李军怀等新编电子工业出版社+计算网络实用教材课件networkch5

第5章广域网本章主要内容广域网是在广泛的地理范围内建立的跨地区计算机通信网。它通过专线或电信运营商提供的通信网络，将距离较远的局域网彼此连接起来，在网络通信协议和网络操作管理软件控制下，实现网络之间互相通信、资源共享和分布处理。本章首先介绍了广域网基本概念、数据通信技术，然后介绍了X.25、帧中继、ATM等广域网络技术。5.1广域网的基本概念广域网（WAN，WideAreaNetwork），是覆盖地理范围相对较广的数据通信网络。它常利用公共网络系统（如中国公用计算机互联网CHINANET）作为信息传输平台，用来将距离较远的局域网彼此连接起来，可以分布在一个城市、一个国家，甚至跨过许多国家分布到全球。广域网一般由资源子网和通信子网组成。资源子网一般指局域网，包括各用户机和终端机，及打印机、绘图仪、磁带机等外围设备组成。通信子网用于在各个局域网之间传递信息，在许多广域网中，一般由公共网络充当通信子网。图5-1广域网络示意图5.2数据通信技术数据通信网是为提供数据通信业务而组成的电信网。数据通信的目的就是要完成计算机之间、计算机与各种数据终端之间的信息传递。为了实现数据通信，必须进行数据传输，即将位于一地的数据源发出的数据信息通过数据通信网络送到另一地的数据接收设备。被传递的数据信息的类型是多种多样的，其典型的应用有文件传送、电子信箱、可视图文、文件检索、远程医疗诊断等。随着数据通信技术的发展和演变，其网络交换技术有电路方式、分组方式、帧方式和信元方式。5.2.1电路方式电路方式是从一点到另一点传递信息的最简单的方式。电路方式是基于电话网电路交换的原理，即当用户要求发送数据时，交换机就在主叫用户终端和被叫用户终端之间接续一条物理的数据传输通路，电路资源被预先分配给这一对用户固定使用，不管在这条电路上实际有无数据传输，电路一直被占用，直到双方通信完毕拆除连接为止。电话网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）和数字数据网（DDN）就是采用电路方式进行数据通信。图5-2电路交换网络优点：①信息传输时延小；②电路对用户是“透明”的；③信息传送的吞吐量大。缺点：①所占用的带宽是固定的，所以网络资源的利用率较低；②用户在租用数字专线传递数据信息时，要承受较高经济代价。电路交换一般适用于需要大流量、高质量、高可靠性的传输线路的情况。5.2.2分组方式分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。优点：①信道利用率大大提高；②经济性能好；③能与公用电话网、用户电报及低速数据网、其他专用网互连。缺点：①由于采用存储--转发方式工作，所以每个分组的传送延迟可达几百毫秒，而且在传送分组时需要交换机有一定的开销，故分组交换不适宜在实时性要求高、信息量大的场合使用；②还由于技术比较复杂、网络管理功能强等原因，大型分组交换网的投资较大。5.2.3帧方式帧方式（帧中继）是在开放系统互连（OSI）参考模型第二层，即数据链路层上使用简化的方式传送和交换数据的一种方式。由于在链路层的数据单元一般称作帧，故称为帧方式，其重要特点之一是简化网络中转发结点上的差错恢复、流量控制等机制，从而简化了结点的处理过程、缩短了处理时间，提高了数据传输的速度。帧方式是一种快速分组技术，它采用动态分配传输带宽和可变长的帧的技术，它适用于处理突发性信息和可变长度帧的信息，是局域网互连的常用方式。图5-3帧方式连接示意图5.2.4信元方式

信元方式（CellModel）是将信息以信元为单位进行传送的一种技术。信元主要由两部分构成，即信元头和信元净荷。信元头所包含的是地址和控制信息，信元净荷是用户数据。信元的长度是固定的。采用信元方式，网络不对信元的用户数据进行检查。但是信元头中的CRC比特将指示信元地址信息的完整性。信元方式也是一种快速分组技术，它将信息通过适配层切割成固定长度的信元。通常传递信元的网络被称为信元中继网络。信元方式适用于各种类型信息的传输，是提供综合业务的网络技术基础。图5-4信元方式连接示意图5.3X.25分组交换网5.3.1概述分组交换也称为包交换，是为适应计算机通信而发展起来的一种先进通信手段。X.25网各结点由交换机组成，交换机间用存储转发的方式交换分组。为了使用户设备与X.25网的连接标准化，国际电信联盟（CCITT）下属的远程通信标准委员会（ITU-T）于1974年提出了对于公共分组交换网的标准访问协议，即X.25建议（或称为规程），并在1984、1988、1992和1993年做了多次修改。它定义了用户设备和网络设备之间的接口标准。图5-5X.25网络模型在实际应用中，有很多不支持X.25规范的终端设备，为了能够通过分组交换网进行通信，就必须进行协议转换，将各种用户规范转换成的X.25接口规范。这个转换可以在用户终端设备中完成，也可以在分组交换网设备中完成，这种转换设备通常被称为“分组装配和拆卸设备（PAD）”，PAD可以是一个单独的设备，也可以将PAD功能继承到分组交换机上。5.3.2X.25协议分层X.25协议定义了最低三层协议：物理层、数据链路层和分组层协议。这三层协议功能恰好是通信子网的全部功能。

图5-6X.25协议的分层结构物理层定义了DTE和DCE之间的电气接口，以及二进制流传送的机械、电气功能和操作过程等特性，CCITT的X.21建议定义了DTE和DCE之间的数字同步传送方式。数据链路层采用LAPB（LinkAccessProcedureBalanced，平衡型链路访问）规范，LAPB非常类似于HDLC中的异步平衡模式（ABM），允许连接的两端中的任一端（DTE或DCE）发起初始化主叫另一端。LAPB仅适用于点对点连接的场合，它和HDLC有相同的帧格式。帧内所含的FCS校验字段采用冗余循环码进行检错，具有确认应答机制，保证帧序列的无差错传输。分组层定义了分组的格式和在分组层实体之间交换分组的过程，同时定义了如何进行流控、差错处理等规范。链路层和分组层都有窗口机制，保证了信息传输的正确性并有效的进行流量控制。5.3.3分组格式1．分组格式分组是DTE和DCE之间在分组级上传输信息的基本单位，分组在数据链路上传输时，由链路级协议装配成帧格式。

图5-7X.25协议分组格式2.分组交换方式X.25协议为用户设备提供了两种不同类型的虚电路：虚呼叫（VirtualCalls，VC）和永久型虚电路（PVC，PermanentVirtualCircuit）。虚呼叫是一种在DTE需要传送数据时即进行呼叫而建立的一种临时性的虚电路，它只有在DTE需要通信时才进行呼叫建立，在虚电路建立之后双方DTE才真正交换数据，在数据交换完毕后予以拆除。永久型虚电路（PVC）是通信双方事先商定向X.25服务者申请的一条固定的虚电路逻辑信道。它由X.25服务者在网管中心事先设定，双方用户DTE在通信时不需要再呼叫建立虚电路，随时可发送和接收数据。永久虚电路用于两端之间频繁的、流量稳定的数据传输，而突发性的数据传输多用虚呼叫。图5-8X.25虚电路的建立和清除5.3.4X.25的发展分组交换技术从20世纪70年代开始普及，到了80年代末期，世界上几乎所有的数据通信网都采用了这一技术、其根本原因是分组交换技术在降低通信成本、提高通信可靠性和灵活性等方面取得了巨大成功。但是，X.25协议制定时，由于技术条件的限制，终端和网络结点没有很强的智能、数据线路速率低，误码率高，因此X.25协议必须执行很繁重的任务处理。随着分组交换技术得到进一步发展，分组交换网的性能不断提高，功能不断完善，分组交换机的分组处理能力、交换机间的中继线速率不断提高，分组交换机时延不断缩短。这些都意味着现有的分组交换网的能力几乎达到了极限，这促使人们研究新的分组交换技术，随着低误码率的光纤网和高智能终端的出现，帧中继、ATM等快速分组交换技术便应运而生，为用户提供高速的传输能力。5.4帧中继5.4.1概述帧中继是八十年代初发展起来的一种数据通信技术，其英文名为FrameRelay，简称FR。它是从X.25分组通信技术演变而来的。由于传输技术的发展，数据传输误码率大大降低。帧中继将X.25分组网中分组交换机之间的差错恢复、防止拥塞的处理过程进行了简化，将分组通信的三层协议简化为两层，并以链路层的帧为基础实现多条逻辑链路的统计复用和转换，所以称为“帧中继”。由于省略了分组层，避免了分组层的报文分组和重组的消耗，而且帧长度是可变的，允许最大帧是在1000字节以上，没有分组层的固定组长度的限制，从而保证了网络的吞吐量。帧中继的原理很简单：当帧中继交换机收到一个帧的头部时，只要一查出帧的目的地址就立即开始转发该帧。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，向用户提供的发送速率可由低速到高速（64kbps-2.048Mbps，可望达到E3），而且帧长度可变，非常适合大容量突发型数据业务，是远程局域网间互连的一种理想选择。帧中继网络的特点①帧中继技术主要用于传递数据业务，它使用一组规程将数据信息以帧的形式（简称为帧中继协议）有效地进行传送。它是广域网通信的一种方式。②帧中继所使用的连接是逻辑连接，而不是物理连接，在一个物理连接上可复用多个逻辑连接（即建立多条逻辑信道），可实现带宽的复用和动态分配。③帧中继协议是对X.25协议的简化，因此处理效率很高，网络吞吐量高，通信时延小，帧中继用户的接入速率范围为64Kbps～2.048Mbps，甚至可达到34Mbps。④帧中继的帧信息长度远比X.25分组长度要长，最大帧长度可达1600字节，适合于封装局域网的数据单元，适合传送突发业务（如压缩视频业务、WWW业务等）。5.4.2帧中继协议分层帧中继是一种高性能的广域网协议，运行在OSI参考模型的物理层和数据链路层。帧中继仅完成OSI物理层和链路层核心的功能，将流量控制、纠错等留给智能终端完成，大大简化了结点机之间的协议；同时帧中继采用虚电路技术，能充分利用网络资源。帧中继具有吞吐量高、时延低、适合突发性业务等特点。采用现代的物理层设备，如光纤和数字传输线路，帧中继可以提供高速的广域网连接。因为工作在数据链路层，帧中继封装OSI协议栈中的上层信息。图5-9帧中继（FrameRelay）协议与X.25协议对比1．帧格式帧中继的帧格式如图5-10所示，与HDLC帧格式类似，其最主要的区别是没有控制字段。图5-10帧中继的帧格式帧格式中各字段的意义如下：（1）标志F，是一个01111110的比特序列，用于指示一个帧的起始与结束。通过比特填充法来确保透明性。（2）地址A，一般为2个字节，但可以扩展为3或4个字节。地址字段中几个重要的参数包括：数据链路连接标识符DLCI，DLCI字段的长度一般为10bit（采用默认值2字节地址字段），但也可扩展为16bit（用3字节地址字段），或32bit（用4字节地址字段），这取决于扩展地址字段的值。DLCI的值用于标识永久虚电路（PVC）、呼叫控制或管理信息。前向显式拥塞通知FECN（ForwardExplicitCongestionNotification），若某个结点将FECN置为1，表明与该帧在同方向传输的帧可能受网络拥塞的影响而产生延迟。反向显式拥塞通知FECN（BackwardExplicitCongestionNotification），若某个结点将BECN置为1即指示接收者，与该帧反方向传输的帧可能受网络拥塞的影响产生延迟。可丢弃指示DE（DiscardEligibility），在网络发生拥塞时，为了维持网络的服务水平就必须丢弃一些帧。显然，网络应当先丢弃一些相对比较不重要的帧。帧的重要性体现在DE比特。DE比特为1的帧表明这是较为不重要的低优先级帧，在必要时可丢弃。而DE=0的帧为高优先级帧，希望网络尽可能不要丢弃这类帧。用户采用DE比特就可以比通常允许的情况多发送一些帧，并将这些帧的DE比特置1（表明这是较为次要的帧）。C/R，命令/响应位，保留给上层使用，帧中继自身不使用。EA，地址扩展标志，地址字段久的长度由EA指示，当EA＝1时说明该字节是地址字段中的最后一个字节。地址字段一般为2个字节，必要时可扩展到4个字节。两个字节的地址字段可容纳10比特的DLCI，即可标识1024个虚电路号。（3）信息字段I，可变长度，一般为1600字节到2048字节。I字段用来装载用户数据，包括接入设备使用的各种协议类型。I字段中的协议信息对帧中继网络而言是完全透明的，即网络对它们不做任何处理。（4）FCS，帧校验序列。2．寻址方式帧中继采用虚电路方式来传送数据，每个帧沿着各自的虚电路在网络中传送。帧中继利用数据链路标识符（DLCI）来标识每个帧的通信地址。帧中继的虚电路有永久型虚电路（PVC）和交换型虚电路（SVC）。帧中继用数据链路连接标识符（DLCI）来标识单个物理通道中多路复用的物理连接，即指向所用的虚电路。用户采用PVC接入帧中继网时，电信部门根据用户需要，事先为两端用户分配一对DICI，设置一条固定双向信道，不需要进行呼叫建立，如同专用点对点电路一样。采用SVC时，主叫DTE首先发起呼叫，由帧中继交换设备按连接请求呼叫被叫DTE，一旦叫通后，便建立一条临时性的虚电路，即动态为双方分配一对DLCI，并一直保持到通信结束。

3．拥塞控制帧中继的拥塞控制是由网络和用户共同负责来实现的。为降低网络开销，帧中继采用简单的拥塞通知机制而不是虚电路流量控制机制。帧中继在高可靠性介质上实现，因此可以把流量控制工作留给两端用户设备的高层协议去做。帧中继采用以下两种拥塞控制方法：丢弃策略拥塞避免承诺的信息速率CIR

为了进行拥塞控制，帧中继采用了一个叫做承诺的信息速率CIR（CommittedInformationRate），其单位为bps。CIR是对特定的帧中继连接中，用户和网络共同协商确定的用户信息传送速率的门限数值。只要端用户在一段时间内的数据传输速率超过CIR，在网络出现拥塞时，帧中继网络就可能会丢弃用户所发送的某些帧。每个帧中继结点都应使通过该结点的所有连接的CIR的总和不超过该结点的容量，即不能超过该结点的接入速率（accessrate）。CIR是用来限制用户在某一段测量时间间隔Tc内所发送数据的平均数据率。当网络必须把一些帧丢弃时，网络将首先丢弃数据发送速率超过其约定CIR的帧。如果帧的速率总是小于CIR，那么所有的帧都被打上高优先级的标志（DE比特置0）。若数据率仅在不太长的时间间隔大于CIR，则网络可以将这样的帧置为DE=1，并在可能的情况下进行传送（即不一定丢弃，视网络的拥塞程度而定）。若数据率超过CIR的时间较长，以致注入到网络的数据量超过了网络所设定的最高门限值，则应立即丢弃该连接上传送的帧。指示拥塞的位FECN和BECN帧中继还可利用显式的方法进行拥塞避免。在帧中继帧头中有两个指示拥塞的位FECN和BECN。在FECN机制中，当一个DTE设备向网上发送一个帧中继帧时，PECN控制位被初始化。如果网络发生拥塞，DCE设备（交换机）就把帧的FECN位置为1，当帧到达目的DTE设备时，带有FECN控制位的地址域指示该帧在从源地址向目的地址发送的路径上遇到了拥塞，目的DTE设备向其高层协议提交这一信息，以做进一步处理。在BECN机制中，当FECN被置为1的信息帧返回时，DCE将其BECN控制位置1，以通知对方DTE设备网络上某一特定路径发生拥塞。同样，目的DTE设备向其高层协议提交这一信息，以做进一步处理。5.4.3帧中继网络的组成与应用帧中继网是由三要素组成的：帧中继接人设备、帧中继交换设备和公用帧中继业务。（1）帧中继接入设备（FrameRelayAccessDevice，FRAD）：是用户住宅设备（CustomerPremiseEquipment，CPE），包括主机、桥接器／路由器、分组交换帆、特殊的帧中继“PAD”。（2）帧中继交换设备；有T1/El（1.544/2.048MbPs）一次群复用器、分组交换机、专用帧中继交换设备等，为用户提供标准帧中继接口。（3）公用帧中继业务：通过公用帧中继网络提供业务。帧中继接入设备和专用帧中继设备可通过标准帧中继接口与公用帧中继网相连。图5-11帧中继网络5.4.4帧中继的应用帧中继应用业务十分广泛，下面举两个例子。1．局域网互连：利用帧中继网络进行局域网互连，这是帧中继业务中最典型的一种业务，在已建成的帧中继网络中，进行局城网互连的用户数量占90%以上，因为帧中继很适合为局域网用户传送大量的突发性数据。2．虚拟专用网：帧中继网络可以将网络中的若干个结点划分为一个分区，并设置相对独立的管理机构，对分区内的数据流量及各种资源进行管理。分区内各个结点共享分区内的网络资源，分区之间相对独立，这种分区结构就是虚拟专用网。采用虚拟专用网比建立一个实际的专用网要经济合算，尤其适合于大企业用户。5.5ATMATM（AsynchronousTransferMode），即异步传输模式，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。它采用固定长度的53字节作为协议数据单元，在ATM中这种定长分组叫做信元（cell）。ATM中，数据传输速率可达155Mbps或622Mbps，误码率在10-7以下。ATM的主要优点①选择固定长度的短信元作为信息传输的单位，只用硬件电路就可以处理，缩短了信元处理时间，有利于综合业务传输和高速交换。②所有信息在最低层是以面向连接的方式传送的，保持了电路交换在保证实时性和服务质量方面的优点。③ATM支持语音、数据、图像等综合业务。④ATM使用光纤信道传输。5.5.1ATM基本概念1．信元交换在ATM网中，ATM主机在传输数据前，首先将数据组织成若干个信元，每个信元长度为53字节。通信子网中的ATM交换机的数据交换单元是信元。由于信元长度与格式固定，因此可以减少交换机的处理负荷，这就为交换机的高速交换创造了有利条件。2．虚通路与虚通道ATM网的虚拟连接分为两级：虚通道（VirtualPath，VP）连接与虚通路（VirtualChannel，VC）连接，分别用虚通道标识符VPI（VirtualPathIdentifier）和虚通路标识VCI（VirtualChannelIdentifier）来识别。

图5-12虚通道与虚通路之间的关系5.5.2ATM参考模型ATM协议栈包括3层：ATM物理层、ATM层和ATM适配层（AAL）ATM物理层（ATMphysicallayer）处理物理介质上的电压、比特定时和成帧。ATM层（ATMlayer）是ATM标准的核心。它定义ATM信元的结构。ATM适配层（ATMadaptationlayer，AAL）大致近似Internet协议栈的传输层。ATM包括几个不同类型的AAL（如ALL1，AAL2，AAL3，AAL4，AAL5）来支持不同类型的服务。图5-13ATM协议参考模型目前，ATM通常被用作Internet局部区域的链路层协议。已经开发出了AAL5这种专用的AAL类型来实现ATM与TCP/IP的接口。从IP到ATM接口上，AAL5准备好ATM传输的IP数据报；在ATM到IP的接口上，AAL5将ATM信元重新组装到IP数据块中。特别是，Internet网络层将ATM视为一个链路层协议。1．ATM物理层物理层有两个子层：物理介质相关（PhysicalMediumDependent，PMD）子层和传输汇聚（TransmissionConvergence，TC）子层。PMD子层，它负责在物理介质上正确的接收比特流。它完成只和介质相关的功能，如线路编码和解码、比特定时以及光电转换等。对不同的传输介质PMD子层是不同的。可供使用的传输介质有：铜线（UTP或STP）、同轴电缆、光纤（单模或多模）或无线信道等。TC子层，它实现信元流和比特流的转换，包括速率适配（空闲信元的插入）、信元定界与同步、传输帧的产生与恢复等。2．ATM层当IP在ATM之上运行时，ATM信元充当链路层帧。ATM层定义了ATM信元结构和该结构中各字段的意义。该信元的前5个字节构成A