《计算机网络教学资料》第6章.ppt

1 通信网基础 第 6 章 广域网 *2 n广域网的定义（与局域网比较） n数据报服务与虚电路服务的对比 n结点交换机如何查找转发表 为什么采用层次地址结构？ 结点交换机怎样转发分组？ 转发表的简化？ *3 异步传输模式（ATM) n异步的概念 nATM的优缺点 nATM交换机的结构 nATM协议参考模型（每层的功能） n信元结构 *4 第 6 章 广域网 6.1 广域网的基本概念 n6.1.1 广域网的构成 n广域网的构成 当主机之间的距离较远时，例如，相隔几百公里， 甚至几千公里，局域网显然就无法完成主机之间的 通信任务,这时就需要另一种结构的网络，即广域 网。 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 ，结点之间都是点对点连接，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。 n由于广域网的造价较高，一般都是由国家或较大的电 信公司出资建造。 *5 广域网、局域网和互联网的关系 n 广域网是因特网的核心部分，其任务是通过长距离传输主机所发 送的数据。连接广域网各结点交换机的链路都是高速链路，其距离 可以是几千公里的光缆线路，也可以是几万公里的点对点卫星链路 ，通信容量必须足够大。 n 广域网和局域网都是互联网的重要组成构件。相距较远的局域网 通过路由器与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的互联网。 *6 广域网和互联网 n互联网，一般不称它为广域网。因为在互联网中，不同 网络的“互连”才是其最主要的特征。互联网必须使用路 由器来连接。 n广域网是单个的网络，它使用结点交换机连接各主机而 不是用路由器连接各网络。 n结点交换机在单个网络中转发分组，而路由器在多个网 络构成的互联网中转发分组。 n从互联网的角度来看，广域网和局域网都是平等的。 n广域网和局域网有一个共同点：连接在一个广域网或一 个局域网上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其 网络内的物理地址即可。 *7 6.1.2 数据报和虚电路 n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： n无连接的网络服务（数据报服务） n面向连接的网络服务（虚电路服务）。 *8 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 H1 向 H5 发送分组 H2 向 H6 发送分组 路径可能变化 网络随时接受主机发送的分组（即数据报） 网络为每个分组独立地选择路由。 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 网络尽最大努力地将分组交付给目的主机， 但网络对源主机没有任何承诺。 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 网络不保证所传送的分组不丢失 也不保证按源主机发送分组的先后顺序 以及在时限内必须将分组交付给目的主机 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 当网络发生拥塞时 网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃 提供数据报服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 数据报提供的服务是不可靠的， 它不能保证服务质量。 实际上“尽最大努力交付”的服务 就是没有质量保证的服务。 *13 提供虚电路服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 H1 要和 H5 通信 主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组， 要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意 通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。 虚电路 H1 向 H5 发送的 所有分组都沿此 虚电路传送。 *14 提供虚电路服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。 提供虚电路服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在 两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。 所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照 先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。 提供虚电路服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致， 因此网络提供虚电路服务对通信的 服务质量 QoS (Quality of Service)有较好的保证。 *17 两种服务的思路来源不同 n虚电路服务的思路来源于传统的电信网。 n电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此 电信网的结点交换机复杂而昂贵。 n数据报服务力求使网络生存性好和使对网 络的控制功能分散，因而只能要求网络提 供尽最大努力的服务。 n可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来 保证。 *18 数据报服务与虚电路服务之争 n让网络只提供数据报服务就可大大简化网 络层的结构。 n但技术的进步使得网络出错的概率已越来 越小，因而让主机负责端到端的可靠性不 但不会给主机增加更多的负担，反而能够 使更多的应用在这种简单的网络上运行。 n因特网发展到今天的规模，充分说明了在 网络层提供数据报服务是非常成功的。 *19 n网络上传送的报文长度，在很多情况下 都很短。 n用数据报既迅速又经济。 n若用虚电路，为了传送一个分组而建立 虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络 资源了。 数据报服务和虚电路服务 都各有一些优缺点 *20 n在使用数据报时，每个分组必须携带完 整的地址信息。 n在使用虚电路的情况下，每个分组不需 要携带完整的目的地址，而仅需要有个 很简单的虚电路号码的标志。 n这就使分组的控制信息部分的比特数减 少，因而减少了额外开销。 数据报服务和虚电路服务 都各有一些优缺点 *21 n在使用数据报时，主机承担端到端的差 错控制和流量控制。 n在使用虚电路时，分组按顺序交付，网 络可以负责差错控制和流量控制。 数据报服务和虚电路服务 都各有一些优缺点 *22 n数据报服务对军事通信有其特殊的意义 。当某个结点发生故障时，后续的分组 就可另选路由，因而提高了可靠性。 n但在使用虚电路时，结点发生故障就必 须重新建立另一条虚电路。 n数据报服务还很适合于将一个分组发送 到多个地址(即广播或多播)。 数据报服务和虚电路服务 都各有一些优缺点 *23 数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳 对比的方面 虚电路服务 数据报服务 思路 可靠通信应当 可靠通信应当 由网络来保证 由用户主机来保证 连接的建立 必须有 不要 目的站地址 仅在连接建立阶段 每个分组都有 使用，每个分组使 目的站的全地址 用短的虚电路号 *24 数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳 对比的方面 虚电路服务 数据报服务 分组的转发 属于同一条虚电路 每个分组独立选择 的分组均按照同一 路由进行转发 路由进行转发 当结点出 所有通过出故障的 故障结点可能丢失 故障时 结点的虚电路 分组，一些路由 均不能工作 可能会发生变化 *25 数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳 对比的方面 虚电路服务 数据报服务 分组的顺序 总是按发送顺序 到达目的站时不一定 到达目的站 按发送顺序 端到端的 由分组交换网 由用户主机负责 差错处理和 负责流量控制 主机负责 *26 6.2 广域网中的分组转发机制 n“转发” (forwarding)和“路由选择” (routing)这两个 名词的使用在过去有些混乱。现在的文献倾向于 将它们区分开来。 n转发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。 n路由选择是构造路由表(routing table)的过程。 n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。 *27 “转发”和“路由选择” n路由选择协议负责搜索分组从某个结点到目的结 点的最佳传输路由，以便构造路由表。 n从路由表再构造出转发分组的转发表。分组是通 过转发表进行转发的。 n为了使讨论更简单些，可以不严格区分“转发”和“ 路由选择”，也不一定使用“转发表”这一名词。 n在转发分组时可以不是说“查找转发表”而是说“查找路由 表”。 *28 6.2.1 在结点交换机中查找转发表 1. 层次结构的地址结构 n局域网采用了平面地址结构 (flat addressing)。 n对局域网，这种结构非常方便。 n每种广域网技术都定义了计算机所收发帧的明确格式， 而且连到广域网上的每台计算机都有一个物理地址。 n当发送帧时，发送的计算机必须给出目的计算机的地址 。 n广域网中一般都采用层次地址结构(hierarchical addressing)。 *29 最简单的层次结构地址举例 n用二进制数表示的主机地址划分为前后两部分。 n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。 n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。 所连接的交换机的编号所连接的交换机端口的编号 计算机在广域网中的地址 2, 1 2, 2 4 5 6 7 4 5 6 7 4 5 6 7 交 换 机 1 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 1, 3 3, 2 3, 3 每个交换机都有两组端口。 一组是和本地主机相连的低速端口， 另一组是和其他交换机相连的高速端口。 1 2 3 1 2 3 1 2 3 2, 1 2, 2 4 5 6 7 4 5 6 7 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 每个主机地址中后面的数字是指该交换机的低速端口 主机地址3, 2是指连接在交换机 3 的 2 号低速端口 交 换 机 1 1, 3 主机地址1, 3是指连接在交换机 1 的 3 号低速端口 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 4 5 6 7 4 5 6 7 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 这里给出结点交换机 2 中的转发表作为例子 例如，一个欲发往主机3, 2的分组到达了交换机 2。 交 换 机 1 1, 3 交换机 2 的转发表 目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接 这时应查找交换机 2 的转发表，找目的站为3, 2的项目。 4 5 6 7 1 2 3 1 2 3 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 目的站是3, 2吗？ 交 换 机 1 1, 3 交换机 2 的转发表 目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接 查找转发表中的下一个项目。 否 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 目的站是3, 2吗？ 交 换 机 1 1, 3 交换机 2 的转发表 目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接 查找转发表中的下一个项目。 否 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 目的站是3, 2吗？ 交 换 机 1 1, 3 交换机 2 的转发表 目的站 下一跳 1, 1 交换机1 1, 3 交换机1 3, 2 交换机3 3, 3 交换机3 2, 1 直接 2, 2 直接 根据转发表指出的下一跳把分组转发到交换机 3。 是 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机 2 交 换 机 3 1, 1 3, 2 3, 3 交 换 机 1 1, 3 分组转发到交换机 3 后就查找交换机 3 的转发表。 从转发表（此处省略了）可知不必再转发分组了， 把该分组直接交付给主机3, 2即可。 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 只要转发表中目的站一栏中的 交换机号相同，那么查出的“下 一跳”就是相同的 下一站转发技术(next-hop forwarding) n一个分组交换机必须选择一条路径来转发分组，分组 交换机要使用分组中的目的地址。但是，一个分组交 换机不必保存到达所有可能目的地的完整信息，仅包 含有关于分组到达目的地的下一站信息。 n下图是switch2中的下一站转发信息。 *38 源地址独立性： 下一站转发只依赖于分组的目的地址。 n结局：计算机网络中的转发能够更紧凑 和更有效 n直接从计算机发出的分组和从其它分组 交换机传送来的分组所使用的转发机制 是一样的。 层次地址与路由的关系 n使用两部分层次地址转发分组时，首先检查分组 的目的地址中与分组交换机相同的那部分。 n如果它与该交换机相一致，就利用第二部分地址 把分组发送到计算机。否则，利用该地址在路由 表中选择下一站。 *40 广域网中的路由 n为了使广域网能正确地运行，分组交换 机都必须有一张路由表，并且都能转发 分组。 n路由表的数据项必须符合以下条件 完整的路由 路由优化 *41 图的应用 n可用图论中的“图(graph)”来表示整个广 域网。 n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。 n连接在结点交换机上的主机与分组转发 无关，因此在图中可以不画上。 *42 用图表示广域网的例子 12 34 1 结点 边 2 43 *43 每一个结点的转发表 12 43 目的站 下一跳 1 直接 2 3 3 3 4 3 结点 1 的转发表 对结点 1 的转发表的第一个项目的解释： 若到达结点 1 的分组的目的地址是结点 1 上的主机， 则下一跳就是直接交付而不必再转发其他结点。 *44 每一个结点的转发表 12 43 目的站 下一跳 1 3 2 直接 3 3 4 4 结点 2 的转发表 对结点 2 的转发表的第一个项目的解释： 若到达结点 2 的分组的目的地址是结点 1 上的主机， 则下一跳就应转发到结点 3。 *45 6.2.2 在路由表中使用默认路由 12 43 目的站 下一跳 1 直接 2 3 3 3 4 3 结点 1 的转发表 这三个项目的“下一跳” 都是转发到“3”（结点 3）。 可以合并 以结点 1 和结点 2 中的转发表为例来讨论 *46 6.2.2 在路由表中使用默认路由 12 43 目的站 下一跳 1 直接 默认 3 结点 1 的转发表 默认路由 *47 6.2.2 在路由表中使用默认路由 12 43 目的站 下一跳 1 3 2 直接 3 3 4 4 结点 2 的转发表 这两个项目的“下一跳” 都是转发到“3”（结点 3）。 可以合并 *48 6.2.2 在路由表中使用默认路由 12 43 目的站 下一跳 2 直接 4 4 默认 3 结点 2 的转发表 默认路由 使用默认路由使转发表更加简洁，可减少查找转发表的时间。 *49 路由表计算 n有两种方法： n静态路由：分组交换机启动时由程序计 算和设置路由，此后路由不再改变。 n动态路由：分组交换机启动时由程序建 立初始路由，当网络变化时随时更新。 *50 计算路由有一些 算法 nDijkstra算法 n矢量距离算法 n链接状态路由算法 *51 n人们曾经设想过“未来最理想的”一种网络 应当是宽带综合业务数字网 B-ISDN。 nB-ISDN 采用新的 ATM 交换技术。这种 技术结合了电路交换和分组交换的优点。 n虽然在 B-ISDN 并没有成功，但 ATM 技 术还是获得了相当广泛的应用，并在因特 网的发展中起到了重要的作用。 6.3 异步传递方式 ATM 6.3.1 ATM 的基本概念 *52 ATM 网络 路由器 ATM 端点 因特网主干网 （ATM 网络） （ATM 网络） (a) (b) 因特网主干网 *53 nATM 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。 nATM 采用定长分组作为传输和交换的单 位。这种定长分组叫做信元(cell)。 异步传递方式 ATM (Asynchronous Transfer Mode) *54 n当用户的 ATM 信元需要传送时，就可插 入到 SDH 的一个帧中。 nSDH 传送的同步比特流被划分为一个个 固定时间长度的帧（请注意，这是时分复 用的时间帧，而不是数据链路层的帧）。 n每一个用户发送的 ATM 信元在每一时分 复用帧中的相对位置并不是固定不变的。 “异步”的含义 *55 n如果用户有很多信元要发送，就可以接连 不断地发送出去。只要 SDH 的帧有空位 置就可以将这些信元插入进来。 nATM 名词中的“异步”是指将 ATM 信元“异 步插入”到同步的 SDH 比特流中。 “异步”的含义 *56 n选择固定长度的短信元作为信息传输的单 位，有利于宽带高速交换。信元长度为 53 字节，其首部（可简称为信头）为 5 字节。 n能支持不同速率的各种业务。 n所有信息在最低层是以面向连接的方式传 送，保持了电路交换在保证实时性和服务 质量方面的优点。 ATM 的主要优点如下： *57 nATM 使用光纤信道传输。由于光纤信道 的误码率极低，且容量很大，因此在 ATM 网内不必在数据链路层进行差错控 制和流量控制(放在高层处理)，因而明显 地提高了信元在网络中的传送速率。 ATM 的主要优点如下： *58 nATM 的一个明显缺点就是信元首部的开销 太大，即 5 字节的信元首部在整个 53 字节 的信元中所占的比例相当大。 nATM 的技术复杂且价格较高。 nATM 能够直接支持的应用不多。 n10 千兆以太网的问世，进一步削弱了 ATM 在因特网高速主干网领域的竞争能力。 ATM 的缺点 *59 ATM 网络中的网络元素 nATM 端点（又称为 ATM 端系统）通过 点到点链路与 ATM 交换机相连。 nATM 交换机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 ： n交换结构(switching fabric) n若干个高速输入端口和输出端口 n必要的缓存 *60 ATM 的交换结构 ATM 交换机 a b c d e f g h 交换结构 输入信元输出信元 *61 6.3.2 ATM 的协议参考模型 和信元结构 1. ATM 的协议参考模型 ATM 的协议参考模型共有三层，大体上与 OSI 的最低两层相当（但无法严格对应）。 ATM 层 物理层 ATM 适配层 (AAL 层) 3 2 1 ATM 的层次 *62 nAAL (ATM Adaptation Layer)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。 (1) ATM 适配层 AAL ATM 层 物理层 ATM 适配层 (AAL 层) 3 2 1 ATM 的层次 *63 AAL 层将 48 字节长的数据块 交给 ATM 层，加上 5 字节的首部后 变成 53 字节的信元 话音信号 A/DAAL 层ATM 层 48 字节数据块 数字化的采样信号 53 字节信元 数据信号 长度可变的突发数据分组 AAL 层 48 字节数据块 ATM 层 53 字节信元 视频信号 A/D 图像帧 压缩的编码信号 AAL 层 48 字节数据块 ATM 层 53 字节信元 *64 (2) ATM 层 n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 。 ATM 层 物理层 ATM 适配层 (AAL 层) 3 2 1 ATM 的层次 *65 VCI 与 VPI （ VPI 包含 VCI） nATM 连接用信元首部中的两级标号来识别。 n虚通路标识 VCI (Virtual Channel Identifier) n虚通道标识符 VPI (Virtual Path Identifier) 传输链路 虚通道 VPx VPz VPy VCx VCx VCy VCz VCz VCy VCy VCx 虚通路 *66 VCI 与 VPI （ VPI 包含 VCI） n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。 n一个虚通道 VP 包含有许多相同端点的虚通路 VC，而这许多 VC 都使用同一个 VPI。 传输链路虚通道 VPx VPz VPy VCx VCx VCy VCz VCz VCy VCy VCx 虚通路 *67 VCI 与 VPI （ VPI 包含 VCI） n在一个给定的接口，复用在一条链路上的许多 不同的 VP，用它们的 VPI 来识别。 n复用在一个 VP 中的不同的 VC，用它们的 VCI 来识别。 传输链路虚通道 VPx VPz VPy VCx VCx VCy VCz VCz VCy VCy VCx 虚通路 *68 VCI 与 VPI （ VPI 包含 VCI） n一个给定的 VCI 值没有端到端的意义。 nVP 在经过集中器或交换机时，其 VPI 也 会改变。 传输链路虚通道 VPx VPz VPy VCx VCx VCy VCz VCz VCy VCy VCx 虚通路 *69 n信元的复用与分用 n信元的 VPI/VCI 转换（就是将一 个入信元的 VPI/VCI 转换成新的 数值） n信元首部的产生与提取 n流量控制 ATM 层的功能 *70 (3) 物理层 物理层实现信元流和比特流的转换，以及在物理媒 体上正确传输和接收比特流。当使用光纤传输时，物 理层还必须完成从电信号到光信号（或反过来）的转 换。 ) ATM 层 物理层 ATM 适配层 (AAL 层) 3 2 1 ATM 的层次 *71 ATM 层和 AAL 层 n在 ATM 交换机中只有物理层和 ATM 层。 ATM 端点 AAL层 IP 层 物理层 ATM层 AAL层 IP 层 物理层 ATM层 ATM 网络 ATM 网络 交换机交换机 ATM 层 物理层物理层物理层 ATM 层 物理层 AT