大学计算机网络技术及实训-张蒲生-大学教学资料课件PPT
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大学计算机网络技术及实训-张蒲生-大学教学资料课件PPT,大学计算机,网络技术,张蒲生,大学,教学,资料,课件,ppt
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计算机网络技术及实训,张蒲生 主编 中国水利水电出版社,2,第5章 使用操作查询更新数据,5.1 网络互连与广域网,5.2用路由器互连网络,5.3广域网技术,5.4接入网技术与应用,3,5.1 网络互连与广域网,5.1.1 广域网的基本概念 广域网是地理分布范围在几十公里至几千公里，可以连接不同城市、不同国家、遍及全球的计算机网络。广域网可看作是局域网利用公用通信网络、互连设备连接起来的、可以实现远距离数据通信的计算机网络。 1. 广域网的构成 广域网是由结点交换机和连接这些交换机的通信链路所组成。在通信距离大于几十公里时，局域网显然不能完成这样的数据通信任务，必须由一种新的网络结构来实现，这就是广域网。,4,5.1 网络互连与广域网,利用公用通信网络、结点交换机、路由器将多个局域网与广域网连接起来构成互连网络的原理示意图如图所示。,5,从OSI模型来看，局域网仅在底部两层实现小范围的数据通信，要将通信范围扩大，利用公用电信网、互连设备将地理上相距甚远的局域网连通，实现距离不受限制的数据通信，网络与网络之间的互连就显得更为重要。因此，广域网的主要问题在网络层，如何将源网络发出的数据分组经过通信网络传送到目的网络；在传送过程中，选择最佳路径和相应的流量控制、拥塞控制，就是网络层协议要解决的具体问题。这里的源网络、目的网络一般是指局域网。 广域网中，结点交换机是公用通信网络的核心部件，其用途就是将某一端口来的信号转发到相应的输出端口上；在公用电话网的早期，这种转接工作是手工完成的，由操作人员在开关板上扳动开关、实现转接；很快，自动专用交换机PABX(Private Automatic Branch eXchange)代替了手工操作，PABX是采用机电一体化技术制造出的产品。,5.1 网络互连与广域网,6,计算机交换分机CBX能够将模拟声音通信与数据通信综合在一个系统中。CBX系统的核心是一种数字开关网络，对数字信号-比特流进行操作和交换。采用数字化的交换方法有如下显著优点： 数字技术的操作与交换易于用软件和硬件联合实现更精确、更可靠的控制。 采用时分多路复用技术，能更有效地利用内部信道资源。 有利于进行数字化控制信号的交换与传输。 数字化信号易于实现加密处理，保障信息安全。,5.1 网络互连与广域网,7,2. 广域网所提供的服务 源网络发出的数据分组经广域网传送，在如何到达目的网络的传送方式上有两种形式。一种是先建立连接、再按既定路径传送的虚电路方式，另一种是不用建立连接、直接传送的数据报方式。这就是广域网提供的两种服务-面向连接的服务和面向无连接的服务。数据报传送方式和虚电路传送方式的示意图如图所示。 在图5-2(a)中，由H1主机发出的多个数据分组沿不同路径到达目的主机H5，图中用带箭头的空方框表示。由H2主机发出的多个分组沿不同路径到达目的主机H6，图中用带箭头的虚线方框表示。这种自行选择传送路径的数据分组称为数据报，源主机不用与目的主机建立联系，直接将数据分组发送到通信网络上。由沿途各结点交换机根据数据分组中的目的地址、通信链路的“闲”“忙”状态复制转发到相应的输出链路上，各个数据分组通过不同的路径到达目的主机。,5.1 网络互连与广域网,8,这种数据报传送方式的好处至少有二：一是不用预先建立源、目的主机之间的联系，省去建立连接的时间，比较经济；二是各个分组自行选择路径，可灵活、迅速到达主机，通信链路出现局部故障也不影响数据通信，这对通信可靠性要求较高的场合-如军用通信中，显得非常重要。但数据报传送方式存在分组无序到达、丢失、重复等问题，这也是在所难免的，因而数据报方式与面向连接的虚电路方式相比，通信质量要差一些，适合于小批量、短时间的突发式通信。,5.1 网络互连与广域网,9,在图5-2(b)中，源主机H1要向目的主机H5发送数据，先建立通往H5的通信链路，H1ABEH5，然后，数据分组按顺序沿既定路径经过指定交换机到达目的主机，通信完毕，还要拆除所建立的通信链路，释放资源；同理，源主机H2向目的主机H6的通信链路是H2BEH6。,5.1 网络互连与广域网,10,这种虚电路传送数据分组的过程与电路交换方式的过程完全相同，都是建立连接、传送数据、拆除连接三个步骤。但是，虚电路方式对通信链路的占用是逐段进行的，当它传送数据在某一段链路上时，其它各段链路仍可为其它通信所用；因此，通信过程和与电路方式一样、但在通信期间又不独占全部通信链路资源，因此称之为“虚电路”。 虚电路方式通信时，各个数据分组是按预定路线顺序传送的，没有失序、重复、丢失数据分组等问题出现，通信质量比较高；但虚电路方式也有其固有缺点：对小批量、短时间的突发式通信，建立、拆除连接相对费时、不经济，当预定链路故障时，整个通信失败。因此，虚电路方式适合于长时间、大批量的数据通信，在租用专线接入网络时，常采用所谓的“永久虚电路”方式进行通信。,5.1 网络互连与广域网,11,5.1.2 网络互连的基本概念 互连网络是指将分布在不同地理位置的网络、设备连接起来，以构成更大规模的网络，最大程度地实现网络资源的共享。,5.1 网络互连与广域网,12,1. 局域网与局域网互连 在实际的网络应用中，局域网局域网之间的互连是最常见的一种。由于局域网种类较多(如令牌环网、以太网等)，使用的软件也较多，因此局域网的互连较为复杂。但可以大致分为以下两种： 同型局域网互连 同型局域网互连是指符合相同协议的局域网之间的互连，例如两个以太网之间的互连，或两个令牌环网之间的互连。 异型局域网互连 异型局域网互连是指使用不同协议的局域网之间的互连，例如一个以太网和一个令牌环网之间的互连，或者一个以太网与一个ATM网络之间的互连。,5.1 网络互连与广域网,13,2. 局域网与广域网互连 局域网与广域网的互连也是常见的一种方式之一，它们之间的连接可以通过路由器或者网关来实现。例如，目前不少企事业都已建好了内部局域网，但随着Internet的迅速发展，仅搭建局域网已经不能满足众多企业的需要，有更多的用户需要在Internet上发布信息，或进行信息检索，将企业内部局域网接入Internet已经成为众多企业的迫切要求。 将局域网接入Internet有很多种方法，如采用ISDN(或普通电话拨号)+代理服务器软件Wingate或网关服务器软件Sygate、DDN专线及ADSL等。,5.1 网络互连与广域网,14,3. 局域网-广域网-局域网互连 局域网-广域网-局域网互连是指将两个分布在不同地理位置的局域网通过广域网实现互连，这也是常见的网络互连类型之一。局域网-广域网-局域网互连也可以通过路由器或者网关来实现。 局域网-广域网-局域网互连模式正在改变传统的接入模式，即主机通过广域网的通信子网的传统接入模式，而大量的主机通过组建局域网的方式接入广域网将是接入广域网的重要方法。,5.1 网络互连与广域网,15,4. 广域网与广域网互连 广域网与广域网互连也是目前常见的一种网络互连的方式，如帧中继与X.25网、DDN均为广域网，它们之间的互连属于广域网的互连。同样，广域网与广域网互连可以通过路由器或者网关来实现。广域网是通过专用的或交换式的连接将地域分布广泛的计算机或者局域网互连的网络。通常广域网的互连比以上的互连要容易，这是因为广域网的协议层次常处于OSI七层模型的低层，不涉及高层协议。,5.1 网络互连与广域网,16,5.2 用路由器互连网络,路由器是网络连接时必不可少的互连设备，它工作在OSI模型的网络层，其主要功能是根据数据分组的目的地址进行转发和拥塞控制，减少数据传输的盲目性和平衡网络流量，改善网络性能。 5.2.1 路由器的功能及工作原理 1. 路由器的主要功能 路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。其功能主要包括下面几个方面：,17, 在网络间接收节点发送的数据包，根据数据包中的源地址和目的地址，对照自己的路由表，把数据包直接转发到目的节点。 为网际间通信选择最合理的路由。 当向路由器发送信息时，它会找一条最佳路径，既是传送信息的最快途径。多个路由器相连，从一个路由器传到另一个路由器他们被称之为驿站。当信息在网络中传输时，路由器本身会选择最佳传输路径，当发现网络拥挤时，它会自动跳到其他的路径来完成传输。 拆分和包装数据包。 不同协议网络之间的连接，目前有些中、高档的路由器往往具有多通信协议支持的功能。 目前大部分路由器都具备一定的防火墙的功能，能够屏蔽内部网络的IP地址，自由设定IP地址、通信端口过滤，使网络更加安全。,5.2 用路由器互连网络,18,2. 路由器及工作原理 路由器在发送数据时，找最佳路径的过程，我们把它叫做“路由”。路由的确定就发生在网络层，路由选择功能使得路由器能够确定目的地的可用路径，建立包的首选路径。在确定网络路径时，路由选择协议使用网络拓扑信息，这些信息由网络管理员配置，或者通过运行于网络的动态进程收集。路由器确定了应用哪条路径后，进而交换包，接收从一个接口收到的包然后将其转发到能反映到目的地有最优路径的另一个接口或端口。其工作过程大致过程为： 路由器接收来自它连接的某个网站的数据。 路由器将数据向上传递到协议栈的网际层，舍弃网络层的信息，并且重新组合IP数据报。,5.2 用路由器互连网络,19, 路由器检查IP报头中的目的地址。如果目的地址位于发出数据的那个网络，那么路由器就放下被认为已经达到目的地的数据。 如果数据要送往另一个网络，那么路由器就查询路由表，以确定数据要转发到的目的地。 路由器确定哪个适配器负责接收数据后，就通过相应的网络层软件传递数据。 3. 静态路由和动态路由 路由器的路由可以分为静态路由和动态路由两类。静态路由是通过人工设定的，而动态路由是路由器自己学习得到的。选择路由有路由表，静态(static)路由表为事先设置固定不变的路径表；动态(dynamic)路由表是根据网络拓扑、负载的改变等情况自动调整的路径表。,5.2 用路由器互连网络,20, 静态路由 静态路由是由人工来管理的。根据互连网络的拓扑结构和连接方式，网络管理人员可以为路由器建立静态路由。由于静态路由在正常工作时不会发生自动变化。因此，到达某一个目的网络的IP数据报的路径就固定下来了，当网络的拓扑结构发生变化时，网络管理人员必须手工对路由器的静态路由做出更新。 静态路由的主要优点是安全可靠、简单直观、效率高，避免了动态路由选择的开销。由于需要网络管理人员进行手工配置和更新，因此它在互连网络结构不太复杂的情况下使用是一种很好的选择。 但是，对于复杂的互连网络拓扑结构，静态路由的配置会让网络管理人员感到头痛。这种情况下，静态路由的配置不但工作量大，而且很容易出现路由环，致使IP数据报在互连网络中兜圈子。另外，在静态路由配置完毕后，去往某一网络的IP数据报将沿着固定的路径传递。一旦该路径出现了故障，目的网络就变得不可到达，即使存在着另外一条到达该目的网络的备份路径，除非网络管理人员对静态路由重新配置。,5.2 用路由器互连网络,21, 动态路由 与静态路由不同，动态路由可以通过路由器自身的学习，自动修改和刷新路由表。当网络管理人员通过配置命令启动动态路由后，无论何时从互连网络中收到新的路由信息，路由器都会利用路由管理进程自动更新路由表。 当路由器自动刷新和修改路由表时，它的首要目标是要保证路由表中包含有最佳的路径信息。为了区分速度的快慢、带宽的宽窄、延迟的长短，修改和刷新路由时需要给每条路径生成一个数字，该数字被称为度量值(metric)。度量值越小，说明这条路径越好。作为与路径相关的重要信息，度量值通常也保存在路由表中。 为了使用动态路由，互连网络中的路由器必须运行相同的路由选择协议，执行相同的路由选择算法。目前，应用最广泛的路由选择协议有两种，一种叫做路由信息协议(RIP，routing information protocol)，另一种叫做开放式最短路径优先协议(OSPF，open shortest path first)。RIP利用向量-距离算法，而OSPF则使用链路-状态算法。,5.2 用路由器互连网络,22,5.2.2 路由选择机制 为了能进行有效的通信，网络必须一致地表示在路由器之间的可用路径，在这里路由器必须选出一条最佳路径。而确定最佳路径是一件很复杂的事，通常由路由算法来完成。 路由表包含信息分组需达到的目的网络号、连接路由器的下一个节点(即下一跳)、度量值(如距离等)、信息分组在路由器上的生存时间等信息。路由器彼此通信，通过交换路由信息维护其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通过分析来自其它路由器的路由更新信息，该路由器可以建立网络拓扑细图。 网络层的通信链路选择功能常常称为路由选择。实现路由选择功能的通信设备称为路由器。在广域网中就是结点交换机，广域网与局域网互连时所用的路由器可看作是一个简单、专用的结点交换机，可以是一台计算机。路由选择的依据是路由器中的路由表，路由表如何构成？如何更新？如何利用路由表选择最佳路径？这是路由选择时要解决的一系列基本问题。,5.2 用路由器互连网络,23,1. 路由表的构成 路由选择是基于查表实现的，路由表如何构成的前提是对网络内每一台计算机进行编号，即每台计算机有一个网络地址。 为网络中的每一台计算机编址时，一般采用两层编址方法，前面是交换机号，后跟端口号，如图5-3中，三个交换机各连两台计算机，每台计算机的编号如图中数字所示，前一个数字是结点交换机号，后一个数字是与计算机相连的端口号；每一台交换机有一个路由表，路由表上有两个栏目，“目的站”、“下一站”；当一个交换机收到一个数据报时，根据目的站地址查表、转发到相应输出端口上。如图中所示，当结点交换机SW2收到目的站为(1,3)的数据报时，查表知道应当转达发到结点交换机SW1上；目的站为(3,2)时，转发到SW3上；目的站为(2,2)时，为本结点交换机SW2，这时不需要向其它交换机转发。,5.2 用路由器互连网络,24,5.2 用路由器互连网络,图 广域网地址与交换机中路由表,在图中所示的路由表中，没有源站地址，这是因为路由选择中，“下一站”只取决于数据报中的目的站地址，与源站地址无关。 图中交换机SW2的路由表还可以简化，只要知道目的站所连的结点交换机，就可将数据报转发到相应交换机上，而不管计算机的编号，这样，交换机SW2的路由表可以简化为：,25,表5-1 交换机SW2简化后的路由表 由此可以知道，路由表中只要有两层次编码的第一部分地址-结点交换机号，就可以决定数据报向下一站转发的地址；当数据报到达目的结点交换机时，再根据第二层编码地址交给目的计算机；这里，结点交换机号就是目的网络地址；广域网中，将数据分组先送到目的网络-即目的计算机所连的结点交换机，然后再转发到目的计算机，这是互连网络环境下路由选择的基本原理。,5.2 用路由器互连网络,26,从上面的讨论还可以知道，广域网中的路由选择问题就是解决数据分组在各交换机上如何进行转发的问题。为简化叙述，常将结点交换机用一个圆圈表示，再辅以链路线段，用此简图来探讨路由选择问题是比较方便的。图5-4(a)所表示的广域网用结点图形简化后对应图中(b)所示。,图5-4 用图表示的广域网(a)结点交换机与通信链路、(b)简化图表示,5.2 用路由器互连网络,27,5.2 用路由器互连网络,根据图5-4中(b)所示的简化图，可以容易地写出各个结点的路由表如下： “”表示本站,表5-2 各个结点的路由表,28,表5-3 各个结点路由表的简化,表5-2中的路由表还可以简化，某一结点路由表中，有两个及以上的目的站经过相同的下一站时，就可以简化记录，用“”表示到达同一“下一站”的所有目的站。如表5-2中结点1的路由表，到达目的站2、3、4的数据分组都要经过结点3转发，所以，结点3就是结点1路由表中的“默认路由”，当目的地址在表中找不到时，就转发到默认路由上去。同理可理解结点2、结点3、结点4各自路由表中的“默认路由”。见表5-3内容所示。“”为默认路由,5.2 用路由器互连网络,29,结点交换机按照路由表转发数据分组的问题解决之后，下一个问题就是：路由表是如何建立起来的，对于上面所述的简单网络，各个结点的路由表很容易写出来，但对于具有成千上万个结点的广域网，要建立每一结点的路由表，不是一件轻松的工作，必须按照一定的算法建立各个结点的路由表，这就是通常所讲的“路由算法”问题；路由选择的策略和算法不同，建立起来的转发策略与结点路由表就会有差异，路由性能、效率等方面会大不相同。 路由算法应当满足：方法正确完善、计算简单稳定、能适应网络通信量和网络拓扑结构的变化，找到最佳路径，使传输费用最小；这里，传输费用由传输时延、数据速率、链路长度、差错率等诸多因素综合确定。最小费用路由是指网络中一条路径是最短的或是最经济的。路径最短可以用跳步数计数，每经过一个路由为一跳，而不管这条路径的实际长度为多少，都被认为是等长的。另一种方法是将一个权值赋予某条链路，权值也称为链路的符号长度。,5.2 用路由器互连网络,30,2. 静态路由选择方法 静态路由算法简单易行、占用资源少、费用低，但不能适应网络通信量和拓扑结构的动态变化。静态路由的主要算法有如下几种： 固定路由算法： 这种算法在每个结点上保存一张路由表，表明对每一个目的地址应当向哪条链路转发。路由表制作成功后，在相当长的一段时间内保持稳定，不随网络工作状态的变化而变化。 制作这种固定路由表的方法是，首先标明任意两个直接相连的结点之间、每条链路的费用，然后计算出以指定站点为根结点对整个网络的最短通路树，从而得出各个结点的路由表。 如图5-5(a)所示的网络简图，链路上数字为传输费用，由此计算产生结点的最短通路树，其图形表示为5-5(b)。,5.2 用路由器互连网络,31,最短通路树可以写出结点的路由表如表5-4： 表5-4 由最短通路树得到结点的路由表,图5-5 (a)广域网结点图、(b)最短通路树,同样方法可得出每一个结点的路由表。,5.2 用路由器互连网络,32, 分散通信量法 散射法 随机走动法,5.2 用路由器互连网络,33,3. 动态路由选择策略 对于广域网通信，网络中的流量和拓扑结构发生变化是必然的，有时还是比较频繁的，静态路由选择难以适应这种变化，预先确定的最佳路径难以满足长时间工作的要求。如果定期刷新一次路由表，即重新计算一次最佳路由；这样，刷新间隔太长则无意义，太短则引起网络工作状态振荡，难以随时满足网络工作在最佳状态的要求。动态路由选择的基本思想就是在时间和空间上自动调整各个结点的路由表，随时满足最佳路由要求。动态路由选择有如下三种策略： 分布式路由选择策略 集中式路由选择策略 混合式路由选择策略,5.2 用路由器互连网络,34,4. 拥塞控制 网络中所述的拥塞，与道路交通拥挤有某种类似之处；当网络局部范围流量过大、结点缓存空间不足、CPU处理太慢、线路容量有限等等状态发生时，都会造成网络局部处理不及时，分组等待时间超时，源站又会因超时而重发分组，进一步加剧拥塞，导致网络局部瘫痪；这种状态的蔓延，会使整个网络完全无法正常工作。 解决拥塞的思路 拥塞与死锁 拥塞控制的一般原理,5.2 用路由器互连网络,35,5.3 广域网技术,5.3.1 帧中继FR(Frame Relay) 目前，用光纤作为传输媒体的帧中继网络已经得到广泛应用，提供了比传统分组交换网更高的交换速率，现在主要应用在中速干线网上。 帧中继网络作为一种快速分组交换网络，是在传统分组交换网的基础上发展起来的，为了便于理解帧中继的工作原理和应用，先介绍一些有关传统分组交换网的概念和相关的技术标准X.25。 1. X.25标准 X.25是CCITT在1974年建议、后经多次修订的公用分组交换网接口的标准，其重要特征是：只要网络产品制造商按此接口标准生产相应产品，就可应用于公用分组交换网，而不管其内部采用何技术手段实现。X.25所规定的接口在工作时的示意图如图所示。,36,X.25网络提供的服务是虚电路服务，图中的两条虚线VC1、VC2代表两条虚电路。 X.25的接口分为三个层次，最下层为物理层、传送比特流；中间是数据链路层，传送数据帧；最高层是分组层，传送数据分组。其层次关系如图所示。,图5-7 X.25的规定的DTEDCE接口,X.25的层次关系,5.3 广域网技术,37,2. 帧中继原理 帧中继技术是由X.25分组交换技术演变、进化而来的，在20世纪80年代后期，许多网络应用迫切要求提高分组交换服务的速率，用光纤作为通信媒体已是必然的发展趋势，高带宽、低误码率、抗干扰能力强的光纤作为传输媒体，为X.25技术的大幅度升级提供了最佳选择，帧中继技术主要在简化差错控制处理、加快分组交换速率和提供更多的逻辑信道等两个方面比X.25有了本质上的飞跃。 帧中继技术在许多方面与X.25类似，可以看作是“减少结点处理时间”的X.25或X.25的流水线方式；采用光纤作为通信媒体，误码率极低，可以认为传输不会出错，这样，帧中继技术在传输分组时可不进行、或只有很少步骤的差错检测、控制指示，这样，结点的处理时间会大大减少，分组的交换速率会大大提高。 X.25数据链路层对到达结点的数据帧，采用传统的“接收-存储-校验-转发”模式，转发一个帧大约需要30个处理步骤，帧中继技术对到达结点的帧，只执行大约6次以下的检测处理步骤，并且在接收到数据帧头部中的目的地址时，就开始转发该数据帧。这种一边接收、一边转发数据帧的交换方式称为快速分组交换。,5.3 广域网技术,38,3. 帧中继的工作特征 这里，主要将帧中继工作过程与X.25的工作过程进行一些比较。 从中间结点的结构上来看， 从数据转发的工作方式来看， 从数据转发的处理流程来看， 从控制信令与数据是否分离来看， ,5.3 广域网技术,39,4. 帧中继的服务与速率 帧中继提供服务的几个主要组成部分如图所示。,5.3 广域网技术,40,帧中继的传输速率有一个底限值，同时允许传送数据量超出底限值而工作，这在租用帧中继线路的实际应用中有意义，下面介绍之。 允许信息速率CIR(Committed Information Rate) 即帧中继连接网络同意支持的信息传送速率，当实际工作速率小于等于CIR时，能够保证服务质量，基本不丢弃数据帧。对于永久虚电路，CIR在连接时就已确定下来；对于交换式帧中继网络，CIR的数值在呼叫建立阶段协商确定。 当拥塞发生时，结点处的帧处理模块将所收到帧的丢弃指示比特置“1”后再转发，在需要丢弃一些帧时，将丢弃指示为“1”的帧先丢掉、以缓解拥塞；当然，丢弃指示为“1”的帧也有可能被成功转发。CIR与传输质量的关系是： 当数据速率小于CIR时，传输质量有保证；基本没有丢弃帧的现象。 当数据速率大于CIR、但小于设定的最高速率时，在可能的情况下进行传送； 当数据速率大于设定的最高速率时，多余部分的帧立即被丢弃。,5.3 广域网技术,41, 允许的突发量Bc(committed burst size) 在正常传输时，在给定时间间隔T内，允许传送数据的最大限量。即： Bc=TCIR (5.1) 式(5.1)式就是在T时间内，在CIR速率下最多可传送的比特数。实际传输比特数低于此值时，基本没有帧被丢弃。 附加突发量Be(excess burst size) 在正常传输时，T时间内在允许突发量Bc的基础上，网络还可额外传送Be比特的数据；当然，这时就不能保证所有数据帧都正确传送，会有部分帧被丢弃；即服务质量会下降。 举例来说，当CIR=1Mbps时，在1秒钟内最多允许1M比特数据正确传送。如果再允许附加200K比特的突发量，1秒钟内传送数据量在1.2M比特也是可以的，但不能保证全部正确传送，会出现一些帧被丢弃。超过1.2M的数据比特肯定被丢弃。这就是帧中继网络租用1Mbps的线路，每秒钟可获得大于1M比特数据的原因。这对于用户来说，支付1M线路的租金，获得高于每秒1M的数据比特，是比较合算的。,5.3 广域网技术,42,5. 帧中继的拥塞控制 在帧中继网络的中间结点上，没有流量控制、只有功能非常有限的差错控制，如果有拥塞现象出现，它用如下三种方法解决。 丢弃部分帧 拥塞避免 拥塞恢复,5.3 广域网技术,43,如何在刚有拥塞征兆出现时，就检测出来、通知主机进行调节，有显式和隐式两类方法。 显式拥塞的避免方法是：在帧中继网络的帧结构中，除开有丢弃指示比特DE外，还有两个指示比特，一个是正向显式拥塞通知比特，另一个是反向显式拥塞通知比特。 隐式拥塞避免方法是：当网络有丢弃帧时，主机就可知拥塞现象出现，主机高层协议采用自适应的策略来进行。主机端系统的流量控制开始工作，实际中采用的一种方法是减小流量控制窗口，开始时用最大窗口W=Wmax工作，当出现拥塞时，将流量控制窗口减半，即工作窗口W=max0.5W，Wmin，这里，Wmin为最小流量窗口。当一连串的帧都成功地通过网络传输时，可再逐步增加窗口数，W=minW+1,Wmax。实践证明，这种方法在很多情况下是很有效的。,5.3 广域网技术,44,5.3.2 综合业务数字网ISDN 1. ISDN概述 当网络传输系统和交换系统都采用数字技术时，这种网络就称为综合数字网IDN(Integrated Digital Network)。这里，综合的意思是指网络中使用了“数字传输”和“数字交换”两种相关的技术，其基础是程控交换技术和脉码调制PCM(Plus code modulation)技术。人们使不同业务信息经数字化以后，在一个数字网络中传输，这就是综合业务数字网ISDN(Integrated Services Digital Network)的涵义；这里的“综合”既是指“业务综合”，又是指“数字综合”，具有双重综合之意。对综合业务，最基本的综合是将语音和数据在一个网络中传输，这就是窄带综合业务数字网N-ISDN(Narrow-ISDN)，后来又出现了宽带综合业务数字网B-ISDN(Broadband-ISDN)，其标准由国际电信联盟ITU-T(International Telecommunication Union-Telephone)制订，1998年修订的I系列建议书共有77个。,5.3 广域网技术,45,2. 共路信令系统 ISDN的信令采用共路信令系统CCS(Common-Channel Signaling)，是指将多个数据通道的控制信令集中在一个专门的信令通道中传送，与其传送数据的通道分开，形成所谓的共路信令系统CCS。传统电话网中，控制信令和话音信息是在同一个话带中传送的，这种话带中含信令的传送方式的缺点是显而易见的：传送速率慢、易受干扰，因此功能较差。将控制信令与数据分开传送、即采用带外信令，在数据通道不用维护信令状态，只管传送数据，这样可以提高数据传输效率，而专门的信令通道传送、维护控制信令信息，传送速率快且干扰小。这种带外信令方式比带内信令方式在总体上简化了控制管理，提高了数据传送效率。对共路信令系统CSS，将多个数据通道的控制信令集中在一个信令通道中分时共享传送，进一步提高了信令通道的资源利用率。,5.3 广域网技术,46,3. ISDN接入 ISDN接入方式有两种配置，一种是家庭或小单位的配置模式，另一种是部门办公室配置模式，两种配置模式的差别仅是用户方的设备和配置不同，而局方ISDN交换机、网络接入是相同的。两种接入方式如图所示。,5.3 广域网技术,ISDN接入方式：(a)家庭接入、(b)办公室接入,47,图5-10(a)中，NT1是网络端接设备，在用户一方，利用它与局方ISDN交换机相连实现网络接入，NT1与ISDN交换机之间用传统电话线路传送数字信号，它们之间的接口称为用户接口，简称U口。NT1与ISDN数字终端-计算机或数字电话机之间的接口称为T口，一个NT1最多可接入8个ISDN数字终端。NT1具有网络管理、测试和性能监控功能。 图5-10(b)中，NT2为ISDN专用的小型程控交换机，属于第2类网络终端接设备；NT2与ISDN数字终端之间的接口称为S口；TA(Terminal Adopter)为ISDN终端适配器。模拟终端如普通电话机，要通过TA才能与S口相连；模拟终端与TA之间的接口称为R口。 在实际应用中，ISDN终端适配器有外置TA和内置卡式TA两种产品，卡式TA插在PC机扩展槽中，一般只提供T口、用RJ45接口及网线与NT1相连。外置TA有U口和T/S口之分，U口TA将NT1内置其中，可直接与局方ISDN交换机相连，TA自身通信口与PC机COM口相连，R口与普通电话机相连，在上网的同时可以打电话；T/S口的外置TA前端与NT1相连，其余同U口相连TA。,5.3 广域网技术,48,4. 标准化通路与基本速率 ISDN定义了一些标准化的通路，A通路-4kHz带宽的标准模拟话路；B通路-64kbps的数字PCM话音或数据通路；C通路-8kbps或16kbps的数字通路；D通路-16kbps或64kbps用作带外信令的数字通路；E通路-64kbps，为内部ISDN信令使用的数字通路；H通路-384kbps、1538kbps或1920kbps的数字通路。 基本速率2B+D=144kbps，两个B通道各提供64kbps数据通路，一个D通道提供16kbps带外信令通路。 一次群速率23B+D(美国和日本)或30B+D(欧洲、中国等)，这里的信令通路为64kbps。这里，B通道可支持电路交换的数字电话和数据业务，也可支持分组交换的数据。在用2B+D的外置TA与Internet相连接时，可提供128Kbps的上网速率。上网的同时再打电话，一个通道被语音通信所用、上网速率自动下降为64kbps。通话结束后，又可恢复128kbps的上网速率。当然，为了节约上网费用，也可以在单通道方式下工作，只有64kbps的上网速率，另外一个通道照样可以打电话。,5.3 广域网技术,49,5. 宽带综合业务数字网B-ISDN(Broadband-ISDN) 宽带网的概念 由于Internet应用的迅速普及和深入发展，视频会议、视频点播、音乐、动画等多媒体信息在Internet网络上的大量涌现，对网络传送速率提出了更高的要求；同时，光纤作为传输媒体、快速分组交换技术的成熟应用，也为大幅度提高Internet网络的传输速率提供了强有力的物质保障与技术支持。 Internet网络到最终用户的速率为多大才算宽带，目前尚无统一标准。就视频点播时多媒体数据传输率至少要大于256kbps才能得到流畅的画面为最低标准，现在约定成俗的标准认为：最终用户获得的网络速率大于256kbps才能算是宽带；也有人认为数据传输率的值大于1M或2M才算是宽带等。,5.3 广域网技术,50, 宽带综合业务数字网 窄带综合业务数字网N-ISDN不能适应目前多媒体数据在网络中传输的需求，在N-ISDN还没有推广应用时，宽带综合业务数字网B-ISDN的思想就已经被提出来了。B-ISDN也是将各种业务，如话音、数据、图像以及活动图像都综合在一个网络中传送和交换，包括了N-ISDN提供的所有业务。但网络速率比N-ISDN要高得多，其传输与交换体制是全新的。B-ISDN与N-ISDN主要区别如下： N-ISDN使用电路交换，在传送信令时用D通路进行分组交换；B-ISDN则使用快速分组交换，称为异步传输模式。 N-ISDN以电话网为传输网络，用户环路采用铜质双绞线，在B-ISDN中，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，一个B通路的速率为64kbps，无法提高。B-ISDN中使用了虚通路的概念，本身传送速率不受限制，只受用户接入速率的限制。 N-ISDN无法传送高速图像，B-ISDN则可以。,5.3 广域网技术,51,5.5 接入网技术与应用,5.5.1 接入网技术的发展 1. 接入网的概念 如果将国家级大型主干网比作国家级公路，那么接入网就相当于各个区域的公路。国家首先要设计和建设覆盖全国的国家级高速主干网，各个城市、地区需要设计与建设覆盖一个城市和地区的主干网，最后还需要解决用户计算机的接入问题。 对于Internet来说，任何一个家庭用的微型机、机关、企业的用户计算机都必须首先连接到本地区的主干网中，才能通过地区主干网、国家级主干网与Internet连接。这就像一个大学需要将校内的道路就近与城市公路连接起来，使得学校的车辆可以方便地行驶出去。要做到这一点，学校就要解决连接城市公路的“最后一公里”问题。同样，可以形象地将家庭、机关、企业部门用户计算机接入本地区主干网的问题也叫做信息高速公路中的“最后一公里”问题。解决最终用户接入地区性网络的技术就是接入网技术。,52,2. 接入网技术的发展 目前，可以作为用户接入网的主要有三类：电信通信网、计算机网络与广播电视网。虽然这三种网络之间有很多的不同，但目前都在朝着一个共同的方向发展，因为数字技术可以将各种信息都变成数字信号来获取、处理、存储与传输。虽然这三种网络所使用的传输介质、传输机制都不相同，但各自按自己的体制经历了数字化的进程。邮电通信网的电话交换网正在从模拟通信方式向数字通信方式发展。广播电视网同样也在向数字化方向发展。计算机网络本身就是用于传输数字信号的。在文本、语音、图像与视频信息实现数字化后，这三种网络在传输数字信号这个基本点上是一致的。 同时，它们在完成自己原来的传统业务外，还有可能经营原本属于其他网的业务。数字化技术使得这三种网络的服务业务相互交叉，三网之间的界限越来越模糊，人们希望能够选择一种最简单、费用最低的方式将自己的计算机连入Internet。,5.5 接入网技术与应用,53,3. 主要的接入方式 目前从技术角度看，接入网的接入方式主要分为5类：地面有线通信系统(铜缆用户网、光缆用户网)，无线通信、移动通信网，卫星通信网(同步卫星与低轨道卫星)，有线电视网，地面广播电视网。 人们形象地将它们称为用户连入信息高速公路的5条车道。早期它们是属于不同的部门的，但是数字化使得它们都有可能提供语音、数据与视频的综合业务，这就造成了通信、计算机、广播电视等产业的会聚，经营业务相互融合，从而促进了这些产业的重组，同时也会开辟大量新的信息服务市场，这就是所谓的“数字会聚”现象。“数字会聚”现象对未来通信体制将产生重大的影响。 未来的信息高速公路建设应该将服务与建设分开，建立分层的服务模型与统一的标准，以使原属于不同行业的网络系统过渡形成一个全国性的大网，为各种新应用的发展提供高效能的服务平台，让更多的家庭、企业、机关的计算机更方便地连入Internet。这种应用需求促进了接入网技术的发展与变化，最终将导致邮电通信网、计算机网络与电视通信网的“三网融合”局面的出现。,5.5 接入网技术与应用,54,5.5.2 接入Internet方式 接入互连网络的具体方式有多种，例如普通拨号、ADSL、ISDN、有线电视、DDN、帧中继和ATM等，用户可根据自己的情况选择上网方式。那些使用时间不长，只在有用时才打开计算机上网的用户，可采用普通拨号上网方式。而对于那些使用网络时间长、通信量大、不间断通信的集团性用户，则多采用DDN专线等方式上网。这种上网方式可为用户提供高速、高效、安全、稳定的网络连接。此外，个人用户还可通过ISDN、ADSL和有线电视高速接入Internet，而集团用户则可通过帧中继FR和ATM接入，这些方式是为用户提供的高速接入方式。,5.5 接入网技术与应用,55,1. PSTN与Modem接入 公众电话网络(PSTN)是目前普及程度最高、成本最低的公用通讯网络，它在网络互连中也有广泛的应用。尽管现在已经有许多速度更快、性能更好的接入技术，如后面将要介绍的ISDN、ASDL和Cable Modem等，但使用Modem接入仍然是接入Internet的一种选择。如图所示为Modem接入方式。,5.5 接入网技术与应用,Modem接入方式,56, Modem的功能 Modem是一个数字信号与模拟信号之间的转换设备。在一个通信过程中，在其中一端，它将计算机输出(一般为串行口输出)的数字信号转换成模拟信号后再送到线路上传输，在另一端，Modem接收线路上发送过来的模拟信号，并将其还原为发送前的数字信号，再提交给计算机进行处理。目前广泛使用的56Kbps Modem的上行速率只有33.6Kbps，而下行速率可以达到56Kbps。 Modem的分类 MODEM从结构上可分为外置、内置和PC卡式三种。,5.5 接入网技术与应用,57,2. ISDN的接入方式 综合业务数字网ISDN将多种业务集成在一个网内，为用户提供经济有效的数字化综合服务，包括电话、传真、可视图文及数据通信等。ISDN使用单一入网接口，利用此接口可实现多个终端(ISDN电话、终端等)同时进行数字通信连接。 ISDN的组成部件 当多个设备同时接入一条ISDN线路时，可能需要网络终端、终端适配器、用户终端等设备，如图所示。,ISDN的组成部件,5.5 接入网技术与应用,58, 网络终端(NT) 对于用户而言，虽然用户端线路和普通模拟电话线路是完全相同的，但是用户设备不再直接与线路连接。所有终端设备都是通过NT上的两个S/T接口接入网络的。 终端适配器(TA) TA又叫ISDN Modem，是将现有模拟设备的信号转换成ISDN帧格式的数模转换设备。在使用了ISDN后，原来使用的诸如模拟电话、传真机、调制解调器等模拟设备就依然能使用。在ISDN设备中提供了TA，负责连接一些不符合ISDN标准的外部设备，TA再与NT连接。如此看来，TA起到了模拟设备接入ISDN的转接作用。一般TA具有与计算机相同的RS232数据接口，可以连接到计算机的串行口。普通电话机和传真机则通过标准RJ11插头连接。 用户终端 ISDN的用户终端主要分为两种类型：类型1和类型2。其中类型1终端设备(TE1)是ISDN标准的终端设备，通过四芯的双绞线数字链路与ISDN连接，如数字电话机和4类传真机等；类型2终端设备(TE2)是非ISDN标准的终端设备，必须通过终端适配器TA才能与ISDN连接。,5.5 接入网技术与应用,59, ISDN的优越性 综合的通信业务 高速度的数据传输 高质量的数据传输 标准化的用户接口 使用灵活方便,5.5 接入网技术与应用,60,3. xDSL技术 DSL是数字用户环路(Digital Subscriber Line)的简称，是以铜质电话双绞线为传输介质的点对点传输技术。DSL利用软件和电子技术结合，使用在电话系统中没有被利用的高频信号传输数据以弥补铜线传输的一些缺陷。 xDSL的特点 xDSL支持工业标准 xDSL是一种Modem 对称与非对称之分,5.5 接入网技术与应用,61,如图所示为ADSL的典型连接结构，由图可以看到ADSL直接连接到电信宽带网的机房，用户独享带宽。ADSL利用电话网络深入千家万户，骨干网采用遍布全国的光纤传输，各节点采用ATM宽带交换机处理交换信息，独享带宽，信息传递快速、可靠、安全。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。用户上网的同时可使用电话，而且，由于数据传输不通过电话交换机，因此使用ADSL上网不需要缴纳拨号上网的电话费用，节省了通信费用。在现有电话线上安装ADSL，只需在用户端安装一台ADSL Modem和一只电话分离器，用户线路不用做任何改动，极其方便。,5.5 接入网技术与应用,ADSL的典型连接结构,62,4. Cable Modem接入 Cable Modem是电缆调制解调器的英文名，简称CM。Cable Modem是允许高速的数据经由有线电视网络接入Internet的一种设置。前面讨论的Modem是通过电话线上Internet，而电缆调制解调器是在有线电视网络上用来上Internet的设备，它是串接在用户家的有线电视电缆插座和上网设备之间的，而通过有线电视网络与之相连的另一端是在有线电视台(称为头端：Head-End)。Cable Modem理论上可以达到3Mbps到40Mbps的下行速率和128kbps到10Mbps的上行速率。,5.5 接入网技术与应用,63, Cable Modem的优点 与56K Modem、ISDN及ADSL接入方式相比，Cable Modem接入具有以下的优点： 连接速率快。在目前应用的所有接入方式中，Cable Modem是最快的一种。 成本低廉。Cable Modem利用已有的有线电视(CATV)网络，无须更换全部网络设备。 提供了非对称的专线连接。Cable Modem采用了与ADSL类似的非对称传输模式，提供了最高为40Mbps的下行速率和最高为l0Mbps的上行速率。Cable Modem和ADSL一样是一直在线的，用户无需拨号上网，也不用担心遇到忙音，只要一打开计算机就会通过Cable Modem自动建立与Internet的高速连接。 不受连接距离的限制。用户所在地和有线电视中心局之间的同轴电缆能够按照用户的需要延伸，不受连接距离的限制，而ADSL等接入方式却不同。,5.5 接入网技术与应用,64, Cable Modem的标准 在Cable Modem的发展过程中出现了两个直接影响其技术发展和设备制造商的标准，分别是DOCSIS和IEEE 802.14。 第1代Cable Modem没有统一的企业标准，技术指标由各生产厂商自行确定，这显然不利于技术的发展和推广。1997年3月，有线电视工业标准组织(Multimedia Cable Network System Partners Ltd，MCNS)颁布了关于通过有线电视网络高速传输数据的具体工业标准DOCSIS(Data Over Cable System Interface Specification)，该标准包括Cable Modem到用户前端设备接口技术、Cable Modem终端系统到网络端接口技术、Cable Modem电话线回叫接口技术等技术规范。DOCSIS标准的制定，被称之为Cable Modem的第2代标准。参加该标准制定的有Cisco、Motorola和3COM等世界知名的公司。 IEEE在DOCSIS标准出台后才开始制定IEEE 802.14标准(电缆电视媒体访问控制和物理协议)。该标准是继DOCSIS后关于Cable Modem的又一标准。不过两者在关键技术上基本是相同的，在Cable Modem与PC机接口规范上两者均选用了10Base-T以太网连接。,5.5 接入网技术与应用,65, Cable Modem的安装 Cable Modem在有线电视台前端有一个重要组成部分Cable Modem端接收系统(CMTS)，CMTS端接收来自用户端的信号，并把这些信息汇集到有线电视台前端的设备上输出。 Cable Mode
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