考研级《计算机网络》知识梳理——第十四期

网络层功能概述

1、网络层

　　概念：是OSI参考模型的第三层，主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。（需注意数据报与分组的关系父与子的关系，数据报可划分为分组）

　　功能一：路由选择与分组转发（选择最佳路径）

　　功能二：实现异构网络互联

　　功能三：拥塞控制

　　　　若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。（与流量控制的区别在于，拥塞控制操作的是全局的网络结点，而流量控制仅仅操作发送方的发送速率）

　　　　解决方法：1、开环控制（静态）把所有可能产生拥塞的因素都考虑在内，预先进行控制。

　　　　　　　　　2、闭环控制（动态）网络运行后进行自适应的控制。

数据交换方式

1、网络的核心——路由器

　　提问：如何使数据通过网络核心——路由器从源主机到目的主机？答：数据交换

2、数据交换的原因

　　首先按照最简单的思路，如果有n个主机想要组成互相通信的网络，那么理论上就需要条链路，如下图所示。

　　这样的拓扑结构实现成本太高，非常不现实，因此改为如下图的多台主机与一台网络设备类星型连接的方式，如下图所示。

　　网络设备根据需求可以是集线器、交换机等（具体是否分割冲突域根据实际需求），然而这种方式会随着主机数量的增加，性能逐渐降低，单台网络设备负担逐渐加重，并且也无法满足超大范围的网络通信。因此网络连接方式改为如下图。交换设备引入网络的核心——路由器。

　　涉及到数据交换方式，电路交换、报文交换、分组交换三种交换方式，其中分组交换包含数据报方式和虚电路方式。

　　这里可能会提出疑问：网络层跟数据链路层有些概念好像互相覆盖了，是不是冲突了？

　　其实网络层的交换方法可以这么理解，首先网络层是接收下层数据链路层提供的服务来实现诸多交换方法，可以理解为网络层根本不会管下层究竟如何实现的（数据报是怎么一步一步走的），只需满足自己的职能——控制数据报该走什么路线（路由选择），这个路线我给他赋予什么样的特性（交换方式）。通过这么理解可以更加深刻地了解网络层数据交换方式的意义。还有一点就是，集线器可以做的事，交换机都可以做（只不过会把编码信号还原到帧层面进行处理，体现数据链路层的价值），交换机可以做的事，路由器都可以做（只不过会把帧还原到数据报进行处理，体现网络层的价值）。

3、电路交换

　　比较常见的是有线电话网络，特点是建立连接后，路线在通信阶段就不会再改变，直到通信结束后拆除电路释放连接，带宽资源是独占的路线非常畅通，电路交换的步骤如下：

　　优点：

　　　　1、通信时延小

　　　　2、有序传输

　　　　3、没有冲突

　　　　4、实时性强

　　缺点：

　　　　1、建立连接时间长

　　　　2、线路独占，使用效率低

　　　　3、灵活性差

　　　　4、无差错控制能力

4、报文交换

　　报文：源应用发送的信息整体。

　　优点：

　　　　1、无需建立连接

　　　　2、存储转发，动态分配线路

　　　　3、线路可靠性较高

　　　　4、线路利用率较高

　　　　5、多目标服务

　　缺点：

　　　　1、有存储转发时延

　　　　2、报文大小不定，需要网络节点有较大的缓存空间

5、分组交换

　　思想上与报文交换是一样的，都是利用缓存进行存储转发的概念，但是处理对象的大小不同，报文被分组后大小可控，不需要过大的缓存空间。

　　分组：把大的数据块分割成小的数据块。

　　优点：

　　　　1、无需建立连接

　　　　2、存储转发，动态分配线路

　　　　3、线路可靠性较高

　　　　4、线路利用率较高

　　　　5、相对于报文交换，存储管理更容易

　　缺点：

　　　　1、有存储转发时延

　　　　2、需要传输额外的信息量

　　　　3、乱序到目的主机时，要对分组排序重组

6、报文交换&分组交换

　　因特网（Internet）使用的是分组交换。

　　这里涉及到一个分布式计算的思想，如果是报文整段发送，那交换设备必须一次处理整个报文，而后面的设备短时间内拿不到数据无法工作，效率远不及分组后一段一段的发送，这样短时间内后面的交换设备就可以拿到小段的数据。

　　分组后的时间计算过程可以看作两段时间，第一段时间是所有数据在第一个链路上传播的时间，与分组前时间一样是10秒，第二段时间是最后一段数据在第二、第三链路上传播的时间（因为当最后一个分组传过第一条链路的时候，倒数第二个分组已经传过第二条链路，倒数第三个分组已经传过了第三条链路，它们的时间是共同消耗的换句话说就是节省了时间，因为这个思想在CPU里貌似非常常见，所以一定要充分理解，详见下面第二个图）

7、三种数据交换方式比较总结

　　1、报文交换和分组交换都采用存储转发。

　　2、传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。

　　3、从信道利用率看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换时延更小。

8、数据报方式&虚电路方式

　　数据报方式为网络层提供无连接服务。

　　　　无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。因此可能会造成分组失序的情况，但是会有相应的解决办法，比如设置好分组编号，接收完毕后再进行排序。

　　虚电路方式为网络层提供面向连接服务。

　　　　面向连接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径（连接）传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。

9、几种传输单元名词辨析

　　在五层结构里面，数据传输单元如下图所示。

　　值得注意的是，从报文到报文段会按报文大小是否必要进行分割；报文段附加IP地址（包括源地址和目的地址）封装后成为IP数据报，或者先分割后（也是根据后面帧的最大长度限制MTU来决定是否分割）再附加IP信息封装成为分组；为IP数据报或分组加头加尾（头包括同步段、MAC地址段、协议控制段等，尾包括FCS等校验段）后成帧；帧到比特流的转换就比较无脑了。

10、数据报（因特网在使用）

　　特点一：无连接，来自同一个报文段的分组们可能走的并不是相同的路由，且会乱序到达目的地址，接收方会有一系列协议处理这些数据

　　特点二：每个分组携带源和目的地址

　　特点三：路由器根据分组的目的地址转发分组：基于路由协议/算法构建转发表；检索转发表；每个分组独立选路。