【计算机网络笔记】网络层服务模型——虚电路网络

系列文章目录

什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构
数据交换之电路交换
数据交换之报文交换和分组交换
分组交换 vs 电路交换
计算机网络性能（1）——速率、带宽、延迟
计算机网络性能（2）——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率
计算机网络体系结构概念
OSI参考模型基本概念
OSI参考模型中非端-端层（物理层、数据链路层、网络层）功能介绍
OSI参考模型中端-端层（传输层、会话层、表示层、应用层）功能介绍
TCP/IP参考模型基本概念，包括五层参考模型
网络应用的体系结构
网络应用进程通信
网络应用对传输服务的需求
Web应用之HTTP协议（涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式）
Cookie技术
Web缓存/代理服务器技术
传输层服务概述、传输层 vs. 网络层
传输层——多路复用和多路分用
传输层——UDP简介
传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议
传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议
传输层——TCP特点与段结构
传输层——TCP的可靠数据传输
TCP连接管理（图解三次握手和四次挥手）
传输层——拥塞控制原理与解决方法
TCP的拥塞控制机制
网络层服务与核心功能

---

---

网络层服务模型

网络层实际上是为发送端的端主机到接收端的端主机之间提供一个数据报传输的“通道”。那网络为传输层提供了怎样的服务模型(service model)?

不同的网络提供的服务模型是不同的。比如Internet网络提供的服务很简单，叫做“best effort”即尽力而为服务。也就是什么都不保障。所以在这个模型中，带宽、丢包率、有序性、时间都保障不了。同时也不提用拥塞控制的反馈。

概括地来说，有两类典型的服务：

• 无连接服务(connection-less service)：

  • 不事先为系列分组的传输确定传输路径
  • 每个分组独立确定传输路径
  • 不同分组可能传输路径不同。由网络设备根据当前的网络状态来选择路径。这就有可能导致发送的一组顺序的分组在到达的时候顺序就不一样了
  • 最具有代表性的称为数据报网络(datagram network )

• 连接服务(connection service):

  • 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径 (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。这样分组的传输顺序基本可以得到保障
  • 传输结束后拆除连接
  • 比较有代表性的一类网络叫做虚电路网络(virtual-circuit network )

数据报(datagram)网络与虚电路(virtual-circuit)网络是典型的两类分组交换网络。数据报网络提供网络层无连接服务，虚电路网络提供网络层连接服务。类似于传输层的无连接服务（UDP）和面向连接服务（TCP），但是网络层服务提供的是主机到主机的服务，最关键的实现由网络核心完成。

这篇文章主要介绍虚电路网络。

---

虚电路网络

虚电路（VC）

虚电路是从电路交换网络借用过来的一种思想。虚电路是一条从源主机到目的主机，建立起逻辑连接，类似于电路的路径。

虚电路与电路交换网络中的电路的区别在于：

• 是分组交换。在分组交换中，每个分组的传输利用链路的全部带宽。而电路在某些链路上使用多路复用技术，只占用这条链路的一部分资源。
• 源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能。

虚电路在通信过程中与电路交换网络有相似之处：呼叫建立(call setup)→数据传输 →拆除呼叫。（这里用的是呼叫，也是借用了电路交换网络中的术语）。在虚电路建立的时候，会为这条虚电路分配一个标识（VC ID，通常来说是一个编号），然后当希望沿着这条虚电路传输一系列分组的时候，那么就让这些分组携带虚电路标识(VC ID)，这样就能确定一个分组是在哪个虚电路上进行传输的。虚电路经过的每个网络设备 （如路由器），都需要维护这条虚电路的连接状态。

作为虚电路网络，它集成了电路交换和分组交换这两类网络的优点。它可以借助电路交换网络的特点，链路、网络设备资源(如带宽 、缓存等)可以面向虚电路（VC）进行预分配，来实现可预期的服务性能。

---

虚电路（VC）的具体实现

首先来看看每条虚电路从构成方面包括：

• 从源主机到目的主机的一条路径
• 虚电路号（VCID）， 沿路每段链路一个编号。一般来说，链路带宽越大，允许建立虚电路的数量就越大。虚电路号是局部化的，也就是说同一段虚电路在每一段链路上的编号可能是不一样的
• 因此虚电路沿路每个网络层设备（如路由器），利用虚电路转发表记录经过的每条虚电路

因此沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的 VCID，而不是目的地址。在这个过程中，需要注意的是，同一条VC ，在经过的每段链路上的VCID可能不同。路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号。

比如下面这张图中，这条红色的VC在每段链路上的VCID都不一样。在路由器所维护的转发表中，需要确定虚电路从哪个接口来，它来的时候的虚电路号是多少，它的输出接口是什么，输出的时候它的虚电路号应该替换为多少。通过这样的转发表就可以将不同链路上的VCID联系在一起。

虚电路信令协议(signaling protocols)

• 用于VC的建立、维护与拆除。在建立过程中也同样存在路径选择问题。所以在虚电路网络中同样需要路由协议或算法，只不过是在虚电路建立的时候一次性路由
• 在虚电路网络中广泛被采纳。如ATM、帧中继(frame-relay)网络等
• Internet网路不是虚电路网络，所以目前不采用