《计算机网络》PPT电子课件教案-第四章 广域网.ppt

第四章 广域网 广域网（wan, wide area network）是一种跨越大地 域的网络，通常覆盖一个国家。它包含想要运行用户 （即应用）程序的机器的集合。 4.1 广域网的基本概念 4.1.1 广域网的构成 构建广域网时，因为各种条件的限制，必须借助于公共传 输网络。 主机和子网之间的关系 4.1.2 广域网所提供的服务 广域网向上所提供的服务可以有两大类：面向无连接 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。 4.1.2 广域网所提供的服务 数据报服务（a）和 虚电路服务 (b) 从网络用户角度看网络提供的服务 虚电路与数据报的对比 4.2 路由选择 路由选择又称路径控制，是指网络中的结点根据通信 网络的情况（可用的数据链路，各条链路中的信息流量） ，按照一定的策略（传输时间最短，传输路径最短等）， 选择一条可用的传输路由，把信息发给目标dte。一个好 的路由算法应具有以下特征： 4.2 路由选择 正确性 简单性 鲁棒性（robustness） 稳定性 公平性 最优性。 路由选择算法可分为两大类：非适应式路由选择算法 和适应式路由选择算法。 非适应式路由选择算法也叫静态路由算法，静态路由 是指由网络管理员手工配置的路由信息，该路由表在系统 启动时被装入各个结点（路由器），并且在网络的运行过 程中一直保持不变。 自适应路由选择算法也称为动态路由选择算法，它总 是根据网络当前流量和拓扑来选择最佳路由，当网络中出 现故障时，自适应路由算法可以很方便地改变路由，引导 分组绕过故障点继续传输。 4.2.1 非适应式路由选择 1固定路由法 固定路由法的基本思想是在每个结点上建立一张路由 表，表中指出对每一个目的站地址应从哪一条链路进行转 发。建立路由表是根据网络内任何两个结点之间的最短路 径，事先计算好最短路径，然后将其做成路由表，存放在 各个结点中。当网络拓扑固定不变并且通信量也相对稳定 时，采用固定路由法是最好的。 求最短路径的算法是由dijkstra提出的。令d（v）为源结 点（结点1）到结点v的距离，它就是沿某一通路的所有链 路的长度之和。再令l（i，j）为结点i至结点j之间的距离 。整个算法分为两步： 初始化。令n表示网络结点的集合。先令n=1。对所有 不在n中的结点v有 1（1，v） 若结点v与结点1直接相连 d（v）= 若结点v与结点1不直接相连 寻找一个不在n中的结点w,其d（w）值为最小。把w加入 到n中。然后对所有不在n中的结点，用d（w）, d（w） +l(w,v)中的较小的值去更新原有的d（v） 值，即： d（v）mind（v）, d（w）+l(w,v) 重复第步，直到所以的网络结点都在n中为止。 1（1，v） 若结点v与结点1直接相连 d（v）= 若结点v与结点1不直接相连 步骤nd(2)d(3)d(4)d(5)d(6) 初始 化 1251 11,4242 21,4,52314 31,2,4,53124 41,2,3,4,52124 51,2,3,4,5,62312 2分散通信量法 基本思想是：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个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。 分散通信量法确定路由 3洪泛法（flooding，也叫扩散法） 洪泛法（最简单的路由算法）的思想是：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。当然不能再把这个分组发到它刚刚离开的那 个结点，否则就永远有一些分组来回不停地在各条链路上“ 振荡”。 4随机走动法(random walk) 随机走动法又称为随机徘徊，其思想事当分组到达某一 结点时，就随机地选择一条链路作为转发的路由。 4.2.2 适应式路由选择 1分布式路由选择 策略是：每个结点周期性地从相邻结点获得网路状态相 信，同时也将本结点作出的决定周期性地通知周围各结点 。（所有结点周期性地与其每个相邻结点交换路由选择信 息）以使这些结点不断的根据网络新的状态更新其路由选 择决定。 在分布式路由选择策略中，最基本的算法有以下两个: （1）距离矢量路由算法 在距离矢量路由算法中，每个路由器维持有一张子网中 每一个以其他路由器为索引的路由选择表。表中的每一个 入口都对应于子网中的一个路由器。此入口包括两个部分 ，即希望使用的到目的地输出线路和估计到达目的地所需 的时间或距离。 （1）距离矢量路由算法 算法假设每个结点知道自己到相邻结点的距离，每隔 一段时间，每个结点就向它的所有相邻结点发送一个距离 列表（也称距离矢量），通报从本结点到各个目的结点的 估算距离，同时它也收到各相邻结点发给它的距离列表。 距离列表也就是各个结点（路由器）的路由表。 距离矢量路由算法示例 距离向量路由算法在理论上行得通，但在实际应用中却 有缺陷，它对好消息能迅速做出反应，而对坏消息的反馈 则非常缓慢。 距离矢量路由选择算法慢收敛示例 为避免对坏消息的反馈非常缓慢的问题，可采用水平分 割算法，它的基本思想是在发送路由更新消息时进行限 制。即到x的距离不应在测算到x距离的线路上报告。因 此水平分割算法中节点不向相邻结点报告那些从该相邻 结点了解到的路由信息。 典型的距离向量路由算法有rip（routing information protocol）。 （2）链路状态算法 距离矢量路由算法不足的原因有两个：第一，因为延迟 量度是队列长度，在选择路由时，并没有将线路的带宽考 虑进去。第二，算法往往消耗过多的时间用于记录信息， 算法收敛速度过慢。因此，它被链路状态路由算法所代替 。 （2）链路状态算法 链路状态路由算法的基本思想是：通过各个结点之间的路 由信息交换，每个结点可获得关于整个网络的拓扑信息， 得知网络中所有结点之间的链路连接和各条链路的代价（ 延迟、开销等），然后将这些拓扑信息抽象成一张带权无 向图，然后利用最短路径路由算法计算出到各个目的结点 的最短路径。 链路状态路由算法分为如下5个部分。 每个结点必须找出它的相邻结点，并知道其网络地址； 每个结点必须确定到这些相邻结点的延迟或开销； 每个结点必须将以上的信息构造成链路状态分组； 每个结点必须将链路状态分组发给网上的所有结点； 每个结点必须利用收到的链路状态分组计算到各目的结 点的最短路径。 构造链路状态分组示例 在链路状态路由选择算法中，每个结点只发布与它直接 相连的链路的状态，每个结点在计算路由时，依据的是整 个网络拓扑信息而不是网络某个局部的信息，这样计算出 来的路由无疑是当前最佳的路由。 这种路由算法的缺点是需要较大的存储空间存放所有结点 发来的链路状态分组，而且路由计算时间也比较长。 2集中式路由选择 集中式路由选择策略的核心是网控中心ncc。ncc负责 全网状态信息的收集、路由计算以及路由选择的实现。 2集中式路由选择 最大好处是：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。同时还消除了路由不断变来 变去的“振荡”现象，还可起到对进入网络的通信量的某种 流量控制作用。 2集中式路由选择 但存在着两个较严重的缺点：一个缺点是在离ncc较 近的地方通信量的开销较大。另一个更严重的缺点是可靠 性问题。 3混和路由选择 从原则上讲，在一个网络中可以将一些不同类型的路由 选择策略混和。这时只要在每一个结点明确定义出：对于 何种类型的通信量、负荷以及网络的连通条件，应当采用 何种的路由选择策略。 4.3 流量控制和拥塞控制 4.3.1概述 将网络吞吐量随输入负载的增大而下降的现象称为网络拥 塞。若网络的输入负荷继续增大，到了一定程度，其吞吐 量下降为零，此时网络完全不能工作，这种现象称为死锁 。 4.3 流量控制和拥塞控制 通信量控制的目的是为了有效低动态分配网络资源，其功 能如下。 （1）防止网络因过载而引起吞吐量下降和延时的增加； （2）减少拥塞，避免死锁； （3）在互相竞争的用户之间公平合理地分配资源。 通信量控制是控制网络的输入/输出数据量，包括流量控制 和拥塞控制。 4.3.2 流量控制 1流量控制概述 （1）流量控制的引入 网络中需要传输的信息量经常大于网络的传输能力,由此 可能引起的后果如下: 信息传输时延增加 发生“网络拥塞” 形成“网络死锁” 产生“网络拥塞”和“网络死锁”状态的根本原因在于： 网络中共享资源的数目或能力有限，不能满足网络用户的 需要，惟一行之有效的方法是在网络中增设流量控制机制 ，以随时用它来控制同等实体之间的信息流量，适当控制 （n）实体与（n-1）实体之间传送的信息流量使之既充分 利用传输信道。 （2）多级流量控制 各级流量控制的主要任务都是使从源结点发出的信息流 （帧、分组或报文）不超过目标结点的招收能力，而且还 应保证不超过连接这些结点的传输线的传输能力。 最低级流量控制fc1 次低级流量控制fc2 第三级流量控制fc3 第四级流量控制fc4 （3）流量控制的机制 流量控制命令机制 滑动窗口机制 入网的信息流量控制机制 （a）许可证法 （b）限制队列长度法 2相邻结点间的流量控制 该机制通常设置在数据链路层，用于监视和控制本结点 中缓冲区的使用。最常用的流量控制机制有以下两种: （a）流量控制命令机制:如利用rr帧与rnr帧来调节相邻节 点之间所传输的帧流量。 （b）滑动窗口机制 （1）滑动窗口机制 滑动窗口 （a）窗口大小 （b）窗口前沿wf （c）窗口前沿的滑动 （d）窗口后沿的滑动 滑动窗口举例 （2）直接存储-转发型死锁 死锁的形成 在分组交换网中有两个相邻节点，在每个节点中都有一 个公用缓冲池。如果池中的缓冲区已全部被要求发往对方的 分组所占用，而无空缓冲区来接收从对方发来的分组，此时 ，双方之间便无法再进行通信，即进入死锁状态，称这种情 况为“直接存储-转发型死锁” 。 直接存储-转发型死锁 死锁的预防 （a）为每一条链路上的进程配置一定数量的缓冲区，这些 缓冲区不允许其他链路的进程使用； （b）如果在结点中使用的是公用缓冲池，系统只允许任何 进程使用一定数目的缓冲区，而留有足够的缓冲区给其他 进程使用。 （3）间接存储-转发型死锁 死锁的形成 间接存储一转发型死锁 死锁的预防 为了避免发生间接存储-转发型死锁，目标dce在分配缓冲 区时应以报文为单位。 3源dce-目标dce流量控制 （1）源dce-目标dce流量控制的引入 源dce-目标dce流量控制机制是设置在网络层的。引入这 一级流量控制的原因: 限制dce发送的速率 多路复用功能的需要 有效地利用通信信道 （2）流量控制机制 流量控制分组机制 滑动窗口机制 预分配缓冲区机制 （3）重新组装型死锁 死锁的形成 在目标dce中，已经接收了若干个分组，但由于分组尚未 到齐而未能构成报文时，它们都将继续留在组装队列中等 待。若这些队列已占用了该结点中全部可利用的缓冲区， 则一方面将使得这些报文因尚未完成组装而不能发往目标 dte，其所占用的缓冲区再来接收新的分组，而致使上述的 报文组装无法完成，即两者相互制约。 重新组装型死锁示例 死锁的预防 为了避免发生重新组装型死锁，目标dce在分配缓冲区 时应以报文为单位。 4源dte-源dce流量控制 （1）许可证法 （2）限制输出队列的长度 （3）间接存储-转发型死锁 死锁的形成 死锁的预防 为了避免发生间接存储-转发型死锁，目标dce在分配缓冲区时应以 报文为单位。 间接存储一转发型死锁 4.3.3 拥塞控制 1拥塞控制的意义 若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可 用部分，网络的性能就要降低，这种情况就叫做“拥塞” 。可以将出现资源拥塞的条件写成如下的公式： 对资源的需求可用资源 4.3.3 拥塞控制 1拥塞控制的意义 拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受 现在的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到 所有的主机所有的路由器，以及与降低网络传输性能有 关的所有因素。 拥塞控制所起的作用 当网络负载达到某一数值时，网络的吞吐量反而随着网 络负载的增大而下降，这时网络就进入了拥塞状态。 当网络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”。有一种 死锁是由于路由器的缓冲区拥塞而引起的重装死锁: 重装死锁举例 在分组交换网中，网络性能恶化有时是由于网络的资源 被浪费了。最常被浪费的网络资源是通信信道容量和结点 的存储空间。 输入负载增大时网络吞吐量下降 2拥塞控制的一般原理 可以从控制理论的角度来考虑拥塞控制这个问题。从大的 方面看，可以分为开环控制和闭环控制两种方法。 开环控制方法指在设计网络时事先将有关发生拥塞的因 素考虑周全，力求网络在工作时不产生拥塞。一旦整个系 统运行起来，就不再中途进行改正了。 2拥塞控制的一般原理 闭环控制是基于反馈环路的概念。属于闭环控制的措 施有以下一些。 监测网络系统以便检测出拥塞在何时、何处发生； 将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方； 调整网络系统的运行以解决出现的问题。 4.4 x.25建议 1概述 x.25议是itu-t关于公用数据网上以分组方式工作的 dte与dce之间的接口标准，其功能是为公用数据网在分组 交换方式下提供终端操作，它不涉及通信子网的内部结构 。 4.4 x.25建议 x.25协议接口 2x.25的层次结构 x.25的层次 （1）物理层 用于建立、维护和拆除在dte和dce之间的物理连接。该 接口与x.21建议相一致，规定使用同步操作，传输速率为 600bit /s、2,400bit /s、4,800bit /s、9,600 bit /s和 4,000bit /s。x.21建议规定的电气接口线除地线外还有6 根信号线， （2）数据链路层 数据链路层也即帧层，该层协议是hdlc规程中的一个子 集，用于保证dte和dce之间正确地交换数据，并规定每 一帧中只装载一个分组跨过x.25接口。 x.25帧层协议的命令和响应 (3)分组层 第三层是分组层协议，负责安排管理dte之间的虚电路连 接。x.25有两种vc：虚呼叫（virtual calls）,永久虚电 路（permanent virtual circuits）。在使用虚电路（虚 呼叫）工作时，整个通信过程分为3个阶段：呼叫建立阶段 、数据传送阶段和虚电路释放阶段。 3x.25的报文分组格式 数据链路层信息的传输与处理是以帧为基本单位。网络 层处的传输是以分组为基本单位，因此，应将分组嵌入信 息帧中的信息段里。目前，x.25中规定：一个信息帧 中只能放一个分组。分组由分组头和数据两部分组成，所 有的分组头都包含这样3项：一般格式标识、逻辑信道标识 和分组类型标识。 分组的格式 4x.25网络与字符方式终端的连接 为了解决字符方式终端不能直接与x.25网络相连的问题 ，itu-t制定了关于分组装拆器pad(packet assembler/disassembler)的3个建议书x.3，x.28和x.29 。pad的作用主要是为了适应以下两种情况: 许多字符方式终端不能像一个主机那样实现x.25协议， 但pad则提供了智能，使这些终端能够用x.25协议同网上的 其他主机通信。 终端的种类繁多，性能各异, pad则考虑到了这一点， 它提供了许多参数可供各种不同的字符方式终端来选择， 使它们都可以很方便地接入到x.25网中。 pad 和 x.3,x.28以及x.29 关系 4.5 公用分组交换网 1概述 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，将它们转发至目的地，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 。 （1）分组交换与其他交换的比较 电路交换 报文交换 分组交换 异步传输模式（atm） （2）分组交换的特点 线路利用率高 信息传输可靠性高 分组多路通信 计费与传输距离无关 （3）分组交换的网络结构 分组交换机功能 网络管理中心（nmc） 远程集中器（rcu） 分组装拆设备（pad） 分组终端/非分组终端（pt/npt） 传输线路 2分组交换应用 （1）分交提供的 两种基本业务功能： 交换虚电路指在两个用户之间建立的临时逻辑连接 。 永久虚电路指在两个用户之间建立的永久性的逻辑 连接 （2）分组交换在商业中的应用 （3）分组交换在其他领域中的应用 （4）虚拟专用网 3中国公用分组交换网现状 （1）用户进网方式 电话拨号入网 专线入网 （2）分组交换在现阶段的作用 4.6 公用数字数据网 1概述 数字数据网ddn（digital data network）主要利用数字 信道提供永久或半永久性电路，是以传输数据信号为主的 数字传输网络。 ddn的基本组成单位是结点，结点间通过光纤连接，构成 网状的拓扑结构，用户的终端设备通过数据终端单元（dtu ）与就近的结点机相连。 2ddn网络的特点 （1）传输速率高 （2）传输质量较高 （3）协议简单 （4）灵活的连接方式 （5）电路可靠性高 （6）网络运行管理简便 3ddn网络的结构 ddn网络结构示意图 dte：数据终端设备。 dsu：数据业务单元。 nmc：网管中心。 dte和dsu主要功能是业务的接入和接出。 按照网络的基本功能ddn网又可分为 : 核心层 接入层 用户接口层 4ddn网络的应用 （1）ddn网络提供的业务 为分组交换网、公用计算机互联网等提供中继电路。 可提供点对点、一点对多点的业务 提供帧中继业务，扩大了ddn的业务范围。 提供语音、g3传真、图像、智能用户电报等通信。 提供虚拟专用网业务。 （2）ddn网络在计算机联网中的应用 ddn作为计算机数据通信联网传输的基础，提供点对点、 一点对多点的大容量信息传送通道。 此外，通过ddn线路进行局域网互联的应用也较广泛。 （3）ddn网在金融业中的应用 （4）ddn网在其他领域中的应用 5中国公用数字数据网（chinaddn）的网络现状 中国公用数字数据骨干网（chinaddn）于1994年正式开通 ，并已通达全国地市以上城市及部分经济发达县城。它是 由中国电信经营的、向社会各界提供服务的公共信息平台 。chinaddn网络结构可分为国家级ddn、省级ddn、地市级 ddn。 6ddn网络的发展方向 4.7 帧中继网络 帧中继（frame relay）是使局域网及其应用互联的一种 协议。帧中继是由x.25建议发展而来的，是轻型化的x.25 。 帧中继是一种很重要的广域网技术。它是在需要通信的工 作站之间创建虚电路的面向连接的技术，它提供永久虚电 路pvc（permanent virtual circuit）和交换虚电路svc（ switched virtual connection）两种类型的服务。 4.7.1 帧中继的基本原理 帧中继技术本质上仍是分组交换技术，它沿用了分组交 换把数据组成帧，以帧为单位进行发送、接收和处理。 帧中继的原理很简单，不妨认为传送帧基本上不会出错 ，只要一知道帧的目的地址就立即开始转发该帧。也就是 说，一个结点在接收到帧的首部后，就立即开始转发该帧 的某些部分。 帧中继与osi参考模型的对应关系 帧中继舍弃了x.25的分组级协议，取消了差错恢复等 规程，将差错控制的职责交给传输层处理。因此，帧中 继协议和osi的物理层和数据链路层相对应，帧中继实 际上是对x.25协议的一种改进与简化。 一般分组交换网与帧中继方式在层次关系上的比较 （a）一般分组交换网 （b）帧中继 一般分组交换网的存储转发方式与帧中继方式的对比 （a）一般分组交换网 （b）帧中继 帧中继的帧结构如图所示，它由帧头字段和信息字段组 成，帧头有2 b: 帧中继的帧结构 数据链路连接标识dlci (data link connection identifier), 当采用2 b地址时，dlci长10 bit。它用于标识永久虚电路 pvc（permanent virtual circuit）、呼叫控制和管理信息: 范 围使 用 说 明 0为呼叫控制信令保留 115保留 161007分配给永久虚电路pvc 10081022保留 1023本地网络管理接口 帧中继的dlci的说明 命令/相应位c/r，长1 bit。 扩展地址ea，长1 bit。通过ea可将帧头扩展至34 b。 前向显式拥塞通知fecn（forward explicit congestion notification），长1 bit。 后向显式拥塞通知becn（backward explicit congestion notification），长1 bit。 丢弃资格指示de（discard eligibility），当用户置 为1，表明 在网络发生拥塞时，为了维持网络的服务水平 ，该帧将首先被丢弃。 x.25网的主要特性有以下3点: 由于建立和拆除虚电路的呼叫控制分组和数据分组在同 一通道和 同一虚电路上传输，其结果是占用了通道频带。 虚电路的复用发生在第3层。 在第2层和第3层都需要流量控制和差错控制的机制。 分组交换和帧中继比较 帧中继与x.25分组交换的最主要区别有以下3点: 载送呼叫控制信令的逻辑连接和用户数据是分开的。因 此中间结点无需为每个连接的呼叫控制保持状态表。 逻辑连接的复用和交换发生在第2层，而不是第3层，从 而减少了理的层次。 结点-结点这间毋需流量控制和差错控制，由高层负责 端-端的流量控制和差错控制。 4.7.2 帧中继网络的组成及用户接入 帧中继服务的几个主要组成部分 如图所示为帧中继协议的体系结构，它包括两个操作平面 ： 控制平面，即c平面。用于建立和释放逻辑连接。c平 面协议在用户和网络之间操作。 用户平面，即u平面。用于传送用户数据。u平面协议 则提供端端的功能。 帧中继提供面向连接的数据链路层服务，具有下列特点。 保持网络入口处和出口处所传输的帧的顺序； 保证不交付重复帧； 帧丢失率很小。 4.7.3 帧中继业务应用 使用帧中继实现局域网互联 帧中继还可以用于以下业务。 文件传输 支持多个低速设备的复用 字符交互 块交互数据 4.8 atm网络 4.8.1 atm网络概述 异步传输模式atm又称信元中继（cell relay），是一种 使用异步时分复用的面向分组的特定传输方式，它也利用了 分组网中的虚电路概念，可以较好的对宽带信息进行交换。 它具有以下几个方面的优势。 4.8 atm网络 它支持端到端的解决放案，支持从局域网到广域网的应 用，统一了网络结构； 传输速率高，从（25622）mbit/s，甚至可扩展到几 个gbit/s； 支持多媒体技术，能满足从数据、语音到视频等传输的 需要； 在具有不同要求的用之能均匀地共享网容 量和，减少了网塞。 4.8.2 atm的信元结构 atm的特点是使用53字节的信元作为信息传输单位。53字 节被分成5字节的头部和称为载荷的4