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网络工程师学习课件,中国计算机技术与软件专业技术资格水平考试（六致十二章） 生域电子网络工程师葛立三于二零零四年十一月制作,第6章 广域网技术,广域网是在一个广泛范围内建立的计算机通信网。作用的地理范围从数十公里到数千公里，可以连接若干个城市、地区甚至跨越国界、遍及全球。广域网简称WAN。 本章讲述公共交换电话网、综合业务数字网、分组交换网、帧中继网、异步传输模式网、数字数据网、移动通信网以及卫星网等技术。,6.1 电话网,1、公用交换电话网 公用交换电话网（PSTN）是向公众提供电话通信服务的一种通信网。主要提供电话通信服务，同时还可提供非话音的数据通信服务。 交换机是PSTN的核心设备。由存储程序控制的交换机称为程控交换机，它将各种控制功能、步骤、方法等编成程序写入存储器来控制交换机。程控交换机有两种： （1）程控模拟交换机：传送和交换的是模拟话音信号 （2）程控数字交换机：传送和交换的是数字话音信号,6.1 电话网,2、计算机交换分机 （1）计算机交换分机的发展 计算机交换分机（CBX）是数字交换和电话交换系统两种技术的结合。经历了自动专用交换机（PABX）、数字PBX发展到第三代综合声音/数据系统。CBX的优点是直接与外线相连，不需要电话和调制解调器。图中（下图）所示CBX的最重要的特征是数据和数字化声音的内部综合，两者使用相同的交换机构。,图,6.1 电话网,（2）CBX的结构 CBX的一般结构如图所示（图2）。 通常系统的核心是某种数字开关网络。开关负责对数字信号流进行操作和交换，数字开关网络由某些空分和时分交换级组成。接到开关的是一组接口单元，通过接口单元访问外界或外界可访问接口单元。通常接口单元完成同步时分多路服务功能，以适应多个输入线。另一方面，为了达到全双工操作，单元要用两条线与开关相连。即使连接动态地变化，接口单元完成同步的而不是异步的TDM。,图,6.2 点到点通信,通常点到点的通信主要适用于两种情况： 1、许多组织有局域网，每个局域网含有众多主机和一些联网设备以及连接到外部的路由器，通过点到点的租线和远地路由器相连； 2、大量用户在家里使用调制解调器和拨号电话线连到Internet，这是点到点连接的最主要应用。 Internet上主要有两种协议：串行IP协议（SLIP）和点到点协议（PPP）。1、SLIP协议（将包转换为帧的协议） 串行IP协议（SLIP）工作原理：当工作站发送IP分组时，在帧的末尾带一个专门的标志字节（OxCO），如果在IP分组中含有同样的标志字节，则增加两个填充字节（OxDB，OxDC）在后面。,6.2 点到点通信,这一协议有一些问题：如没有提供有效的办法把本端的IP地址通知给令一端，数据帧中没有类型字段，没有提供数据压缩的功能，缺少检错和纠错功能，不提供身份验证等等。 2、PPP协议 PPP能够解决SLIP协议存在的问题，它支持差错检测、支持各种协议，在连接时IP地址可赋值，具有身份验证功能，以及很多对SLIP改进的功能。最重要的一点是：PPP是正式的Internet标准，而SLIP不是。它不仅适应于拨号用户，且适用于租用的路由器对路由器线路。PPP提供以下3个功能： （1）成帧的方法可清楚地区分帧的结束和下一帧的起始，帧格式还处理差错检测。 （2）链路控制协议LCP用于启动线路、测试、任选功能的协商以及关闭连接。,6.2 点到点通信,（3）网络层任选功能的协商方法独立于使用的网络层协议，因此可适用于不同的网络控制协议CNP。 PPP适用于采用调制解调器、HDLC串行位线、SONET和其它物理层的多协议或帧机制。 PPP包括三个基本的组成部分： （1）一种让网络软件在单个链路上使用多个协议的封装方法。PPP既支持数据为8位和无奇偶检验的异步模式，还支持面向比特的同步链接。 （2）建立、配置及测试数据链路的链路控制协议LCP。它允许通信双方进行协商，以确定不同的选项。 （3）网络层任选功能的协商方法独立于使用的网络层协议，因此可适用于不同的网络控制协议CNP。 PPP适用于采用调制解调器、HDLC串行位线、SONET和其它物理层的多协议或帧机制。,6.3 综合业务数字网,ISDN 的英文全称是Integrated Serices Digital Network。ISDN 概念是在1972年由原CCITT 首次提出来的,并给出了ISDN 的定义：综合业务数字网ISDN 是以电话综合数字网（IDN）为基础发展而成的通信网，它能提供端到端的数字连接性，用来承载包括话音和非话音在内的多种电信业务，客户能够通过有限的一组标准多用途用户网络接口接入这个网络。 ISDN有两个信道：B信道和D信道。B信道提供 64Kbps带宽来传送语音或数据资料，D信道提供ISDN 的控制信号信道，在ISDN网络端与用户端之间传输控制信号。 基本速率接口(BRI)：一个定义ISDN界面的标准，一般包括一个D信道及两个B信道，一般称为2BD。一般我们说的“一线通 ”128Kbps的速率就是指的2B的速率。,6.3 综合业务数字网,基群速率接口(PRI)：一个定义ISDN界面的标准，一般包括一个D信道及三十个B信道，一般称为30BD。 常用的ISDN硬件主要也只有网络终端NT和ISDN适配器两大类: 1、网络终端NT 这是用户传输线路的终端装置。它是实现在普通电话线上进行数字信号转送和接受的关键设备。该设备安装于用户处，是实现N-ISDN功能的必备硬件。 网络终端分为基本速率网络终端-NT1和一次群速率网络终端-NT2两种。 NT1向用户提供2B+D两线双向传输能力，它能以点对点的方式支持最多8个终端设备接入，可使多个ISDN用户终端设备合用一个D信道。,6.3 综合业务数字网,NT2主要提供30B+D的四线双向传输能力，定时完成网络的维护功能，常应用于ISDN小交换机。目前，部分生产厂家提供的用户终端设备已包括了NT功能，俗称u接口。 2、ISDN用户终端 ISDN用户终端设备种类很多，有ISDN电视会议系统、ISDN小交换机、ISDN适配器（内置 、外置）、ISDN路由器、数字电话机、四类传真机等。 （1）数字电话机 数字电话机是常用的一种ISDN硬件 。一部电话机使用时一般占用一个B信道（64Kbps）。它具有一个LED显示屏，并带有专用的功能键，因而它不仅能提供基本的电话业务，而且还能通过功能键的设置和使用，提供许多方便用户的ISDN补充业务。有些数字话机还配有RS232、X.21或X.25数据接口，可以兼作ISDN适配器使用。如：AT&T8820型话机可提供RS232接口，数据口的通信速率为38.4 Kbps。,6.3 综合业务数字网,（2）ISDN适配器 ISDN终端适配器的功能就是使现有的非ISDN标准终端（例如模拟话机 、G3传真机、PC机）能够在ISDN上运行，为用户在现有终端上提供ISDN业务。通常，大部分适配器具有2个信道通信能力。与电脑连接方式有串口和并口两种：串口方式最高通信速率为112.5 Kbps,并口方式最高通信速率为128 Kbps。ISDN终端适配器可分为内置式和外置式两种。,6.4 分组交换网,1、分组交换网原理 分组交换是一种在距离相隔较远的工作点之间进行大量数据传输的有效方法，它结合线路交换和报文交换的优点，将信息分成较小的分组进行存储、转发，动态分配线路的带宽。它的优点是出错少、线路利用率高。它有数据报和虚电路两种方式，虚电路方式能在一条物理链路上建立若干条逻辑上的虚电路，使用户感觉到仿佛有若干条物理链路一样。数据报方式灵活、快速可靠。现有的公共数据交换网都采用分组交换技术。 CCITT X.25建议是常见的公共数据网的一种协议，因此公共数据网一般也称为X.25网。X.25描述了将一个分组终端连接到一个分组网络上所需要做的工作。通过虚电路方式，它能负责维护一个通过单一物理连接的多用户会话，每个用户会话被分配一个逻辑信道，这是X.25一个很强的功能。X.25的另一个特点是允许建立一个能通过两种类型的分组交换网络，这两种类型是高优先级和正常优先级类型。,6.4 分组交换网,X.25网络与计算机之间的接口一般是通过专用设备或网关、路由器来解决的。它是一种中速数据网络，一般速率在64kbps以内，因此难以满足现在的应用需求。 2、X.25分层协议 X.25 协议定义了一系列的规定，它们决定了分组型终端设备如何把控制信息和数据装入分组，建立呼叫，保持和拆除呼叫，以及传输的管理和流量的控制。X.25定义了三个相互独立的控制层，即物理层、链路层和分组层。物理层指的是DTE和网络之间的线路连接，X.25标准可采用V.24（即RS-232）、V.35、G.703、X.21等接口；链路层负责DTE-DCE之间的初始化校验和控制物理链路上的数据传输，采用LAP B标准；分组层为虚呼叫和固定虚呼叫指定数据终端和网内设备的逻辑通路号，建立分组交换的过程。,6.4 分组交换网,X.25网络设备分为数据终端设备（DTE）、数据电路终端设备（DCE）及分组交换设备（PSE）。 DTE是X.25的末端系统，如终端、计算机或网络主机，一般位于用户端。DCE设备是专用通信设备，如调制解调器和分组交换机。PSE是公共网络的主干交换机。 3、X.25分组格式 左图为基本X.25分组的格式。用户数据分成多个块，每个块加上24位或32位的报头形成数据分组。报头含有12位的虚电路号，其中4位为组号，8位为通道号。P(S)和P(R)用于流控和差错控制。M位和D位可用于流控和差错控制，也可用于X.25完全分组序列。,图,6.5 帧中继网,6.5.1 帧中继概述 帧中继是一种高性能的WAN协议，它运行在OSI参考模型的物理层和数据链路层。它是一种数据包交换技术，是X.25的简化版本。它省略了X.25的一些强健功能，如提供窗口技术和数据重发技术，而是依靠高层协议提供纠错功能，这是因为帧中继工作在更好的WAN设备上，这些设备较之X. 25的WAN设备具有更可靠的连接服务和更高的可靠性，它严格地对应于OSI参考模型的最低二层，而X.25还提供第三层的服务，所以，帧中继比X.25具有更高的性能和更有效的传输效率。,6.5 帧中继网,帧中继广域网的设备分为数据终端设备(DTE)和数据电路终端设备（DCE）。 帧中继技术提供面向连接的数据链路层的通信，在每对设备之间都存在一条定义好的通信链路，且该链路有一个链路识别码。这种服务通过帧中继虚电路实现，每个帧中继虚电路都以数据链路识别码（DLCI）标识自己。DLCI的值一般由帧中继服务提供商指定。帧中继既支持PVC也支持SVC。 帧中继本地管理接口（LMI）是对基本的帧中继标准的扩展。它是路由器和帧中继交换机之间信令标准，提供帧中继管理机制。它提供了许多管理复杂互联网络的特性，其中包括全局寻址、虚电路状态消息和多目发送等功能。,6.5.2 帧中继实现基本原理,1、数据链路层帧方式接入协议(LAPF) (1) LAPF基本特性 LAPF(Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services)是帧方式承载业务的数据链路层协议和规程，包含在ITU-T建议Q.922中。 LAPF的作用是在ISDN用户-网络接口的B 、D或H通路上为帧方式承载业务，在用户平面上的数据链路(DL)业务用户之间传递数据链路层业务数据单元(SDU)。 LAPF使用I.430和I.431 支持的物理层服务，并允许在ISDN B/D/H通路上统计复用多个帧方式承载连接。LAPF也可以使用其它类型接口支持的物理层服务。 LAPF的一个子集，对应于数据链路层核心子层，用来支持帧中继承载业务。这个子集称为数据链路核心协议(DL-CORE)。LAPF的其余部分称为数据链路控制协议(DL-CONTROL)。LAPF提供两种信息传送方式：非确认信息传送方式和确认信息传送方式。,6.5.2 帧中继实现基本原理,(2) LAPF帧结构 （下图） LAPF的帧由5种字段组成 ：标志字段F、地址字段A、控制字段C、信息字段I和帧检验序列字段FCS。 标志字段(Flag)是一个特殊的八比特组01111 110，它的作用是标志一帧的开始和结束。在地址标志之前的标志为开始标志，在帧校验序列(FCS)字段之后的标志为结束标志。,6.5.2 帧中继实现基本原理,地址字段A的主要用途是区分同一通路上多个数据链路连接，以便实现帧的复用/分路。地址字段的长度一般为2个字节 ，必要时最多可扩展到4个字节。地址字段通常包括地址字段扩展比特EA ，命令/响应指示C/R，帧可丢失指示比特DE ，前向显式拥塞比特FECN，后向显示拥塞比特BECN，数据链路连接标识符DLCI和DLCI扩展/控制知识比特D/C等7个组成部分。 控制字段C分3种类型的帧：信息帧(I帧)用来传送用户数据，但在传用户数据的同时，I帧还捎带传送流量控制和差错控制信息 ，以保证用户数据的正确传送；监视帧(S帧)专门用来传送控制信息，当流量和差错控制信息没有I帧可以“搭乘”时，需要用S帧来传送；无编号帧(U帧)，有两个用途：传送链路控制信息以及按非确认方式传送用户数据。,6.5.2 帧中继实现基本原理,信息字段I包含的是用户数据，可以是任意的比特序列，它的长度必须是整数个自己，LAPF信息字节的最大默认长度为260个字节，网络应能支持协商的信息字段的最大字节数至少为1598 ，用来支持例如LAN互联之类的应用，以尽量减少用户设备分段和重装用户数据的需要。 帧校验序列字段FCS是一个16比特的序列 。它具有很强的检错能力 ，它能检测出在任何位置上的3个以内的错误、所有的奇数个错误、16个比特之内的连续错误以及大部分的大量突发错误。 (3) LAPF帧交换过程 LAPF的帧交换过程是对等实体之间在D/B/H通路或其它类型物理通路上传送和交换信息的过程，进行交换的帧有I帧、S帧和U帧。,6.5.2 帧中继实现基本原理,采用非确认信息传送方式时，LAPF的工作方程十分简单，用到的帧只有一种，即无编号信号帧UI。UI帧的I段包含了用户发送的数据，UI帧到达接收端后，LAPF实体按FCS字段的内容检查传输错误，如没有错误，则将I字段的内容送到第3层实体，如有错误，则将该帧丢弃，但不论接收是否正确，接收端都不给发送端任何回答。 采用确认信息传送方式时 ，LAPF的帧交换分为3个阶段：连接建立、数据传送和连接释放。,6.5.2 帧中继实现基本原理,a. 连接建立 任何一端都可以通过发送一个SABME帧来申请一条逻辑连接，这通常是对来自一个第3层实体的申请的响应。 SABME帧含有数据链路连接标识符(DLCI)。LAPF实体接收该SABME帧，并发送一个连接申请指示给合适的第3层实体；如果该第3层实体以接受连接来响应，则该LAPF实体发送一个UA帧返回给对方。当对方的LAPF实体收到表示接受的UA帧时，就向上送一个证实信息给提出申请的用户。如果终点用户拒绝该连接申请，其LAPF实体就回送一个DM帧，接收DM的LAPF实体则通知其用户对方拒绝建立连接。,6.5.2 帧中继实现基本原理,b. 数据传递 当连接请求已被接受和证实，就建立起该连接，双方就可以在I帧中发送用户数据，并以序号0开始，I帧中的N(S)及N(R)两个字段用于流量控制和差错控制，一个发送I帧序列的LAPF将对这些帧编制序号(模128)，并将顺序号放进N(S)中，N(R)是已接收的I帧的捎带确认，它使LAPF实体能够指示它期望接收的下一个I帧的序号。 c. 连接释放 任何一方LAPF实体均可启动一次切断(操作)，可以是出于它本身的原因(例如出了某种故障)，或者根据它的第3层用户的请求。LAPF实体通过发送一个DISC帧给对等的实体来切断连接。对方的LAPF实体必须通过回答一个UA而接受该切断，并通知第3层用户连接已经终止。在途中的任何还未被确认的I帧均会被丢失，由较高层负责恢复。,6.5.2 帧中继实现基本原理,2、数据链路层核心协议 帧中继承载业务使用Q.922协议的“ 核心”协议作为数据链路层协议，并透明地传递DL-CORE服务用户数据。 (1) 帧中继的帧结构 （图2） 在帧中继接口 ，数据链路层传输的帧由4种字段组成：标志字段F，地址字段A，信息字段I和帧校验序列字段FCS。,图,6.5.2 帧中继实现基本原理,标志字段F同LAPF标志字段 地址字段A与LAPF地址字段基本相同，只是不使用地址字段中的C/R比特。信息字段I包含的是用户数据，可以是任意的比特序列，它的长度必须是整数个字节，帧中继信息字节最大默契长度为262个字节，网络应能支持协商的信息字段的最大字节数至少为1600，用来支持例如LAN互联之类的应用，以尽量减少用户设备分段和重装用户数据的需要。帧校验序列字段FCS同LAPF帧结构中的FCS字段。,6.5.2 帧中继实现基本原理,(2) 数据链路层核心协议在ISDN协议结构中的位置（下图） 在ISDN环境中，数据链路层核心协议(DL-CORE)的位置如下图。帧中继协议分为用户(U)平面和控制(C)平面两部分，其中U平面第二层又可分为下列两个子层：DL控制子层(DL-CONTROL)和DL核心子层(DL-CORE)。,图,6.5.2 帧中继实现基本原理,(3) 数据链路层核心业务的数据传送功能 数据链路层核心业务的数据传送功能是通过原语的形式来描述的。只使用一种原语类型DL-CORE -DATA，用来允许核心业务用户之间传送核心用户数据。数据传送业务不证实服务，因此只有两种原语可供使用：DL-CORE-DATA请求和DL-CORE- DATA指示。 (4) 帧中继层管理功能 DL-CORE子层实体与其它实体之间的通信是通过原语来实现的。 在永久帧中继承载连接的情况下，与DL- CORE协议操作有关的信息均由DL-CORE层管理实体负责维护。对于即时的(on-demand)帧中继承载连接，建立和释放DL-CORE连接均由第三层来实现。与DL-CORE协议操作有关的信息均通过第三层管理DL-CORE子层管理之间进行协调来管理的。,6.5.2 帧中继实现基本原理,3、帧中继的寻址功能 帧中继采用统计复用技术，以“虚电路”(VC)机制为每一帧提供地址信息，每一条线路和每一个物理端口可容纳许多虚电路，用户之间通过虚电路进行连接。在每一帧的帧头中都包含虚电路号-数据链路连接标识符(DLCI)，这是每一帧的地址信息。目前帧中继网只提供永久虚电路(PVC)业务，每一个节点机中都存在PVC路由表，当帧进入网络时，节点机通过 DLCI 值识别帧的去向。DLCI只具有本地意义，它并非指终点的地址，而只是识别用户与网络间以及网络与网络间的逻辑连接(虚电路段)。 帧中继的虚电路是由多段DLCI的逻辑连接链接而构成的端到端的逻辑链路。当用户数据信息被封装在帧中进入节点机后,首先识别帧头中的DLCI，然后再PVC路由表中找出对应的下段PVC的号码DLCI，从而将帧准确地送往下一节点机。,6.6 ATM网,ATM( Asynchronous Transfer Mode)异步传输模式，也称信元交换与快速分组交换技术。它是国际电报电话委员会 CCITT 和服务厂商共同提出，并在1990年提出的一组建议中确认为宽带综合业务数字网(B-ISDN)的传输方法。传输介质采用光纤或双绞线。传输速率已达155Mbps和622M bps，并将发展到2Gbps以上，能够满足大数据量和大文件及多媒体信息的传输要求。其信元(CELL)交换技术和虚电路技术能够保证多媒体数据信息的实时传输。它除了可为用户提供高带宽外，每个用户还可享用专用带宽，还可根据用户的需求变化来调节用户的带宽，以达到最佳的使用效率，ATM可在局域网和广域网中传输多媒体信息，还可用在局域网中实现大数据量的实时分布处理等。,6.6.1 ATM协议参考模型,1、物理层 由两个子层组成： （1）物理介质子层：支持纯粹与介质有关的位功能 （2）传输汇聚子层：把ATM信元流转成在物理介质上传输的位 2、ATM层 基本功能是负责生成信元，4个主要功能是：多路复用、多路复用用分解，信元VPI、VCI的转换，信元头的产生和去除，流控。 3、ATM适配层（AAL） 由分段和重组子层和汇聚子层组成。,6.6.1 ATM协议参考模型,4、信元类型 （1）空信元（物理层）：为了使信元流的速率与传输系统可用的有效负载容量相匹配而在物理层插入或除去的信元。 （2）有效信元：没有头差错的信元或已由头差错控制进程修正过的信元。 （3）无效信元：有头差错的信元且尚未由头差错控制进程修正过的信元。 （4）指定的信元（ATM层）：使用ATM层服务为应用提供服务的信元。 （5）非指定的信元（ATM层）：尚未指定的信元。,6.6.2 信元,在ATM中信息流组织成固定长度的分组叫做 “信元“（CELL），信元是固定长度的分组，共有个字节，分为个部分。前面个字节为信头，主要完成寻址的功能；后面的个字节为信息段，用来装载来自不同用户、不同业务的信息。话音，数据，图象等所有的数字信息都要经过切割，封装成统一格式的信元在网中传递，并在接收端恢复成所需格式。,6.6.3 ATM物理层,1、传输汇聚子层 （1）信元头保护机制：使用信元头差错控制域来保护信元头。信元头差错控制HEC域是一个8位序列，所用的生成多项式是Xe8+Xe2+X+1。 （2）信元定界机制：信元定界算法运行过程如图所示。搜索的功能是逐个的检查各位，看看HEC编码规则是否被遵守；预同步状态表示已经找到一个正确的信元定界；同步状态表示确认信元定界的到达。,图,6.6.3 ATM物理层,（3）混杂：用来对付恶意用户和假冒。信息域中的位被一个使用多项式Xe43+1的自同步混杂器随机处理，信元头并没有被混杂。 （4）信元率去耦：在发送方插入空信元，在接收方再把它们删除。 （5）与传输系统的匹配：这是构成信元流必须完成的动作，发送时按照传输帧的负载结构，接收时从传输帧中抽出信元流。 2、物理介质子层 提供位传输能力、传输功能与所用的介质有关，这些功能包括线路编码、再生、均衡、电光转换等。,6.6.4 ATM适配层,ATM采用了AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5多种适配层，适应A级、B级、C级、D级四种不同的用户业务,业务描述如下: A 级 - 固定比特率(CBR)业务:ATM适配层(AAL1),支持面向连接的业务,其比特率固定,常见业务为64Kbit/s话音业务,固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电路。 B 级 - 可变比特率(VBR)业务:ATM适配层2(AAL2)。支持面向连接的业务,其比特率是可变的。常见业务为压缩的分组语音通信和压缩的视频传输。该业务具有传递介面延迟物性,其原因是接收器需要重新组装原来的非压缩语音和视频信息。,6.6.4 ATM适配层,C 级 - 面向连接的数据服务:AAL3/4。该业务为面向连接的业务,适用于文件传递和数据网业务,其连接是在数据被传送以前建立的。 D 级 - 无连接数据业务:常见业务为数据报业务和数据网业务。在传递数据前, 其连接不会建立。AAL3/4或AAL5均支持此业务。,6.7 数字数据网,数字数据网是利用数字传输通道（光纤、微波、卫星）和数字交叉复用节点组成的数字数据传输网，可以为客户提供各种速率的高质量数字专用电路和其他新业务。以满足客户多媒体通信和组建中高速计算机通信网的需要。 DDN业务区别是于传统模拟电话专线的显著特点是数字电路传输质量高，时延小，通信速率可根据需要选择；电路可以自动迂回，可靠性高；一线可以多用，即可以通话、传真、传送数据，还可以组建会议电视系统，开放帧中续业务，做多媒体服务，或组建自己的虚拟专网，设立网管中心，自己管理自己的网络。,6.8 移动通信,移动通信网是指支持通信的一方或双方可以在网内随意移动进行通信的网络。 移动通信的基本技术主要包括：调制技术；移动通信中电波传播的模式及抗衰落措施；抗干扰措施；组网技术；移动台的小型化。 1、全球移动通信系统（GSM） GSM是一个完整的数字移动通信标准体系，其业务分为话音业务和数据业务。GSM网络结构主要由网络子系统（NSS）、基站子系统（BBS）和移动台（MS）三部分组成： （1）NSS由移动交换机、归属位置寄存器、访问位置寄存器、鉴定中心、设备识别寄存器、操作维护中心和短消息业务中心组成。,6.8 移动通信,（2）BSS包含了GSM无线通信部分的所有地面基础设施、是移动台和交换机之间的桥梁。 （3）移动台是用户使用的终端设备。 2、无线软件应用协议 无线软件应用协议（WAP）是以国际互联网上所采用的HTTP/HTML协议为基础，针对无线移动通讯的特性建立的通信协议，是对小型显示界面、低功率、小内存、CPU运算能力低的通讯工具，以及低带宽、延迟大和较不可靠的无线移动通讯网络进行修改设计而成的协议。 WAP采用客户机/服务器结构，提供灵活而强大的编程模式。,6.8 移动通信,WAP协议栈包括以下几层： (1) 无线应用环境（WAE）应用层协议 (2) 无线会话协议（WSP）会话层协议 (3) 无线事务处理协议（WTP）事务处理层协议 (4) 无线传输层的安全协议（WTLS）安全层协议 (5) 无线数据报协议（WDP）传输层协议 (6) 无线载体 (7) 其他应用和服务,6.8 移动通信,3、个人通信业务/个人通信网 个人通信业务（PCS）是指利用对通信网络透明的个人电信号码，经过传输网和智能网的接入、传输、交换等处理，可实现任何用户在任何时间在任何地点可以同任何用户实现用户自己预定的任何电信业务组合服务的通信。提供PCS的任何网络称为个人通信网（PCN）。,6.9 卫星通信系统,卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地面站之间进行的通信。 卫星移动通信系统按照其使用的空间轨道位置，可分为对地静止轨道（CEO）系统和非对地静止轨道系统；按照其业务提供的范围可分为全球卫星移动通信系统和区域卫星移动通信系统。卫星通信网络的结构主要有两种：星形和网格形。,6.9 卫星通信系统,1、甚小口径天线地球站 甚小口径天线地球站（VSAT）是指一类具有甚小口径天线的、非常廉价的智能化小型或微型地球站，可以方便地安装在用户处。VSAT卫星通信网一般是由大量地VSAT小站与一个主站协同工作，共同构成地一个广域稀路由的卫星通信网。 VSAT的关键技术主要包括： （1）地球站技术：目标是VSAT小型化，降低VSAT的成本 （2）空间技术：目标是降低卫星的成本，在不增加卫星重量的基础上增加卫星的容量、利用率，从而加强卫星的竞争力。 （3）网络技术：目标是将地球站和卫星结合起来，使VSAT达到最佳的性能/价格比。,6.9 卫星通信系统,2、低轨道卫星通信系统 低轨道卫星通信系统（LEOS）是指通信卫星的轨道定位高度为500km1500km左右的卫星通信系统。LEOS通常由卫星星座、关口地面站、系统控制中心、网络控制中心和用户单元组成。,第7章 网络互连技术,网络互连是将多个网络互相连接，通过一种或多种通信处理设备相互连接，按一定的互连协议使不同网络上的主机可以相互通信并实现资源共享。 本章讲述局域网互连、网络互连原理、无连接网络互连、各种路由选择算法和协议以及核心路由器体系结构等技术。,7.1 局域网互连,7.1.1 局域网互连方式 局域网互连所解决的问题的本质是突破局域网所固有的限制，如最远覆盖范围、最多可能连接的通信站点数等等。 局域网互连有多种方法： 1、距离分：本地局域网互连（LAN-LAN）和远程局域网互连（LAN-WAN-LAN） 2、介质分：同轴细缆或粗缆、各类非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线（STP）、单模或多模光纤等 3、ISO/OSI开放系统互连参考模型的分层观点分，可将互连分为四个层次，即物理层、数据链路层、网络层和高层：,7.1 局域网互连,层次一：使用中继器（转发器）在不同电缆段之间复制位信号（如图1）,7.1 局域网互连,层次二：使用网桥在局域网之间存储、转发帧（如图2）,7.1 局域网互连,层次三：使用路由器在不同网络间存储、转发分组（如图） 层次四：使用协议转换器提供高层接口,7.1.2 中继器互连方式,物理层的网络互联通过中继器实现。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真。中继器的出现解决了这一问题，它主要完成物理层的功能，从一个网段向另一个网段复制电信号，保持与源数据的完整，以此来延长网络的长度。以粗缆以太网为例，独立电缆的最大作用距离为500米，当需要扩大网络作用距离时，可以在两根电缆之间使用中继器。当然，我们不能错误认为通过中继器可以将网段一段段连接起来，使网络作用距离无限扩大。在以太网协议规范中，对中继器的使用作了明确规定，在网络中任意两个站点之间经过的中继器数目不能超过两个。各种物理传输介质的最大传输距离如下表所示：,图,7.1.2 中继器互连方式,属于中继器的以太网UTP集线器可分为三种： （1）普通型集线器：为单模块设备，有若干个可能不同类的接口，集线器和集线器之间以级联方式互连。 （2）可叠加组合型集线器：为可组合、扩充的结构 （3）智能型集线器：可灵活配置不同数目、不同类模块的设备,7.1.3 网桥互连方式,数据链路层的网络互连通过网桥实现。它互连兼容地址方案的局域网，利用MAC和MAC地址，以及存储、转发功能进行局域网间的信息帧交换。每个网桥端口接一个网段，每一个网段拥有的用户节点树有限，当某个节点发送数据时，由于是在同一个网段，该数据能够到达所接的网桥端口，网桥收到该数据帧时，读取数据帧目的地址（MAC），对照自己的桥接表，决定将数据帧向某个端口发送。因此，接在网桥不同端口上的网段不会干扰彼此的数据传输。,7.1.3 网桥互连方式,网桥从应用上分为： 1、本地网桥：互连两个或两个以上局域网 2、远程网桥：互连远距离的局域网，要求远程两端都有远程网桥 3、主干网桥：以高速度主干通信线路和网桥构成主干网络，用以互连低速的局域网。 网桥根据工作原理不同可以分为透明网桥和源站选路网桥。,7.1.3 网桥互连方式,1、透明网桥（简称TB桥）：透明网桥的基本功能有学习及过滤、帧转发和分枝树算法功能。透明网桥有时会造成广播风暴。扩展树协议是为了克服由于网桥不具网络层功能，在有冗余路径的网络中出现信息回路造成网络瘫痪的问题。,7.1.3 网桥互连方式,2、源站选路网桥：源站选路网桥主要用于标记环IEEE802.5。源站选路网桥需要由网络管理人员确定网桥相连的网络的编号,并对网桥进行相应设置。站点传输数据时,首先需要获得传输的路由信息，并在所传输的数据帧中填写完整的路由信息.网桥根据所接收数据的路由信息完成相应的存储转发。 互连不同型局域网时，桥接方式可分为封装桥接方式，转换桥接方式和源地址路径选择透明桥SRT方式。,网桥互连图,7.1.4 路由器互连方式,网络层的网络互连通过路由器实现。路由器不但是局域网互连的重要设备，而且也是局域网和广域网互连时必不可少的设备。路由器对网络中的分组进行存储转发。通过解析分组中的网络地址信息，并对照路由表，确定分组转发的路由。路由器的主要功能在于路由和交换，每个路由器都有一张路由表，记录到达各个目的网络的下一地址。根据路由表，当路由器接收到一个数据包时，从网络层协议头读取目的网络层地址，判断其网络号之后，查找路由表，决定将该数据包从哪个端口转发出去，这就是路由功能。决定将数据包向哪个端口转发之后，路由器去掉原数据包的数据链路层报头，用目的端口所接网段要求的帧格式重新封装，并恢复网络层协议头。路由器和第二层交换设备所不同的是网桥和交换机是根据数据帧的MAC地址来决定将一个数据帧如何转发，而路由器是根据数据包的网络地址即第三层地址来转发数据包。它有以下特点：,7.1.4 路由器互连方式,（1） 路由器要有路由协议处理功能，协议决定信息传输的最佳路径，由路由器执行协议操作 （2） 路由器是和协议相关的，因为涉及网络层的操作 （3） 路由器所连接的是不同的网络，所以互连涉及到网络、子网络和作为通信端点的主机地址。 （4） 路由器适合于互连不同种类的网络 （5） 路由器对网络的控制管理功能更强，但也反映出它处理复杂，在简单局域网环境下作数据交换的效率比桥接方式低。 （6） 路由器一般可支持以太网802.3，802.4，802.5，4M和16M标记环，FDDI，PBX，T1/E1，PPP，X.25，帧中继，SMDS，ATM，等。,路由器互连图,7.1.5 互连方式对比,7.2 网络互连原理,7.2.1 网络互连要求 （1）网络之间至少需要一条物理和链路控制的链路 （2）在不同网络的进程间提供路径选择和传递数据 （3）提供各用户使用网络的记录和保持状态信息 （4）需要网络互连功能协调各个网络的不同特性：不同的编址方案、不同的最大分组尺寸、不同的网络访问机制、不同的超时、差错恢复、状态报告、路径选择技术、用户访问控制、连接和无连接服务。,7.2.2 互连网络结构,互连网络结构有两种运行模式：面向连接和无连接。 1、面向连接运行模式（如图） 面向连接运行模式对应于虚电路机制： （1） 中间系统IS用来连接两个或多个子网；IS可看作与其相连子网上的DTE。 （2） 若DTE A欲与DTE B交换数据，它们之间要建立逻辑连接，这个逻辑连接由贯穿多个子网的一连串逻辑连接组成，从而形成从DTE A至DTE B的通道。 （3） IS把各个子网的逻辑连接拼接在一起。 互连网络单元运行在第3层，因而IS可看作为路由器，面向连接的路由器有如下功能： （1） 中继：通过网络层协议从一个子网到达的数据都发送到另一子网。 （2） 路由：当建立由一连串逻辑连接组成的端到端逻辑连接时，每个涉及的路由器必须决定下一步的路由。,图,7.2.2 互连网络结构,2、无连接运行模式 无连接运行模式对应于分组交换网的数据报机制，从源DTE发送的各个网络协议数据单元都被单独处理并通过一系列路由器和网络到达目的DTE。路由器对每个数据单元要分别决定其下一步的路由，因而不同的数据单元可以经过不同的路由到达目的DTE。,7.3 无连接网络互连,7.3.1 无连接互连网络的操作 协议操作过程如下：主机A的IP接收到从其高层软件送来的发往B的数据块。IP把包含有B的全局互连网络地址的头部加上去，此地址包含网络标识和端系统标识，从而组成互连网络协议数据单元或称为数据报。此数据报由LAN协议进行包装并发往路由器X，路由器X去掉LAN包装并读IP头部，再用X.25协议域包装数据报并经WAN发往另一个路由器Y，此路由器删除X.25域，得到数据报，再用LAN2的协议包装后送往B。,图,7.3.2 无连接互连网络的设计,1、路由 路由功能是由路由表来完成路由功能。路由表分为静态和动态两种。 另一种路由技术称为源路由，源站点在其数据报中指定了包含一系列路由器的路由。还有一种服务是路由记录，用于测试和纠错。 2、数据报生命周期 在动态的或可选路由技术下，数据报可能在互连网络中无限循环，这时就需要为每个数据报指定一个生命周期，如果超过这个周期，就把数据报放弃。一般用跳步数来计算，数据报每经过一个路由器，则跳步数减1。,7.3.2 无连接互连网络的设计,（3）把第一个新数据报的长度设置为所插入的数据，把more flag设置为1，offset不变。 （4）把第二个新数据报的长度设置为所插入的数据，把offset设置为第一部分数据长度除以8，more flag设置为0。 由于IP不保证所有的分段都能传送到，因而需要一种机制来决定何时放弃重组工作以释放缓冲器空间： （1）一种方法是对到来的第一段设置一个重组生命周期，如果在生命周期内没有完成重组工作，那么就撤消已到达的分段。 （2）第二种方法是利用数据报的生命周期，它包含在每一段的头部中，若重组工作没有在数据报生命周期内完成，则撤消接收到的分段。,7.3.2 无连接互连网络的设计,4、纠错 如果路由器丢掉了一个数据报，若可能，它应该向源点返还一个信息，使源互连网络协议实体能利用这个信息来修改其传输策略或者通知它的高层此数据报已被扔掉。 5、流控 互连网络流控使路由器或接收站点可以限制接收数据的速率。,7.4 IP数据报的路由选择,Internet的所有互联网服务都使用无连接分组传送系统，传送的基本单元是IP数据报。 7.4.1 IP数据报的直接传送和间接传送 路由选择有两种方式：直接传送和间接传送。直接传送方式将一个数据报从一台机器经过单个物理网络直接传送至目的站点，这是所有Internet通信的基础。间接传送方式是将数据报发送给一个路由器再传送。 当两台机器连在同一底层物理传输系统时，采用直接传送方式。当源站和目的站计算机不直接连在同一底层物理网时，只能采用间接传送方式。,7.4.2 IP路由选择表与算法,为了尽可能使用最少的信息进行路由选择，采用信息隐蔽的原理。因为IP地址分配规定连到同一物理网上的机器具有相同的网络地址，因此路由选择表中仅需包含网络地址的信息，而不需要整个IP地址。 路由表包含一系列成对的信息，用N和R分别表示，N是目的网络的IP地址，R是沿着到网络N的路径上的下一个路由器的IP地址。路由选择表的大小仅取决于互联网中网络的数量，与连到网上的主机数量无关。 另一种用来隐藏信息，保持路由选择表尽可能小的技术是把多个表统一到一个默认的情况。让IP路由选择软件首先在路由表中寻找目的网络。如在表中找不到路由，则路由选择程序将数据报发送至默认路由器。,7.5 差错与控制报文协议,为了使互联网中的路由器报告差错或提供有关意外情况的信息，在TCP/IP中设计了一个特殊用途的报文机制，称Internet控制报文协议（ICMP）。它是IP的一部分，并在每个IP实现中都是必须的。 1、ICMP机制 ICMP为发生差错的路由器提供了向初始源站点报告差错的方法。当数据报产生差错时，ICMP向数据报的初始源站点回送差错情况报告，源站点必须将有关的差错交给一个应用程序或采取其它措施来纠正问题。 ICMP报文要求两级封装，每个ICMP报文放在IP数据报的数据部分中通过互联网，而数据报本身放在帧的数据部分中通过物理网络。差错报文本身可能会被丢失，这时差错处理产生一个异常事件。,7.5 差错与控制报文协议,2、ICMP报文格式 ICMP报文由三个字段组成，即一个8位整数的报文类型（Type）字段用来标识报文、一个8位代码（Code）字段提供有关报文类型的进一步信息、以及一个16位校验和（Checksum）字段。,7.6 核心路由器体系结构,核心路由器是少量的由Internet网络控制中心NOC来控制的路由器。由这些核心路由器构成了Internet的早期核心路由器体系，对全部可能的目的站提供可靠的、一致的、授权的路由，实现了Internet的全球互连。,7.7 路由选择算法,动态路由选择算法是用来实现分布式路由体系中路由表动态维护的算法。当前在Internet体系结构中动态路由算法主要分为距离矢量算法和链路状态路由算法。 所谓距离矢量是到目的网络距离的一种度量，可以指所经过的路由器的数目，也可以指到目的网络所花的时延或其他一些指标。距离矢量算法根据每个路由器发布的直接连接网路以及其他网络的距离矢量，动态地修改路由器到目标网络地路径选择。该算法要求每个路由器定期将自己路由表的全部或部分的拷贝发送给相邻路由器，同时也接收相邻路由器发来的路由表拷贝，重新计算到各个目的网络的距离矢量度量值，选择最优路径构成新的路由表，在下一个路由更新周期到来时再发送这一新路由表的拷贝。该类算法地缺点在于路由信息更新缓慢，在路由状态发生变动后必须经过较长时间地不平衡期，才能重新进入平衡状态；同时，在网络上必须进行大量地报文交换才能维持路由信息表。,7.7 路由选择算法,链路状态路由算法，又称最短路径优先算法（SPF），要求每个参与地路由器都要具有完全地拓扑结构信息，即让每个路由器拥有一张标出所有路由器及其所连接的网络的图，并使用链路状态公告广播自己对当前网络拓扑的认识，同时收集来自其他路由器的链路状态公告，基于所收集的链路状态公告建立拓扑结构数据库，再计算通过不同的路径到达目的网络的开销，从而确定到达各个目的网络的最优路径，形成路由表，当网络拓扑发生变化时，最先发现这一变化的路由器发起新一轮的链路状态公告交换过程。 链路状态路由算法要优越于距离矢量算法。,7.8 自治系统,由一个管理机构控制的网络和路由器的集合称为一个自治系统。在一个自治系统内的路由器可以自由地选择寻找路由、传播路由、确认路由以及检测路由一致性。 为了能通过Internet到达隐藏在自治系统中地网络，每个自治系统必须把网络的可达信息传递给其它自治系统。一个自治系统是通过核心体系中的核心路由器来实现与其它自治系统的路由信息交互，通常由自治系统中的一个路由器负责路由广播，并直接和一个核心路由器交互信息。,7.9 内部网关协议,在一个自治系统内的两个路由器彼此互为内部路由器，使用内部网关协议（IGP）。两个自治系统各自在其内部使用不同的IGP，而外部路由器使用外部网关协议与另一个系统通信，如图所示。,7.9.1 路由选择信息协议,路由选择信息协议（RIP）是使用最广泛的一种IGP。RIP是用于本地网的距离矢量路由选择的实现。它将参与的组成部分分成主动的和被动的两类，只有路由器工作在主动模式，主机必须使用被动模式。 RIP对点到点连接和广播型网络两者都提供支持。 RIP还处理以下三类由于执行算法中引起的差错： （1）由于算法不能明确地检测出路由选择地环路，RIP假定参与者是可信的，或者采取一定的预防措施。 （2）为了防止不稳定现象的出现，RIP必须使用一个较小的最大可能距离值（RIP采用16） （3）由于路由选择更新报文在网络中传播很慢，RIP所采用的距离矢量算法会产生慢收敛或无限计数问题，进而引起不一致性的问题。,7.9.2 开放最短路径优先协议,开放最短路径优先协议（OSPF）基于链路状态路由选择算法，能够适应大型全局IP网络的扩展。 OSPF有以下特性： （1）收敛性：OSPF使用溢流泛洪机制在一个新的路由区域中更新邻居OSPF路由器。只有受影响的路由才能被更新。 （2）支持可变长子网掩码，这使得OSPF成为一个用于管理一个受限地址域中大型IP网络的可行选择。 （3）网络直径：区域和根据区域建立层次网络的概念使得