计算机网络广域网

1、王晓庆since 2007 计算机网络 广域网 王晓庆since 2007 本章主要内容 n广域网的基本概念：包括WAN提供的虚电路 和数据报服务 n分组转发，详细介绍网络交换节点怎样知 道应通过哪条路径才能将数据转发到目的 主机 n查找转发表 n介绍三种常用的广域网：X.25网、帧中继、 采用ATM技术的广域网 王晓庆since 2007 交换技术是通信网络的核心 王晓庆since 2007 电话通信中 n实现交换任务的设备叫局 端局 王晓庆since 2007 分组交换网 n在分组交换网起交换作用的设备叫结点交换机 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 王晓庆

2、since 2007 节点交换机的构造及转发方法 n交换机有很多输入端口和输出端口的处 理机。 2, 1 2, 2 4 5 6 7 4 5 6 7 4 5 6 7 交 换 机 1 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 1, 3 3, 2 3, 3 每个交换机都有两组端口。 一组是和本地主机相连的低速端口， 另一组是和其他交换机相连的高速端口。 1 2 3 1 2 3 1 2 3 高速指出口速率 低速指出口速率 王晓庆since 2007 交换网 A B 2, 1 2, 2 4 5 6 7 4 5 6 7 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 每个主机地址中后面的数字是指该交

3、换机的低速端口 主机地址3, 2是指连接在交换机 3 的 2 号低速端口 交 换 机 1 1, 3 主机地址1, 3是指连接在交换机 1 的 3 号低速端口 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 转发表 王晓庆since 2007 结点交换机是如何转发分组的？ n查表 n转发表的内容应包含几个部分？ n目的地？一个分组将要发往的目的站 n下一跳？分组发往的下一跳？通常分组要通过多次 转发才能到达目的地 2, 1 2, 2 4 5 6 7 4 5 6 7 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 这里给出结点交换机 2 中的转发表作为例子 例如，一个欲发往主机3,

4、2的分组到达了交换机 2。 交 换 机 1 1, 3 交换机 2 的转发表 目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接 这时应查找交换机 2 的转发表，找目的站为3, 2的项目。 4 5 6 7 1 2 3 1 2 3 1 2 3 两个重要内容 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 目的站是3, 2吗？ 交 换 机 1 1, 3 交换机 2 的转发表 目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换

5、机3 2, 1 直接 2, 2 直接 查找转发表中的下一个项目。 否 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 目的站是3, 2吗？ 交 换 机 1 1, 3 交换机 2 的转发表 目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接 查找转发表中的下一个项目。 否 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机 2 交 换 机 3 1,

6、1 3, 2 3, 3 目的站是3, 2吗？ 交 换 机 1 1, 3 交换机 2 的转发表 目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接 根据转发表指出的下一跳把分组转发到交换机 3。 是 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 交 换 机 1 1, 3 分组转发到交换机 3 后就查找交换机 3 的转发表。 从转发表（此处省略了？）可知不必再转发分组了， 把该分组直接交付给主机3, 2即可。

7、 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 Note：转发表中没有源站地址这一项， 是因为路由选择中的下一跳只取决于 数据报中目的站地址，而与源地址无 关 王晓庆since 2007 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 发往目的站2, 1的分组到了交换机2后 交 换 机 1 1, 3 交换机 2 的转发表 目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接 查转发表后在5行找出，为“直接”。表明该分组已经到了 最后一站，目的主机就连接在

8、这个交换机上 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 请你设计交换机1 的转发表 王晓庆since 2007 转发表的简化问题 n对转发表作简化？ n从上面的分析可以看出，只要转发表中 目的站一栏中的交换机号相同，那么查 出的“下一跳”就是相同的 王晓庆since 2007 2. 按照目的站连接的交换机号 确定下一跳 n在转发分组时，可只根 据分组的主机地址中的 交换机号来查找转发表 n只有当分组到达与目的 主机相连的结点交换机 时，交换机才检查第二 部分地址（主机号）， 并通过合适的低速端口 将分组交给目的主机。 n顺便说，互联网中采用的就 是这种分层次转发分组的原 理 目的站

9、下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接 目的站下一跳 11 11 33 33 2直接 2直接 王晓庆since 2007 图的应用 n在研究分组网中的路由问题时，通常用图论的 方法 n可用图论中的“图(graph)”来表示整个分组网 王晓庆since 2007 用图表示广域网的例子 12 34 四结点交换机 1 结点：交换机边 2 43 交换机号连接交换 机的链路 根据此图，可以得出转发表 p用“结点”表示网上的结点交换机，用连接结点与结点的“边” 表示广域网中的链路 p连接在结点交换机上的主机与分组转发无关，因此

10、在图中可以不 画上 王晓庆since 2007 每一个结点的转发表 12 43 目的站 下一跳 1 直接 2 3 3 3 4 3 结点 1 的转发表 对结点 1 的转发表的第一个项目： 若到达结点 1 的分组的目的地址是结点 1 上的主机， 则下一跳就是直接交付而不必再转发其他结点。 转发表组成： 分组将要被发往的目的站 发往的下一跳 王晓庆since 2007 每一个结点的转发表 12 43 目的站 下一跳 1 3 2 直接 3 3 4 4 结点 2 的转发表 对结点 2 的转发表的第一个项目的解释： 若到达结点 2 的分组的目的地址是结点 1 上的主机， 则下一跳就应转发到结点 3。 王晓

11、庆since 2007 在路由表中使用默认路由 12 43 目的站 下一跳 1 直接 2 3 3 3 4 3 结点 1 的转发表 这三个项目的“下一跳” 都是转发到“3”（结点 3）。 可以合并 以结点 1 和结点 2 中的转发表为例来讨论，如何对路由表进行简化 王晓庆since 2007 在路由表中使用默认路由 12 43 目的站 下一跳 1 直接 默认 3 结点 1 的转发表 默认路由 王晓庆since 2007 在路由表中使用默认路由 12 43 目的站 下一跳 1 3 2 直接 3 3 4 4 结点 2 的转发表 这两个项目的“下一跳” 都是转发到“3”（结点 3）。 可以合并 王晓庆

12、since 2007 在路由表中使用默认路由 12 43 目的站 下一跳 2 直接 4 4 默认 3 结点 2 的转发表 默认路由 使用默认路由使转发表更加简洁，可减少查找转发表的时间。 王晓庆since 2007 X.25 网 nX.25 网 nX.25是最早以分组交换原理建立起来的计算机网 络 nX.25 所讨论的都是以面向连接的虚电路服务为 基础 n？ 王晓庆since 2007 分组交换网 n分组交换原理 n分组交换中的虚电路服务和数据包服务 n分组交换网中的核心设备：结点交换机 n结点交换机的原理 王晓庆since 2007 X.25 规定了 DTE-DCE 的接口 X.25 接口

13、X.25 接口 X.25 公用分组交换网 VC2 VC1 DTE DTE DCE DCE DCEDTE X.25 接口 注：DTE：数据终端设备；DCE：数据通信设备 虚电路 1个DTE和两个DTE进行通信的例子 王晓庆since 2007 X.25 的层次 LAPB 帧 X.25 分组 分组层（网络层） 数据链路层 用户数据 用户数据X.25首部 LAPB首部LAPB尾部 n用户数据在 X.25 的分组层,加上 X.25 的首部控制信息后， 就组装成为 X.25 分组 n在数据链路层使用的是 HDLC 的一个子集平衡型链路接 入规程 LAPB 王晓庆since 2007 X.25提供面向连接

14、的服务 n在分组层 DTE 与 DCE 之间可建立多条逻辑信道(04095 号) ， 使一个 DTE 同时和网上其他多个 DTE 建立虚电路并进行通信 nX.25 还规定了在经常需要进行通信的两个 DTE 之间可以建立永 久虚电路。 n这些虚电路号以及分组序号等控制信息都写在 X.25 分组的首部中 n永久虚电路？ 物理层 数据链路层 分组层 高层 物理层 数据链路层 分组层 X.21物理层接口 bit LAPB数据链路层接口 帧 多重信道接口接口 分组 至远程用户进程 王晓庆since 2007 X.25 网退出了历史舞台 n20多年前 n计算机昂贵，普通的人们只能用得起哑终端（无硬盘），网

15、络的通信 质量差。因此，这一背景决定了X.25将智能在网络中实现 nX.25在每两个结点之间的传输都使用带有编号和确认机制的HDLC 协议 n网络层使用流量控制的虚电路机制，可以向哑终端提供可靠交付 的服务 n到了 20 世纪 90 年代 n情况就发生了很大的变化。通信主干线路已大量使用光纤技术，数据 传输质量大大提高使得误码率降低好几个数量级，而 X.25 十分复杂 的数据链路层协议和分组层协议已成为多余的。 nPC 机的价格急剧下降使得无硬盘的哑终端退出了通信市场。 nX.25提供可靠交付服务，但分组处理的速度非常慢 王晓庆since 2007 帧中继 FR 帧中继的工作原理 n帧中继概述

16、 n在 80 年代后期，许多应用都迫切要求增加分组交换服务的速率，而 X.25并不适合高速传输 n帧中继 FR (Frame Relay)就是一种支持高速交换的网络体系结构 n帧中继在许多方面非常类似于 X.25，被称为第二代的 X.25 n今天的数字光纤网比早期的电话网具有低得多的误码率，如果减少结 点对每个分组的处理时间，则各分组通过网络的时延亦可减少，同时 结点对分组的处理能力也就增大了。 nX.25中的时延 n早期的传输设施容易受噪声的干扰而产生误码，为了保证可靠性传输， 每个结点上的都要做大量处理 n数据链路层，只有当收到的帧进行了正确性检查后，才将其交付上层 n分组层协议为确保在每

17、个逻辑信道上按序正确传输，也要额外增加开销 n每个结点大约30次左右的差错检查或者其它的处理步骤 王晓庆since 2007 帧中继减少结点处理时间 n帧中继的原理 n帧中继就是一种减少结点处理时间的技术 n原理很简单：当帧中继交换机收到一个帧的首部 时，只要一查出帧的目的地址就立即进行转发 n因此在帧中继网络中，一个帧的处理时间比 X.25 网约减少一个数量级。这样，帧中继网络的吞吐 量要比 X.25 网络的提高一个数量级以上 n出现差错怎么办呢？ n显然，只有当整个帧收下来后才能检测到Bit差错而当 检测到差错后，大部分的帧都已经传出去了 王晓庆since 2007 帧中继对差错的处理 n

18、解决这个问题的办法很简单 n当检测到有误码时，结点要立即中止这次传输。 n当中止传输的指示到达下个结点后，下个结点也立即中 止该帧的传输，并丢弃该帧。 n如果需要重传出错的帧，则由源站使用高层协议（而不 是帧中继协议）请求重传该帧。 n因此，使用帧中继网络的条件 n仅当帧中继网络本身的误码率非常低时，帧中继技术才 是可行的 王晓庆since 2007 帧中继的特点 n几个概念 n快速分组交换(fast packet switching) n像上面这样收到帧就转发此帧 n实现技术上的分类 n帧长是可变的，叫帧中继 n固定帧长：信元中继(Cell Relay) ，每一个帧叫做 一个信元 王晓庆si

19、nce 2007 帧中继的特点 n特点（和一般的分组交换网对比） n前者的数据链路层具有完全的差错控制，而帧中继中： 各结点没有网络层，其数据链路层也只有有限的差错 控制，完全的差错控制在两端的主机中 王晓庆since 2007 特点二 n特点（和一般的分组交换网对比） na:每一个结点在收到一个数据帧后，都要发送确认帧 而目的站还要向源站发回确认，而且要逐站确认 nb:中间站只转发数据帧而不发送确认帧，只在目的站 发送一次确认帧，省了很多确认过程 n帧中继的数据链路层也没有流量控制能力，由高出那 个来完成 X.25 王晓庆since 2007 帧中继的控制信令 n帧中继的呼叫控制信令是在与用

20、户数据分开 的另一个逻辑连接上传送的（即共路信令或 带外信令）。 n这点和 X.25 很不相同。X.25 使用带内信 令，即呼叫控制分组与用户数据分组都在同 一条虚电路上传送。 王晓庆since 2007 帧中继使用虚电路 n帧中继的逻辑连接的复用和交换都在第二层处理，而不是像 X.25 在第三层处理 n帧中继网络向上提供面向连接的虚电路服务。 n虚电路一般分为交换虚电路 SVC n永久虚电路 PVC 两种 n帧中继网络通常为相隔较远的一些局域网提供链路层的永久虚电路服务， 它的好处是在通信时可省去建立连接的过程 王晓庆since 2007 帧中继网 nX.25网络提供面向连接的可靠传输 n只

21、能保证分组延相同的链路号在网络上传输，能够保证数据 到达是按顺序的 n帧中继网 n快速分组交换 n取消了逐点之间的确认机制和差错检查 n帧长是变长的 n适用条件是？ n帧中继网解决了所有的问题？ 王晓庆since 2007 cba 3 2 1 3 2 1 3 2 1 cba 节点机3节点机4 终端A 终端C 节点机1 节点机2节点机5 终端B 终端D VC1 VC2 3 2 1 c b a 3 2 1 c b a 王晓庆since 2007 n由于电路交换和分组交换在实现高速宽带的 交换任务时，都有不足 n电路交换的实时性、Qos n分组交换的灵活性 n？技术，结合电路交换和分组交换的优点 n

22、既灵活又有Qos保证？ nATM 技术 异步传递方式 ATM ATM 的基本概念 王晓庆since 2007 技术特点 n电路交换 n面向连接 n固定带宽 n有Qos保证 n分组交换 n灵活 n资源利用率高 nQos没有保证 n新技术 n面向连接，？虚连接，只是面向连接还不能解决问题？因为 还有带宽的问题 n资源预留问题 王晓庆since 2007 nATM 是建立在电路交换和分组交换的基础 上的一种面向连接的快速分组交换技术。 nATM 采用定长分组作为传输和交换的单位。 这种定长分组叫做信元(cell) nA，是异步传输模式 n先看什么是同步？ 异步传递方式 ATM (Asynchrono

23、us Transfer Mode) 王晓庆since 2007 n同步：指网络中各链路上bit流都是受同一 个非常精确的主时钟的控制 n当用户的 ATM 信元需要传送时，就可插入到 SDH（SynchronosDigitalHierarchy ） 的 一个帧中。 nSDH 传送的同步比特流被划分为一个个固定时 间长度的帧 n每一个用户发送的 ATM 信元在每一时分复 用帧中的相对位置并不是固定不变的。 “异步”的含义 王晓庆since 2007 n如果用户有很多信元要发送，就可以接连不 断地发送出去。只要 SDH 的帧有空位置就 可以将这些信元插入进来。 nATM 名词中的“异步”是指将 AT

24、M 信元“异 步插入”到同步的 SDH 比特流中。 n还可以理解为：来自某用户信息的各个信元 不需要周期性出现（同步传输） “异步”的含义 王晓庆since 2007 ATM 网络中的网络元素 nATM中的网络元素 nATM 端点，又称为 ATM 端系统 nATM交换机 nATM 交换机是一个快速分组交换机（交换容量高达 数百 Gb/s），其主要构件是： n交换结构(switching fabric) n若干个高速输入端口和输出端口 n必要的缓存 王晓庆since 2007 ATM 的交换结构 ATM 交换机 a b c d e f g h 交换结构 输入信元输出信元 四个输入端口 四个输出端

25、口 在交换结构的作用下，从a进入到ATM的信元从g离开交换机 从c进入到ATM的信元从f离开交换机 王晓庆since 2007 ATM 的协议参考模型 和信元结构 pATM标准 pITU-T、ATM论坛（Forum）、IETF p ATM 的协议参考模型 ATM 的协议参考模型共有三层，大体上与 OSI的最低两层相当（但无 法严格对应）。 ATM 层 物理层 ATM 适配层 (AAL 层)3 2 1 ATM的层次 物理层 ATM 层 物理层 ATM 适配层 (AAL 层) SAR子层 CS子层 3 2 1 ATM 的层次 n负责在物理媒体上正确传输和接收比特 流。 (2) ATM 层 ATM

26、层 物理层 ATM 适配层 (AAL 层)3 2 1 ATM 的层次 n主要完成交换和复用功能，与传送 ATM 信元的物理媒体或物理层无关。 nATM提供面向连接的服务，这种服务是通 过两级标号来实现的 王晓庆since 2007 VCI 与 VPI （ VPI 包含 VCI） n第一级标号 n虚通路标识 VCI (Virtual Channel Identifier) n第二级标号 n虚通道标识符 VPI (Virtual Path Identifier) 传输链路 虚通道 VPx VPz VPy VCx VCx VCy VCz VCz VCy VCy VCx 虚通路 王晓庆since 20

27、07 VCI 与 VPI （ VPI 包含 VCI） n一个虚通路 VC 是在两个或两个以上的端点之 间的一个运送 ATM 信元的通信通路。 n一个虚通道 VP 包含有许多相同端点的虚通路 VC，而这许多 VC 都使用同一个 VPI。 传输链路虚通道 VPx VPz VPy VCx VCx VCy VCz VCz VCy VCy VCx 虚通路 王晓庆since 2007 n信元的复用与分用 n信元首部的产生与提取 n流量控制 ATM 层的功能 王晓庆since 2007 nATM传送和交换的信元是固定的53字节。当上层应用向下传递的数据不 一定是53字节。因此需要一个接口，它能够将IP数据包

28、装入一个个信 元。这个接口就是ATM适配层 nAAL (ATM Adaptation Layer)层的作用就是增强 ATM 层所 提供的服务，并向上面高层提供各种不同的服务。 (3) ATM 适配层 AAL ATM 层 物理层 ATM 适配层 (AAL 层) 3 2 1 ATM的层次 王晓庆since 2007 2. ATM 的信元结构 485 首 部有 效 载 荷 字节 ATM 信元 ATM 信元的首部 王晓庆since 2007 AAL 层将 48 字节长的数据块 交给 ATM 层，加上 5 字节的首部后 变成 53 字节的信元 话音信号 A/DAAL 层ATM 层 48 字节数据块 数字

29、化的采样信号 53 字节信元 数据信号 长度可变的突发数据分组 AAL 层 48 字节数据块 ATM 层 53 字节信元 视频信号 A/D 图像帧 压缩的编码信号 AAL 层 48 字节数据块 ATM 层 53 字节信元 不同信源 王晓庆since 2007 SAR-PDU AAL5 层 CS 子层 尾部165535 字节填充 长度CRC 检验保留 字节 2 2 4 SAR 子层 ATM 层 CS-PDU 用户数据（例如，IP 数据报） ATM 信元 53 字节 发送 ATM 信元 53 字节 ATM 信元 53 字节 ATM 信元 53 字节 48 字节48 字节48 字节48 字节 PT

30、000PT 000PT 000PT 001 表示是最后一个信元 AAL 将用户数据分割为 48 字节的数据块交给 ATM 层 王晓庆since 2007 ATM 的通信过程 n在 ATM 中使用的虚通路是一种逻辑连接。 n虚通路是 ATM 网络中的基本交换单元。 n两个端用户要进行通信，首先必须建立虚通 路连接，然后才能在这个端到端连接上以固 定信元长度和可变速率进行全双工的通信。 数据传送完毕后再释放连接。 ATM 网络 AB 交换机 X交换机 Y UNIUNI NNINNI CONNECT ACK CONNECT ACK RELEASE COMPLETE RELEASE COMPLETE

31、连 接 建 立 连 接 释 放 t SETUP SETUPSETUP CALL PROCEEDING CALL PROCEEDING CALL PROCEEDING CONNECT CONNECT CONNECT CONNECT ACK RELEASE RELEASE RELEASE RELEASE COMPLETE 数据传送阶段 王晓庆since 2007 SAR-PDU AAL5 层 CS 子层 尾部165535 字节填充 长度CRC 检验保留 字节 2 2 4 SAR 子层 ATM 层 CS-PDU 用户数据（例如，IP 数据报） ATM 信元 53 字节 发送 ATM 信元 53 字节

32、 ATM 信元 53 字节 ATM 信元 53 字节 48 字节48 字节48 字节48 字节 PT 000PT 000PT 000PT 001 表示是最后一个信元 AAL 将用户数据分割为 48 字节的数据块交给 ATM 层 王晓庆since 2007 n选择固定长度的短信元作为信息传输的单位，有利 于宽带高速交换。 n信元长度为 53 字节，其首部（可简称为信头）为 5 字 节。在传输实时话音或视频业务时，短信元有利于减小时 延，也节约结点交换机的存储空间 n能支持不同速率的各种业务： n所有信息在最低层是以面向连接的方式传送，保持了电路 交换在保证实时性和服务质量方面的优点 ATM 的主要优点如下： 王晓庆since 2007 nATM 使用光纤信道传输。 n由于光纤信道的误码率极低，且容量很大， 因此在ATM 网内，不必在数据链路层进行差 错控制和流量控制(放在高层处理) n结点的处理时延小，信元的传送速率高。 A