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第五章 网络层
网络层负责将数据包从源节点传送到目的节点,这中间可能会经过许多中间节点,也可能会穿过多个网络。这是网络层和数据链路层不同的地方,数据链路层只负责在相邻两个节点之间传送数据。网络层的主要功能是:路由选择、拥塞控制、网络互联和计费。
网络层设计问题
网络层的主要设计问题包括网络层向传输层提供的服务,以及通信子网的内部设计。
面向连接的服务与无连接服务
无连接服务:以Internet阵营为代表,认为通信子网本质上是不可靠的,用户肯定需要自己做差错控制和流量控制的工作,既然如此,通信子网干脆只提供最基本的数据传输服务就行了,即只负责将分组正确路由到目的节点,除此之外不提供差错控制、顺序控制、流量控制等其它功能。从这个思想出发,那么通信子网是无连接的,每个分组是一个独立的传输单位,携带完整的地址,在每个节点被独立传输,分组之间彼此没有联系。
面向连接的服务:以电信公司阵营为代表,认为通信子网应该提供可靠的面向连接的服务,在这里服务质量是一个重点需要考虑的因素。只有在通信前建立连接,才能进行服务协商并预留足够的资源,才能保证象话音、视频等一类实时业务获得它们所需要的服务质量。
这两派意见的焦点在于是否需要建立连接,至于是否需要保证数据传输的可靠其实是可选的。提供无连接服务的典型代表是因特网,提供面向连接服务的典型代表是电话网和ATM网络。事实上,由于实时多媒体应用的不断普及,服务质量的问题越来越受到关注,而因特网在这方面的局限性也日益凸现,因此因特网也在不断地改进,IPv6就引入了面向连接的特性。
无连接服务的实现
在提供无连接服务的通信子网中,每个分组被独立地传输,分组常被称为数据报,而通信子网则称为数据报子网。
用图5-2的例子来说明数据报子网的工作原理:
主机的网络层从传输层接收一个消息。
将消息封装成分组,发送给距它最近的路由器。若消息太大,超过了分组的最大长度,还需要先将消息划分成较小的数据块,再分别封装成分组。
每个路由器都有一张路由表,记录各个已知的目的地址及这些地址所在的输出线路。每当从网络端口收到一个分组,首先判断自己是否是分组的目的地,是就将分组交给合适的上层实体去处理;否则用分组的目的地址查找路由表,从相应的输出线路转发分组。
如果分组长度超过了输出链路上的最大传输单元(称MTU,Maximum Transfer Unit),路由器的网络层必须将分组分成较小的片段,每个片段封装成分组,独立传输。
目的主机的网络层将收到的分组交给传输层;如果分组被划分成了若干个片段,目的主机先将各个片段重组,再交给传输层。
路由器中的路由模块负责生成和维护路由表(使用路由算法),转发模块负责查找转发表和转发分组。转发表是根据路由表生成的、便于快速查找的数据结构。
面向连接服务的实现
在提供面向连接服务的通信子网中,通信前首先需要建立一条从源节点到目的节点的传输通路(也称为连接),相关的数据包都沿着这条通路传输,传输结束后要释放这条通路。
建立连接的目的是避免在每收到一个分组后,都要去查找庞大的转发表。其基本思想是,将从源主机到目的主机的路径记录在沿途经过的每一个路由器中,此后,该连接上的所有分组都在这条路径上传输。由于在同一条物理链路上可能存在多条连接,因此需要为每条连接分配一个标识。每个分组必须携带其所属连接的标识,这样路由器检查分组头中的连接标识就知道分组属于哪个连接了。
连接标识只具有局部意义,即同一条连接在不同的物理链路上可能被分配不同的连接标识。为此,路由器必须为经过它的所有连接建立一张连接表,对于每一条连接,记录其输入链路及在这条链路上的连接标识,还有输出链路及在输出链路上的连接标识。路由器在转发分组时,必须用输出链路上的连接标识替换分组头中的连接标识。
从源主机到目的主机的连接称为虚电路,这是因为它只是表示了从源主机到目的主机的一条通路,与实际的物理通路(如固定地占用一个频道或时间片)并不相同。
除了连接建立分组需要携带完整的网络层地址之外,其它分组只需要携带一个连接标识(虚电路号)。
用图5-3的例子来说明虚电路子网的工作原理:
源节点向目的节点发送一个连接建立分组,分组中携带完整的源地址和目的地址,并在源节点与源路由器之间的线路上选择一个当前未用的虚电路号,携带在分组头中;
每一个中间节点收到连接建立分组后,根据分组的目的地址查找路由表,选择一条合适的输出线路,然后在输出线路上选择一个当前未用的虚电路号,替换分组头中的虚电路号,并在节点的虚电路表中记录下这条连接(输入线路,输入虚电路号,输出线路,输出虚电路号),最后从输出线路上转发该分组;
这个过程不断重复直至到达目的节点,如果目的节点同意建立连接,则会发回一个连接确认分组,该分组沿着相反的路径返回源节点,虚电路就建立起来了,这条虚电路是全双工的
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