《广域数据网》PPT课件.ppt

第3章广域数据网络,3.1数据链路控制与协议3.2数据子网提供的服务3.3路由选择3.4拥塞控制3.5帧中继3.6异步传递方式,数据通信是计算机与通信相结合而产生的一种通信方式和通信业务，它可实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端与终端之间的数据信息传递。随着数据业务的发展，出现了各种数据通信网络技术。本章在介绍数据链路功能和协议的基础上，详细讲述数据通信网络的构成、路由选择技术以及拥塞控制机制，最后给出两种广域数据网络实例，即帧中继（FR）网络和ATM网络。,3.1数据链路控制与协议,3.1.1数据链路的基本功能数据链路层要完成许多特定的功能，这些功能包括：向网络层提供一个定义良好的服务接口；处理传输错误；调节数据流，确保慢速的接收方不会被快速的发送方淹没。,1为网络层提供的服务数据链路层的设计目标是提供各种服务，即无确认的无连接服务、有确认的无连接服务和有确认的面向连接服务。2成帧对于数据链路层，一般的做法是将位流分解成离散的帧，并计算每一帧的校验和。当一帧到达目标机器的时候，重新计算校验和。在实际应用中，通常采用比特填充的分界标志法。,3.1.1数据链路的基本功能,比特填充的分界标志法的做法是：每一帧的开始和结束都有一个特殊的位模式，即01111110作为帧的分界符。当发送方的数据链路层碰到数据中5个连续的位“1”的时候，它自动在输出位流中填充一个位“0”。图3.1所示为位填充的一个例子，图（a）为原始数据，图（b）为线路上的数据，图（c）为删除填充后存储在接收方的数据。,图3.1位填充,3.1.1数据链路的基本功能,3差错控制确保可靠递交的常用方法是向发送方提供一些有关线路另一端状况的反馈信息。通常情况下，协议要求接收方送回一些特殊的控制帧，在这些控制帧中，对于它所接收到的帧进行肯定的或者否定的确认。4流量控制在数据链路层中另一个重要的设计问题是，如果发送方发送帧的速度超过了接收方能够接收这些帧的速度，则发送方该如何处理呢？常用的办法基于反馈的流控制，接收方给发送方送回信息，允许它发送更多的数据，或者至少也要告诉发送方它的情况怎么样，如滑动窗口法。,3.1.1数据链路的基本功能,3.1.2数据链路层协议,本小节将介绍目前被广泛使用的数据链路协议，高级数据链路控制（High-levelDataLinkControl，HDLC）协议。它是一个面向比特的数据链路层协议。HDLC的帧结构如图3.2所示，其中，地址字段被用于标识一个终端，校验和字段是一个循环冗余码。帧的分界是标志序列01111110。,图3.2HDLC的帧结构,HDLC的许多重要功能都靠控制字段来实现。根据其最前面的两个比特的取值，可以将HDLC的帧划分为3类：信息帧、管理帧和无编号帧，其简称分别是I帧、S帧和U帧。对于这3种帧，控制字段的内容如图3.3所示，图（a）为信息帧，图（b）为管理帧，图（c）为无编号帧。图中所示的Seq字段是帧的序列号，Next字段则是一个捎带的确认。P/F位代表查询/结束。各种不同的管理帧可通过Type（类型）字段来区分。,3.1.2数据链路层协议,管理帧共有4种，它们的名称和功能如表3.1所示。管理帧主要用来帮助实现流量控制和差错控制的工作。,图3.33种帧的控制字段,3.1.2数据链路层协议,表3.14种管理帧的名称和功能,3.1.2数据链路层协议,3.2数据子网提供的服务,3.2.1数据子网的概念数据子网根据其数据链路类型不同，可以分为广播类型的数据子网，即局域网，以及交换式数据子网，即广域网。图3.4所示为异地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。广域数据子网和局域网都是互联网的重要组成构件。,图3.4由不同类型子网组成的互联网,3.2.1数据子网的概念,3.2.2数据报和虚电路,从层次上看，广域数据子网的最高层就是网络层。网络层为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。这两种服务的具体实现就是通常所说的数据报服务和虚电路服务。图3.5分别画出了网络提供数据报服务和提供虚电路服务的特点。网络层的用户是运输层实体，但为方便起见，可用主机作为网络层的用户。,图3.5数据报服务和虚电路服务,3.2.2数据报和虚电路,1数据报服务网络提供数据报服务的特点是：网络随时都可接收主机发送的分组（即数据报）。图3.5（a）所示为主机H1向H5发送的分组，可以看出，有的分组可经过节点A-B-E，而另一些则可能经过节点A-C-E或A-C-B-E。2虚电路服务假设图3.5（b）中所示主机H1要和主机H5通信，于是，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，同时也寻找一条合适的路由。数据报服务和虚电路服务还有一些各自的优缺点，如表3.2所示。,3.2.2数据报和虚电路,表3.2虚电路服务与数据报服务的对比,3.2.2数据报和虚电路,3.3路由选择,3.3.1路由优化原则路由选择负责确定分组从源到宿的最佳传输路由。路由选择算法必须做到：正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性和最优性。通常路由选择是基于某些性能评估标准的。最简单的标准是选择经过网络的最小跳数路由（途经节点的数量最少）。这是一种很容易测量的标准，并且能够使网络资源的消耗最少。将最小跳数标准推广到一般情况即是最小费用的路由选择。,例如，在图3.6所示的网络中，每对节点之间的双箭头连线表示的是节点之间的链路，而对应的数字代表了该链路在各个方向上的费用。从节点1到节点6的最短路径（最少跳数）是1-3-6（费用=5+5=10），但是最小费用路径是1-4-5-6（费用=1+1+2=4）。在第1种情况下，最小费用路由可以提供最大吞吐量；而在第2种情况下，最小费用路由可以使时延达到最小。,图3.6分组交换网络的例子,3.3.1路由优化原则,3.3.2路由选择策略,本节中我们将要介绍4种主要的策略：固定式、洪泛式、随机式和自适应式。1固定式路由选择固定式路由选择为网络中的每一对源和目的节点选择一条永久的路由。图3.7说明了固定式路由选择是如何实现的。需要创建一个中心路由选择矩阵，它可能保存在网络的控制中心。该矩阵指出每一对源和目的节点的路由途中的下一个节点标识。该矩阵指出每一对源和目的节点的路由途中的下一个节点标识。从这张完整的矩阵中，可以产生许多路由表，并保存在各个节点中。使用固定式路由选择，数据报和虚电路在路由选择时没有区别。,图3.7固定路由选择,3.3.2路由选择策略,2洪泛路由选择这种技术不需要任何网络信息，其工作过程如下。一个分组由源节点发送到与其相邻的每一个节点上。在各个节点上，收到的分组再次被传输到除分组到达时所经过的链路以外的所有输出链路。图3.8为一示例。,图3.8泛洪法示例（跳数=3）,3.3.2路由选择策略,洪泛式技术具有3个重要属性。在源站和目的站之间所有可能的路由都被尝试过，因此，不论发生了什么样的链路或节点的损坏，只要源站和目的站之间存在至少有一条路径，那么分组必然会到达目的。因为所有的路由都被尝试过，因此，该分组至少有一个副本使用的是最小跳数路由到达目的。所有直接或间接地与源节点相连的节点全部都被访问到。正是因为第1个属性，所以说洪泛技术是高度稳健的，并且可用于发送紧急报文。由于第2个属性，洪泛法可以用于虚电路路由的最初建立。从第3个属性可以想到，洪泛法对于某些向所有节点散播的重要信息来说是十分有用的。洪泛法的缺点是它产生的通信量负荷过高，并且与网络的连通度成正比关系。,3.3.2路由选择策略,3随机路由选择随机路出选择具有洪泛法的简单性和稳健性，并且具有远远低于洪泛法的通信量负荷。使用随机路由选择时，为了重传收到的分组，节点只选择一条输出链路。这种技术的改良方法是为每条输出链路分配一个概率，并根据这个概率来选择链路。这个概率有可能是基于数据率的，此时有：其中，Pi为选择链路i的概率，Rj为链路j的数据率，式中的总和指的是所有候选的输出链路的数据率总和。,3.3.2路由选择策略,4自适应路由选择事实上在所有的分组交换网络中，都使用了某种形式的自适应路由选择技术，影响路由选择判决的主要条件有故障和拥塞。要使自适应路由选择成为可能，就必须在节点和节点之间交换有关网络状态的信息。与固定路由选择相比，使用自适应路由选择因判决更加复杂，而增加了网络节点的处理负担。一种划分自适应路由选择的简单方法是以信息源为依据，可分为本地的、相邻节点的和所有节点的。比较常见的路由选择策略是以从相邻节点上或者是从所有节点上得到的信息为基础的。这两种策略都使用了各节点上的有关时延和损耗的当前信息。这一类的自适应策略可以是分布式的，也可以是集中式的。,3.3.2路由选择策略,3.4拥塞控制,3.4.1拥塞控制的意义在数据网络中的链路容量（即带宽）、交换节点中的缓存和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，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，网络的性能就要变坏，这种情况就叫做拥塞（congestion）。网络拥塞往往是由许多因素引起的，如当某个节点缓存的容量太小时，到达该节点的分组因无存储空间暂存而不得不被丢弃。又如，处理机处理的速率太慢可能引起网络的拥塞。拥塞常常使问题趋于恶化。,3.4.2拥塞控制与流量控制的关系,拥塞控制与流量控制的关系密切，它们之间也存在着一些差别。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及所有的主机、所有的路由器以及与降低网络传输性能有关的所有因素。流量控制是指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制，流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。流量控制几乎总是存在着从接收端到发送端的某种直接反馈，使发送端知道接收端是处于怎样的状况。,3.4.3拥塞控制的作用,衡量数据网络性能的重要指标有两个，一是网络的吞吐量，另一个是分组的平均时延。网络吞吐量与网络输入负载之间的关系如图3.9所示，图中的横坐标是网络的负载，代表单位时间内输入给网络的分组数目；纵坐标是吞吐量，代表单位时间内从网络输出的分组数目。具有理想拥塞控制的网络，在吞吐量饱和之前，网络吞吐量应等于提供的负载，故吞吐量曲线是45的斜线。但当提供的负载超过某一限度时，由于网络资源受限，吞吐量不再增长而保持为水平线，即吞吐量达到饱和。,图3.9拥塞控制的作用,这就表明提供的负载中有一部分损失掉了。虽然如此，在这种理想的拥塞控制作用下，网络的吞吐量仍然维持在其所能达到的最大值。,3.4.3拥塞控制的作用,3.4.4拥塞控制的一般方法,从原理上讲，寻找拥塞控制的方案无非是增大网络的某些可用资源，或是减少一些用户对某些资源的需求。由于数据网络是一个很复杂的系统，因此可以从控制理论的角度来看拥塞控制这个问题。这样，从大的方面看，可以分为开环控制和闭环控制两种方法。开环控制方法就是在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素考虑周到，力求网络在工作时不产生拥塞。但一旦整个系统运行起来，就不再中途进行改正了。,3.4.4拥塞控制的一般方法,闭环控制是基于于反馈环路的概念。属于闭环控制的措施有以下几种。监测网络系统以便检测到拥塞在何时、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。有很多的方法可用来监测网络的拥塞。主要的一些指标是：由于缺少缓存空间而被丢弃的分组的百分数；平均队列长度；超时重传的分组数；平均分组时延；分组时延的标准差等。上述这些指标的上升都标志着拥塞的增长。,3.5帧中继,3.5.1背景分组交换技术的传统方法是利用X.25，它不仅决定了用户和网络的接口，同时也影响到网络的内部设计。以下是X.25技术的一些主要特征。用于建立和拆除虚电路的呼叫控制分组与数据分组在相同的信道和虚电路上运载。实际上就是使用了带内信令。虚电路复用发生在第三层。第二层和第三层都具有流量控制和差错控制机制。,3.5.1背景,设计帧中继（FR）就是为了消除X.25带给端用户系统和分组网络的大部分开销，以减少节点处理时间，它是一种快速分组交换技术。帧中继与X.25的区别主要有以下几方面。呼叫控制信令和用户数据在各自独立的逻辑连接上传输，因此，中间节点不需要维护状态表或者处理基于单连接的呼叫控制相关报文。逻辑连接的复用和交换发生在第二层而不是第三层，减少了整整一层的处理。从一跳到另一跳之间没有流量控制和差错控制，端到端的流量控制和差错控制由高层负责。,3.5.1背景,图3.10（a）所示为一般分组交换网的情况，每一个节点在收到一个数据帧后都要向前一个节点发回确认帧，而目的站最后还要向源站发回确认，这也要逐站进行确认。图3.10（b）所示为帧中继的情况，它的中间站只转发数据帧而不发送确认帧，即中间站没有适段的链路控制能力。,图3.10一般分组交换网的存储转发方式与帧中继方式的对比,帧中继网络向上提供面向连接的虚电路服务。帧中继的虚电路是用数据链路连接标识（DLCI）来定义的，虚电路分为交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）两种。帧中继的主要优点如下：减少了网络互连的代价。网络的复杂性减少但性能却提高了。由于使用了国际标准，增加了互操作性，帧中继的简化的链路协议实现起来并不难。协议的独立性。,3.5.2帧中继网络,3.5.3帧中继的层次,帧中继仅有物理层和数据链路层，如图3.11所示。1物理层帧中继中的物理层没有定义一个具体的协议，它允许实现者使用可用的任何协议。帧中继支持任何可以被ANSI所识别的协议。2数据链路层在数据链路层，帧中继使用了HDLC的一个简化版本。图3.12所示为帧中继的帧格式，这种格式与HDLC帧格式类似，其主要的区别是没有控制字段，这是因为帧中继的逻辑连接只能携带用户的数据，并且没有帧的序号，也不能进行流量控制和差错控制。,图3.12帧中继的帧格式,图3.11帧中继的层次,3.5.3帧中继的层次,3.5.3帧中继的层次,下面简单介绍其各字段的作用：标志：是一个01111110的比特序列，用于指示一个帧的起始和结束。它的唯一性是通过比特填充来确保的。信息：是长度可变的用户数据。帧检验序列：包括2字节的CRC检验。当检测出差错时，就将此帧丢弃。地址：一般为2字节，也可扩展为3或4字节。地址字段中的几个重要部分如下：数据链路连接标识符（DLCI）前向显式拥塞通知（FECN）反向显式拥塞通知（BECN）可丢弃指示（DE）,3.5.4帧中继的拥塞控制,帧中继的拥塞控制实际上是网络和用户共同负责来实现的。帧中继使用的拥塞控制方法有以下3种：丢弃策略拥塞避免拥塞恢复1流量管理为了进行拥塞控制，帧中继采用了一个概念，叫做承诺的信息速率（CommittedInformationRate，CIR），其单位为bit/s。CIR就是对一个特定的帧中继连接，用户和网络共同协商确定的关于用户信息传送速率的门限数值。,3.5.4帧中继的拥塞控制,帧中继网络的拥塞控制的原则如下。若数据率小于CIR，则在该连接上传送的所有帧均被置为DE=0（这表明在网络发生拥塞时尽量不要丢弃DE=0的帧），这在一般情况下传输是有保证的。若数据率仅在不太长的时间间隔大于CIR，则网络可以将这样的帧置为DE=1，并在可能的情况下进行传送。若数据率超过CIR的时间较长，以至注入到网络的数据量超过了网络所设定的最高门限值，则应立即丢弃该连接上传送的帧。2采用显式信令的拥塞避免帧中继还可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）。图3.13所示为FECN和BECN的使用情况。,3.5.4帧中继的拥塞控制,图3.13拥塞的4种情况,3.6异步传递方式,3.6.1异步传递方式的基本概念异步传递方式（AsynchronousTransferMode，ATM）就是建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的快速分组交换技术，它采用定长分组作为传输和交换的单位。在ATM中这种定长分组叫做信元（cell）。ATM的主要优点如下。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。ATM使用光纤信道传输。,3.6.2ATM网络,ATM是信元交换网络，它包括两种网络元素，即ATM端点（endpoint）和ATM交换机。1虚连接两个端点之间的连接是通过传输路径（TP）、虚路径（VP）和虚电路（VC）完成的。TP是一个端点与一个交换机或者两个交换机之间的物理连接。图3.14所示为TP、VP和VC之间的关系。,图3.14TP、VP和VC,3.6.2ATM网络,2连接标识符在虚电路网络中，为了从一个端点路由数据到另一个端点，需要标识该虚连接。为此，ATM设计了一个两级的层次标识符：虚路径标识（VPI）和虚电路标识（VCI）。VPI定义特定的VP，而VCI定义特定的VC，VPI对于捆绑成一个VP的所有虚连接都是相同的。图3.15所示为一条传输路径的VPI和VCI。,图3.15连接标识符,3.6.2ATM网络,3连接建立和释放像帧中继一样，ATM使用两种类型的连接：永久虚电路（PVC）和交换虚电路（SVC）。永久虚电路连接PVC是由网络供应商建立的两个端点之间的连接。VPI和VCI是为了永久连接而定义的，它们的值输入到每个交换机的交换表中。在SVC连接中，当一个端点想要和另一个端点连接时，必须建立一条新的虚电路。ATM本身无法做到这件事，需要网络层地址和另一个协议（如IP）的服务。该协议的信令机制利用两个端点的网络层地址作出一个连接请求。,3.6.3ATM的协议参考模型,ATM的协议参考模型共有3层，如图3.16所示，大体上与OSI的最低两层相当（但无法严格对应）。1物理层物理层又分为两个子层。靠下面的是物理介质相关（PhysicalMediumDependent，PMD）子层，PMD子层的上面是传输汇聚（TransmissionConvergence，TC）子层。,图3.16ATM的协议参考模型,3.6.3ATM的协议参考模型,PMD子层：负责在物理介质上正确传输和接收比特流。TC子层：实现信元流和比特