《计算机网络技术基础》课件第14章

第十四章

计算机网络新技术

14.1三网融合技术概14.2QOS简介

14.3数据中心14.4第四层交换简述14.5无线网络技术

本章小结

习题

14.1

三网融合技术概述

所谓“三网融合”，就是指电信网、广播电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。“三网融合”是为了实现网络资源的共享，避免低水平的重复建设，形成适应性广、容易维护、费用低的高速宽带的多媒体基础平台。即电信网、广播电视网、互联网分别在向下一代电信网、下一代广播电视网、下一代互联网的发展和演进过程中，网络的功能趋于一致、业务范围趋于相同，都可以为用户提供打电话、上网和看电视等多种服务。14.1.1三网合一的实现方式数字技术的迅速发展和全面采用，使电话、数据和图像信号都可以通过统一的编码进行传输和交换，所有业务在网络中都将成为统一的“0”或“1”的比特流。

光通信技术的发展，为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输高质量，成为三网业务的理想平台。

软件技术的发展使得三大网络及其终端都通过软件变更，最终支持各种用户所需的特性、功能和业务。

最重要的是统一的TCP/IP协议的普遍采用，将使得各种以IP为基础的业务都能在不同的网上实现互通。人类首次具有统一的为三大网都能接受的通信协议，从技术上为三网融合奠定了最坚实的基础。三网合一光纤交换机是一种三网合一光线路终端(OLT)，它是一款集成了CATV光信号分配功能的高性能管理型二层三网合一光纤以太网交换机。它提供一个理想的低成本FTTH或FTTB三网合一(数据、语音和CATV)接入解决方案。

三网合一光纤交换机提供多种网络管理方式，采用标准RS-232接口、Web浏览器、命令行界面(CLI)和基于简单网络管理协议(SNMP)的网络管理平台。系统管理员能轻松配置功能、监控性能和排除交换机故障。

三网融合，在概念上从不同角度和层次上分析，可以涉及到技术融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合。目前更主要的是应用层次上互相使用统一的通信协议。用IP优化光网络就是新一代电信网的基础，是三网融合的结合点。三网合一的好处在于：(1)信息服务将由单一业务转向文字、话音、数据、图像、视频等多媒体综合业务，例如通过手机视频看到客户货物的大致情况，并立即决定派什么样的车去提货，发完货以后，客户也能随时自主追踪。

(2)有利于极大地减少基础建设投入，并简化网络管理，降低维护成本。

(3)将使网络从各自独立的专业网络向综合性网络转变，网络性能得以提升，资源利用水平进一步提高。(4)三网融合是业务的整合，它不仅继承了原有的话音、数据和视频业务，而且通过网络的整合，衍生出了更加丰富的增值业务类型，如图文电视、VoIP、视频邮件和网络游戏等，极大地拓展了业务提供的范围。

(5)三网融合打破了电信运营商和广电运营商在视频传输领域长期的恶性竞争状态，看电视、上网、打电话资费可能打包下调。

14.1.2三网融合的应用与发展伴随着第一批12个三网融合试点城市的确定，酝酿已久的三网融合正式进入实施阶段，与此同时，宽带化战略也进入了发展快车道。在此背景下，网络设备市场迎来了一轮新的发展期。截至2010年6月，全国宽带用户已突破1.15亿户，基础电信企业的互联网用户进一步趋向宽带化。国家政策方面的支持、宽带用户数量稳步的增加，既巩固了网络设备厂商对于市场的信心，同时也给予网络设备厂商、网络应用服务厂商继续发展的动力，进而促进了网络设备市场的可持续发展。1．在宽带发展方面的作用宽带作为国家信息化的重要基础设施，其重要性不言而喻，许多发达国家已经将宽带发展作为国家战略的重要组成部分。我国宽带发展面临绝对数量大，人均带宽不足的现状，因而多城市开始一起加速宽带化进程。推进宽带化战略的实施，一方面使广大用户得到更好的服务和用户体验，另一方面为网络设备市场的增长提供了直接动力。以“数字化北京”、上海的“城市光网”计划、“信息广州”等多个城市为代表的城市宽带化进程已经开始提速，目标在1～3年内完成宽带化改造。在提高带宽的同时，提升光纤接入的覆盖率，并且加快宽带网络乡村普及率。现阶段的三网融合发展，对国家来讲，促进信息和文化产业发展，提高国民经济和社会信息化水平，同时，也拉动国内消费并形成新的经济增长点。对行业来讲，推动资源整合和行业兼并重组，提升行业发展水平，并通过网络管理，基本形成适度竞争的网络产业格局。按照中国工程院院士、三网融合试点方案评审项目专家组负责人邬贺铨预计，三网融合未来三年可带动投资和消费6880亿元。其中，电信宽带升级、广电网络改造等投资2490亿元，可激发和释放社会的信息服务与终端消费近4390亿元。宽带化战略、三网融合将直接给网络设备商和机顶盒设备商带来发展契机。无论是传统的电信系网络设备商，还是广电系厂商均将直接受益。众多的厂商在宽带化战略、三网融合中获得了发展的机会，但是同时也必须面对未来的挑战。从长远来看，这必定会在行业内兴起一轮新的洗牌，规模小、成本高、实力差的企业将被逐步淘汰，而存留下来的电信系厂商和广电系厂商将相互渗透，一起分享千亿级的市场。伴随着国内互联网和网络应用的发展，网络设备市场平稳增长，网络建设向网络应用转型，设备市场受业务拉动明显，安全、融合成为网络设备产品的关键词。2009年运营商和政府市场需求的增长带动了整体网络设备市场的持续发展。下一步随着3G网络建设的完成，移动互联网、视频等3G业务一方面会成为运营商发展3G业务的重要应用，同时也会带动未来三年网络设备在运营商市场的发展。同时在2009年国家又在政策层面上提出了发展物联网、三网融合等信息社会发展战略，智能电网、智能交通、智能城市等概念的提出，国家推动城市宽带化进程，必将为下一轮网络建设拉开序幕，因此未来三年，网络设备市场将随着网络走入核心行业应用而进入一个高增长周期。2．三网融合的发展趋势展望未来，在宽带化战略和三网融合的驱动下，在3G建设的带动下，在新技术应用的推动下，中国网络设备市场将继续保持增长的态势。同时，在服务、产品与技术方面将体现出以下趋势。(1)以思科为代表的众多厂商更加关注于服务。(2)多业务、融合性、虚拟化是网络设备产品的发展方向。14.2QoS简介

1．QoS的产生背景在因特网创建初期，没有意识到QoS应用的需要。因此，整个因特网运作如一个“竭尽全力”的系统。每段信息都有4个“服务类别”位和3个“优先级”位，但是它们完全没有派上用场。依发送和接收者看来，数据包从起点到终点的传输过程中会出现许多问题：

丢失数据包—当数据包到达一个缓冲器(Buffer)已满的路由器时，则代表此次的发送失败，路由器会依网络的状况决定要丢弃一部份、不丢弃或者是丢弃所有的数据包，而且这不可能在预先就知道，接收端的应用程序在这时必须请求重新传送，而这可能造成总体传输严重的延迟。

延迟—或许需要很长时间才能将数据包传送到终点，因为它会被漫长的队列迟滞，或需要运用间接路由以避免阻塞；也许能找到快速、直接的路由。总之，延迟非常难以预料。

传输顺序出错—当一群相关的数据包被路由经过因特网时，不同的数据包可能选择不同的路由器，这会导致每个数据包有不同的延迟时间。最后数据包到达目的地的顺序会和数据包从发送端发送出去的顺序不一致，这个问题必须要有特殊额外的协议负责刷新失序的数据包。

出错—有时数据包在被运送的途中会发生跑错路径、被合并甚至是毁坏的情况，这时接收端必须要能侦测出这些情况，并将它们统统判别为已遗失的数据包，再请求发送端再送一份同样的数据包。2．QoS技术简介QoS是通过给定的虚连接描述传输质量的ATM性能参数术语。这些参数包括：CTD、CDV、CER、CLR、CMR和SECBR、ALLserviceclasses、QosClasses、trafficcontract、trafficcontrol。

对于网络业务，服务质量包括传输的带宽、传送的时延、数据的丢包率等。在网络中可以通过保证传输的带宽、降低传送的时延、降低数据的丢包率以及时延抖动等措施来提高服务质量。

通常QoS提供以下三种服务模型：

Best-Effortservice(尽力而为服务模型)；

Integratedservice(综合服务模型，简称Int-Serv)；

Differentiatedservice(区分服务模型，简称Diff-Serv)。(1) Best-Effort服务模型。Best-Effort是一个单一的服务模型，也是最简单的服务模型。对Best-Effort服务模型，网络尽最大的可能性来发送报文。但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。

Best-Effort服务模型是网络的缺省服务模型，通过FIFO队列来实现。它适用于绝大多数网络应用，如FTP、E-Mail等。

(2)

Int-Serv服务模型。Int-Serv是一个综合服务模型，它可以满足多种QoS需求。该模型使用资源预留协议(RSVP)，RSVP运行在从源端到目的端的每个设备上，可以监视每个流，以防止其消耗资源过多。这种体系能够明确区分并保证每一个业务流的服务质量，为网络提供最细粒度化的服务质量区分。

但是，Inter-Serv模型对设备的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，设备的存储和处理能力会遇到很大的压力。Inter-Serv模型可扩展性很差，难以在Internet核心网络实施。(3) Diff-Serv服务模型。Diff-Serv是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS需求。与Int-Serv不同，它不需要通知网络为每个业务预留资源。区分服务实现简单，扩展性较好。

3．QoS的分类分类是指具有QoS的网络能够识别哪种应用产生哪种数据包。没有分类，网络就不能确定对特殊数据包要进行的处理。所有应用都会在数据包上留下可以用来识别源应用的标识。分类就是检查这些标识，识别数据包是由哪个应用产生的。以下是四种常见的分类方法：(1)协议。有些协议非常“健谈”，只要它们存在就会导致业务延迟，因此根据协议对数据包进行识别和优先级处理可以降低延迟。

(2)

TCP和UDP端口号码。许多应用都采用一些TCP或UDP端口进行通信，如HTTP采用TCP端口80。

(3)源IP地址。许多应用都是通过其源IP地址进行识别的。由于服务器有时是专门针对单一应用而配置的，如电子邮件服务器，所以分析数据包的源IP地址可以识别该数据包是由什么应用产生的。

(4)物理端口号码。与源IP地址类似，物理端口号码可以指示哪个服务器正在发送数据。为了提供优先级，交换机的每个端口必须有至少2个队列。交换机通过其排队机制确定下一步要服务的队列。有以下两种排队方式。

(1)严格优先队列(SPQ)。这是一种最简单的排队方式，它首先为最高优先级的队列进行服务，直到该队列为空，然后为下一个次高优先级队列服务，依此类推。

(2)加权循环(WRR)。这种方法为所有业务队列服务，并且将优先权分配给较高优先级队列。

4．QoS的应用流量约定(SLA，ServiceLevelAgreement服务等级协议)给数据流设定优先级，以此在网络/协议层面上，根据相互商定的尺度，设定有保障的性能、通过量、延迟等界限。一些特定形式的网络数据流需要定义服务质量，例如：

多媒体流要求有保障的通过量；

IP电话需要严格的抖动和延迟限制；

性命攸关的应用系统，例如远程外科手术要求有可靠保证的可用性(也称作硬性QoS)。在Internet等计算机网络上为用户提供高质量的QoS必须解决以下问题：

(1)

QoS的分类与定义。对QoS进行分类和定义的目的是使网络可以根据不同类型的QoS进行管理和分配资源。

(2)准入控制和协商。即根据网络中资源的使用情况，允许用户进入网络进行多媒体信息传输并协商其QoS。

(3)资源预约。为了给用户提供满意的QoS，必须对端系统、路由器以及传输带宽等相应的资源进行预约，以确保这些资源不被其他应用所强用。

(4)资源调度与管理。对资源进行预约之后，是否能得到这些资源，还依赖于相应的资源调度与管理系统。

QoS的关键指标主要包括可用性、吞吐量、时延、时延变化(包括抖动和漂移)和丢失。下面详细叙述。

(1)可用性。是当用户需要时网络即能工作的时间百分比。可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果。(2)吞吐量。是在一定时间段内对网上流量(或带宽)的度量。对IP网而言可以从帧中继网借用一些概念。根据应用和服务类型，服务水平协议(SLA)可以规定承诺信息速率(CIR)、突发信息速率(BIR)和最大突发信号长度。(3)时延。指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务，特别是话音和视像等实时服务都是高度不能容忍时延的。

(4)丢失。不管是比特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时业务的影响都大。在通话期间，丢失一个比特或一个分组的信息往往用户注意不到。5．现状及相关技术对于由QoS控制来实现QoS保证，国际上不同组织和团体提出了不同的控制机制和策略，比较著名的有：

(1)

ISO/OSI提出了基于ODP分布式环境的QoS控制，但至今仍只停留在只给出了用户层的QoS参数说明和变成接口阶段，具体实现QoS控制策略并未提出。(2) ATM论坛提出了QoS控制的策略和实现，ATM控制是“连接预定”型(connectionandreservation)，它的核心内容是在服务建立之前，通过接纳控制和资源预留来提供服务的QoS保证，而在服务交互的过程中，用户进程和网络要严格按照约定的QoS实现服务QoS保证。(3)

IETF组织也已经提出了多种服务模型和机制来满足对QoS的需求，其中比较典型的有：RFC2115，RFC2117以及1998、1999年提出的RFC26xx系列中的综合业务模型(Int-Serv)、差分业务模型(differentiatedservices)、多协议标签MPLS技术(Multi-ProtocolLabelSwitching)、流量工程(trafficengineering)和QoS路由(QoS-basedrouting)等，均用于解决Internet网络的QoS控制和管理。14.3数据中心

14.3.1数据中心的组成数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在Internet网络基础设施上加速信息的传递。采用Internet接入时，只需要一台能上网的PC加数据中心软件即可。一般公司是通过路由器上网的，此时需在路由器上做一些设置。也可直接把宽带接入线接至PC中来实现，不需要ISP开通服务，但需根据获取的外网IP地址及方式选择采用合适的动态域名软件。具体组网结构如下：无线DDN系统分为监测点和数据中心两部分，监测点采用GPRSDTU，可提供RS-232、RS485以及以太网接口，数据中心采用宽带ADSL或专线方式接入Internet，具体接入方式如下：

(1)监测点接入方式。监测点通过RS-232、RS485或以太网接口与GPRSDTU传输模块连接，然后设置DTU相关参数，每一个GPRSDTU传输模块装入一个中国移动的数据SIM卡即可。(2)数据中心接入方式。数据中心接入主要分两大类：

①Internet接入。数据中心采用宽带ADSL接入方式，此种方式优点是带宽大、费用低。缺点是安全性较差、延时比专线接入稍大。采用局域网共享上网方式，此种方式基本同ADSL接入类似，但注意接入时需做端口映射。采用电话线拨号上网方式，此种方式接入带宽较窄。所以只适合于点数较少，且数据量小的组网方式。②移动公司接入。数据中心采用无线网络运营商(指中国移动)提供信道接入，在实际中可采用移动公司机房专线接入方式，此种方式带宽大(一般为2M)，对延时、安全性都非常好，但租用此专线价格较贵。14.3.2世界数据中心世界数据中心(WorldDataCenter)是国际科学联合会下设的科学数据组织，有40多个学科数据中心，分属四个数据中心群：WDC-A美国、WDC-B前苏联、WDC-C欧洲和日本、WDC-D中国。

1988年，中国加入WDC，并建立世界数据中心中国中心(WorldDataCenterD)。WDC-D组织机构包括：中国国家协调委员会、科学委员会、中国中心协调办公室、科学委员会秘书处及九个学科数据中心。

14.4第四层交换简述

14.4.1第四层交换的原理OSI模型的第四层是传输层。传输层负责端对端通信，即在网络源和目标系统之间协调通信。在IP协议栈中这是TCP(一种传输协议)和UDP(用户数据包协议)所在的协议层。在第四层中，TCP和UDP标题包含端口号(portnumber)，它们可以惟一区分每个数据包包含哪些应用协议(例如HTTP、FTP等)。端点系统利用这种信息来区分包中的数据，尤其是端口号使一个接收端计算机系统能够确定它所收到的IP包类型，并把它交给合适的高层软件。端口号和设备IP地址的组合通常称作“插口(socket)”。

1～255之间的端口号被保留，它们称为“熟知”端口，也就是说，在所有主机TCP/IP协议栈实现中，这些端口号是相同的。除了“熟知”端口外，标准UNIX服务分配在256～1024端口范围，定制的应用一般在1024以上分配端口号。分配端口号的最近清单可以在RFC1700“AssignedNumbers”上找到。TCP/UDP端口号提供的附加信息可以为网络交换机所利用，这是第四层交换的基础。“熟知“端口号举例：具有第四层功能的交换机能够起到与服务器相连接的“虚拟IP”(VIP)前端的作用。每台服务器和支持单一或通用应用的服务器组都配置一个VIP地址。这个VIP地址被发送出去并在域名系统上注册。

在发出一个服务请求时，第四层交换机通过判定TCP开始，来识别一次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决定，交换机就将会话与一个具体的IP地址联系在一起，并用该服务器真正的IP地址来代替服务器上的VIP地址。

第四层交换的主要作用是提高服务器和服务器群的可靠性和可扩展性。

如果服务器速度跟不上，即使是具有最快速交换的网络也不能完全确保端到端的性能。可以想见高优先权的业务在这种QoS使能的网络中会因服务器中低优先权的业务队列而阻塞。在更糟的情况下，服务器甚至会丧失循环处理业务的能力。

第四层交换使用第三层和第四层信息包的报头信息，根据应用区间识别业务流，将整个区间段的业务流分配到合适的应用服务器进行处理。第四层交换也要求端到端QoS，提高第二层和第三层交换一包接一包QoS传输的能力。例如，来自高级别用户的业务或重要应用的网络业务流，可以分配给最快的I/O系统和CPU，而普通的业务就分配给性能较差的机器。

14.4.2第四层交换与第二层第三层交换的比较1．第二层交换局域网交换技术是作为对共享式局域网提供有效的网段划分的解决方案而出现的，它可以使每个用户尽可能地分享到最大带宽。前文已经提到，交换技术是在OSI七层网络模型中的第二层，即数据链路层进行操作的，因此交换机对数据包的转发是建立在MAC地址—物理地址基础之上的，对于IP网络协议来说，它是透明的，即交换机在转发数据包时，不知道也无需知道信源机和信宿机的IP地址，只需其物理地址即MAC地址。交换机在操作过程当中会不断的收集资料去建立它本身的一个地址表，这个表相当简单，它说明了某个MAC地址是在哪个端口上被发现的，所以当交换机收到一个TCP/IP封包时，它便会看一下该数据包的标签部分的目的MAC地址，核对一下自己的地址表以确认该从哪个端口把数据包发出去。

2．第三层交换假设主机A跟主机B以前曾通过交换机通信，中间的交换机如支持第三层交换的话，它便会把A和B的IP地址及他们的MAC地址记录下来，当其他主机如C要和A或B通信时，针对C所发出的寻址封包，第三层交换机会不假思索的送C一个回覆封包告诉它A或B的MAC地址，以后C当然就会用A或B的MAC地址“直接”和它通信。因为通信双方完全没有通过路由器这样的第三者，所以即使A、B和C属不同的子网，它们间均可直接知道对方的MAC地址来通信，更重要的是，第三层交换机并没有像其他交换器一样把广播封包扩散，第三层交换机之所以称为三层交换器便是因为它们能看懂三层信息如IP地址、ARP等。因此，三层交换器便能洞悉某广播封包目的何在，而在没有把它扩散出去的情形下，满足了发出该广播封包的人的需要(不管它们在任何子网里)。如果认为第三层交换机就是路由器，那也应称作超高速反传统路由器，因为第三层交换器没做任何“拆打”数据封包的工作，所有路过它的封包都不会被修改并以交换的速度传到目的地。3．第四层交换从操作方面来看，第四层交换是稳固的，因为它将包控制在从源端到宿端的区间中。另一方面，路由器或第三层交换只针对单一的包进行处理，不清楚上一个包从哪来，也不知道下一个包的情况。它们只是检测包报头中的TCP端口数字，根据应用建立优先级队列。路由器根据链路和网络可用的节点决定包的路由，第四层则是在可用的服务器和性能基础上先确定区间。

14.4.3第四层交换与服务器集群在第四层交换和服务器集群技术(如Microsoft的Wolfpack)之间有一些共同的功能。它们都能提供服务器负载平衡和故障防护功能，尽管许多集群技术的实现支持横跨多个服务器的应用程序的负载平衡。

14.4.4如何选用合适的第四层交换为了在企业网中行之有效，第四层交换必须提供与第三层线速路由器可比拟的性能。也就是说，第四层交换必须在所有端口以全介质速度操作，即使在多个千兆以太网连接上亦如此。

依据所希望的容量平衡间隔尺寸，第四层交换机将应用分配给服务器的算法有很多种，有简单的检测环路最近的连接、检测环路时延或检测服务器本身的闭环反馈。在所有的预测中，闭环反馈提供反映服务器现有业务量的最精确的检测。应注意的是，进行第四层交换的交换机需要有区分和存储大量发送表项的能力。交换机在一个企业网的核心时尤其如此。许多第二/三层交换机倾向发送表的大小与网络设备的数量成正比。

第四层交换机内部有支持冗余拓扑结构的功能。在具有双链路的网卡容错连接时，就可能建立从一个服务器到网卡、链路和服务器交换器的完全冗余系统14.4.5几种第四层交换产品BerkeleyNetworks公司的exponeNTe4和AlteonNetworks公司的ACEswith180两款第四层交换产品具有突出的性能和灵活性，能够比第二层和第三层交换机做出更智能的转发决定。由于把包头查询的代码嵌入到交换机中的专用集成电路(ASIC)中去实现上述功能，因此几乎不会造成任何延时。

Alteon的第四层交换技术能通过对服务器的性能和运行状况的实时监测，根据不同服务器的健康状况，将来访的数据流以经济高效的方式分配到合适的服务器上。Cabletron公司的SmartSwitchRouter和TorrentNetworkingTechnologies公司推出的IP9000GigabitRouter也是具有第四层交换功能的产品。其中SmartSwitchRouter可以实现骨干网从常规第三层交换向全面的第三、第四层交换功能的升级转换，其独特的广域网集成能力以及基于第四层交换的访问控制能力对于网络数据传输安全、有序地进行发挥了关键作用。

14.4.6第四层交换与单功能负载均衡产品目前一般的单功能负载均衡产品可以每秒连接400～800个接入。而同时具有第二层和第四层功能的新一代产品(使用定制的专用集成电路的基于硬件的负载均衡功能)的连接速度则超过了每秒10万次接入。

第四层交换机在形式和功能上与专用负载均衡器完全不同。传统基于硬件的负载均衡器是速度为45Mb/s的优化的两端口设备。而第四层交换机是设计用于高速Intranet应用的，它支持100Mb/s或千兆位接口。

第四层交换除了负载均衡功能外还支持其他功能，如基于应用类型和用户ID的传输流控制功能。第四层交换机采用多级排队技术，可以根据应用来标记传输流以及为传输流分配优先级。此外，第四层交换机直接安放在服务器前端，它了解应用会话内容和用户权限，因而成为了防止非授权访问服务器的理想平台。14.4.7第四层交换方案在第四层交换方案中，通过采用Alteon的第四层交换机来实现WebServer的负载均衡。

HTTP是Internet中最重要的一种应用，目前Internet上广泛使用的WebServer采用的是多进程技术，占用系统资源多，效率较低，一般一台WebServer只能承受几百个并发用户。采用第四层交换机可以很好地解决WebServer的扩展性问题，提高WebServer系统的可靠性，并在WebServer之间合理分配负载。Alteon的第四层交换机监测WebServer的可用性，包括物理连接、WebServer主机、HTTPServer本身的健康状况，当发现某台WebServer不能提供Web服务时，交换机自动把Web请求分配到好的两台WebServer。Alteon第四层交换机还可以通过设置每台WebServer能承受的最大会话数、设置溢出WebServer、备份WebServer等方法来进一步保证Web系统的可靠性。

WebServer在同一局域网内实现负载均衡时采用多种负载均衡算法，包括LeastConnection、RoundRobin、MinMiss和Hash算法，以及对算法的加权等。14.5无线网络技术

14.5.1无线广域网1．简介无线广域网(WirelessWideAreaNetwork，WWAN)代表移动联通的无线网络，传输距离小于15km，传输速率约3Mb/s，发展速度更快。WWAN是采用无线网络把物理距离极为分散的局域网(LAN)连接起来的通信方式。WWAN连接地理范围较大，常常是一个国家或是一个洲。其目的是为了让分布较远的各局域网互联，它的结构分为末端系统(两端的用户集合)和通信系统(中间链路)两部分。

IEEE802.20是WWAN的重要标准。IEEE802.20是由IEEE802.16工作组于2002年3月提出的，并为此成立专门的工作小组，这个小组于2002年9月独立为IEEE802.20工作组。802.20是为了实现高速移动环境下的高速率数据传输，以弥补IEEE802.1x协议族在移动性上的劣势。802.20技术可以有效解决移动性与传输速率相互矛盾的问题，它是一种适用于高速移动环境下的宽带无线接入系统空中接口规范。

IEEE802.20标准在物理层技术上，以正交频分复用(OFDM)技术和多输入多输出(MIMO)技术为核心，充分挖掘时域、频域和空间域的资源，大大提高了系统的频谱效率。在设计理念上，基于分组数据的纯IP架构适应突发性数据业务的性能优于3G技术，与3.5G(HSDPA、EV-DO)性能相当。在实现和部署成本上也具有较大的优势。IEEE802.20能够满足无线通信市场高移动性和高吞吐量的需求，具有性能好、效率高、成本低和部署灵活等特点。IEEE802.20在移动性上优于IEEE802.11，在数据吞吐量上强于3G技术，其设计理念符合下一代无线通信技术的发展方向，因而是一种非常有前景的无线技术。目前，IEEE802.20系统技术标准仍有待完善，产品市场还没有成熟，产业链有待完善，所以还很难判定它在未来市场中的位置。2．典型应用室外无线网桥设备在各行各业具有广泛的应用，例如，税务系统采用无线网桥设备可实现各个税务点、税收部门和税务局的无线联网；电力系统采用无线网桥产品可以将分布于不同地区的各个变电站、电厂和电力局连接起来，实现信息交流和办公自动化。教育系统可以通过无线接入设备在学生宿舍、图书馆和教学楼之间建立网络连接。

无线网络建设可以不受山川、河流、街道等复杂地形限制，并且具有灵活机动、周期短和建设成本低的优势，政府机构和各类大型企业可以通过无线网络将分布于两个或多个地区的建筑物或分支机构连接起来。无线网络特别适用于地形复杂、网络布线成本高、分布较分散、施工困难的分支机构的网络连接，可以较短的施工周期和较少的成本建立起可靠的网络连接。14.5.2无线局域网1．简介作为局域网络管理的主要工作之一，铺设电缆或检查电缆是否断线这种耗时的工作很容易令人烦躁，也不容易在短时间内找出断线所在。再者，由于配合企业及应用环境不断的更新与发展，原有的企业网络必须配合重新布局，需要重新安装网络线路，虽然电缆本身并不贵，可是请技术人员来配线的成本很高，尤其是老旧的大楼，配线工程费用就更高了。因此，架设无线局域网络就成为最佳解决方案。无线局域网络应用：大楼之间：大楼之间建构网络的连接，取代专线，简单又便宜。餐饮及零售：餐饮服务业可使用无线局域网络产品，直接从餐桌即可输入并传送客人点菜内容至厨房、柜台。零售商促销时，可使用无线局域网络产品设置临时收银柜台。医疗：使用附无线局域网络产品的手提式计算机取得实时信息，医护人员可藉此避免对伤患救治的迟延、不必要的纸上作业、单据循环的迟延及误诊等，从而提升对伤患照顾的品质。企业：当企业内的员工使用无线局域网络产品时，在办公室的任何一个角落，只要有无线局域网络产品，就能随意地发电子邮件、分享档案及上网浏览。仓储管理：针对一般仓储人员的盘点事宜，透过无线网络的应用，能立即将最新的资料输入计算机仓储系统。货柜集散场：一般货柜集散场的桥式起重车，可在调动货柜时，将实时信息传回办公室，以利于进行相关作业。监视系统：一般处于远方且需监控的场所，由于布线困难，可通过无线网络将远方影像传回主控站。展示会场：一般的电子展、计算机展等网络需求极高，而且布线又会让会场显得凌乱，因此若能使用无线网络，将是再好不过的选择。2．无线局域网的优点(1)灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制，而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。(2)安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。(3)易于进行网络规划和调整。对于有线网络来说，办公地点或网络拓扑的改变通常意味着重新建网。重新布线是一个昂贵、费时、浪费和琐碎的过程，无线局域网可以避免或减少以上情况的发生。(4)故障定位容易。有线网络一旦出现物理故障，尤其是由于线路连接不良而造成的网络中断，往往很难查明，而且检修线路需要付出很大的代价。无线网络则很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。(5)易于扩展。无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间“漫游”等有线网络无法实现的特性。由于无线局域网有以上诸多优点，因此其发展十分迅速。最近几年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。

3．无线局域网的不足之处无线局域网在给网络用户带来便捷和实用的同时，也存在着一些缺陷，主要体现在以下几个方面：(1)性能。无线局域网是依靠无线电波进行传输的，这些电波通过无线发射装置进行发射，而建筑物、车辆、树木和其他障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性能。(2)速率。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多。目前，无线局域网的最大传输速率为54Mb/s，只适合于个人终端和小规模网络应用。(3)安全性。本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信号是发散的。从理论上讲，很容易监听到无线电波广播范围内的任何信号，造成通信信息泄漏。4．无线局域网硬件设备(1)无线网卡。无线网卡的作用和以太网中网卡的作用基本相同，它作为无线局域网的接口，能够实现无线局域网各客户机间的连接与通信。

(2)无线AP。AP是AccessPoint的简称，无线AP就是无线局域网的接入点、无线网关，它的作用类似于有线网络中的集线器。

(3)无线天线。当无线网络中各网络设备相距较远时，随着信号的减弱，传输速率会明显下降以致无法实现无线网络的正常通信，此时就要借助于无线天线对所接收或发送的信号进行增强。14.5.3IEEE802.11相关信息顺应无线局域网络发展的强烈需求，电气电子工程师学会(IEEE)于1990年11月成立了802.11委员会，开始制定无线局域网络标准。

承袭IEEE802系列，802.11规范了无线局域网络的介质存取控制(MediumAccessControl，MAC)层及物理(Physical，PHY)层。此较特别的是由于实际无线传输的方式不同，IEEE802.11标准规定了物理层的三种实现方法，即跳频扩频(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)和红外技术(IR)。其中前两种射频方式工作在不需授权的ISM2.4GHz频段。第三项红外线方式由于目前使用上没有任何管制(除了安全上的规范)，因此也是自由使用的。

IEEE802.11MAC的基本存取方式称为CSMA/CA，即带有冲突避免的载波监听多路访问(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)，不同于以太网络所用的CSMA/CD，即带有冲突检测的载波监听多路访问(CollisionDetection)。因为在无线传输中监听载波及冲突检测都是不可靠的，感测载波有困难。14.5.4IrDAIrDA是红外数据协会(InfraredDataAssociation)的简称，目前广泛采用的IrDA红外连接技术就是由该组织提出的。到目前为止，全球采用IrDA技术的设备超过了5000万部。IrDA已经制订出物理介质和协议层规格，2个支持IrDA标准的设备可以相互监测对方并交换数据。初始的IrDA1.0标准制订了一个串行、半双工的同步系统，传输速率为2.4～115.2kb/s，最大传输距离为1m，发射角度为15～30°。最近IrDA扩展了其物理层规格使数据传输率提升到4Mb/s。1．IrDA协议分析IrDA数据协议由物理层、链路接入层和链路管理层三个基本层协议组成，另外，为满足各层上的应用需要，IrDA栈支持IrLAP、IrLMP、IrIAS、IrIAP、IrLPT、IrCOMM、IrOBEX和IrLAN等。(1)红外串行物理层协议(IrPHY)。IrPHY定义了4Mb/s以下速率的半双工连接标准。在IrDA物理层中，将数据通信按发送速率分为三类：SIR、MIR和FIR。串行红外(SIR)的速率覆盖了RS-232端口。通常支持的速率(9600b/s～115.2kb/s)。MIR可支持0.576Mb/s和1.152Mb/s的速率；高速红外(FIR)通常用于4Mb/s的速率，有时也可用于高于SIR的所有速率。

4Mb/s连接使用4PPM编码，1.152Mb/s连接使用归零OOK编码，编码脉冲的占空比为0.25。115.2kb/s以及以下速率的连接使用占空比为0.1875的归零OOK编码。(2)红外链路接入协议(IrLAP)。IrLAP定义了链路初始化、设备地址发现、建立连接(其中包括比特率的统一)、数据交换、切断连接、链路关闭以及地址冲突解决等操作过程。它是从异步数据通信标准高级数据链路控制(HDLC)协议演化而来的。IrLAP使用了HDLC中定义的标准帧类型，可用于点对点和点对多点的应用。IrLAP的最大特点是：由一种协商机制来确定一个设备为主设备，其他设备为从设备。主设备探测它的可视范围，寻找从设备，然后从那些响应它的设备中选择一个并试图建立连接。在建立连接的过程中，两个设备彼此协调，按照它们共同的最高通信能力确定最后的通信速率。以上所说的寻找和协调过程都是在9.6kb/s的波特率下进行的。(3)红外链路管理协议(IrLMP)。IrLMP是IrLAP之上的一层链路管理协议，主要用于管理IrLAP所提供的链路连接中的链路功能和应用程序以及评估设备上的服务，并管理数据速率、BOF的数量(帧的开始)及连接换向时间等参数的协调、数据的纠错传输等。

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IrIAS，IrLPT，IrCOMM，IrOBEX，IrLAN是建立在IrLAP之上的应用。2．IrDA建立连接通信IrDA建立连接通信分四个阶段：第一阶段：设备发现和地址解析。第二阶段：连接建立。第三阶段：信息交换和连接复位。第四阶段：连接终止。14.5.5蓝牙简介蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般10m以内)的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与Internet之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学)频段，其数据速率为1Mb/s，采用时分双工传输方案实现全双工传输。1．起源蓝牙这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王HaraldBlatand，Blatand在英文里的意思可以被解释为Bluetooth(蓝牙)，因为国王喜欢吃蓝莓，牙龈每天都是蓝色的，所以叫蓝牙。在行业协会筹备阶段，需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术。行业组织人员在经过一夜关于欧洲历史和未来无限技术发展的讨论后，有些人认为用Blatand国王的名字命名再合适不过了。Blatand国王将现在的挪威、瑞典和丹麦统一起来；他口齿伶俐，善于交际，就如同这项即将面世的技术，技术将被定义为允许不同工业领域之间的协调工作，保持着个各系统领域之间的良好交流，例如计算机、手机和汽车行业之间的工作。蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司，爱立信早在1994年就已进行研发。1997年，爱立信与其他设备生产商联系，并激发了他们对该项技术的浓厚兴趣。1998年2月，5个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及Intel组成了一个特殊兴趣小组(SIG)，他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，即现在的蓝牙。而蓝牙这个标志的设计取自HaraldBluetooth名字中的“H”和“B”两个字母，用古北欧字母来表示，将这两者结合起来，就成为了蓝牙的logo(见图14-1)。图14-1蓝牙标志的来历2．蓝牙技术优势Bluetooth无线技术供全球的成员公司免费使用。许多行业的制造商都积极地在其产品中实施此技术，以减少使用零乱的电线，实现无缝连接、流传输立体声、传输数据或进行语音通信。Bluetooth技术在2.4GHz波段运行，该波段是一种无需申请许可证的工