第8章 广域网及其体系结构

1、v8.1 广域网的构成及参考模型广域网的构成及参考模型 v8.2 广域网的路由广域网的路由 v8.3 广域网技术广域网技术 v8.4 接入网技术接入网技术 8.1.1 广域网构成 狭义的广域网由一些节点交换机以及连接这些交换机的链路组成。节点交换机执行将分组存储转发的功能。 广义的广域网一般由端系统（end system）和通信子网（communication subnet）构成。广域网拓扑结构的特点：是由点对点连接构成的是一种不规则的网状的结构。为了解决广域网中不同端系统之间的通信问题，除了解决点对点的通信外，还要解决一个重要的问题就是路由选择。 目前，许多广域网中都使用公共通信网络作为其通

2、信子网。常用的公共通信网络:电话交换网PSTN、分组交换数据网、帧中继网、数据网。它们主要包括2个部分:传输线路和交换节点。分组交换机是广域网的基本组件之一。分组交换机通过通信线路互相连接起来，就构成了广域网。而通过增加交换机可以扩展广域网，覆盖更多的地点和连接更多计算机。图中所示的分组交换机包括两种I/O连接： 高速的I/O接口 低速的I/O接口 由分组交换机构成的广域网 8.1.2 广域网参考模型通信子网工作在OSI模型的低三层：物理层、数据链路层和网络层。如图所示： 8.2.1 广域网的编址 每种广域网技术都精确定义了计算机在收发数据时使用的帧格式，并为连到广域网上的每台计算机分配了一个

3、物理地址。当发送帧到另外一台计算机时，发送者必须给出目的计算机的地址。 许多广域网使用层次地址方案（hierarchical addressing scheme），使得转发效率更高。层次地址把一个地址分成几部分。最简单的层次地址方案把一个地址分为两部分：第一部分表示包交换机，第二部分表示连到 该交换机上的计算机。图中是十进制地址形式。在实际应用中是用一个二进制数来表示地址的：二进制数的一些位表示地址的第一部分，其他位则表示第二部分。由于每个地址用一个二进制数来表示，用户和应用程序可将地址看成一个整数-他们不必知道这个地址是分层的。 8.2.2 广域网中的数据包转发 包交换机不必保存怎样到达所有

4、可能目的地的完整信息。相反，一个给定的交换机仅包含为使该包最终到达目的地所应发送的下一站（next hop）的信息。 交换机2的路由表8.3.1 ISDN技术 1. ISDN概述为用户提供大范围数字服务的最早努力之一就是电话公司提出的“综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）”。ISDN通过普通的本地环路向用户提供数字语音和数据传输服务，也就是说，ISDN使用与模拟信号电话系统相同类型的双绞 铜线。这里所谓的本地环路即指电话局的变通电话线。ISDN的特点：ISDN提供了不同的业务，这些业务是构建在OSI前三层的模型上的。它提供了高层次的

5、电信业务，以及一些附加业务。鉴于开放数据网络模型，电信业务属于 应用层的应用程序。而附加业务本质上提供的是呼叫控制的功能而不是进行通讯，并不是直接符合开放数据网络模型。 ISDN提供的主要功能：进行音频和数字化的语音传输，以及提供了64kbps的电路交换数字信道、分组交换虚拟电路和无连接业务。 电信业务包括电报、传真、可视图文、文字电视广播传输业务，并且使用特殊的编码和端对端的协议。附加业务中包括呼叫者的身份认证，呼叫转移，呼叫等待和电话呼叫。 2.ISDN的组成在ISDN中，用户和综合业务数字网之间的连线相当于一个数字比特管道。管道中的比特流可以来自数字电话机、数字传真机或其它终端，并且比特

6、流可以双向流动。这个管道机制实际上是数字电话机、数字传真机或其它终端产生的信号复用复用用户与ISDN之间的连线。ISDN的组成 用户端接设备用户端接设备 如果拥有较多的电话和终端，用户设施较多，则需要较大的接入带宽。 NT1不够用，需要一个ISDN的专用小交换局（PBX），称为第二类网络端接设备（NT2）。3. ISDN的两种接入速率 ISDN的用户接口定义为三种信道的组合：B、D和H信道。B信道是64kbps的数据信道，传输X.25的连接以及X.25业务（分组交换，虚拟电路）或者永久的数字点对点线路。D信道提供了16kbps或者 64kbps信道用于传输信号发射信息，以及低速率的包交换业务。

7、H信道提供了384kbps,1536kbps或者1920kbps信道，它的用途和B 信道相似，不同的是用于高速率的业务。 ISDN标准指定了基本速率接口（BRI）和主要速率接口（PRI）。基本访问速率是2B+D，包括两个完全的B信道和一个D信道。主要访问速率在欧洲是30B+D而在美国，日本，加拿大是23B+D。ISDN采用时分多路复用时分多路复用技术支持用户设备接入ISDN网络。对应于BRI接口，ISDN的帧结构如下： 在这个格式中，BRI=2B+D，其中B1是16位，B2是16位，D是4位。ISDN标准规定BRI帧的发送频率是每秒4000帧。则B的数据传输率为16*4000=64kbps，D

8、的数据传输率是4*4000=16kbps。则用户实际的数据传输率为64+64+16=144kbps此帧总的数据传输率为（12+32+4）*4000=192kbps ISDN BRI 帧格式 主要访问速率（PRI）在欧洲是30B+D而在美国，日本，加拿大是23B+D。根据BRI的计算方法，可以得出23B+D=23*64（B）+64（D）=1.536Mbps； 23个B信道和一个D信道指出了一个PRI所能包含的最大信道数。换句话说，一个PRI可以支持多达24个源和目标之间的全双工传输。每个传输都从它们的 源收集而来，复复用用到单个通道中（数字用户线路），发送到ISDN局中。 在欧洲，PRI包括了3

9、0个B信道和2个D信道道，总共的容量是2.048Mbps，是E-1线路的容量。 30B+2D=30*64+2*64=2.048Mbps对于更加专业的传输需要，PRI标准也支持其他的信道组合。这些信道组合都是相应的国际或行业标准所规范。ISDN的数据链路层：ISDN的D信道的数据链路层的是LAPD（链路访问规程D）；而B信道上的分组交换连接是LAPB（链路访问规程B）。对于B信道上的电路交换和永久连 接，用户可以选择数据链路协议，也可以选择CCITT定义的1.465/v.120协议。ISDN的网络层：ISDN的网络层除了呼叫控制，还进行路由，多路复用，以及拥塞控制等。 8.3.2 SONET/S

10、DH技术随着人们对带宽需要不断地增加，光纤由于具有高带宽而被人们所看好。在光纤的标准化过程中：美国的ANSI提出了自己的标准：SONET（Synchronour Optical Network，ANSI标准）。欧洲的ITU-T提出了自己的标准SDH（Synchronous Digital Hierarchy，ITU标准）。这两种技术几乎完全相同。 1. SONET（Synchronour Optical Network，ANSI标准）现在，SONET的数据传输速率已经可以高达2.488Gbps，并且承诺在将来可以达到13.271Gbps。SONET标准中最重要的特点是网络是所有的时钟都和公共的

11、主时钟保持一致。（为什么？）其简单的时分复用如下图所示： SONET的时分复用 SONET的复用通过字节交叉进行的。如图所示，如果每个N输入流有相同的速率，则复用流的速率是NR。 SONET字节交叉时分解复用 SONET的帧结构和复用方法简化了通信设备。这种Byte交叉的时分复用使得解复用也非常简单，如下图所示，每个通信流可以通过帧中的位置确定。在北美和日本，基本的SONET信号是STS-1（同步传输信号1）。它的位速率51.84Mbps，高速率的信号可以复用这个速率。在欧洲，基本的速率是STS-3或者155.52MBps，STS的层次结构叫做SDH或者同步数字结构，起始速率是155.52Mb

12、ps。 SONET帧结构的主要特征SONET定义的分层结构如图。这四层结构是路径，线路，段和光子层。SONET的分层结构 一些网络设备并不参与某些上层功能。比如，上图中复用器在线路层工作，而中继站在段层工作。光子放大器在光子层（直接放大光信号而不是象中继站一样先转化 为电信号）工作。从底层到上层，每一层都是在下层提供的业务上构建的。光子层提供某种速率上的光学信号的传输；段层为了位流传输提供了分段和编码；线路层提供了线路维护和保护以及STS-1信号的复用；路径层提供了从业务（DS-3帧，ATM信元，数字语音流）到STS-1 SPEs（同步载荷封装synchronous payload envel

13、ope）的映射。SONET路径层实现了承载业务，包括SPE格式端到端的比特流传输。 例如：两个路径层过程正在交换DS-3帧。（45Mbps DS-e信号属于目前的电话信号层次）DS-e帧加上POH的开销，映射成STS-qSPE(同步有效载荷包络)即用户数据。路径层将它交给线路层。线路层复用复用路径层不同的有效载荷（除了STS-1 SPE以外包括DS-3信号），再加上LOH（线路层的头部）。除了复用，线路头部还提供了其他的一些功能，比如交换保护。然后段头部在光子层进行传输前进行分段和编码。最后光子层将位流电信号转换成光信号。 810字节字节的STS-1帧组织成9行90列（从左传输到右侧，从上传到

14、下）的字节字节矩阵每个单元是字节字节而不是bit。一个帧的延迟是150us，相当于每秒8000帧的速率（这个速率正好符合所有数字电话系统中使用的脉冲编码调制PCM的采样率）。按照这个采样率，同步传输信号（STS-1）的速率 ：810字节/帧8000帧/秒=81088000=5184000bps，也就是51.8Mbps。每一帧的前三列保留某用于系统管理信息；其中前3行是段开销SOH（section overhead），它在每一段的开始和结束时被生成和检查的；接下来的6行是线路开销LOH（line overhead），它是在每条线路开始和结束时被生成和检查的。这样用户数据即SPE是9行*87列（8

15、7988000=50.112Mbps）。 SPE的第一列是路径开销POH（path overhead）。SONET的帧 SPE可以从帧内的任何一个地方开始。线路开销的第一行包含了一个指针，它指向SPE的第一个字节。SONET允许SPE可以从帧内任何一个地方开始，甚至可以跨越两个帧（即教材中所说的“浮动”）。这种能力使得系统非常灵活。例如：当源端正在构造SONET空帧的时候，又有一些用户数据或SPE来到了，那么它就可以将这些用户数据插入到当前帧中，而不用等到下一个帧开始。8.3.3 帧中继FR技术帧中继FR（Frame Relay）的ITU-T标准于1984年提议，以满足高容量、高带宽的WAN提

16、出的要求。起初，帧中继的最常见的实施速度为56Kbps和2Mbps，但目前在DS-3链路上帧中继的速度可高达45Mbps。帧中继在虚拟电路（在帧中继上，称为虚拟连接）上使用包交换技术，并且可以有交换型（SVC）和永久型（PVC）两种。 帧中继的体系结构：所有的帧中继通信都实现了LAPF核心协议，该协议处理的是基本的通信服务。LAPF核心协议执行的任务有帧的格式化和交换、对帧进行度量确保其长度在允 许的长度范围之内、检查传输中的差错和线路的拥塞状态。帧中继通信可以有选择地使用LAPF控制协议，在每个虚拟连接上进行流控制。LAPF控制协议是从 接收节点进行管理的。 帧中继只使用两个通信层：物理层和

17、帧模式承载服务链接访问协议（LAPF），分别对应于OSI模型中的物理层和数据链路层，如下图所示： 帧中继在一条电缆介质上使用了多个虚拟连接。每个虚拟连接在两个通信的节点之前提供一个数据路径。虚拟连接是逻辑连接而不是物理连接。永久性虚拟连接是在1984年作为最初的帧中继标准的一部分而提出来的。帧中继的永久性虚拟连接是两个结点之间的一条持续可用的通路。该通路被分配了一个 连接ID，在该通路上发送的每一个包都必须使用这个ID。一旦连接被定义之后，它将一直保持开通状态，所以通信可以在任何时间进行。信号的传输是在物理层 进行的，虚拟连接是LAPF层的一部分。在一条单一的电缆上，可以同时支持多个虚拟连接，

18、这些虚拟连接可以到达不同的目的地。交换式虚拟连接传输在1993年成为帧中继标准的一部分。这种虚拟连接需要一个建立传输会话的过程。一旦通信结束，呼叫控制信号将对每个结点发出一个命令，要求断开连接。交换式虚拟连接是为了让网络或者T载波提供商可以确定数据吞吐率而设计的。它可以根据应用的需求和当前的网络流量状况来进行调整。在一条点到点的电缆 上，可以支持多个交换式虚拟连接。在帧中继中，交换式虚拟连接是一种比永久性虚拟连接新的技术。 8.2.4 ATM异步传输模式（ATM）是在分组交换技术上发展起来的一种快速分组交换。它吸取了分组交换高效率和电路交换高速率的优点，并且和分组交换、帧中继一样都可 以实现对

19、网络资源的按需分配。我们将这种交换称为信元交换。ATM由国际电信联盟ITU在1991年正式确定为宽带ISDN（B-ISDN）的传送方式。值得说明，窄带ISDN（N-ISDN）采用的交换技术是同步传输模式（STM）。而B-ISDN采用的交换技术则是基于异步时分复用的信元交换。 随着通信网的发展，人们不断地提出更新的通信业务要求，如高清晰度电视（HDTV）、会议电视、可视电话、视频点播、远程教育、远程医疗、高速数据传输等。对这些多功能化的业务，现今的任何通信网（包括LAN、MAN、WAN、ISDN、CATV等）都是无法完成的，因为 这些网络都是面对特定的业务类型设计的。它们存在许多问题。 对于这些

20、问题，无论从用户的角度还是从网络经营者的角度，都希望建立一个单一的网络。这个网络既能传送低速信号，也能传送高速信号；既能适应语音信号所要求的时延特性，又能适应数据信号所要求的误码特性，进而也能适应图象和视频信号所要求的时延和误码两种特性。于是人们提出了宽带综合业务数字网（B-ISDN）。 1.ATM的基本特点如前所述，ATM被作为B-ISDN的传输方式。ATM采用类似分组交换中的信息封装方式，将信息分解、包装在一个个小的固定长度的信息分组中，从而具有灵活的分配带宽、高效的复用等特点。这些信息分组 称为信元（Cell）。同时ATM中采用了电路交换中面向连接的通信方式，保证了信息的顺序性，同时通过

21、一定的控制，力图保证各电路的通信业务质量，以满 足不同业务的需求。 在ATM中使用了虚电路概念，即每个信元中都含有虚电路标志，带有相同标志的信元属于同一个虚电路，这些信元将得到相同的处理并按先后顺序在ATM网络中传送。ATM最重要的特点是能适用于一般电路交换和分组交换都不能胜任的高速宽带信息业务。它可适应范围宽广的可变速率，终端产生的数据比特流可以是突发式的，也可以是连续的。 2. ATM的虚电路和虚路径ATM采用分组交换中的统计复用，以期达成较高的资源利用率和实现灵活的多速率和变速率的复用。在同一物理传输线路上的复用依靠信元中的不同的虚路径标识 符VPI（Virtual Path Ident

22、ifier）和虚电路标识符VCI（Virtual Channel Identifier）区分。虚路径和虚电路都是指一个单向的ATM信元传输信道。不过，一条虚路径中包含有多条虚电路，所有这些虚电路有相同的标识符（即VPI）。同样，在一条物理链路中，可以有许多虚路径。一条物理链路中的虚电路，由其VPI和VCI共同确定。物理链路、虚电路和虚路径的关系可以用下图表示。 ATM中物理链路、虚电路和虚路径的关系 不同VPI、VCI的信元属于不同的虚连接（Virtual Connect），有不同的逻辑路由和连接。在复用之后，各路由的信元之间没有固定的关系。这样，ATM中就把虚连接分为虚路径和虚电路两个层次，

23、其优点 在于：通过预定义虚路径，可以构造虚拟专用网VPN，保证在同一个VPN中的数据的保密性。 其次，使用虚路径还可以简化网络管理。 用户和用户之间、用户和网络之间、网络和网络之间都可以建立VC，也可以建立VP。应该指出，VCI和VPI只是本地编号，不具有全局的含义。因此，不同VP中的VC可以具有相同的VCI值，不同的物理链路上的VP也可以具有相同的 VPI值。虚路径和虚电路都是单向的，不过在建立连接时，可以同时建立起一对正向和反向的通道，形成一个双工信道。两个方向上的VPI和VCI值是不一样的，其带 宽也可以是不相同的。 3.ATM参考模型（体系结构）ATM有它自己的参考模型，既不同于OSI，也不同于TCP/IP模型。它包括三层：物理层、ATM层和ATM适配层。另外，用户还可以在顶上放置任何东西。物理层处理的物理介质问题，即电压、位时序和各种各样其他的问题。它被设计成与传输介质无关的。ATM层处理信元和信