《计算机网络教程》（谢希仁著）PPT电子课件教案-第6章广域网.ppt

第6章 广域网,6.1 广域网的基本概念 6.2 广域网中的分组转发机制 6.3 x.25分组交换网 6.4 帧中继fr 6.5 综合业务数字网isdn 6.6 异步传递模式atm,6.1.1 广域网的构成,当主机距离较远时,例如，几百公里，甚至几千公里时，就需要广域网。 广域网的构成：由一些结点交换机以及相应的链路组成。 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与多个结点交换机相连。,a,b,c,d,e,广域网,lan1,lan2,由局域网和广域网组成互联网,lan3,lan4,广域网与局域网之间采用路由器连接,区 别,1.连接技术的区别,局域网采用的多点接入技术 广域网结点之间采用点到点连接,2.协议层次上,局域网主要在数据链路层 广域网主要在网络层,6.1.2 数据报和虚电路,从层次上看，广域网中的最高层就是网络层。网络层为连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。这两种服务具体的实现就是通常所说的数据报（datagram）服务和虚电路（virtual circuit）服务。,1.无连接的网络服务,特征： 1）数据发送的随意性 2）每个分组独立选择路由 3）不可靠服务,h1,h5,数据报的传输方式：每个分组都带有目的站的地址，独立地选择路由，各分组可能走不同的路径，按不同的顺序到达目的站。到达目的站后，由主机将分组重新排序、组装成报文。另外 ，当网络发生拥塞时，网络中的某个结点可能将一些分组丢弃。 所以，数据报只是尽最大努力交付，提供的服务是不可靠的。如ip,2.面向连接的网络服务,h1,h5,虚电路的数据传输方式： 探路：源主机先发送一个呼叫请求分组，带有目的站地址，进行路由选择后到达目的站，找到一条合适的路径。若目的主机同意，就发回响应，然后双方就建立了虚电路，并可以传送数据。 传数据：所有的数据分组都带上虚电路号沿着这条虚电路按序传送； 断开：传送完毕，释放。 所有数据分组沿同一路径按序到达，可靠性高。,虚电路和电路交换的区别: 电路交换：二个用户通信时始终占用一条端到端的物理信道；整个物理信道是专用的。 虚电路：采用的是存储转发的分组交换方式，只是断续地占用一条一条的链路。整个物理信道是共享使用的。,数据报和虚电路优缺点,1）从速度上考虑：主机在网络上传送的报文长度，在很多情况下都很短。若采用128个字节为分组长度，则往往一次传送一个分组就够了。这样，用数据报既迅速又经济。若用虚电路，为了传送一个分组需建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。长分组？ 2）从开销上考虑：为了在交换结点进行存储转发，在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。但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信息，而仅需要有很简单的虚电路号码的标志，这就使分组的控制信息部分的比特数减少，因而减少了额外的开销。,3）对待差错处理和流量控制，这两种服务也是有差别的。在使用数据报时，主机承担端到端的差错控制和流量控制。在使用虚电路时，网络应保证分组按顺序交付，而且不能丢失、不重复，并维护虚电路的流量控制。 4）对故障的适应性考虑：数据报服务对军事通信有特殊的意义。这是因为每个分组可以独立地选择路由。当某个结点发生故障时，后续的分组很快另选路由。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，需较长时间。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）。,虚电路与数据报对比,6.2.1 在结点交换机中查找转发表 局域网中由于不需要进行路由选择，其地址采用了平面地址，结构比较简单。但在广域网中，分组往往要经过许多的结点交换机的存储转发才能到达目的地。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。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结构的地址。,6.2广域网中的分组转发机制,最简单的层次结构地址就是将表示的主机地址划分为前后两部分。前一部分表示该主机所连接的交换机的编号，是第一层地址；而后一部分表示所连接的交换机的端口号，或主机编号，是第二层地址。,交换机的编号 交换机端口的编号,第一层地址 第二层地址,主机在广域网中的地址和交换机中的转发表,2,1,2,2,1,1,3,2,3,3,交换机2的转发表,1,3,目的站为3,2,交换机号,交换机的端口号,2.按照目的站的交换机号确定下一跳,在确定下一跳时，可以不必根据目的站的完整地址，而是仅仅根据目的站地址中的交换机号。当分组到达目的交换机后才用到端口号。因此，对p144，图64中交换机2的转发表可进行简化。,6.2.2路由表的简化,1,2,在研究广域网的路由问题时，可用图论中的“图”表示整个广域网： 结点 表示结点交换机 边 表示广域网中的链路,图a,每个结点的转发表,结点1,结点2,结点3,结点4,表示本交换机,转发表进一步简化,结点1,进一步化简,*表示其余的默认路由,默认路由： 1）用一个默认路由代替所有的具有相同“下一站”的项目 2）默认路由比其他项目的优先级低 3）若转发分组时找不到明确的项目对应，就使用默认路由,6.3 x.25分组交换网,是ccitt在1976年根据x.25建议书实现的计算机网络。x.25广泛应用于：公用分组交换网. 适用于：低中速线路64kbps。 现在已经有性能更好的网络逐渐取代它，如帧中继fr。,x.25只是一个对公用分组交换网接口的规约。x.25提供面向连接的虚电路服务。,x.25接口,一个dte同时和另外两个dte进行通信。虚线代表两条虚电路。图中还有三个dte与dce的接口。,x.25层次关系,x.21,lapb,逻辑信道,lapb即平衡型链路接入规程,至远程用户进程,x.25虚电路图,x.25采用虚电路方式的原因：在20多年前，计算机的价格昂贵，许多用户只用得起廉价的哑终端。当时通信线路的传输质量一般都很差，误码率较高。x.25网的设计思路是将智能做在网络内。x.25网在每两个结点之间的传输都使用带有编号和确认机制的hdlc协议，而网络层使用具有流量控制的虚电路机制，可以向用户的哑终端提供可靠交付的服务。 但到了20世纪90年代，通信主干线已大量使用光纤技术，数据传输质量大大提高，使得误码率降低好几个数量级，而x.25十分复杂的数据链路层协议和分组层协议已成为多余。pc机的价格急剧下降使得哑终端的使用量逐渐减少。,internet的设计思想：网络应尽量简单而智能应尽可能放在网络以外的用户端。虽然internet只提供尽最大努力交付的服务，但具有足够智能的用户pc机完全可以实现差错控制和流量控制，因而internet仍能用户提供端到端的可靠交付。 当利用x.25网来支持因特网服务时，x.25网就表现为数据链路层的链路。下图中x.25虚电路就相当于ip层下面的数据链路层。,x.25虚电路, 6.4 帧中继,6.4.1 帧中继概述 帧中继工作原理：由于大量使用光纤技术，数据传输质量大大提高，误码率降低。因此，帧中继采用快速分组交换技术。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，称为流水线方式。从而使帧的处理时间比x.25网减少了一个数量级。 帧中继网络本身的误比特率非常低时，帧中继技术才是可行的。 帧中继大大简化了x.25的差错控制和流量控制功能，由高层来负责。帧中继网络只有最低二层，没有网络层。,一般分组交换网的存储转发和帧中继比较,一般分组交换网，每一个结点在收到一个数据帧后都要发回确认帧，而目的站在向源站发回确认时，也要逐站进行确认。而对于帧中继，它的中间站只转发数据帧而不发送确认帧。只有目的站收到数据帧后才向源站发回端到端的确认。因此帧中继在数据传输的过程中省略了很多确认过程。,源站,源站,中间结点,中间结点,中间结点,中间结点,目的站,目的站,一般分组交换网存储转发,帧中继存储转发,二、帧中继所提供的服务 帧中继向上提供面向连接的虚电路服务，虚电路分： 永久虚电路(pvc)：是指在帧中终端用户之间建立固定的虚电路连接，并在其上提供数据传输业务。 交换虚电路(svc)：是指在两个帧中继终端用户之间通过虚呼叫建立虚电路连接，通信完后终止虚电路。,局域网上的主机跨越帧中继通信的过程： 发送过程：用户局域网上传送的mac帧传到路由器时，路由器剥去mac帧的首部，将ip数据报交给网络层。网络层再将ip数据报交给帧中继网卡，将ip数据报加以封装，加上虚电路号等，然后发给帧中继网络。 接收过程：略,x.25虚电路,lan2,lan1,帧中继服务的几个主要组成部分,1）用户要通过帧中继用户接入电路才能连接到帧中继网络。常用的用户接入电路的速率是64kb/s和2.048mb/s(或tl速率1.544mb/s) 2)帧中继用户接入电路又称为用户网络接口uni。 3）一个uni中可以有一条或多条虚电路。 4）每一条虚电路都是双向的，并且每一个方向都有一个指派的许诺的信息速率cir。 5）为了区分开不同的永久虚电路pvc，每一条pvc的两个端点都各有一个数据链路连接标识符dlci。,帧中继的主要优点,减少网络互连的代价。多条逻辑连接可复用到一条物理连接上。 网络的复杂性减少但性能却提高了。 从x.25升级到帧中继较方便。 独立于上层协议，上层可采用多种协议（如ip、ipx等）。可用作主干网。,帧中继与分组交换的比较,分组交换 帧中继 1.差错控制 完全的 简单的 2.分组的重发处理 有 无 3.中间结点的 需要 不需要（最后由 每帧确认 目的站一次确认） 4.流量控制 有 无,6.4.2 帧中继的帧格式,1,1,24,2,可变长（10244096）,字节,地址：为2 - 4个字节。其中的几个重要部分是： 数据链路连接标识符dlci：主要用于标识虚电路(pvc) 前向显式拥塞通知fecn：置为1表明与该帧在同方向传输的帧可能受网络拥塞的影响而产生时延。 反向显式拥塞通知becn：置为1即指示表示与该帧反方向传输的帧可能受网络拥塞的影响而产生时延。 丢弃指示de：表示帧的优先级，0表示高，1表示低。在网络发生拥塞时首先丢弃d为1的帧。,6.4.3 帧中继的拥塞控制,1.帧中继使用的拥塞控制方法有以下三种： （1）丢弃策略。当拥塞足够严重时，网络就要被迫将帧丢弃。 （2）拥塞避免。在刚一出现轻微的拥塞迹象时可采取拥塞避免的方法,通过fecn和becn。 （3）拥塞恢复。在已经出现拥塞时，拥塞恢复过程可以阻止网络的彻底崩溃，通过高层软件来实现。,2.承诺的信息速率 承诺的信息速率cir就是对一个特定的帧中继连接网络同意支持的信息传送速率。只要数据传输速率超过cir，在网络出现拥塞时就会遭受到帧的丢弃。,3.利用显式信令避免拥塞 在帧中继的地址字段中有两个指示拥塞的比特，即前向显式拥塞通知fecn和反向显式拥塞通知becn。当两个方向都没有拥塞时，则fecn和becn都应为0。反之，若这两个方向都发生了拥塞，fecn和becn都应置为1。,4.利用隐式信令进行拥塞恢复 当网络丢弃帧时就产生了隐式信令。这种情况由端用户用更高层的端到端协议进行检测。当检测到网络发生拥塞时，用户可以用改变流量控制窗口大小的机制来响应这种隐式信令。当拥塞发生时就逐步减小窗口，这样就可以逐渐减少网络中所传送的帧。,6.5 综合业务数字网isdn,6.5.1窄带综合业务数字网nisdn 一、 isdn的产生 isdn的概念产生于20世纪70年代。当时除了电话网、电报网、传真网等电路交换网络外，已经还有分组网、局域网等。人们开始感到对每一种新出现的服务都有单独建立网络不是一种好的做法。将各种网络信息数字化后，采用一个网络来传输，这就是综合业务数字网isdn。nisdn是一种数字化的电路交换网络。 isdn的特点是：用户经一个标准的用户网络接口接入网络后便可以享用各种类型的网络服务。,信令系统是电信网的神经中枢，它使交换机之间传递和交换必要的信息。 传统的电话网采用随路信令，即信令和话音在一条话路中传递，易受干扰。nisdn采用共路信令，即通过一条专门的通道来传送信令，可靠性更高。,家庭用的isdn,广域网,isdn交换机,isdn终端,isdn数字电话,本地回路,电信公司的设备,nt1,用户的设备,用户家庭,电信公司,te1,te1,te1,u,大型商用的isdn,广域网,isdn交换机,te1,本地回路,电信公司的设备,nt1,用户的设备,用户办公室,电信公司,te1,te1,te2,ta,nt2,u,t,s,s,s,r,pbx,te2为非数字终端设备，ta为终端适配器,nisdn的速率标准有两种： 1）基本速率接口。2b+d（264kbps+16kbps=144kbps） d信道16kbit/s数字信道，用于带外信令。 b信道64kbit/s数字pcm信道，用于语音或数字。 两个b信道，一个可用于讲话，另一个可用于传输数据。或两个同时用于传输数据。俗称“一线通”。家庭isdn拨号上网时采用。 2）一次群速率接口（主速率接口）。欧洲和我国采用e1标准，即30b+d 2.048mbps，美国和日本采用t1标准，即23bd1.544m，其中d为64k。,6.5.2宽带综合业务数字网bisdn,bisdn可在广域网上高达几十g的传输速率。与nisdn的区别如下： n-isdn是（数字）电路交换，即stm。而b -isdn则使用一种快速分组交换，称为异步传递模式atm。 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。但在b -isdn中，其用户环路和干线都采用光纤。 n-isdn各通路的比特率是预先设置的。但b-isdn的比特率只受用户到网络接口的物理比特率的限制。 n-isdn无法传送高速图像，但b -isdn可以传送。,6.6 异步传递方式atm,6.6.1 atm基本概念 异步传递方式atm（asynchronous transfer mode）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。 异步即时隙不固定，根据信源的速率动态分配。 数字电路交换是按时间片轮流发送，适时性强；分组交换是先到先服务，信道利用率高。atm具有两者的优点。,atm的主要优点： 1）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53个字节，首部长5字节。信元短且长度固定，数据的封装和转发可采用硬件实现处理，减少了时延。 2）能支持不同速率的各种业务。线路带宽按统计时分复用方式动态分配，高速率信源占用较多的时隙。 3）所有信息在最低层是以面向连接的方式传送，以保持电路交换适合于传送实时性很强的优点。 4）atm使用光纤信道传输。不必在数据链路层进行差错控制和流量控制。,atm的缺点：就是信元首部的开销太大，即5字节的信元首部在整个53字节的信元中所占比例太大。,6.6.2 atm的协议参考模型,atm适配层（aal层）,sar子层,cs子层,atm层,物理层,pmd子层,tc子层,atm协议参考模型与osi的七层协议模型没有严格的对应关系，大体上相当于osi的最低两层,atm各层功能,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子层，即pdm子层。 pdm子层的上面是传输汇聚子层，即tc子层。 （1）pmd子层，它负责在物理媒体上正确传输和接收比特流。如编码、解码、光电转换等。 （2）tc子层，它实现信元流和比特流的转换。如将信元流封装到stm-1帧中，见书p159图6-17。,2.atm层,主要完成交换和复用功能。 每一个atm连接都用信元首部中的标号来识别。标号包括虚通路标识符vci和虚通道标识符vpi。 一个虚通路vc是两个端点之间运送atm信元的一个通信通路。 一个虚通道vp包含有许多相同端点的虚通路，它们共用同一个虚通道标识符vpi。见书p160，图618,3.atm适配层,atm适配层记为aal（ atm adaptation layer），根据应用的不同，向上面高层提供各种不同的服务。 aal层又划分为两个子层：cs子层和sar子层。 汇聚子层cs：对不同的应用（如文件传送、视频点播等）提供不同的服务。 拆装子层sar：将数据拆分或组装成信元。 见书p161图6-19,6.6.3 atm信元结构：有两种不同的首部，分别对应于用户到网络接口uni和网络到网络接口nni。在这两种接口上的atm信元首部仅仅是前两个字段不同。,类属流量控制,有效载荷类型,信元丢失优先级,首部差 错控制,atm信元首部各字段作用,（1）类属流量控制gfc：4bit字段，通常置为0。 gfc用来在共享媒体上进行接入流量控制。 （2）vpi/vci：即路由字段。虚通路标识符vci占16bit，而虚通道标识符vpi