支付则按租用时间及租用带宽

X.25X.25 分组格式 分组格式 HDLC帧格式

X.25 分组格式

FF AA CC II FCSFCS FF

分组头分组头 数据数据

通用格式标识通用格式标识 逻辑信道组号逻辑信道组号逻辑信道号逻辑信道号

分组类型标识符分组类型标识符

7 7

44 3 03 0

Q D 0 1Q D 0 1 逻辑信道组号逻辑信道组号逻辑信道号逻辑信道号

P(R)P(R) MM P(S)P(S) 00Q D 1 0Q D 1 0 逻辑信道组号逻辑信道组号

逻辑信道号逻辑信道号P(S)P(S) 00P(R)P(R) MM

X.25X.25 分组格式中的分组头分组格式中的分组头 -1-1 通用格式标识：占高通用格式标识：占高 4 4 位，分别为位，分别为 QDEG QDEG

Q 位（ Qualifier ）： Q = 1 表示数据为用户数据； Q = 0 表示数据为网络信息 D 位（ Delivery confirmation ）：传送确认位，用于捎带确认 E 位：扩展分组编号模数， E = 1 表示分组以 12

8 为模编号 G 位：普通分组编号模数， G = 1 表示分组以 8为模编号

X.25X.25 分组格式中的分组头分组格式中的分组头 -2-2 逻辑信道组号：用于标识逻辑信道（虚电路），逻辑信道组号：用于标识逻辑信道（虚电路），占用低占用低 44位 位 逻辑信道号：用于标识逻辑信道，占用一个字节 逻辑信道号：用于标识逻辑信道，占用一个字节 分组类型标识符：用于区别分组类型和功能 分组类型标识符：用于区别分组类型和功能

P(R) ：接收分组编号，如 E = 1 ，则 P(R)用 7 位表示，如 G = 1 ，则用 3 位表示 P(S) ：发送分组编号，同上 M 位：（ More ） M = 1 表示还有这一组中的分组公共分组交换网 CHINAPAC通常使用 X.25 协议接入，速率为 64kb/s