网络层与IP协议的相关概念网络层.ppt
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1、2023/9/15,计算机网络_网络层1,1,网络层-1,分组交换网络层提供的两种服务IP协议与网络互连硬件地址与地址解析协议ARPIP数据报的格式,2023/9/15,计算机网络_网络层1,2,分组交换(),教材P11-P15因特网的核心部分(路由器)采用分组交换的方式传输数据它与传统的电路交换(电话网使用)和报文交换(收发电报)是有区别的。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,3,1.电路交换的主要特点,两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,4,更多的电话机互相连通,5 部电话机两两相连,需 10 对电线。N 部电话机两两相连,需
2、N(N 1)/2 对电线。当电话机的数量很大时,这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,5,使用交换机,当电话机的数量增多时,就要使用交换机来完成全网的交换任务。,交换机,2023/9/15,计算机网络_网络层1,6,电路交换的特点,电路交换必定是面向连接的连接:可理解为拨通电话电路交换的三个阶段:建立连接通信释放连接,2023/9/15,计算机网络_网络层1,7,电路交换举例,A 和 B 通话经过四个交换机通话在 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,
3、2023/9/15,计算机网络_网络层1,8,电路交换举例,C 和 D 通话只经过一个本地交换机通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,2023/9/15,计算机网络_网络层1,9,电路交换传送计算机数据效率低,计算机数据具有突发性。而一旦建立,连接是一直占用的。这导致通信线路的利用率很低。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,10,报文,2.分组交换的主要特点,在发送端,先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,11,数 据,数 据,数 据,添加首部
4、构成分组,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意:现在左边是“前面”,2023/9/15,计算机网络_网络层1,12,分组交换的传输单元,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端(假定接收端在左边)。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,13,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到分组首部中的地址信息,把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式,最后分组就能到达最终目的地。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,14,收到分组后剥去首部,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数 据
5、,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,2023/9/15,计算机网络_网络层1,15,数 据,数 据,数 据,最后还原成原来的报文,最后,在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错,在转发时也没有被丢弃。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,16,分组交换网的示意图,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化!,路由器,主机,2023/9/15,计算机网络_网络层1,17,路由器,路由器处理分组的过程是:把收到的分组先放入缓存(暂时存储);查找转发表
6、(又称路由表),找出到某个目的地址应从哪个端口转发;把分组送到适当的端口转发出去。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,18,分组交换的特点及问题,分组交换的特点不需要事先建立连接每个分组独立选择转发路径分组交换的问题分组在各结点存储转发时可能需要排队,这会造成一定的时延。分组必须携带的首部(里面有必不可少的控制信息)也造成了一定的开销。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,19,更早的存储转发:报文交换,在 20 世纪 40 年代,电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。与分组转发的主要区别以报文为转发单元,一般报文比较长,2023/9/
7、15,计算机网络_网络层1,20,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,发送报文和存储转发的延时都比较长,发送时延,处理时延,传播时延,2023/9/15,计算机网络_网络层1,21,三种交换的时延,电路交换连接建立时延+发送时延+传播时延报文交换处理时延+发送时延+传播时延 分组转发第1个分组与报文交换同之后的分组只加计首段链路的处理时延和发送时延,(存储转发),2023/9/15,计算机网络_网络层1,22,特别习题,假设交换网具有下列参数:从源站到目的站的中继站数为N(即共经过N+1段链路);每段链路的传输时延为D(s);需要传
8、送的文件长度为L(Byte)(不包括首部);线路传输速率为B(bps);在电路交换时,电路的建立时间为S(s);在分组交换时,每个分组的长度(含分组的首部开销)为P(Byte);分组交换时每个分组的首部开销,以及报文交换时的首部开销均为H(Byte);结点交换机的处理(分组拆装等)时延忽略不计。设N=4,D=0.001,L=980000,B=10M,S=0.2s,P=1000,H=20计算电路交换、报文交换和分组交换的端到端时延。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,23,习题分析,处理时延、排队时延忽略不计发送时延、传播时延把各条链路的总时延累加注:电路交换得算上连接建立的时间,202
9、3/9/15,计算机网络_网络层1,24,网络层-1,分组交换网络层提供的两种服务IP协议与网络互连硬件地址与地址解析协议ARPIP数据报的格式,2023/9/15,计算机网络_网络层1,25,4.1 网络层提供的两种服务,虚电路服务和数据报服务在计算机网络领域,网络层应该向运输层提供怎样的服务(“面向连接”还是“无连接”)曾引起了长期的争论。争论焦点的实质就是:在计算机通信中,可靠交付应当由谁来负责?是网络还是端系统?,2023/9/15,计算机网络_网络层1,26,电信网的成功经验让网络负责可靠交付,面向连接的通信方式,据此计算机网络应建立虚电路(Virtual Circuit),以保证双
10、方通信所需的一切网络资源。再使用可靠传输的网络协议,就可使所发送的分组无差错按序到达终点。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,27,应用层运输层网络层数据链路层物理层,应用层运输层网络层数据链路层物理层,虚电路服务,H1,H2,虚电路,H1 发送给 H2 的所有分组都沿着同一条虚电路传送,即虚拟的电路交换,2023/9/15,计算机网络_网络层1,28,虚电路是逻辑连接,虚电路表示这只是一条逻辑上的连接,分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送,并未建立物理连接。只有传输分组时才占用资源分组首部不需要地址,只需虚电路号请注意,电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接。因此分组交换的
11、虚连接和电路交换的连接只是类似,但并不完全一样。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,29,因特网采用的设计思路,网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组(即 IP 数据报)独立发送,与其前后的分组无关(不进行编号)。网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序(不按序到达终点),当然也不保证分组传送的时限。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,30,尽最大努力交付的好处,路由器制作简单,价格低廉可由主机中的运输层负责可靠传输(包括差错处理、流量控制等)。网络的造价大大降低,运行方式灵活,
12、能够适应多种应用。网络发展之初带宽贫乏,由网络层负责可靠传输,意味着所有应用都要担负可靠传输的代价,2023/9/15,计算机网络_网络层1,31,应用层运输层网络层数据链路层物理层,应用层运输层网络层数据链路层物理层,数据报服务,H1,H2,IP 数据报,丢失,H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送,2023/9/15,计算机网络_网络层1,32,虚电路服务与数据报服务的对比,类似电路交换与分组交换的对比,2023/9/15,计算机网络_网络层1,33,网络层-1,分组交换网络层提供的两种服务IP协议与网络互连硬件地址与地址解析协议ARPIP数据报的格式,2023/9/15,计算机网
13、络_网络层1,34,4.2 网际协议IP,网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。在网络层与 IP 协议配套使用的还有四个协议:地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol)逆地址解析协议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)网际控制报文协议 ICMP(Internet Control Message Protocol)网际组管理协议 IGMP(Internet Group Management Protocol),2023/9/15,计算机网络_网络层1,35,网际层的 IP 协议及配套协议,
14、各种应用层协议,网络接口层,(HTTP,FTP,SMTP 等),物理硬件,运输层,TCP,UDP,应用层,ICMP,IP,RARP,ARP,与各种网络接口,网络层(网际层),IGMP,2023/9/15,计算机网络_网络层1,36,互连在一起的网络要进行通信,会遇到许多问题需要解决,如:不同的寻址方案不同的最大分组长度不同的网络接入机制不同的超时控制不同的差错恢复方法不同的状态报告方法不同的路由选择技术不同的用户接入控制不同的服务(面向连接服务和无连接服务)不同的管理与控制方式,4.2.1 虚拟互连网络,2023/9/15,计算机网络_网络层1,37,中间设备又称为中间系统或中继(relay)
15、系统。物理层中继系统:转发器(repeater)。数据链路层中继系统:网桥或桥接器(bridge)。网络层中继系统:路由器(router)。网桥和路由器的混合物:桥路器(brouter)。网络层以上的中继系统:网关(gateway)。,网络互相连接起来要使用一些中间设备,2023/9/15,计算机网络_网络层1,38,当中继系统是转发器或网桥时,一般并不称之为网络互连,因为这仅仅是把一个网络扩大了,而这仍然是一个网络。网关由于比较复杂,目前使用得较少。互联网都是指用路由器进行互连的网络。,网络互连使用路由器,2023/9/15,计算机网络_网络层1,39,互连网络与虚拟互连网络,网络,网络,网
16、络,网络,网络,(a)互连网络,(b)虚拟互连网络,路由器,虚拟互连网络(互联网),ATM,X.25,帧中继,下层像是使用同一种技术,IP协议要达到的目的,2023/9/15,计算机网络_网络层1,40,虚拟互连网络的意义,所谓虚拟互连网络的含义互连起来的各种物理网络本来存在差异,但是利用 IP 协议可以使这些性能各异的网络从用户角度看起来好像是一个统一的网络。使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。使用虚拟互连网络的好处是:当互联网上的主机进行通信时,就好像在一个网络上通信一样,不需要看见互连的各个具体网络的细节。,2023/9/15,计算机网络_网络层1,41,54321,主机H
17、1,主机 H2,R1,R4,R5,R2,R3,R1,R2,R3,H1,R5,H2,R4,间接交付,间接交付,间接交付,间接交付,间接交付,直接交付,分组在互联网中的传送,ATM,X.25,帧中继,X.25,ATM,不同的广域网拥有不一样的第2层和第1层,2023/9/15,计算机网络_网络层1,42,从网络层看 IP 数据报的传送,如果我们只从网络层考虑问题,那么 IP 数据报就可以想象是在网络层中传送。,网络层,网络层,网络层,网络层,网络层,网络层,网络层,IP 数据报,H1,R1,R2,R3,R4,R5,H2,2023/9/15,计算机网络_网络层1,43,网络层-1,分组交换网络层提供
18、的两种服务IP协议与网络互连硬件地址与地址解析协议ARPIP数据报的格式,2023/9/15,计算机网络_网络层1,44,4.2.3 IP 地址与硬件地址,链路层及以下使用硬件地址,网络层及以上 使用 IP 地址,虚拟,真实,2023/9/15,计算机网络_网络层1,45,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,通信的路径H1经过 R1 转发再经过 R2 转发H2,查找路由表,查找路由表,2023/9/15,计算机网络_网络层1,46,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1
19、,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,从协议栈的层次上看数据的流动,2023/9/15,计算机网络_网络层1,47,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2
20、,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,从虚拟的 IP 层上看 IP 数据报的流动,2023/9/15,计算机网络_网络层1,48,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 帧,M
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