第五单元网络互联与广域网技术

第五单元网络互联与广域网技术

•本次课的任务

＞认识广域网

＞了解广域网的组建

＞了解接入网技术与应用

•相关支撑知识

＞广域网的概念

＞路由器的功能

＞路由选择

＞拥塞控制的基本思想

5.1网络互联与广域网

•广域网的基本概念

＞广域网英文为WideAreaNetworks,缩写WAN。

＞计算机广域网是地理分布范围在几十千米至几千

千米，可以连接不同城市、不同国家、遍布全球

的计算机通信网络。

L广域网的构成

•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。节点之

间都是点到点连接，但为了提高网络的可靠性，

通常一个交换机往往与多个节点交换机相连。

•节点交换机是公用通信网网络的核心部件，能将

某一端口来的信号转发到相应的输出端口上。

通信链路、节点交换机组成的广域网与局域网互连

结点交换机路由器

2.广域网所提供的服务

•所提供的服务可以有两大类：

(D无连接的网络服务一数据报服务；

(2)面向连接的网络服务一虚电路服务。

•数据报服务(Datagram)：特点是：主机只要想发送数

据就随时可发送，每个分组独立地选择路由。

•虚电路服务(Virtualcircuit)：通信前主机要先发

起一个虚呼叫(VirtualCall),即发送一个特定格

式的呼叫分组到目的主机，要求进行通信，同时寻找

一条合适的路由。

图5-2数据报传送与虚电路传送

5.1.2网络互连的基本概念

•网络互连的定义：互连网络是指将分布在不同地

理位置的网络、设备连接起来，以构成更大规模

的网络，最大程度地实现网络资源的共享。

•网里互连的目的：实现更大范围的资源共享与信

息父流。

网络互连的类型

•局域网-一局域网互连

＞同构网互连：具有相同协议的局域网互连；

＞异构网互连：不同协议的局域网互连。

•局域网-一广域网互连

＞将局域网接入Internet有很多种方法，如采用ISDN（或普通电话拨

号）+代理服务器软件Wingate或网关服务器软件Sygate、DDN专服及

ADSL等。

•局域网-一广域网-一局域网互连

•广域网-一广域网互连

＞如帧中继与X.25网、DDN均为广域网，它们之间的互连属于广域网

的互连。

网络互连的层次

•从ISO/OSI的分层观点来

划分：应用层二应用层

＞物理层：中继器位信号表示层表示层

会话层会话层

＞数据链路层：网桥帧传输层传输层

网络层网络层

＞网络层：路由器分组数据链路层数据链路层

（包）物理层物理层

＞高层：网关高层接口

网络互连设备的工作原理

・中继器：延伸、区分网段

•网桥：网络互连、协议转换

・交换机：比路由器低一层次的协议转换

•路由器：更高层的协议转换、转发

・网关：比路由器更高层次的协议转换

5.2用路由器互连网络

•路由器是网络连接时必不可少的互连设备，它工作在osi

模型的网络层，其主要功能是根据数据分组的目的地址

进行转发和拥塞控制，减少数据传输的盲目性和平衡网

络流量，改善网络性能。

•路由器：实现路由选择功能的通信设备。

•路由器的功能：

＞数据转发和拥塞控制

»减少数据传输的盲目性和平衡网络流量

＞改善网络性能

2・静态路由和动态路由________

•路由器的路由可以分为静态路由和动态路由两

类。静态路由是通过人工设定的，而动态路由

是路由器自己学习得到的。选择路由有路由表,

静态(static)路由表为事先设置固定不变的路

径表；动态(dynamic)路由表是根据网络拓扑、

负载的改变等情况自动调整的路径表。

(1)静态路由

•静态路由是由人工建立和管理的

•静态路由不会自动发生变化

•静态路由必须手工更新以反映互联网拓扑结构或连接方式变

化

1.优势

＞安全可靠、简单直观，避免了动态路由选择的开销

2.适用环境

＞不太复杂的互联网结构

3.劣势

＞不适用于复杂的互联网结构，建立和维护工作量大，容易出

现路由环

＞互联网出现故障，静态路由不会自动做出更改

⑵动态路由

1.动态路由可以通过自身学习，自动修改和刷新路由表

2.动态路由要求路由器之间不断地交换路由信息

3.优势：更多的自主性和灵活性

4.适用环境：拓扑结构复杂、网络规模庞大的互联网

＞自动排除错误路径

＞自动选择性能更优的路径

5.动态路由的劣势

交换路由信息需要占用网络的带宽

路由表的动态修改和刷新需要占用路由器的内存和CPU处理时间，消耗路

由器的资源

为了使用动态路由，互连网络中的路由器必须运行相同的路由选择

协议，执行相同的路由选择算法。目前，应用最广泛的路由选择协

议有两种，一种叫做路由信息协议（RIP,routinginformation

protocol），另一种叫做开放式最短路径优先协议（OSPF,open

shortestpathfirst）。RIP利用向量-距离算法，而OSPF则使用链

路-状态算法。

度量值

•跳数(HopCount)

＞数据包抵达目的地所必须经过的路由器之间的链路数

•滴嗒(Tick)

＞在链路上用IBMPC时钟计算的延时(大约为55ms)

•开销(Cost)

＞是一个基于带宽费用或其它因素计算出来的值，通常由

网络管理员指定

•带宽(Bandwidth)

＞是网络信号可使用的最高频率与最低频率之差。

度量值

•延时（Delay）

•负载（Loading）

＞网络资源（如路由器、链路等）的繁忙程度

•可靠性（ReIiabiIity）

＞指每一个网络链接的可靠性

•最大传输单元（MTU）

＞特定接口可以处理的最大分组大小

5.2.2路由选择机制

1.路由表的构成

•路由即路径选择，涉及为源到目标的分组选择一条

最佳的传输路径。一一何去何从

•广域网在给接入到网络的每一台计算机进行编址时,

采用“层次结构的编址方案”。

•最简单的层次编址方案就是把一个地址分成前后两

部分。前一部分表示分组交换机，后一部分表示端

口号。结点交换机的一个重要作用就是提供一个路

由表，供转发分组时使用。路由表中没有源站地址。

图5.3广域网地址与交换机中路由表

nnnn

1.路由表的构成

•图5.3中交换机SW2的路由表还可目的站下——站

以简化，只要知道目的站所连的

结点交换机，就可将数据报转发

到相应交换机上，而不管计算机

1SW1

的编号，这样，交换机SW2的路由

表可以简化为：

2SW2（本交换机）

3SW3

1.路由表的构成

•在专门研究广域网的路由问题时，可用图论中的“图”来表示整个

广域网。用结点表示广域网上的结点交换机，用结点之间的连线表

示广域网中的链路。在路由表中默认路由的目的站记为符号。

图5-4（a）所表示的广域网用结点图形简化后对应图中（b）所示。

(a)(b)

图5-4用图表示的广域网⑸结点交换机与通信链路、（b）简化图表示

1.路由表的构成

•根据图5-4中（b）所示的简化图，可以容易地写出各个结点的路

由表如下：

•“一”表示本站

结点1路由表结点2路由表结点3路由表结点4路由表

目的站下一站目的站下——站目的站下一站目的站下——站

1—131113

232—2222

33333—33

4344444—

表5-2各个结点的路由表

1.路由表的构成

•表5-2中的路由表还可以简化，某一结点路由表中，有两个及以上的目的站经

过相同的下一站时，就可以简化记录，用“火”表示到达同一“下一站”的所有目

的站。如表5-2中结点1的路由表，到达目的站2、3、4的数据分组都要经过结点3转

发，所以，结点3就是结点1路由表中的“默认路由”，当目的地址在表中找不到时,

就转发到默认路由上去。同理可理解结点2、结点3、结点4各自路由表中的“默认

路由”。见表5-3内容所示。“火”为默认路由

结点1路由表结点2路由表结点3路由表结点4路由表

目的站下一站目的站下——站目的站下——站目的站下——站

1—2—1113

*344224—

*33—*3

44

表5-3各个结点路由表的简化

理想的路由算法

理想的路由算法应具备的条件：

•算法必须是正确的和完整的。

•算法在计算上应简单稳定。

•算法应能适应通信量和网络拓扑的变化。

•算法应使传输费用最小。

•算法应是最佳的。

路由算法的分类______________

•从路由算法能否随网络的通信量或拓扑自适应的

进行调整变化来划分，分为：静态路由算法（非

自适应路由选择策略）和动态路由算法（自适应

路由选择策略）。

2・静态路由选择方法

•静态路由选择方法的特点是简单和开销小，但不

能及时适应网络状态的变化。

•静态路由选择主要算法：

＞固定路由算法

＞分散通信量法

＞散射法（洪泛法）

＞随机走动法

2.静态路由选择方法

•固定路由法的关键是计算出给定网络中任意两个结点之间的最短通

路。它在每一个结点上保持一张路由表，表上标明对每一人目的地

址应走哪条链路进行转发。这些表在整个系统进行配置时生成，并

且在一段时间保持固定不变。

•分散通信量法是事先在每个结点的内存中设置一个路由表，但此路

由表中给出几人可供采用的输出链路，并且对每条链路赋予一个概

率。当一个分组到达该结点时，此结点即产生一个从0.00到0.99的

随机数，然后按此随机数的大小，查表找出相应的输出链路。它比

固定路由法更能平衡网内的通信量，从而减小平均分组时延。

•散射法（洪泛法）是当某个结点收到一个不是发给它的分组时，就

向所有与此结点相连的链路转发出去。这种方法很少采用，但它具

有较好的稳健性。

•随机走动法的特点是分组到达某个结点时随机选择一条链路为转发

的路由。在网络运行中可自动绕开故障。

3.动态路由选择策略

・动态路由选择策略的特点是能较好的适应网络的

变化，但实现相对比较复杂。

・动态路由选择主要算法：

＞分布式路由选择策略

＞集中式路由选择策略

＞混合式路由选择策略

3.动态路由选择策略

•分布式路由选择策略是每个结点周期性地从相邻的结点

获得网络状态信息，调整本结点的路由表，同时也将本

结点的路由状态周期性地通知周围各结点，以使这些结

点不断地根据网络新的状态更新其路由选择决定。

•集中式路由选择策略是由网控中心NNC负责全网状态信息

的收集、路由计算以及路由选择。它的优点是各个结点

不需要进行路由选择计算，较容易得到更精确的路由最

优化，但它开销较大且可靠性差。

•混合式路由选择策略是综合多种路由选择策略，它是一

种较为实用的路由选择策略。

4,拥塞控制

•当通信子网中的某一部分有太多的数据分组时，会导致

网络性能的下降。这种现象称为网络中的拥塞。

•拥塞含弓」起网络分组的丢失，在严重的情况下，会导致

网络运行的瘫痪。

•产生拥塞的原因是多样的：

＞线路的带宽太小

＞网络上的流量不平衡

＞通信子网中的设备如路由器的CPU性能不够

4.2.4拥塞控制

(D解决拥塞的思路

•拥塞控制用于确保通信子网能运送所有待传送的数据，是一个全局

性的问题。

——涉及所有主机、路由器，并与路由器的存储转发能力和其他影响

通信子网负荷的因素有关。

•流量控制只涉及发送者和接收者之间的点到点通信流量。其任务是

确保一个快速的发送者不要以高于接收者所能承受的速率发送数据。

•(2)拥塞与死锁

•死锁：拥塞的极端、导致网络失效的现象。

•死锁分类：

•直接死锁：通信双方相互占用对方所需要的资源，导致死锁。

•重装死锁：由中间路由器缓冲拥塞而引起的死锁。

(3)拥塞控制的一般原理

•解决方案分为两类:一类是开环，一类是闭环。

•开环控制工具的功能包括决定何时接受新的通信，何时

丢弃分组，以及丢弃哪些分组，还包括在网络的不同点

作计划表。所有这些的共同之处在于，它们在做出决定

时并不考虑当前网络的状况。

•与之相比较，闭环的解决方案是建立在反馈环路的概念

之上的。当用于拥塞控制时，这种方法有3个部分：

＞监视系统，检测何时何地发生了拥塞。

＞将此信息传送到可能采取行动的地方。

＞调整系统操作以更正问题。

5.4接入网技术与应用_________

5.5.1接入网技术的发展

1.接入网的概念

•解决最终用户接入地区性网络的技术就是接入网

技术。

2.接入网技术的发展

•目前，可以作为用户接入网的主要有三类：电信

通信网、计算机网络与广播电视网。

3.主要的接入方式

•从技术角度看，接入网的接入方式主要分为5类

A地面有线通信系统（铜缆用户网、光缆用户网）

＞无线通信、移动通信网

＞卫星通信网（同步卫星与低轨道卫星）

＞有线电视网

＞地面广播电视网

5.5.2接入Internet方式

•接入互连网络的具体方式有多种，例如普通拨

号、ADSL、ISDN、有线电视、DDN、帧中继和

ATM等。

1.PSTN与Modem接入

•公众电话网络(PSTN)是目前普及程度最高、成本最低的公用通讯网

络，它在网络互连中也有广泛的应用。尽管现在已经有许多速度更

快、性能更好的接入技术，如后面将要介绍的ISDN、ASDI^DCable

Modem等，但使用Modem接入仍然是接入Internet的一种选择。如图

所示为Modem接入方式。

2.ISDN的接入方式

综合业务数字网ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork)将多

种业务集成在一个网内，为用户提供经济有效的数字化综合服务，

包括电话、传真、可视图文及数据通信等。ISDN使用单一入网接口,

利用此接口可实现多个终端(ISDN电话、终端等)同时进行数字通信

连接。

ISDN的优越性

>①综合的通信业务普通电话

>②高速度的数据传输

③高质量的数据传输

④标准化的用户接口

⑤使用灵活方便G4传真机

3.xDSL技术

•DSL是数字用户环路(DigitalSubscriberLine)的简称,

是以铜质电话双绞线为传输介质的点对点传输技术。

DSL利用软件和电子技术结合，使用在电话系统中没有

被利用的高频信号传输数据以弥补铜线传输的一些缺陷。

•⑴xDSL的特点

>①xDSL支持工业标准

>②xDSL是一种Modem

>③对称与非对称之分

图5-13ADSL的典型连接结构

PSTN

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ADSL

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RoutorSi

ADSLHWHI

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4.CableModem接入

•CableModem是电缆调制解调器的英文名，简称CM。

CableModem是允许高速的数据经由有线电视网络接入

Internet的一种设置。前面讨论的Modem是通过电话线

上Internet,而电缆调制解调器是在有线电视网络上用

来上Internet的设备，它是串接在用户家的有线电视电

缆插座和上网设备之间的，而通过有线电视网络与之相

连的另一端是在有线电视台（称为头端：Head-End）o

CabIeModem理论上可以达到3Mbps到40Mbps的下行速率

和128kbps到10Mbps的上行速率。

(1)CableModem的优点

•与56KModem>ISDN及ADSL接入方式相比，CabIeModem接入具有以

下的优点：

•&连接遗率快。在目前应用的所有接入方式中，CableModem是最

I快的__和］

•②成本底廉。CableModem利用已有的有线电视(CATV)网络，无须

更换全部网络设备。

•③提供了菲对称鬲专线连接。CableModem采用了与ADSL类似的非

对称传输模式，提供了最高为40Mbps的下行速率和最高，为10Mbps的

一二行速率。CableModem^OADSL—样是一直在线的,同户无需援号

上网，也不用担心遇到忙音，只要一打开计算机就会通过CabIe

Modem自动建立与Internet的局速连接。

•④不受连接距离的限制。用户所在地和有线电视中心局之间的同

轴电缆能够按照用户的需要延伸，不受连接距离的限制，而ADSL等

接入方式却不同。

⑵CableModem的标准

•第1代CableModem没有统一的企业标准，技术指标由各生产厂商自行确定,

这显然不利于技术的发展和推广。

•1997年3月，有线电视工业标准组织(MuItimediaCabIeNetworkSystem

PartnersLtd,MCNS)颁布了关于通过有线电视网络高速传输数据的具体

工业标准DOCSIS(DataOverCabIeSystemIinterfaceSpecification),

该标准包括CabIeModem到用户前端设备接口技术、CabIeModem终端系统

到网络端接口技术、CableModem电话线回叫接口技术等技术规范。

DOCSIS标准的制定，被称之为CableModem的第2代标准。参加该标准制定

的有Cisco、MotoroIa和3coM等世界知名的公司。

•IEEE在DOCSIS标准出台后才开始制定IEEE802.14标准(电缆电视媒体访问

控制和物理协议)。该标准是继DOCSIS后关于CableModem的又一标准。不

过两者在关键技术上基本是相同的，在CableModem与PC机接口规范上两

者均选用了10Base-T以太网连接

⑶CableModem的安装

•CabIeModem在有线电视台前端有一^t"重要组成部分CabIeModem端接收系

统(CMTS),CMTS端接收来自用户端的信号，并把这些信息汇集到有线电视

台前端的设备上输出。

•CableModem在用户端的安装比较简单，只需要把计算机、电视机按连接

要求接入CabIeModern即可，计算机一般通过网卡与CabIeModem相连。如

果使用的是USB接口CabIeModem或内置的CabIeModem卡，计算机中还不

需要安装网卡。

用户计算机Cable分离器

5.机顶盒接入

•机顶盒(SetTopBox)的概念是比较宽泛的。从广义上说,

所有与电视机连接的网络终端设备都可称为机顶盒，从

狭义上说，我们可以将模拟设备排除在外，按主要功能

将机顶盒分为上网机顶盒、数字卫星综合接收解码器、

数至地面机顶盒，以及有线电视数字机理盒，这些设备

具有很好的网络功能，因此也成为信息彖电的代表。

•机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，

如薮字电视广播接收、电子节目指南(EPG)、准视频点

、按次付费观看(PPV)、软件在鱼升级、数据

rnet接入、电子配件、IP电话和视频点播等。

⑴上网机顶盒

⑵数字卫星机顶盒

数字卫星机顶盒的主要功能是接收数字电视广播，同时也支持数据广播、图文电视

等应用。但由于它的传输平台是卫星信道，支持交互式应用比较困难。目前，数字

卫星机顶盒基本采用DYB-S标准，国内外都有商用产品。

⑶数字地面机顶盒

数字地面机顶盒的功能与数字卫星机顶盒类似，所不同的只是传输介质是地面广播

信道而不