计算机网络考研辅导讲座数据链路层下.ppt

第四讲 数据链路层(下),第五讲：数据链路层(下),2011年考研大纲考查范围: 数据链路层（下半部分）：,（2012年1月的考研不考这部分）,(七) 广域网（这部分内容教材没有，但考研大纲有，要详细讲） 1. 广域网的基本概念 广域网与局域网比较的主要不同之处： 覆盖的地理范围不同 核心技术与标准不同 组建与管理方式不同 Internet是将多个广域网、城域网、局域网互连构成的网际网。 广域网是Internet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，还有无线分组交换网，通信容量必须足够大。,知识点归纳,知识点归纳,广域网和局域网都是Internet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。,知识点归纳,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。 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。 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。 从互联网的角度来看，广域网和局域网都是平等的。 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。,知识点归纳,公共电话交换网(PSTN) 综合业务数字网(ISDN) 数字数据网(DDN) X.25分组交换网 帧中继(Frame Relay, FR)网 异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode, ATM)网 GE与10GE的光Ethernet技术 波分复用(WDM)技术,用于构成广域网的主要网络类型与技术,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。,知识点归纳,广域网是一种公共数据网络 Public Data Network，PDN 电信运营商，国家 广域网技术研究的重点是宽带核心交换技术 广域网核心技术-电信运营商负责的通信子网中使用的技 术，涉及：光纤传输、无线传输、卫星传输。 将核心交换技术与接入技术分开，由城域网承担用户接入 的任务，而广域网技术主要研究远距离、宽带、高服 务质量的核心交换技术。,知识点归纳,广域网组成与结构 资源子网 通信子网 广域网结构与OSI参考模型 OSI参考模型中的通信子网结构就是典型的广域网结构。,知识点归纳,知识点归纳,广域网与分组交换技术： 分组交换技术 在广域网中传输分组的方法有两类 线路交换 线路建立、数据传输、线路释放 分组存储转发交换 数据报方式 (Datagram, DG) 虚电路方式 (Virtual Circuit,VC) 永久虚电路(Permanent, PVC) 交换虚电路(Switched VC, SVC),知识点归纳,虚电路服务分为三个阶段： 虚电路的建立、数据传输、虚电路的释放。 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。 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。 注意：由于采用存储转发技术，虚电路和电路交换的连接不同。电路交换真正占有一条通道，而虚电路则是断续地占有一段又一段的链路。,虚电路服务示意图,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 H5 同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。,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。,虚电路服务示意图,虚电路转发表,虚电路转发表在建立虚电路（虚呼叫）时确定。分组在传送时只需携带虚电路号，虚电路号只具有本地意义，根据虚电路建立顺序由各主机、各结点自主排序，入出口号不一定相同。,虚电路转发表建立过程示例一,1. A 请求与 B 建立虚电路,虚电路转发表建立过程示例二,虚电路转发表建立过程示例二,2. B 响应 A 的虚电路建立请求,虚电路转发表建立过程示例二,3. A 和 B 使用虚电路进行数据传输,知识点归纳,比较两种服务的思路来源： 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。 可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来保证。 虚电路服务的思路来源于传统的电信网。 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。,数据报服务和虚电路服务的比较,主要的几种广域网与提供的速率,HDLC： ISO 提出的高级数据链路控制规程 High-level Data Link Control HDLC的主要概念： 主站(Primary Station)：负责链路控制，包括对次站的控制、恢复链路差错，它发出的帧为命令帧。 次站(Secondary Station)：受主站控制的站，它完成主站所命令的工作，返回响应帧。 复合站(Combined Station)：既有主站功能，又有次站功能。可发出命令帧和响应帧。 （2）链路结构 非平衡式结构(Unbalanced)：由一个主站和一个或多个次站组成，点对点或多点通信。 平衡式结构(Balanced)：由二个复合站组成。,知识点归纳,HDLC的链路结构,HDLC数据操作方式： 正常响应方式(NRM-Normal Response Mode) 用于非平衡式链路结构(点-点、点-多点) 传输过程由主站启动，并向次站发命令，主站轮询、选择次站，主站并负责链路管理及对超时重发和各类恢复操作的控制。 异步平衡方式(ABM-Asychronous Balanced Mode) 用于平衡式链路结构(全双工点-点)，每个站都是复合站。 每一个复合站都可以发出命令帧和响应帧，对另一站传输数据。 异步响应方式(ARM-Asychronous Response Mode) 用于非平衡式链路结构 次站无主站允许，即可主动向主站发送数据。 主站仍负责初始化、错误恢复等，起控制作用。 此方式一般使用较少,知识点归纳,（1） 标志字段 8比特序列 01111110 标志帧的开始和结束，即用于帧的同步 “0”比特插入法，保持标志字段的唯一性，以实现数据的透明传输。 在发送端发送数据时，每5个连续“1”后面自动插入一个“0”。 在接收端，检测到连续5个“1”后，自动删除后面的一个“0”，恢复成原来的数据。,HDLC 帧结构,HDLC 帧格式,（2）地址字段： 一般为8个比特，可扩展。 全“1”为广播地址，全“0”为测试用。 扩充地址时，前面的8位组首位为0，只有最后一个首位为“1”，表示地址结束。 （3）控制字段： 用于构成各种命令和响应，以便对链路监视和控制 （4）信息字段： 可以是任意长度的二进制比特串，一般为02000比特长。 （5）帧校验序列字段：FCS 用于差错控制，采用CRC码，多项式为X16+X12+X5+1。 校验范围为两个标志字段之间。,HDLC 帧结构,信息帧 I-Frame：用于传送数据 监控帧 S-Frame：用于差错控制和流量控制 无编号帧 U-Frame：主要用于提供链路的建立、 拆除及其它多种控制功能,HDLC 帧的类型,三种类型的幀格式全视图,三种类型的幀格式、提供的命令与响应,(1)信息帧结构视图,采用滑窗协议，N ( S）表示发送的帧序列号， N（R）表示捎带的确认信息(期待接收的下一个幀) ，N具有3位，即幀序号07。扩展方式下有7位。 P/F为探询/终止位。 NRM下，主站轮询次站有无数据要发送，置P=“1”。若次站有数据发送，则在前面各帧中置F=“0”，最后一数据帧中置F=“1” ；若无数据发送，则在响应帧中置F=“1”。 ARM和ABM中，任何一站在发送的S帧和I帧中置P=“1”，表示询问对方状态，对方在收到该帧后应回答本站的状态，并置F=“1”。,信 息 帧,(2)监控帧视图,监控帧： 根据3,4位的取值有四种类型。,监 控 帧,(3)无编号帧视图,无编号帧： 不包含N(S)和N(R)，即无编号。 用于提供链路的建立、拆除及其他多种控制功能。 它的类型由M1M5来编码，总共可有32种命令或响应。 DISC（DISConnect）：终止逻辑链接，结束以前操作模式. 置模式命令：SNRM、SABM、SNRME、SABME等。后带E的为置扩展模式，扩展模式下帧序号由3位变成7位。 FRMR（FRaMe Reject）：帧发生语义格式错误。 UA（Unnumbered Acknowledgement）：无编号命令的应答。 DM（Disconnect Mode）：响应幀，表明本方已与链路断开。 UI（Unnumbered Information）：无编号信息幀，为送给对方链路层实体的信息。 其它命令与响应，用于测试、链路初始化、参数协商等。,无 编 号 帧,HDLC的扩展模式,LAPB(Link Access Procedure Balanced)： 平衡型链路访问规程，它是HDLC的一个子集，用于X.25中。 操作过程可分为建立链路、数据传输和断开链路三个阶段。 通过任意一方发送SABM命令，另一方返回UA响应来建立双向链路。 在启动建立链路之前，为确保DCE和DTE处于相同的阶段，DCE常可主动发一个DM响应幀，要求DTE启动链路的建立过程。,HDLC 的链路访问规程,HDLC 帧应用举例(无错时),HDLC 帧应用举例 (有错时),DTE与DCE在数据链路层上的通信过程,优点： 适用于点-点或点对多点通信。 可用于半双工或全双工通信。 采用同步方式和滑窗协议传输，传输效率高。 主站可同时与多个从站建立链路，传输效率高。 幀都有幀校验序列，且按顺序编号，可靠性较高。 采用比特填充法实现数据透明传输。 可传输任意长度的二进制比特串。 采用统一的帧格式来传输数据、命令和响应，非常利于程序的实现。 因此HDLC和相类似的协议获得了广泛的应用。,使用 HDLC 的优点,因特网的点对点协议 PPP,现在全世界使用得最多的数据链路层协议是 点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol) 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都 是使用 PPP 协议； 两个路由器间的点到点链路上也可以使用PPP协议。,用户拨号入网的示意图,路由器,调制解调器,调制解调器,因特网服务提供者(ISP),用户家庭,拨号电话线,使用 TCP/IP 的 PPP 连接,路由选择 进程,至 因 特 网,PC 机,PPP 协议,1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准 RFC 1661 PPP协议有三个组成部分 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法 链路控制协议 LCP(Link Control Protocol) 网络控制协议 NCP(Network Control Protocol),PPP 协议的帧格式,PPP 的帧格式和 HDLC 的相似 标志字段 F 仍为 0x7E （十六进制的 7E 的二 进制表示是 01111110） 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并 不起作用 控制字段 C 通常置为 0x03 PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都 是整数字节,PPP 协议的帧格式,PPP 有一个 2 个字节的协议字段。 当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。 若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。 若为 0x8021，则表示这是网络控制数据。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,PPP 透明传输问题,当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用 硬件来完成0比特填充（和 HDLC 的做法一 样）； 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的 字符填充法。,PPP 字符填充法,将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成 为 2 字节序列 (0x7D, 0x5E) 若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其 变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5D) 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即 数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要 加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加 以改变 共同规律：前加0x7D ，后将出现的这些字节b5反相,不提供使用序号和确认的可靠传输,PPP 协议之所以不使用序号和不使用确认机制是出于以下的考虑： 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受,PPP 协议的工作状态,当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号 做出确认，并建立一条物理连接。 PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧), 这些分组及其响应选择一些 PPP 链路参数 。 接着进行网络层配置，交互的NCP分组 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，PC 机成为因特网上的一个主机。 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后 释放物理层连接。,PPP 协议的状态图,宽带综合业务数字网 B-ISDN与ATM*,综合业务数字网ISDN的基本概念 与单一业务的电信网不同，ISDN可以同时提供多种业务，用户线路可供多种业务共用，在线路上可以同时传输电话、电报、数据等多种信息。 ISDN用户可以以不同业务类型同时与多个用户通信。ISDN完全采用数字 信道，因而能获得较高的通信质量与可靠性。 N-ISDN向B-ISDN的发展 N-ISDN: (1)以PSTN为基础，(2)采用同步时分多路复用技术，(3)各个通路 及其速率是预定的； B-ISDN: (1)以光纤作为干线和传输介质，(2)采用异步传输模式ATM技术， (3)使用通路的概念但其速率不是固定的。 设计B-ISDN的目标是将语音、数据、静态与动态图像的传输，以及N-ISDN的所有服务综合于一个通信网中，覆盖从低传输速率到高传输速率的各种非实时、实时与突发性的传输要求。,（以下，加*号内容在2012.1考研的大纲中已不再列入，可不复习）,ATM网*,ATM的基本概念: SONET/SDH: 同步光纤网、同步数字体系，全网使用统一的时钟，在链路上传输严格同步， SONET/SDH的同步指的是物理层的时钟同步。 ATM: 一种面向连接的分组交换技术，传输的是固定长度53字节的信元 (是数据链路层的PDU) ，被插入到SONET/SDH的帧中进行传输。采用统计时分复用方法，每一个用户发送的信元插到SONET/SDH帧中的位置并不固定，取决于链路的忙闲程度、取决于当时SDH帧中哪些地方有空位置。 相对于“同步时分复用” ，ATM的数据传输是“异步”的。 目前， ATM主要用于广域网的核心交换网。,（ATM的内容在教材中没有，下面详细讲）,ATM 异步传输模式 （Asynchronous Transfer Mode）： 基于信元交换技术的数据传输模式。它采用异步时分复用技术： SDH传送的同步比特流被划分为一个个固定时间长度的 STM 帧，当用户的ATM信元需要传送时，就可插入到SDH的一个STM帧中。只要SDH的帧有空位置就将这些信元插入进来 ATM名词中的“异步”即是指将ATM信元“异步插入”到同步的SDH比特流中。 ATM综合吸收了分组交换高效率和电路交换高速度的优点，针对分组交换速率比较低的缺陷，利用电路交换几乎与协议处理无关的特点，通过高性能的硬件设备来提高处理速度，实现高速化传输。,ATM 的概念*,ATM的主要技术特点*,面向连接，采用固定长度数据传输单元-53字节的信元(cell) 各类信息(数字、语音、图像、视频)均可以信元为单位进行传送，因此ATM能够支持多媒体通信 ATM以统计时分多路复用方式来动态分配带宽，网络传输时延小，能够适应实时通信的要求 ATM无链路的纠错与流量控制，协议简单，数据交换效率高 ATM采用两级虚电路机制，增加了虚电路分配的灵活性 ATM的数据传输率为155Mbps2.4Gbps 从本质上看，ATM是一种高速分组交换技术。 ATM规范制定：ITU-T，ATM Forum 各种网络(X.25, FR, IP网络等)都可以通过互联设备与ATM网络连接，用户也可以通过T1, E1, T3或OC-3等线路接入ATM网络。,ATM 的网络元素 *,ATM 端点(endpoint): 通过点到点链路与ATM 交换机相连 ATM 交换机: 一种快速分组交换机，其交换容量高达数百Gb/s,一个ATM 网络包含：端点和交换机,ATM网络由ATM交换机与ATM端点组成*,ATM 的网络元素*,UNI 用户网络接口UNI（User-Network Interface） ATM端点与所连接的ATM交换机之间的接口 NNI 网络结点接口NNI（Network-Node Interface） ATM网络中两个ATM交换机之间，或在两个ATM网络之间的接口。,ATM 交换机的主要构件是: 交换结构(switching fabric)、若干个高速输入端口和输出端口、必要的缓存。 当输入端A、C有信元进入时，它们将通过交换结构并行地转发到输出端口E、H。交换机在一个时钟周期内就会将到达输入端口的信元经过交换结构送往相应的输出端口，因此在交换机中进行的交换非常快速。,ATM 交换机*,ATM 信元*,ATM 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 )。当用户的 ATM 信元需要传送时，就可“异步”插入到 SDH 的一个帧中。 每个 ATM 信元 53 个字节。可传输话音、数据、图像和视频业务。ATM 传输可以提供 155Mbps 到 2.4Gbps 之间的高速数据传输通道。 ATM采用异步时分复用方式工作，来自不同信息源的信元汇集到一起，在一个缓冲器内排队，队列中的信元逐个输出到传输线路，在传输线路上形成首尾相接的信元流。信元的首部标有VPI/VCI字段，说明该信元使用的虚电路号，网络根据信元头中的虚电路号来转发信元。,ATM 异步(统计)时分复用,异步时分复用(统计时分复用) *,信息源随机地产生信息，因此信元到达队列也是随机的。高速的业务信元来得十分频繁、集中，低速的业务信元来得很稀疏。这些信元都按先来后到在队列中排队，然后按输出次序复用到传输线上。 具有同样虚电路标识号的信元在传输线上并不像T1、E1同步时分多路复用那样对应某个固定的时间间隙，也不是按周期出现的，也即信息和它在帧中时隙位置之间没有关系，信息只是按信元头中的虚电路标识号VPI/VCI来区分的。这种复用方式称为异步时分复用，又称统计时分复用。而在同步时分复用方式(如PCM复用方式)中，信息以它在一幀中的时间位置(时隙)来区分，一个时隙对应着一条信道，不需要另外的信息头来标识信息的身份。,异步时分复用(统计时分复用) *,异步时分复用方式使ATM具有很大的灵活性，任何业务都可按实际需要来占用资源。对于特定的业务，传送速率可随信息到达的速率而变化，因此网络资源得到了最大限度的利用。ATM网络可以适用于任何业务，不论其特性如何(速率高低、突发性大小、质量和实时性要求等)，真正做到了完全的业务综合。 若某个时刻队列中没有等待发送的信元，此时线路上就插入空信元(信元头中含有标志)；反之，若某个时刻队列已经充满缓冲区，传输线路上找不到可以传送信元的机会(信元流都已排满)，此时为了尽量减少对业务质量的影响，将优先级别低的信元先丢弃。缓冲区的容量必须根据信息流量来计算，以使信元丢弃率在10-9以下。,ATM 交换结点的工作*,为了提高处理速度和降低延迟，ATM以面向连接的方式工作。网络的处理工作十分简单：通信开始时建立虚电路，以后用户将虚电路标识号VPI/VCI写入信元头(即地址信息)，网络中的ATM交换机根据虚电路标识号将信元逐站转发，送往目的地。 ATM网络中的交换结点提供信元的交换。结点完成的只是虚电路的交换，因为同一虚电路上的所有信元都选择同样的路由，经过同样的通路到达目的地。在接收端，这些信元到达的次序总是和发送次序相同。 ATM交换结点的工作比X.25分组交换网中的结点要简单得多。ATM结点只做信元头的CRC检验，对于数据字段的传输差错根本不过问。ATM结点不做差错控制(信元头中没有信元的编号)，也不参与流量控制，这些工作都留给端结点去做。ATM交换结点的主要工作就是读信元头，根据信元头中虚电路号快速将信元转发，这件工作在很大程度上依靠硬件完成，所以ATM交换的速度非常快，可以和光纤的传输速度相匹配。,ATM 的协议参考模型*,用户、控制、管理三个平面意味着，在ATM网络中传输的信元种类有： 用户数据类信元、信令(控制)类信元、管理类信元,ATM协议的平面和层次*,三个平面： 用户平面：用于用户信息传输以及相关控制功能，如 流量控制、差错控制等。 控制平面：用于呼叫控制和连接控制，连接释放等。 管理平面：包括平面管理和层管理。 层管理执行与各层实体中的资源和参数有关的管理功能。 平面管理执行与系统整体有关的管理功能，协调各平面之间的关系。平面管理不分层次。 三个层次： 物理层(ATM-PHY层)、ATM层、ATM适配层(AAL层) 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 层一： 物理层(ATM-PHY) *,物理层PHY分为两个子层： PMD (Physical Medium Dependent)子层 负责正确传输和接收比特流。 完成只和媒体相关的功能，如线路编码和解码、比特定时以及光电转换等。 传输媒体有光纤、UTP/STP等 TC (Transmission Convergence)子层 实现信元流和比特流的转换，包括速率适配(空闲信元的插入)、信元定界与同步、传输帧产生与恢复等. 典型的 TC 层， 发送时就是用信元流转换成比特流装入SONET / SDH帧，接收时从SONET/SDH帧中的比特流转换成信元流，标记出每个信元的开始和结束.,ATM 信元流装入一个 STM-1 帧的例子*,ATM 层二： ATM 层*,ATM 层主要完成交换和复用，它的功能是： 信元的复用与解复用 信元的 VPI/VCI 转换 (将进入信元首部中的VPI/VCI转换成新的数值) 信元首部的产生与提取 流量控制,VPI 与 VCI *,虚通道VP和虚通路VC,每个ATM 虚连接 用信元首部中的两级标识号 VPI/VCI 来标识，该标识用于在选定虚通道VP中选定一个特定虚通路VC. 虚通路标识符VCI (Virtual Channel Identifier) 一个虚通路VC是两个端点之间的一个运送 ATM 信元的通信通路。 虚通道标识符 VPI (Virtual Path Identifier) 一个虚通道VP包含有许多相同端点的VC，这些VC使用同一个VPI,VPI 与 VCI *,VPI/VCI 的值是在各段链路上分别分配的，所以只有局部的意义。 ATM交换机根据信元首部中的VPI/VCI值进行路由选择，信元首部中的VPI/VCI值 在经过ATM交换机时，其 VPI /VCI值 会改变。,ATM 层三： ATM 适配层(AAL) *,AAL (ATM Adaptation Layer) 作用： 将各种类型的应用适配成 ATM 网络能传输的信息格式，为上面高层各种特定的业务提供服务。,ATM 的砂漏模型,不同信号源发出的信号通过AAL层都变成固定长度的数据块(48字节长)，然后再交给ATM层，加上 5字节的首部后变成53字节的信元。,AAL 的作用*,ATM 信元的封装*,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,AAL 层的两个子层*,AAL层分为两个子层： 会聚子层 CS (Convergence Sublayer) 对不同的应用提供不同的服务。每一个 AAL 用户根据不同的应用需求通过相应的服务访问点 SAP（即应用程序的地址）接入到 AAL 层； 在 CS 子层形成的协议数据单元叫做 CS-PDU。 分段与重装子层 SAR (Segmentation And Reassembly) 发送处理时，将上层数据 (CS-PDU) 分段成 48 字节数据，交给下层 ATM 层作为信元的净负荷； 接收处理时，将从下层ATM层得来的各信元的48字节数据重组装交给上层 CS 子层。 在SAR子层形成的48字节的协议数据单元叫做 SAR-PDU,ATM 层和 AAL 层*,在 ATM 交换机中只有物理层和 ATM 层。 AAL 层只能驻留在 ATM 端点之中。,ATM、OSI 层次的对应关系*,孤立地观察ATM网络时，ATM网络像一个广域网，因为它可以覆盖很大的地理范围，有自己网络的硬件地址和进行信元转发的结点交换机，并且向上提供虚电路服务，好像是处在网络层； 不过从IP层来看，将IP层中的IP分组交给下面的ATM网络传送，整个的ATM网络又相当于两个IP结点之间的一条数据链路。从这个角度看，整个ATM网络又好像是处在数据链路层。 因此，ATM体系结构中的层次和OSI的层次很难有严格的对应关系。ATM网络可以做为数据链路层或网络层接入现有计算机网，它们的处理方式因接入点的不同而不同。,ATM 信元格式*,ATM 信元格式*,通用流量控制GFC(Generic Flow Control), 4位 只用于 UNI 接口,如用共享介质接入时，用其进行接入流量控制,类似局域网MAC功能。ATM网一般采用点到点接入，此时不需要这一控制功能，通常置为0000。 虚通道标识符VPI/虚通路标识符VCI，8/16位(UNI), 12/16位(NNI) 载荷类型PT (Payload Type)，3位 用于指示信元中的载荷（即数据字段中的数据）类型：区分该信元是用户信息或非用户信息；有无遭到拥塞；AAL-SDU应用服务类型。 信元丢失优先级CLP(Cell Loss Priority)，1位 指示信元丢失优先级。CLP=0表示该信元为高优先级信元，CLP=1表示该信元为低优先级信元。若网络出现拥塞，则先丢弃CLP=1的低优先级信元。 首部差错控制HEC(Header Error Control)，8位 检测信元首部中的多个比特错,并可进行信元头中单个比特的纠错。,ATM 的逻辑连接机制*,在 ATM 中使用的虚通路是一种逻辑连接。 虚通路是 ATM 网络中的基本交换元素。 两个端用户要进行通信： 首先必须建立虚通路连接， 然后才能在这个端到端连接上以固定信元长 度和可变速率进行全双工的通信。 数据传送完毕后再释放连接。,*,ATM 的主要信令报文*,报文类型 当主机发送时的意义 当网络发送时的意义 SETUP 请求建立连接 有一个入呼叫 CALL 收到入呼叫 连接建立的请求 PROCEEDING 正在进行处理 CONNECT 接受入呼叫 呼叫请求已被接受 CONNECT 对 CONNECT 对 CONNECT ACK 报文的确认 报文的确认 RELEASE 请求释放连接 端点发出了连接释放请求 RELEASE 对 RELEASE 的确认 对 RELEASE 的确认 COMPLETE,VCI 和 VPI 的转换*,ATM 信元在 ATM 网中传输时一定是在某特定的虚连接上按序传送的。 ATM 信元的首部一定要有这个虚连接的标识符VPI/VCI，以便唯一地标识该信元属于哪一个虚通路。 所有的 VPI/VCI 值只在每一段物理链路上具有唯一的值。 每经过一段链路，信元的 VPI/VCI 值都可能改变数值。 每一个交换机中都有一个VPI/VCI的转换表(也叫信元转发表)，至少有4个参数：入端口号、入VPI/VCI值、出端口号、出VPI/VCI值，每当建立一个新的虚连接时，会在该表中建立一行，填入相应的项。 虚连接很多时表会很大，对内存和处理带来很大负担。若有许多ATM连接，它们的源点和终点在地理上都比较集中，则这些连接就可以使用一个共同的虚通道标识符VPI，这样，在ATM网络中的交换机就只需将VPI值进行转换，而不管每条连接的VCI值是多少。这样的VPI转换表要比VPI/VCI转换表简单得多，进行这种交换的ATM交换机就是ATM交连机。,端点 A 通过 ATM 交换机 X, Y 和 Z 与端点 B 建立了一条逻辑连接*,ATM 网络,A,B,交 换 机 X,交 换 机 Y,交 换 机 Z,1,2,1,2,3,2,3,4,3,4,1,4,3/17,42/55,6/35,9/35,交换机 X 的 VPI/VCI 转换表,交换机 Y 的 VPI/VCI 转换表,交换机 Z 的 VPI/VCI 转换表,ATM交换机Y就是ATM交连机，它只改变VPI值而不改变VCI值。,ATM 的传输服务类型*,A类服务，恒定比特率CBR（Constant Bit Rate）业务 端点间保持定时同步，比特率恒定，面向连接，就像专线 用于语音、静态图象的传输服务 由AAL1子层适配 B类服务，实时-可变比特率(RT-VBR, Real Time Variable Bit Rate)业务 端点间保持定时同步，比特率可变，面向连接 用于可变速率语音和压缩视频图象的传输服务，如多媒体会议、视频点播等，能 更有效地分配资源 由AAL2子层适配 C类服务，非实时-可变比特率(NRT-VBR, NRT-Variable Bit Rate)业务 端点间不要求定时同步，比特率可变，面向连接 可用于支持突发性数据的传输服务，如多媒体电子邮件 由AAL3/AAL4 或 AAL5 子层适配 D类服务，如果提供拥塞反馈机制称可用比特率(ABR, Available Bit Rate)业务;否则，称未确定比特率(UBR, Unspecified Bit Rate)业务。ABR时，能确保一个最小信元传输速率并提供拥塞反馈机制，而UBR时，只等同于Inetrnet中IP的尽最大努力传输模式，但还能提供按序传输 。 端点间不要求定时同步，比特率可变，无连接 主要用于 QoS 要求较低或不要求的场合 由AAL3/AAL4 或 AAL5 子层适配 通常，A, B 类用于支持面向语音和视频的应用；C, D 类用于支持面向数据的应用。,ATM 服务类型一览表*,不需要,面向连接的突 发性数据传输, 如音视频多媒体Email,AAL 层举例：AAL5 *,AAL5从AAL3/4简化得来，又称SEAL(Simple Efficient Adaptation Layer), 既简单又高效,AAL5 *,所有的支持交换虚连接 SVC (Switched Virtual Connection)的 ATM 交换机和端点都必须支持 AAL5。 用户数据先传递给 AAL5 的汇聚子层 CS，作为汇聚子层的数据。 SAR 的协议数据单元 SAR-PDU 是由 CS 子层交来的48字节的数据块组成。 每个 SAR-PDU 往下送到ATM层，再加上 5 个字节的 ATM 信元首部就构成了一个完整的 53个字节的ATM 信元。,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。 能支持不同速率的各种业务。 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。 由于ATM使用光纤信道传输，误码率极低，故省略了数据链路层的差错控制和流量控制，而把它们放到高层处理，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*,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。 ATM 的技术复杂且价格较高。 ATM 能够直接支持的应用不多。 10吉比特以太网的问世，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*,IP over ATM *,90年代中期，ATM网络开始广泛应用于广域网，成为Internet的核心交换网的一个重要组成部分。 大量的低速路由器需要通过一些汇聚点接入到ATM主干网中。 ATM主干网中的路由器是核心路由器(core router)或主干路由器(backbone router)，它是执行ATM协议的高端路由器或ATM交换路由器。 执行汇聚点功能的路由器是边界路由器(border router)或接入路由器(access router)，它们需要完成ATM信元与IP分组格式转换与数据转发功能。 对于传统IP网络的用户看来，ATM主干网在接入路由器之间提供跨主干网的永久虚电路PVC，实现“IP over ATM”的传输模式。,知识点归纳,（八）数据链路层设备： 网桥（透明网桥、源路径网桥）、 交换机 网桥的概念： 网桥是一种存储转发设备，用来连接类型相似的局域网。从协议层次看，网桥属于链路层范畴，该层对数据帧进行存储转发。它既不同于只作单纯信号放大、再生增强的转接器（中继器）,也不同于网络层进行转发的路由器。,局域网扩展及虚拟局域网,在物理层扩展局域网 - 使用中继器、集线器 在电缆段之间复制比特信号，信号整形、放大、再生,扩展后的局域网在网络层看来还是一个网络,知识点归纳,局域网扩展,在数据链路层扩展局域网 - 使用网桥、交换机 在网段之间转发数据帧（根据MAC层物理地址）,扩展后的局域网在网络层看来还是一个网络,知识点归纳,网络互连,在网络层对多个网络互连 - 使用路由器 在网络之间转发 IP 分组（根据 IP 逻辑地址）,知识点归纳,在传输层及更高层互连 - 使用网关 在传输层及更高层上进行处理或协议转换,网络互连,知识点归纳,(1) 在物理层扩展局域网,物理层扩展设备： 中继器（Repeater）和集线器（Hub）,中继器,作用 在物理层上实现局域网网段的扩展，主要起到信号再生、放大、延长网络距离的作用。 优点 安装简单、使用方便、价格便宜。 缺点 不能够无限制地扩展网络长度。 中继器处理的对象是数据比特，它不能识别数据链路层的帧格式或网络层的分组格式。不提供网段之间的隔离。 注意：中继器、放大器两者之间的区别,知识点归纳,中继器的连接,知识点归纳,中继器的工作原理,信号的解码与编码 - 信号整形、放大、再生,知识点归纳,集线器,集线器：多端口中继器,知识点归纳,用多个集线器可连成更大的局域网 级联式集线器 (Uplink 端口) 堆叠式集线器 (Up、Down 堆叠端口) 底板插入模块 (如光纤模块等),用多个集线器可连成一个更大的局域网,集线器,知识点归纳,优点 使原来属于不同冲突域的局域网上的计算机能够进行跨冲突域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点 冲突域增大了，但总的吞吐量反而减小。 如果不同的冲突域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,用集线器扩展局域网,在数据链路层扩展局域网用的设备： 网桥（Bridge）和交换机（Switch）,(2) 在数据链路层扩展局域网,知识点归纳,为什么要使用网桥？,中继器的数目已经达到最大，但网络还需扩大距离时； 两个局域网距离相隔太远，中继器不能及 (此时需带有WAN链路的远程网桥) ； 局域网有太多的流量，要分成几个网段减小流量 (用路由器相连太贵或因无路由协议时) ； 连接不同类型的 LAN时； 安全或管理原因。,网桥连接网段扩展局域网,网桥是在逻辑链路层上存储转发数据幀的设备，当在多 个局域网之间需要交换信息，或为了安全、减小冲突域、增 大吞吐量、要将现存的单个局域网分隔成几个网络时，就要 用到网桥。（上图中红色光球-冲突）,连接网桥前后的冲突域变化,一个冲突域,四个冲突域,网桥,网桥根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定是过滤丢弃、还是将该帧转发到另一个端口。,网桥的作用：过滤和转发,网桥的内部组成,从 802.x 到 802.y 局域网桥的操作,由于MAC不同，网桥在 LLC 子层过滤、转发 幀,从 802.x 到 802.x 局域网桥的操作,由于MAC相同，仅在 MAC 子层过滤、转发 802.x 幀,过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 由于网桥的网络端口内有缓冲存储器，端口与端口间不是直接相连，因此可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如 10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。,使用网桥带来的好处,存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时，时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,使用网桥带来的缺点,集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。 在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。 由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。,网桥和集线器(或转发器)不同,透明网桥,透明网桥 (transparent bridge) 关心的是完全透明。当需要进行局域网互连时，只需把连接插头插入网桥，不需要改动任何硬件和软件，无需设置地址开关，无需装入路由表或参数。什么也不干，只须插入电缆就完事，现有LAN的运行完全不受网桥的任何影响。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。,透明网桥的过滤与转发,当一帧到达时，网桥必须决定将其丢弃还是转发。如果要转发，则必须决定发往哪一条输出线路(LAN)。 这需要通过查询网桥中一张路径选择表里的目的地址而作出决定。该表列出每个可能的目的地， 以及它属于哪一条输出线路(LAN)。在插入网桥之初，表为空，由于网桥不知道任何目的地的位置，因而采用扩散算法(flooding algorithm)：把每个到来的、 未知的目的站点(不在路径表中)的帧输出到连在此网桥的所有LAN（除了发送该帧来的输入线路以外）。,透明网桥的逆向学习法,随着时间的推移，网桥将了解每个目的地的位置。一旦知道了目的地位置，发往该处的帧就只发到适当的LAN上，而不再扩散发送。 当网桥刚接入网时，路径表是空的，它通过逆向学习法来获知路径并逐步建立起路径表，网桥通过检查收到幀的源地址及其输入线路，若对应的项在路径表中没有，则将其登记到透明网桥的路径表中。随着收到的幀越来越多，路径表就逐渐完备起来。,处理动态拓扑（时间项）,为了处理动态拓扑问题，每当增加路径表项时，均在该项中注明帧的到达时间。每当目的地已在表中的帧到达时，将以当前时间更新该项。这样，从表中每项的时间即可知道该机器最后帧到来的时间。网桥中有一个进程定期地扫描该表，会清除时间早于当前时间若干分钟的全部表项。 如果从LAN上取走一台计算机，并在别处重新连到LAN上的话，那么在几分钟内，网桥中该表里对应地址的项会动态得到更新，它即可重新开始正常工作而无须人工干预。这个算法同时也意味着，如果机器在几分钟内无动作，那么发给它的帧将不得不广播散发，一直到它自己发送出一帧为止。,丢弃、转发还是扩散？,到达透明网桥的帧是丢弃、转发还是扩散？其处理过程取决于发送的LAN(源LAN)和目的地所在的LAN(目的LAN)是否相同。 方法如下所示： 1、如果目的LAN和源LAN相同，则丢弃该帧； 2、如果目的LAN和源LAN不同，则转发该帧； 3、如果目的LAN未知，则进行扩散（广播）。,(1) 从端口 x 收到无差错的帧(如有差错即丢弃) ，在转发表中查找目的站 MAC 地址。 (2) 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d，然后进行(3)，否则转到(5)。 (3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x，则丢弃此帧(因为这表示不需要经过网桥进行转发) 。否则从端口 d 转发此帧。 (4) 转到(6)。 (5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧(这样做可保证找到目的站) 。 (6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行(7)。 (7) 更新计时器。 (8) 等待新的数据帧。转到(1)。,网桥处理接收帧和建立转发表的算法,站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。 端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。 时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。,网桥在转发表中登记的三个信息,透明网桥工作举例,有时为了线路能有容错能力，增加一些冗余线路，造成拓扑中有环路，会产生转发的帧在网络中不断地兜圈子的现象，因此发展出一种网桥支撑树算法。,透明网桥使用了支撑(生成)树算法,局域网 2,局域网 1,网桥 2,网桥 1,A,F,不停地 兜圈子,A 发出的帧,网络资源白白消耗了,支撑树（生成树）算法,为了防止幀的循环，使用支撑树算法，网桥间相互通信来确定支撑树（即生成初始拓扑中没有回路的子集）： 每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(网桥生产厂家设定的唯一序号)和它所知道的其他所有LAN上的网桥标识号 算法选择一个网桥作为支撑树的根(例如选择一个最小序号的网桥)，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点 一旦网桥确定了支撑树，网桥就虚拟地断开链路不在支撑树中的网桥上相关端口，从初始拓扑结构中创建支撑树。随着相关端口的断