《广域网技术》PPT课件.ppt

第7章 广域网技术,本章内容提要,广域网概述 广域网的工作原理 拥塞控制 公共传输基础设施 宽带ISDN 数字数据网 帧中继 异步传输模式 高级智能网络AIN,7.1 广域网概述,广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。结点交换机执行将分组存储转发的功能。结点之间都是点到点连接，但为了提高网络的可靠性，通常一个结点交换机往往与多个结点交换机相连。受经济条件的限制，广域网都不使用局域网普遍采用的多点接入技术。,7.1 广域网概述,然而广域网并没有严格的定义。通常广域网是指覆盖范围很广（远远超过一个城市的范围）的长距离网络。,7.1 广域网概述,图7.1由局域网和广域网组成互联网,7.1 广域网概述,像图7-1所示的互联网，即使覆盖范围很广，一般也不称它为广域网，因为在这种网络中，不同网络的“互连”才是它的最主要的特征。互联网必须使用路由器来连接，而广域网指的是单个的网络，它使用结点交换机连接各主机而不是用路由器来连接各网络。结点交换机和路由器都是用来转发分组，它们的工作原理相似。但区别是：结点交换机是在单个网络中转发分组，而路由器是在多个网络构成的互联网中转发分组。,7.1 广域网概述,从层次上看，广域网中的最高层就是网络层。网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类，即无连接的网络服务和面向连接的网络服务。这两种服务的具体实现就是通常所谓的数据报服务和虚电路服务。,7.2 广域网的工作原理,广域网采用HDLC或PPP进行帧封装，采用分组转发机制进行工作。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,1. HDLC 在OSI七层协议产生之前，为了使容易产生差错的物理链路在通信时变得可靠，使用了一些控制协议，包括ARPANET推出的IMP-IMP协议和IBM推出的BSC协议，这些数据链路层协议都是面向字符（即链路上所传输的数据或控制信息都必须是由规定字符集（例如ASCII码）中的字符所组成）的协议。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,由于这种面向字符的协议对字符的依赖性比较强，不便于扩展，为此IBM推出了面向比特的规程SDLC（Synchronous Data Link Control）。后来，ISO把SDLC修改后称为HDLC（High Level Data Link Control）。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,HDLC最大特点是不需要数据必须是规定字符集，对任何一种比特流，均可以实现透明的传输。是面向比特的协议，支持全双工通信，采用位填充的成帧技术，以滑动窗口协议进行流量控制。 HDLC是通用的数据链路层协议，为满足不同应用场合的需要，HDLC定义了三种站类型，两种链路结构及三种数据响应模式。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,HDLC协议根据通信站在通信过程中的不同地位和作用，将其定义为三种不同的类型：主站（primary station）、从站（secondary station）和组合站（combined station）。 主站：主站的主要功能是发送命令帧和数据信息帧，接收响应帧，并负责控制链路的操作与运行。主站向从站发送命令帧，并从从站接收响应帧。在多点链路中，主站负责管理与各个从站之间的链路。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP, 从站：从站在主站的控制下进行工作，从站发送响应帧作为对主站命令帧的响应。从站对链路无控制权，从站之间不能直接进行通信。 组合站：同时具有主站与从站的功能，既可以发送命令帧，也可以发送响应帧。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,这三种类型的站可构成两种逻辑链路结构：不平衡链路结构和平衡链路结构。 不平衡链路结构：既可用于点对点链路，也可用于多点链路，它由一个主站与一个或一个以上从站构成。主站控制从站并实现链路管理，主站发出的帧叫做命令（command），而从站发出的帧叫做响应（response）。在多点链路中，主站与每个从站之间都有一个分开的逻辑链路。非平衡配置可支持双工、半双工通信。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,这三种类型的站可构成两种逻辑链路结构：不平衡链路结构和平衡链路结构。 不平衡链路结构：既可用于点对点链路，也可用于多点链路，它由一个主站与一个或一个以上从站构成。主站控制从站并实现链路管理，主站发出的帧叫做命令（command），而从站发出的帧叫做响应（response）。在多点链路中，主站与每个从站之间都有一个分开的逻辑链路。非平衡配置可支持双工、半双工通信。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,平衡链路结构：只用于点对点通信，有两种组成方法，一种是主、从站间配对通信；另一种是通信的每一方均为组合站，且两组合站具有同等能力。 无论哪种链路结构，站点之间均以帧为单位传输数据或状态变化的信息，其方式具有“行为-应答”的特点。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,HDLC有三种数据响应模式。 正常响应模式（Normal Response Mode，简称NRM）：用于不平衡链路结构。主站可主动向从站传输数据，而从站只有在得到主站允许之后才能向主站传送数据。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,异步响应模式（Asynchronous Response Mode，简称ARM）：这种方式用于不平衡链路结构。ARM方式允许从站在事先不得到主站的允许下开始传输数据，主站仍然负责控制和链路管理。 异步平衡方式（Asynchronous Balanced Mode，简称ABM）：用于平衡链路结构。任何一个组合站不必事先得到对方许可，就可以开始传输过程。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,数据链路层的数据传送是以帧为单位的。HDLC采用帧结构传输数据，帧格式可以满足所有格式的数据和控制功能要求。HDLC的帧如图7-2所示。从网络层交下来的分组，变成为数据链路层的数据，就是图7-2中的信息字段。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,图7-2 HDLC帧格式及控制字段的结构,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,2. PPP PPP(Point-to-Point Protocol)协议是一个点到点的数据链路层协议，目前是广域网中最重要的点到点数据链路层协议。 PPP协议作为一种提供在点到点链路上传输、封装网络层数据包的数据链路层协议，主要被设计用来在支持全双工的同异步链路上进行点到点之间的数据传输。PPP是一个适用于通过调制解调器、点到点专线、HDLC比特串行线路和其它物理层的多协议帧机制。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP, PPP的特性 PPP协议是目前使用得最广泛的广域网协议，这是因为它具有以下特性： 能够控制数据链路的建立；能够对IP地址进行分配和使用；允许同时采用多种网络层协议；能够配置和测试数据链路；能够进行错误检测；有协商选项，能够对网络层的地址和数据压缩等进行协商。 PPP是现在主流的一种国际标准WAN封装协议，可支持如下连接类型：同步串行连接；异步串行连接；ISDN连接等。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP, PPP的组成 PPP作为数据链路层的协议，在物理上可使用各种不同的传输介质，包括双绞线、光纤及无线传输介质，在数据链路层提供了一套解决链路建立、维护、拆除和上层协议协商、认证等问题的方案；在帧的封装格式上，PPP采用的是一种HDLC的变化形式；其对网络层协议的支持则包括了多种不同的主流协议，如IP和IPX等。图7-4给出了PPP的体系结构，从中可以看出，PPP协议主要由两类协议组成：,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,链路控制协议（LCP） 主要用于数据链路连接的建立、拆除和监控；LCP主要完成MTU（最大传输单元）、质量协议、验证协议、魔术字、协议域压缩、地址和控制域压缩协商等参数的协商。 网络层控制协议族（NCP） 网络层控制协议族 (Network Control Protocol，NCP)主要用于协商在该链路上所传输的数据包的格式与类型，建立和配置不同网络层协议；,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,图7-4 PPP协议结构,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP, PPP帧结构 PPP选择的帧格式与HDLC的帧格式非常相似，两者之间最主要的区别是，PPP是面向字符的，而不是面向位的。特别是，PPP在拨号调制解调器线路上使用了字节填充技术，所以，所有帧的长度都是字节的整数倍，PPP帧结构如图7-5所示。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,图7-5 无序号模式操作下的PPP完整帧格式,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP, PPP的协商过程 PPP链路的建立是通过一系列的协商完成的。其中，链路控制协议除了用于建立、拆除和监控PPP数据链路外，还要进行数据链路层特性的协商，如MTU、验证方式等；网络层控制协议族主要用于协商在该数据链路上所传输的数据的格式和类型，如IP地址。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,PPP在建立链路之前要进行一系列的协商过程。PPP协议大致可以分为如下几个阶段：Dead（链路不可行）阶段、Establish（链路建立）阶段、Authenticate（验证）阶段、Network（网络层协议）阶段、Terminate（链路终止）阶段，如图7-6所示。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,图7-6 PPP的协商过程,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP, PPP身份验证 PPP协议包含了通信双方身份验证的安全性协议，即在网络层协商IP地址之前，首先必须通过身份验证。PPP的身份验证有两种方式：CHAP和PAP。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP, PAP的验证过程 PAP（Password Authentication Protocol）协议是两次握手协议，它通过用户名及口令来进行用户的验证，其过程如下：当开始验证阶段时，被验证方首先将自己的用户名及口令发送到验证方，验证方根据本端的用户数据库（或Radius服务器）察看是否有此用户，口令是否正确，如果正确则发送Ack报文通知对端进入下一阶段协商，否则发送Nak报文通知对端验证失败。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,此时，并不直接将链路关闭。只有当验证失败达到一定次数时才关闭链路，来防止因网络误传、网络干扰等因素造成不必要的LCP重新协商的过程。PAP是在网络上以明文的方式传送用户名及口令，所以安全性不高。其报文交互过程如图7-7所示。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,图7-7 PAP的协商过程,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP, CHAP CHAP为三次握手协议，它只在网络上传用户名而不传口令，因此安全性比PAP高。其验证过程为：首先验证方向被验证方发送一些随机的报文，并加上自己的主机名；被验证方收到验证方的验证请求，通过收到的主机名和本端的用户数据库查找用户口令字（密钥），如果找到用户数据库中和验证方主机名相同的用户，便利用接收到的随机报文、此用户的密钥和报文ID用Md5加密算法生成应答，随后将应答和自己的主机名送回；,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,验证方收到此应答后，利用对端的用户名在本端的用户数据库中查找本方保留的口令字，用本方保留的用户的口令字（密钥）、随机报文和报文ID用Md5加密算法生成结果，与被验证方的应答比较，相同则返回Ack，否则返回Nak。其报文交互过程如图7-8所示。,7.2.1 广域网的帧封装：HDLC和PPP,图7-8 CHAP的协商过程,7.2.2 广域网中的分组转发机制,转发和路由选择 转发就是当交换结点收到分组后，根据其目的地址查找转发表(forwarding table)，并找出应从结点的哪一个接口将该分组发送出去。 路由选择则是构造路由表（routing table）的过程。 路由表是根据一定的路由选择算法得到的，而转发表又是根据路由表构造出的。,7.2.2 广域网中的分组转发机制,广域网中使用的是分组转发机制，其分组转发是基于查表的， 1、在结点交换机中查找转发表 层次结构的地址结构 在广域网中，分组往往要经过许多的结点交换机的存储转发才到达目的地。在广域网中每一个结点交换机中都有一个转发表，里面存放了到达每一个主机的路由。,7.2.2 广域网中的分组转发机制,图7-9最简单的层次地址,7.2.2 广域网中的分组转发机制,显然，广域网中的主机数越多，查找转发表就越费时间。为了减少查找转发表所花费的时间，在广域网中一般都采用层次地址结构(hierarchical addressing)。 最简单的层次结构地址就是把一个用二进制数表示的主机地址划分为前后两部分。前一部分的二进制数表示该主机所连接的分组交换机的编号，而后一部分的二进制数表示所连接的分组交换机的端口号，或主机的编号（图7-9）。,7.2.2 广域网中的分组转发机制, 仅和其他结点交换机相连接； 除了和其他结点交换机相连接，还要和用户主机相连接。 这两种交换机的主要区别是：第一种交换机的连接端口都是高速端口（因为交换机之间的线路速率较高），而第二种交换机还要有一些和主机连接的低速端口。,7.2.2 广域网中的分组转发机制,图7-10主机在广域网中的地址和交换机中的转发表,7.2.2 广域网中的分组转发机制,图7-10中有一个欲发往主机3, 2的分组到达了交换机2。在转发表的第3行找出下一跳应为“交换机3”。于是按照转发表的这个指示将该分组转发到交换机3。如果分组的目的地是直接连接在本交换机上的主机，则不需要再将分组转发到别的交换机，这时转发表上注明的就是：“直接”。例如，有一个欲发往主机2, 1的分组到达了交换机2。查找转发表后在第5行找出，其下一跳应为“直接”，表明该分组已经到达了最后一个交换机，而目的主机就连接在这个交换机上。,7.2.2 广域网中的分组转发机制, 按照目的站的交换机号去确定下一跳 仔细再看看图7-10就可发现，这种转发表还可进行简化。这是因为只要转发表中目的站的交换机号相同，那么查出的“下一跳”就是相同的。因此在确定下一跳时，可以不必根据目的站的完整地址，而是可以仅仅根据目的站地址中的交换机号。,7.2.2 广域网中的分组转发机制,2、在路由表中使用默认路由 所谓广域网的路由问题就是要解决分组在各交换机中应如何进行转发。前面所提到的转发表就是为了解决广域网的路由问题而在交换机中专门设置的。,7.2.2 广域网中的分组转发机制,因此，在专门研究广域网的路由问题时，可用图论中的“图(graph)”来表示整个广域网，用“结点”表示广域网上的结点交换机，用连接结点与结点的“边”表示广域网中的链路。至于连接在结点交换机上的主机由于与分组转发无关（因为现在是根据主机所连接到的交换机号进行分组的转发），因此在图中一律不画上主机而只剩下各结点交换机。这样得出的较简明的图用来讨论分组转发是非常清晰的。,7.2.2 广域网中的分组转发机制,图7-11 用图表示一个广域网,7.2.2 广域网中的分组转发机制,图7-12 图7-11中每个结点的转发表,7.2.2 广域网中的分组转发机制,在较小的网络中，转发表中重复的项目不多。但很大的广域网的转发表中就有可能出现很多的重复项目。这会导致搜索转发表时花费较长的时间。为了减少转发表中的重复项目，可以用一个默认路由（default route）代替所有的具有相同“下一跳”的项目，默认路由比其他项目的优先级低。若转发分组时找不到明确的项目对应，才使用默认路由。,7.2.2 广域网中的分组转发机制,图7-13使用了默认路由的简化转发表,7.3 拥塞控制,7.3.1 拥塞控制的意义 若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。,7-1,7.3.1 拥塞控制的意义,图7-14 拥塞控制的作用,7.3.1 拥塞控制的意义,从图7-14可看出，随着提供的负载的增大，网络吞吐量的增长速率逐渐减小。也就是说，在网络吞吐量还未达到饱和时，就已经有一部分的输入分组被丢弃了。当网络的吞吐量明显地小于理想的吞吐量时，网络就进入了轻度拥塞的状态。更值得注意的是，当提供的负载达到某一数值时，网络的吞吐量反而随提供的负载的增大而下降，这时网络就进入了拥塞状态。,7.3.1 拥塞控制的意义,当提供的负载继续增大到某一数值时，网络的吞吐量就下降到零，网络已无法工作。这就是所谓的死锁(deadlock)。 死锁中有一种是直接死锁，即由互相占用了对方需要的资源而造成的死锁。 还有一种死锁是由于路由器的缓存的拥塞而引起的重装死锁(reassembly deadlock)。,7.3.1 拥塞控制的意义,图7-15 重装死锁,7.3.2 拥塞控制的一般原理,由于计算机网络是一个很复杂的系统，因此可以从控制理论的角度来看拥塞控制这个问题。这样，从大的方面看，可以分为开环控制和闭环控制两种方法。开环控制方法就是在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素考虑周到，力求网络在工作时不产生拥塞。但一旦整个系统运行起来，就不再中途进行改正了。,7.3.2 拥塞控制的一般原理,闭环控制是基于反馈环路的概念。属于闭环控制的有以下几种措施： (1) 监测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生。 (2) 将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方。 (3) 调整网络系统的运行以解决出现的问题。,7.4 公共传输基础设施,7.4.1 公共电话交换网 公共电话交换网( Public Switched Telephone Network，PSTN) 是向公众提供电话通信服务的一种通信网，是国家公用通信基础设施之一，由国家电信部门统一建设、管理和运营。,7.4.1 公共电话交换网,根据地理范围，电话通信网可分为：国际长途电话网、国内长途电话网、本地电话网以及用户延伸或补充设备。电话通信网主要提供电话通信服务，同时还可提供非话音的数据通信服务，例如电报、传真、数据交换、可视图文等。,7.4.2 SONET/SDH光传输系统,SONET(Synchronous Optical Network)中文名称是同步光纤网，是一种用于高速数据通信的光纤传输系统。 SONET是一种提供先进网络管理和标准光纤接口的智能系统。它采用自恢复环结构，如果一条线路发生故障，它能够改道传送。SONET干线广泛用于汇集低速T1和T3线路。SONET是宽带ISDN（B-ISDN）标准规定的。,7.4.2 SONET/SDH光传输系统,SDH(Synchronous Digital Hierarchy)中文名称是同步数字序列，是1989年国际电报电话咨询委员会CCITT在SONET标准的基础上略作修改，形成国际标准，使之成为不仅适于光纤也适于微波和卫星传输的通用技术体制。 SDH网络是一个基于时分多路复用技术的 数字传输网络，由多路复用器和中继器组成，并通过光纤进行连接，如下图7-16所示。,7.4.2 SONET/SDH光传输系统,7.4.2 SONET/SDH光传输系统,多路复用器：将多个较低级别的信道复用为一个较高级别的信道； 中继器：实现更长距离传输时的信号再生和转发； 段：设备之间的连接； 线：复用器之间（可能经过一个或者多个中继器）的连接； 路径：源和宿之间的连接。,7.4.2 SONET/SDH光传输系统,SONET采用时分复用（TDM）技术同时传送多数据流，其数据传输速率可以高达1Gbps以上。 SONET的一个优点是它是非专有的，所以可以从众多的厂家购买点到点的网络设备。 SONET的另外一个优点是它可以在很长的距离上提供高速的数据传输，例如在两个城市或者州之间。,7.4.2 SONET/SDH光传输系统,SONET在以下方面特别有用： 在两个相距很远的网络之间提供高速的数据连接（例如，在大学校园和私有公司发起的研究中心之间提供高速的数据传输）。 在两个相距很远的站点之间举行视频会议。 远程教学。 高质量的音频和视频播放。 复杂图形的高速传输，例如，通过卫星拍摄得到的地形学地图和图像。,7.4.3 ADSL,ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）的中文名称是不对称数字用户线路，被欧美等发达国家誉为“现代信息高速公路上的快车”，是目前应用最广泛的一种宽带接入技术。 ADSL是一种非对称的DSL技术，利用现有的双绞电话铜线提供独享“非对称速率”的通信带宽。,7.4.3 ADSL,所谓非对称是指用户线的下行速率（从端局到用户）与上行速率（从用户到端局）不同，上行速率低，下行速率高，特别适合传输多媒体信息业务，如视频点播（VOD）、多媒体信息检索和其他交互式业务，可以满足绝大多数用户的带宽需要。,7.4.3 ADSL,ADSL在一对铜线上支持上行速率512Kbps1Mbps，下行速率1Mbps8Mbps，有效传输距离在35公里范围以内。在用户端，ADSL接入方式的核心设备是ADSL Modem。,7.4.3 ADSL,ADSL主要的优点： 可直接利用现有的用户电话线，无须另铺电缆进行网络改造，节省投资。 ADSL具有较高的传输速度。 ADSL安装、连接简单：用户只要有一条电话线路、一块以太网卡和一个ADSL Modem即可安装ADSL。 可以实现上网和打电话互不影响，即“一线双通”，ADSL数据信号和电话音频信号以频分复用原理调制于各自频段，互不干扰。 ADSL独享高带宽，安全可靠。,7.4.3 ADSL,ADSL接入技术也一样存在不足，主要表现在以下两方面： 传输距离较近。目前ADSL的传输距离还比较短，通常要求用户端到电信公司的ADSL局端距离在5km以内。 传输速率不够快。目前提到的ADSL的上行和下行速率都是理论值，实际上传输速率受到许多因素的制约，远不如理论值。,7.4.4 HFC,HFC(Hybrid fiber coax) 中文名称是光纤同轴电缆混合网，是采用光纤和有线电视网络传输数据的宽带接入技术。在中国由广电总局提供，所采用的传输介质是有线电视的同轴电缆。,7.4.4 HFC,当有线电视网重建其分布网以升级现有的服务时，大部分转向了一种新的网络体系结构，通常称之为“光纤到用户区”。在这种体系结构中，单根光纤用于把有线电视网的前端连到200-1500户家庭的居民小区，这些光纤由前端的模拟激光发射机驱动，并连到光纤接收器上（一般为“结点”），通常是电话杆或用户区基座。,7.4.4 HFC,这些光纤接收器的输出驱动一个标准的用户同轴网。宽带分布网体系结构，把光纤用于从交换中心或前端到用户群的远距离传送，结合同轴电缆下载到单个用户，就如通常所说的“混合光纤同轴电缆”。这种光纤电缆系统，正在由有线电视网和电话交换局作为通用的基础设备铺开。,7.4.4 HFC,在用户端，HFC接入方式的核心设备是Cable Modem。Cable Modem是一种通过有线电视网络进行高速数据接入的装置，一般有两个接口，一个用来接室内的有线电视端口，另一个与计算机相连。 “光纤到用户群”（光纤到用户区）的体系结构与传统的由电缆组成的网相比较，主要好处在于它消除了一系列的宽带RF放大器，需要用来补偿同轴干线的前端到用户群的信号衰减，这些放大器逐步衰减系统的性能，并且要求很多维护。,7.4.5 其他宽带接入技术,还有其它宽带接入技术，例如：VDSL和电力线上网。 VDSL（Very high data rate Digital Subscriber Line）的中文名称是甚高速数字用户线，从技术角度看，甚高速数字用户线可被视为ADSL的下一代。VDSL在短距离内提供的最大下行速率是55Mbps，上行速率可达19.2Mbps，甚至更高。,7.4.5 其他宽带接入技术,VDSL与ADSL类似，利用双绞铜线提供上行与下行两个方向的宽带业务，采用频分复用方式，将电话和VDSL的上、下行信号放在不同的频段内传输。VDSL也是在局端和用户端配置VDSL Modem，电话业务通过POTS分离器和耦合器加入通道，各类应用数据通过VDSL下行通道送至用户端。,7.4.5 其他宽带接入技术,电力线上网简称为PLC（Power Line Communication），是利用电力线作为传输数据和语音信号介质的一种通信方式。电力线接入是把户外通信设备插入到变压器用户侧的输出电力线上，该通信设备可以通过光纤与主干网相连，向用户提供数据、语音和多媒体等业务。户外设备与各用户端设备之间的所有连接都可看成是具有不同特性和通信质量的信道，如果通信系统支持室内组网，则室内任何两个电源插座间的连接都是一个通信信道。,7.4.5 其他宽带接入技术,电力线通信技术是利用电力线传输数据和语音信号的一种通信方式。该技术是把载有信息的高频加载于电流，然后用电线传输，接收信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来，并传送到计算机或电话，以实现信息传递。,7.5 宽带ISDN,7.5.1 B-ISDN的概念 当人们认识到数字技术的优越性时，就将其用于模拟通信网中的传输系统或交换系统。于是人们就设想使各种不同业务的信息，经过数字化后，都在广域网中传送和交换。这就是综合业务数字网ISDN (Integrated Services Digital Network)。后来由于又提出了宽带综合业务数字网B-ISDN，因此ITU-T（即前CCITT）在20世纪70年代中期提出的ISDN就称为窄带ISDN，或N-ISDN。,7.5.1 B-ISDN的概念,B-ISDN与N-ISDN相比，具有以下的一些重大区别： (1) N-ISDN使用的是电路交换。只是在传送信令的D通路使用分组交换。B-ISDN使用的交换方式是快速分组交换，即异步传递方式ATM。 (2) N-ISDN是以目前正在使用的电话网为基础，其用户环路采用双绞线(铜线)。但在B-ISDN中，其用户环路和干线都采用光缆（短距离的通信也可使用双绞线）。,7.5.1 B-ISDN的概念,(3) N-ISDN各通路的比特率是预先设置的。如B通路比特率为64 kb/s。但B-ISDN使用虚通路的概念，其比特率只受用户到网络接口的物理比特率的限制。 (4) N-ISDN无法传送高速图像，但B-ISDN可以传送服务质量有保证的高速图像。,7.5.2 ISDN的接入,用户线接入ISDN的方式从速率和用户配置上划分共有以下5类。 基本接入方式 基本接入利用现有的市话电缆对用户提供一个ISDN的两条B通道（64Kbps）和一条D通道（16Kbps）组成的最低速率的接入形式，广泛用于一般家庭和PBX内线一侧。,7.5.2 ISDN的接入, 一次群接入方式 一次群的D通道传输速率为64Kbps。该方式能够为用户提供一个ISDN的30B+D（欧洲、澳洲等地区）或23B+D（美国和日本）接口，通常用于连接用户交换机或局域网设备。,7.5.2 ISDN的接入, 一般数字接入方式 该方式可以用于一次群或二次群数字段去连接远端的数字网络设备。这种网络设备可以支持任何模拟的、数字的和ISDN用户接入的组合，通常是集线器设备接入数字交换机。 数字接入链路 该方式能够为用户提供多个2B+D基本接入的复合功能，可以连接远端复用设备。,7.5.3 ISDN的功能与服务, 接入网络 该方式是国际电信联盟最新定义的用户接入类型，这种接入网络对于实现和发展本地交换局中的宽带用户接入具有特别的意义。该接入网络称为V5接口，按照其接口的带宽、通路结构和所支持的业务，V5接口可以分为V5.1和V5.2两种。,7.5.3 ISDN的功能与服务,1、ISDN标准的功能 ISDN中“综合”二字指的是在同一数字传输链路上，通过同一数字交换机同时传送数字化的话音信号和各种数据业务。ISDN的关键在于数字电话网，只要花费很小的费用就可以提供数据业务服务，而对于已在IDN上传送的话音业务既不增加费用也不影响其功能。ISDN基本上是对电话系统的再设计，国际间的协作是由ITU-T来完成的。,7.5.3 ISDN的功能与服务,ISDN的主要业务仍是话音，但其功能必须加以扩展。 ISDN的新业务包括交互电视；用户电传，它基本上是电子邮件的一种形式。此外，还可以提供传真服务，把图形、图像用电子扫描和数字化，得到的比特流通过ISDN系统传送到目的地，然后再还原画在纸上。,7.5.3 ISDN的功能与服务,2、ISDN的网络功能 为了实现综合服务，ISDN包括下列功能，64Kbps的线路交换和专用线功能，中高速的线路交换和专用线功能；分组交换功能和公共通信信令以及通信处理功能等。,7.6 数字数据网,7.6.1 DDN概述 DDN（Digital Data Network）指的是数字数据网，是利用数字信道提供半永久性连接电路，以传输数据信号为主的数据传输网。通过DDN可为用户提供全程端到端数字数据业务（为公用电信网内部用户提供点到点或点到多点的数字专用电路）。,7.6.1 DDN概述,DDN的传输介质有光缆、数字微波、卫星信道以及用户端可用的普通电缆和双绞线。利用数字信道传输数据信号与传统的模拟信道相比，具有传输质量高、速度快、带宽利用率高等一系列优点。,7.6.1 DDN概述,DDN为用户提供的基本业务是专用电路业务，其中最典型或最主要的是点对点的专用电路。从用户角度来看，租用一条点对点的专线就是租用了一条高质量、高带宽的双向数字信道，可以直接进行数字通信。用户在DDN上租用一根点对点专线与租用一根电话专线十分相似。,7.6.2 DDN的组成及网络结构,DDN的组成主要以硬件为主，对应OSI模型的低三层，主要由4大部分组成：本地传输系统、DDN结点、局间传输及网同步系统和网络管理系统。,7.6.3 用户接入DDN的方式,DDN网提供了丰富的用户接入方式： 通过调制解调器接入。 通过DDN的数据终端设备接入。 通过用户集中设备接入。 通过模拟电话接入。,7.6.4 DDN网络的业务功能,DDN可提供的基本业务和服务是：除专用电路业务外，DDN还提供了多种增值业务。增值业务包括：帧中继、压缩话音/G3传真、虚拟专用网等多种业务和服务。,7.7 帧中继,7.7.1 帧中继概述 帧中继是一种只简单地提供面向连接的、将数据从甲地传递至乙地的、廉价的公共网。帧中继规程为用户设备（DTE）接入帧中继网络设备（DCE）提供了统一的接口标准。作为DTE与DCE接口，帧中继提供了分组交换数据通信能力，在DTE与DCE间单一的物理链路上能复用多条逻辑链路，从而使一个源DTE可用多条虚电路和多个目的DTE实现连接。,7.7.1 帧中继概述,帧中继就是一种减少结点处理时间的技术。帧中继的原理很简单。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开始转发该帧。,7.7.1 帧中继概述,当正在接收一个帧时就转发此帧，通常被称为快速分组交换(fast packet switching)。快速分组交换在实现的技术上有两大类，它是根据网络中传送的帧长是可变的还是固定的来划分。在快速分组交换中，当帧长为可变时就是帧中继；当帧长为固定时（这时每一个帧叫做一个信元）就是信元中继(Cell Relay)，像异步传递方式ATM就属于信元中继。,7.7.1 帧中继概述,图7-17(a)和(b)分别是一般分组交换网络和帧中继这两种方式在层次上的对比。对于一般的分组交换网，其数据链路层具有完全的差错控制。但对于帧中继网络，不仅其网络中的各结点没有网络层，并且其数据链路层只具有有限的差错控制功能。只有在通信两端的主机中的数据链路层才具有完全的差错控制功能。图7-17(b) 中带阴影的部分表示帧中继网络只有最低的两层。,7.7.1 帧中继概述,图7-17 从层次关系上比较一般分组交换网与帧中继方式,7.7.1 帧中继概述,图7-18比较了两种情况下从源站到目的站传送一帧在网络的各链路上所要传送的信息。若在传送的过程中出现了差错而导致分组的重传，则二者的差别就还要大。,7.7.1 帧中继概述,图7-18一般分组交换网的存储转发方式与帧中继方式的对比,7.7.1 帧中继概述,帧中继的呼叫控制信令是在与用户数据分开的另一个逻辑连接上传送的。帧中继的逻辑连接的复用和交换都在第二层处理。 帧中继网络向上提供面向连接的虚电路服务。虚电路一般分为交换虚电路SVC和永久虚电路PVC两种，但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。永久虚电路的好处是在通信时可省去建立连接的过程。,7.7.1 帧中继概述,7.7.2 帧中继网的接入,目前，大部分用户采用直通用户电路接入帧中继网，也有些用户通过电话交换电路或ISDN交换电路接入。 一般而言，用户接入帧中继网可采用以下几种形式，如图7-20所示。 局域网接入形式。 局域网用户一般通过网桥/路由器接入帧中继网，也可以通过其他的帧中继接入设备（如集线器、PAD、规程转换器等）接入帧中继网。,7.7.2 帧中继网的接入, 计算机接入形式 各类计算机要通过帧中继接入设备（FRAD），将非标准的接口规程转换为标准的UNI接口规程后接入帧中继网络；如果计算机自身带有标准的UNI规程，则可作为帧中继终端直接接入帧中继网。 用户帧中继交换机接入公用帧中继网。用户专用的帧中继网接入公用帧中继网时，将专用网络中的一台交换机作为公用帧中继网的用户，以标准的UNI规程接入。,7.7.2 帧中继网的接入,7.7.3 帧中继的结构与特点,帧中继网是由三个要素组成的，帧中继接入设备、帧中继交换设备和公用帧中继业务。 帧中继接入设备（FRAD）：用户住宅设备（CPE），包括主机、网桥/路由器、分组交换机、特殊的帧中继“PAD”。 帧中继交换设备：TI/E1（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。,7.7.3 帧中继的结构与特点,帧中继协议的体系结构包括控制平面和用户平面两个操作平面，如图7-21所示。,7.7.4 帧中继的业务应用,帧中继的应用十分广泛，它较适合于大流量、短延迟、高分辨率的可视图文及长文件的传输。 1、局域网互联 利用帧中继网络进行局域网互联，是帧中继最典型的一种应用。在已建成的帧中继网络中，进行局域网互联的用户数量占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。,7.7.4 帧中继的业务应用,2、图像传送 帧中继网络可提供图像、图表的传送业务，这些信息的传送往往要占用较大的网络带宽。例如，医疗机构要传送一张X光胸透照片往往要占8Mbps的带宽。如果用分组交换网传送则端对端的延迟过长，用户也会难受；如果采用电路交换网传送，则费用太高，用户也会难以承受；帧中继网络由于具有高速率、低延迟、动态分配带宽、成本低等特点，很适合传输这类图像信息。,7.7.4 帧中继的业务应用,3、虚拟专用网 帧中继网络可以将网络中的若干个节点划分为一个分区，并设置相对独立的管理机构，对分区内数据流量及各种资源进行管理，这种分区结构就是虚拟专用网（VPN）。采用虚拟专用网比建立一个实际的专用网要经济合算，尤其适合于大型企业的用户。,7.8 异步传输模式,电路交换和分组交换在实现宽带高速的交换任务时，都表现有一些缺点: 对于电路交换，当数据的传输速率及其突发性变化非常之大时，交换的控制就变得十分复杂。 对于分组交换，当数据传输速率很高时，协议数据单元在各层的处理成为很大的开销，无法满足实时性很强的业务的时延要求。特别是，基于IP的分组交换网不能保证服务质量。但电路交换的实时性和服务质量都很好而分组交换的灵活性却很好。,7.8.l ATM的定义,异步传递方式ATM (Asynchronous Transfer Mode)就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，它采用定长分组作为传输和交换的单位。在ATM中这种定长的分组叫做信元(cell)。 ATM采用面向连接的传输方式，将数据分割成固定长度的信元，通过虚连接进行交换。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,1、ATM网络的组成和设备 ATM网络是网状拓扑结构，由多个ATM交换机和ATM端点组成如图7-22所示。ATM网络与用户之间的接口称为用户网络接口（UNI）；ATM交换机与ATM交换机之间的接口称为网络与网络接口（NNI）。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,图7-22 ATM网络的组成和设备,7.8.2 ATM网络的组成和设备,ATM端点又称为ATM端系统，即在ATM网络中能够产生或接收信元的源站或目的站。ATM端点通过点到点链路与ATM交换机相连。 ATM交换机就是一个快速分组交换机（交换容量高达数百Gb/s），其主要构件是交换结构（switching fabric）、若干个高速输入端口和输出端口、以及必要的缓存，如图7-23所示:,7.8.2 ATM网络的组成和设备,图7-23 ATM交换机结构模式,7.8.2 ATM网络的组成和设备,由于ATM标准并不对ATM交换机的具体交换结构做出规定，因此现在已经出现了多种类型的ATM交换结构。 最简单的ATM网络可以只有一个ATM交换机，并通过一些点到点链路与各ATM端点相连。较小的ATM网络只拥有少量的ATM交换机，一般都连接成网格状网络，以获得较好的连通性。大型ATM网络则拥有较多数量的ATM交换机，并按照分级的结构连成网络。 ATM交换机有多种类型，但所有的交换机都要实现以下两个基本目标：尽量减少信元交换中的信元的丢失率；在同一条虚通道上进行传输的信元的顺序不能被改变。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,2、ATM的协议参考模型 制定ATM标准的最主要的组织机构有ITU-T和ATM论坛(ATM Forum) 以及IETF等。下面介绍ATM的协议参考模型。 ATM的协议参考模型共有三层，如图7-24所示大体上与OSI的最低两层相当（但无法严格对应）。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,图7-24 ATM的协议参考模型,7.8.2 ATM网络的组成和设备,(1) 物理层 物理层又分为两个子层。靠下面的是物理媒体相关(Physical Medium Dependent)子层，即PMD子层。PMD子层的上面是传输汇聚(Transmission Convergence)子层，即TC子层。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,(2) ATM层 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。 每一个ATM连接都用信元首部中的两级标号来识别。第一级标号是虚通路标识VCI (Virtual Channel Identifier)，第二级标号是虚通道标识符VPI (Virtual Path Identifier)。 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。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,图7-25 虚通道、虚通路和传输链路的关系,7.8.2 ATM网络的组成和设备,ATM层的功能是： 信元的复用与分用； 信元的VPI/VCI转换； 信元首部的产生与提取； 流量控制。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,(3) ATM适配层 ATM传送和交换的是53字节固定长度的信元。但是上层的应用程序向下层传递的并不是53字节长的信元。 因此当IP数据报需要在ATM网络上传送时，就需要有一个接口，它能够将IP数据报装入一个个ATM信元，然后在ATM网络中传送。这个接口就是在ATM层上面的ATM适配层，记为AAL (ATM Adaptation Layer)。 AAL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。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,3、ATM的信元结构 信元长度主要由两个互相矛盾的因素决定。当采用分组交换时，分组越长，分组首部的额外开销就相对越小。 ATM信元采用固定长度的分组，它由5个字节的首部和48字节的信息字段组成，如图7-26所示。信元首部包含着在ATM网络中传递信息所需的信息。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,图7-26 ATM信元的结构,7.8.2 ATM网络的组成和设备,介绍ATM信元首部中各字段的作用。 (1) 通用流量控制GFC (Generic Flow Control) 4 bit字段，通常置为0。根据ITU-T标准，GFC用来在共享媒体上进行接入流量控制，现在的点到点配置不需要这一字段的接入控制功能。GFC字段完成的是类似局域网MAC子层的功能，与ATM层的处理无关。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,(2) VPI/VCI 即路由字段，总共24 bit。VPI/VCI字段和帧中继中的DLCI字段的作用相似。对于用户到网络接口UNI，VPI/VCI字段中的虚通道标识符VPI占8 bit，而虚通路标识符VCI占16 bit。 (3) 有效载荷类型PT (Payload Type) 3 bit字段，用来区分该信元是用户信息或非用户信息。此字段又称为有效载荷类型指示PTI（I表示Indicator）。第一个比特为0表示是用户数据信元，第二个比特表示有无遭受到拥塞（该比特由网络的ATM交换机填写），第三个比特用来区分服务数据单元SDU的类型。,7.8.2 ATM网络的组成和设备,(4) 信元丢失优先级