计算机网络管理技术第7章网络通信管理.ppt

7 1数据通信基础 7 2路由管理 7 3拥塞控制与流量控制 7 4数据交换技术 第7章网络通信管理 7 5差错控制管理 7 6网络通信测试技术 7 1数据通信基础7 1 1数据通信的基本概念1 通信的基本概念 1 通信将信息从一个地方传送到另一个地方的过程称为通信 用以实现通信过程的系统称为通信系统 通信系统的三要素 由信源 传输媒体 信宿三个部份组成 如图7 1所示 图7 1通信过程的三要素示意图 2 通信系统的基本构成通信系统的构成是在图7 1的基础上增加信号转换器而成 如图7 2所示 图7 2通信系统结构图 2 模拟通信系统和数字通信系统在通信过程中 采用离散的电信号表示的数据称为数字数据 而采用连续电波表示数据称为模拟数据 1 模拟通信系统在数据通信系统中 两台数据终端设备之间的传输信号为模拟信号的通信系统称为模拟通信系统 典型的模拟通信系统是以电话线为传输介质的通信系统 如图7 3所示 图7 3摸拟通信系统结构图 2 数字通信系统数字通信系统是数据通信系统中处于数据终端设备 DTC 之间的信号为数字信号的通信系统 数字通信系统的通信模型有四种 其一是收发双方都是数字信号 在这种情况下不需要转换就可直接进行传输 如图7 4a 其二是收发双方都是模拟信号 发送方要进行A D 即模 数 转换 而接收方要进行D A 即数 模 转换 如图7 4b 第三种情况是 发送方是模拟信号而接收方是数字信号 只需在发送方进行 A D 转换即可 如图7 4c 第四种情况是 发送方是数字信号 而接收方是模拟信号 发送方不用转换而直接发送 但在接收方要进行 D A 转换 如图7 4d 特点 模拟通信系统通过信道的信号频谱较窄 抗干扰能力差 数据通信系统通过信道的信号频谱较宽 抗干扰性强 是数据通信中普采用的通信方式 3 通信线路连接方式 1 点对点的连接点对点的连接分为两种 其一是两台计算机直接相连 如图7 5a所示 其二是通过MODEM连接 如图7 5b所示 图7 5a直接连接方式 图7 5b通过Modem连接方式 2 分支式连接分支式连接是一条通信线路 通常使用的是电话线 连接两个以上终端节点进行通信的方式 第一种连接方式是通过集中器与多台主机相连 如图7 6a所示 第二种情况是通过MODEM与多台主机相连 如图7 6b所示 图7 6a若干台计算机共用一条通信电缆上网 图7 6b每台计算机各用一台MODEM上网 7 1 2数据通信的基本原理在计算机网络通信过程中 我们需要重点解决的问题是 l信息表示方法 即信息的编码方法 l如何有效地保证信息正确无误码地传输 即妥善解决通信双方发送和接收的同步的问题 l当传输的信息有错时 如何控制和校验 即纠错 校验问题 l如何解决高效地利用通信线路传送信息 即多路复用问题 1 信息交换代码网络数据通信中所指的信息通常又称为报文 它由数据信息 控制信息 收发双方的地址信息和校验码组成 1 五单位代码 Baudot码 早期的通信技术是基于五单位的Baudot码进行的 即用五位二进行制表示一位数字 字母或符号 这种Baudot代码被普遍用于电报通信 适用于50波特以下的传输线路 Baudot代码如表7 1所示 从表中可看出 五单位Baudot代码共有52个 为了节省编码长度 同一个代码即可表示字母 又可表示数字 主要是由其前导 字母 数字 换档控制字符来区分 例如 编码110111110111001100000101000001表示数字 12345 而编码111111110111001100000101000001表示字母 QWERT 2 七单位代码七单位代码有两种 一种是由国际化标准化组织ISO和国际电报是电话咨询委员会CCITT提出的 CCITT七单位字母代码编码 另一种也是由国际化标准化组织ISO和国际电报是电话咨询委员会CCITT提出的美国信息交换标准码 ASCII码 CCITT码与ASCII码十分接近 除个别字符的编码有所区别以外 大多数字符的代码是一样的 CCITT码在早期的通信中用得较多 在现代通信中普遍使用的是ASCII码 CCITT和ASCII码与Baudot码的区别在于 Baudot代码中一个编码可表示两个符号 一个是字母符号 一个是数字和标点符号 而CCITT和ASCII码则是一个编码唯一表示一个符号 例如 编码 41H 表示字母 A 编码 31H 表示数字 1 有关CCITT码和ASCII码请参阅有关资料 2 数据传输方式 1 基带传输 基带是指调制前原始信号所占用的频带 它是原始信号所固有的基本频带 在信道中直接传送基带信号称为基带传输 未经调制的原始信号称为基带信号 进行基带传输的系统称为基带传输系统 局域网中的通信大都采用的是基带传输 但也可采用频带传输 2 频带传输 将基带信号经调制变换后进行传输的过程称为频带传输 如 远程拨号网络 收发双方都通过Modem将信号进行调制或解调 信号是以模拟信号在公用电话线上进行传输的 3 宽带传输 早期的宽带是指比音频带宽 14 4Kb 更宽的频带 信号用宽带进行的传输称为宽带传输 这样的系统称宽带传输系统 在现代网络通信系统中 宽带是指100Mpbs以上带宽的频带 3 同步传输与异步传输 1 同步传输同步传输采用的是按位同步的同步技术进行信息传输 在同步传输过程中 每个数据位之间都有一个固定的时间间隔 这个时间间隔由通信系统中心的数字时钟确定 在同步传输过程中 不要求每一个字符都有起始位和结束位 而是若干个字符共用一个起始位和一个结束位 即在一个起始位和一个结束位之间可传输若干个字符 在通信过程中 要求接收端和发送端的数据序列在时间上必须取得同步 2 异步传输异步传输又叫异步通信 采用的是群同步技术进行信息传输 异步传输的原理是 将信息分成若干等长的小组 群 每次传输一个 群 的信息码 具体过程是 每一 群 为8个或5个信息位 每个 群 前面放一个起始码 后面放一个停止码 一般来说 起始码为一个比特 通常为 0 而停止码为1 2比特 通常用 1 表示 当无数据发送时 就连续地发送 1 码 收端收到第1个 0 后 就开始接收数据 同步传输要求时间同步 异步传输要求时间同步 4 多路复用技术所谓多路复用技术 指的是多个用户同时使用一条通信线路收发数据的技术 多路复用在技术上分为复合 传输 分离三个过程 如图7 7所示 图7 7多路复用技术的工作原理图 1 频分复用技术FDM FrequencyDivisionMultiplexing 将一个有足够带宽的信道划分成若干等宽的子频段 每一个频段称为一个子信道 事先固定将每一个频段分配给一个用户专用 即一个频段只传送一个用户的信息 值得注意的是 在划分子信道时 两个子信道之间要预留一定的间隙 以防止相邻的两个子信道的信号相互重叠和干扰 造成信号的失真 如图7 8所示 图7 8频分复用技术示意图 2 时分复用技术TDM TimeDivisionMultiplexing 频分复用技术存在的问题是 随着用户数量的增加 子信道频带越来越窄 会影响数据量大的用户的传输效率 为解决这一问题 引入了时分复用技术 时分复用技术是在通信信道上形成一种时间上的逻辑子信道 信道不再细分 而是作为一整条通道来使用 每一个用户预先分配一个等宽的时间片 任一个用户是在固定的时间片中进行信息的传输 如下图所示 3 排队复用技术QDM QueueingDivisionMultiplexing 排队复用技术是按先来先服务的原则进行分配信道 用户要发送的数据先放在缓冲区中排队 先来的用户数据传输完后才能进行排在后面的数据传输 如下图所示 排队复用技术的优点是 临时将整个信道都分配给一个用户使用 在传输数据时效率较高 再则是这种技术实现比较简单 缺点是用户等待的时间过长 尤其是对信息量不大的用户 有时为了发送几十个字节的数据而要等待几十分钟甚至几个小时的时间 在现代网络系统中 很少使用排队复用技术 4 波分复用技术WDM WavelengthDivisionMultiplexing 在传统的时分复用 TDM 光纤传输系统中 支路信号的复用和解复用 发送和接收单元 时钟提取电路 信号再生器都工作于高速复用信号速率上 使得这些器件的速率和带宽日益成为提高传输速率的瓶颈 因为微电子大规模集成芯片对于运行速率有一定的限度 另一方面 光纤线路传输性能也会遇到困难 这是因为单模光纤本身的传输容量虽有很大潜力 但每一光载波如传输过高的数字速率 将受到光纤色散和偏振模式色散以及光纤接头引起反射等因素的限制 所以按照目前技术情况 TDM适合的数字速率高到2 5G较为合适 最高不宜超过10G 所以波分复用方式已成为提高光纤传输容量的必然选择 波分复用就是不同波长的光载波同在一根光纤上传输 它的本质就是光纤上频分复用FDM技术 每个通路通过频域的分割实现 每个通路占用一部份光纤的带宽 目前 波分复用系统分为两类 集成系统和开放系统 集成系统就是SDH SynchronousDigitalHierarchy 同步数字系列 终端具有满足G 692的光接口 标准的光波长 满足长距离的光源 整个系统构造比较简单 但是不能直接接纳老SDH系统和不同厂家的系统 开放系统就是波分复用器前端加入波长转移单元OUT 将当前SDH的G 957接口波长转换为G 692的标准波长光接口 可以接纳过去的老SDH系统 并实现不同厂家互联 但OUT的引入可能对系统性能带来一定的负面影响 5 异步频分复用技术和异步时分复用技术前述的 频分复用技术 和 时分复用技术 分别称为 同步频分复用技术 和 同步时分复用技术 在这两种复用技术中 子信道和时间片是固定分配给用户的 由于所有用户不可能任何时刻都在传输信息 当用户不传输信息时 该子信道 或时间片 就空着 而又不能给其他用户使用 从而会造成子信道或时间片的浪费 为了解决这一问题 引入了 异步频分复用技术 和 异步时分复用技术 异步频分复用技术异步频分复用技术 又称随机分配信道技术 它是将一个信道划分成有限的m个子信道 事先并不将任何子信道进行分配 而是在系统运行过程中 动态地将这m个子信道分配给n个 m n 用户使用 具体实现过程是 用户在传输信息前 先向系统申请一个子信道 系统收到用户申请后 立即在空闲的子信道中分配一个给该用户使用 若无空闲的子信道 用户必须等待 当用户信息传输完毕 系统及时收回该子信道 以备其他用户使用 异步时分复用技术与异步频分复用技术相似 异步时分复用技术是将系统时间划分成有限的m个时间片 事先并不将任何时间片进行分配 而是在系统运行过程中 动态地将这m个时间片分配给n个 m n 用户使用 具体实现过程是 用户在传输信息前 先向系统申请一个时间片 系统收到用户申请后 立即在空闲的时间片中分配一个给该用户使用 若无空闲的时间片 用户必须等待 当用户信息传输完毕 系统及时收回该时间片 以备其他用户使用 例如 机场的跑道与飞机的起飞与降落 不可能为每一架飞机修一条跑道 因为在一天24小时中 一架飞机在一个机场的起落时间是有限的 也就几分钟 因此 任何一个机场的跑道数量是有限的 而起落飞机的数量在理论上可以是无限的 机场在一架飞机起落前 才确定该架次飞机使用那一条跑道 7 1 3网络通信技术1 数据通信过程数据从信源端发送 到被信宿接收的整个过程称为网络的通信过程 数据的通信过程通常包括五个阶段 l建立通信线路 l建立数据传输链路 l数据传输 l数据传输结束 l拆线 2 网络通信方式 1 单工通信 传输的信息始终是只有一个方向的通信方式 如广播 会议通知等 2 半双工通信 通信双方都可收发信息 但同一时刻只能有一方传输信息 当一方在传输信息时 另一方只能接收信息 如对讲机 基带以太网络的信息交换等 3 全双工通信 两个端点可以同时进行收发信息 如电话机 实时聊天等 3 数据传输方式 1 并行数据传输 速度快 可同时传8位 16位或24位 但成本高 只适应于短距离传输 2 串行数据传输 只能一位一位地传输 速度慢 但成本低 普遍用于网络远距离通信 并行数据传输一般只应用于计算机内部及其外围设备 如打印机 移动磁盘 的连接 串行数据传输一般应用于计算机与计算机之间的远程连接 7 2路由管理7 2 1路由的基本概念路由器可将数据包从一个数据链路中继到另一个数据链路 为了中转数据包 路由器使用了两个基本功能 路由选择和数据交换 数据交换功能能让路由器从一个接口接收数据包并将其转发到下一个接口 路由选择功能使得路由器能选择最佳的接口 路径 来转发数据包 当一台主机应用需要向位于不同网络的目的地发送数据包时 路由器从一个接口接收数据链路帧 网络层检查包头决定目的网络 然后查看路由表 路由表把网络与输出接口联系起来 原始的帧被剥去并丢失 数据包再次封装进所选接口的数据链路帧 并放进发送到该路径的下一跳的队列中 7 2 2静态路由策略静态路由是最简单形式的路由 静态路由就是对路由器直接控制通信的路径用手工进行配置 换一种说法就是 静态路由表只能是网络管理员手工进行配置的 无论何时网络拓扑发生变化需要改变路由表时 网络管理员必须手动更新静态路由表 有两种方法处理静态路由 第一种方法是建造定义哪些网络块应该被路由穿过某个接口的路由表 例如 有一台与A B C三家ISP相连接的路由器 可以配置成将去往10 10 0 1的流量通过ISP的A接口 而将去往10 100 0 1网络块的流量路由通过ISP的B接口 建造静态路由的第二种方法是为路由器创建网关 该网关可以配置成所有流量均通过它 或者将该网关和其他静态路由相结合使用 以便它只在目的地IP地址没有静态路由时使用 静态路由接口和网关都需要直接连接向路由器 如果路由器不能到达接口它将丢弃该数据包 采用静态路由技术能有效地阻止攻击 能防止有害信息损害路由表 但也会带来一个新的问题是 网络在只有一台默认路由器时更容易受到DoS 拒绝服务 攻击 如果连向不同的骨干并且使用动态路由协议以最佳路径路由流量 攻击者发起的大型攻击会更加困难 因为进出网络有多条通道 但若攻击者具有淹没网络的足够带宽 即是有多条连接其作用也是没有多大意义 从这个意义上来说 采用具有安全防范措施的动态路由协议比静态路由协议会更加安全 7 2 3动态路由策略动态路由的主要技术是其路由表是动态的 在动态路由协议下工作 动态路由在网络运行过程中能自动生成和更新 除了涉及少量的手工干预外 动态路由协议能提供更好的性能 因为数据可经过最佳路径进行传输 动态路由协议启动后 路由表会通过路由进程自动更新 这种更新发生在从网络上收到新的消息的时候 在路由器间相互交换动态路由表的变更 这也是路由器更新路由的一部份 动态路由协议有下述两大功能 l维持路由表 l定时发布路由更新给其他路由器 动态路由协议依靠路由协议来共享认识 路由选择协议定义了一整套规则 路由器用它来与相邻路由器通信 例如 一个路由器是这样描述的 l更新如何被发送 l更新中包括发哪些内容 l何时发送数据 l如何定位更新的接收 7 2 4网络路由选择1 两种路由选择协议网络的路由选择是由路由选择协议完成的 当前 网络的路由选择技术主要有两种路由选择协议 即被动路由协议 routedprotocol 与路由选择协议 routingprotocol 被动路由协议 routedprotocol 任何网络协议在它的网络层地址提供足够的信息 使得数据包能基于地址方案把数据包从一台主机送到另一台主机 被动路由协议定义了数据包内这部份区域的格式和用法 数据包通常从一个端系统传送到另一个端系统 IP是被动路由协议的一个例子 路由选择协议 routingprotocol 一种通过提供共享路由信息的机制来支持被动路由协议的协议 路由选择协议的消息在路由器之间传递 路由选择协议允许通过路由器间的通信来更新和维护路由表 TCP IP中路由选择协议的典型技术有 路由信息协议 RIP 内部网关路由协议 IGRP 增强的内部网关路由协议 EnhancedIGRP 和开放最短路径优先协议 OSPF 等 2 IP路由选择协议路由协议工作在OSI模型的第三层 网络层 路由器能使用IP路由选择协议的一个特定的协议来完成路由功能 IP路由选择协议有 lRIP 距离矢量路由选择协议 lIGRP Cisco距离矢量路由选择协议 lOSPF 链路路由选择协议 lEIGRP 负载平衡路由选择协议 3 路由选择协议的分类路由选择协议共分为三大类型 l距离矢量路由选择协议 distancevectorroutingprotocol 距离矢量路由选择协议决定了到网络上任一链路的距离和方向 矢量 l链路状态路由选择协议 linkstateroutingprotocol 链路状态路由选择协议又称为最短路优先协议SPF shortestpathfirst 近似地重现了整个网络的精确拓扑结构 l混合均衡协议 balancedhybridprotocol 综合了上述距离矢量路由选择协议和链路状态路由选择协议的基本功能和特点的路由选择协议 4 收敛路由选择协议用于决定从特定源到特定目的地的最佳路由 这大多是动态路由协议 无论何时由于路由扩大 网络重组或网络故障造成网络拓扑发生变化时 网络认识也必须发生相应的变化 网络认识必须反映精确的 持续的新拓扑视图 生成这种精确的 持续的新拓扑图称为 收敛 当网络中的所有路由器都操作同一网络认识时 我们则说这个网络是收敛的 快速收敛是可取的网络特征 因为它节省了时间 如果路由器使用过时的网络认识来做那些不正确的或无用的路由决定 则会大量的浪费时间 5 距离矢量路由选择协议距离矢量路由选择协议 distancevectorroutingprotocol 通过阶段性地从一个路由器到另一个路由器拷贝路由表来实现路由选择 每个路由器从它相邻的路由器获取一张路由表 如下图所示 例如 如果路由器A经过路由器B和C向路由器D发送消息 首先路由器B从路由器A那里收到该条消息及一张路由表 并把这一消息和路由表传送给与它相邻的节点C 再由C传给D 如图7 11所示 路由协议就是这样按部就班地过程发生在所有相邻的路由器之间 6 链路选择协议路由选择协议的第二个协议是链路状态路由选择协议LSP linkstateprotocol 链路状态选择协议维持一个拓扑信息的复杂数据库 距离矢量协议没有关于远端网络的特定信息并且不了解远端路由器 路由选择协议使用了链路状态通告LSA LinkStateAdvertisement 一个布局数据库 SPF协议 SPF结果树以及关于路径和每个网络的端口的路由表 7 2 5RIP协议RIP是 RoutingInformationProtocol 路由信息协议 的缩写 是一种典型的 应用广泛的路由选择协议 它是依靠物理网络的广播功能来迅速交换路由选择信息 RIP协议把参与通信的机器分为主动式和被动式两种方式 主动方式路由器能主动向其他路由器通告其路由 而被动路由器不能通告路由 只能接收由主动路由器广播的通告并在此基础上更新其自身的路由 值得注意的是 只有路由器才能以主动方式使用RIP 而主机只能以被动方式使用RIP 以主动方式运行RIP的路由器每隔30s就向网络广播一个路由选择更新报文 该报文包含了路由器当前的路由选择数据库中的信息 每个更新报文由序偶构成 每个序偶由一个IP网络地址和一个代表到该网络距离的整数构成 RIP使用跳数量 hopcountmetric 来衡量到达目的站的距离 在RIP度量标准中 路由器到它直接相连的网络的距离为1跳 其他路由选择协议把直接连接定义为0跳 到通过另一个路由器可达的网络的距离为2跳 其余以此类推 因此 从给定源站到目的站的一条路径的跳数对应于数据报沿该路径经过的路由器数 显然 使用跳数作为衡量最短路径并不定会得到最佳效果 例如 一条经过三个以太网的高速线路 跳数为3 的路径 可能比经过两条低速串行线路 跳数为2 的路径要快得多 为了弥补传输技术上的差距 许多RIP实现允许网络管理员在通告低速网络路由时手工配置较高的跳数 RIP必须处理底层算法的三类错误 1 由于算法不能明确地检测出路由选择环路 RIP或者假定参与者是可信任的 或者采取一定的预防措施 2 RIP必须对可能的距离使用一个较小的最大值来防止出现不稳定的现象 RIP使用的值是16 因此 对于那些实际跳数值在16左右的互联网 管理员或者把它划分为若干部份 或者采用其他的协议 3 路由选择更新报文在网络之间的传播速度很慢 RIP使用的矢量距离算法会产生慢收敛或无限计数问题 从而引发不一致性 选择一个小的值 16 可以限制慢收敛问题 但问题得不到彻底的解决 7 2 6OSPF协议1 最短路径优先协议 SPF 最短路径优先SPF ShortestPathFirst 协议通常称为链路状态算法 SPF算法要求每一个参与工作的路由器都要具有全部的拓扑结构信息 最简单的描述拓扑结构的思路就是让每个路由器都拥有一张标出所有路由器及其所连接的网络拓扑图 用理论术语 图论 来表示就是用 点 代表路由器 用 线 代表与路由器相连的网络 两点之间有一条连线 链接 的条件是 当且仅当对应于这两点的路由器能直接通信 即不再经过其他的路由器 参与SPF算法的路由器不需要传输包含目的站列表的报文 而是要履行两项任务 首先它必须负责检测所有相邻路由器的状态 从图论的观点来说 两个路由器共享一条链接时称为 相邻 若用网络术语进行描述 两个相邻的路由器连接到同一个网络中 其次 它要周期性地向其他路由器传输链路状态 为了检测与之相连接的相邻的路由器状态 路由器周期性地发送短报文 询问其邻站是否可到达且处于活跃状态 如果邻站回答了 说明两者之间的链接是正常的 否则就认为链接有故障 为了通知其他所有的路由器 每个路由器周期性地广播列出该路由器的各个链路状态的报文 这种状态报文并不指出路由 它只报告某一对路由器之间是否能够通信 运行于路由器之上的协议软件负责把各个链接的状态报告分发给各个参与算法的路由器 链路状态报文到达之后 路由器使用其中的信息把链接标为正常或故障 更新自己的互联网映射图 链接状态变化之后 路由器使用著名的Dijkstra最短路径算法 对相应的映射图求最短路径 Dijkstra算法可以从单个源点开始计算到其他所有目的地最短路径 SPF算法的主要优点之一就是每个路由器使用同样的原始状态数据 不依赖中间机器的计算 而是独立地计算出路由 所以客观存在确保了路由算法的收敛性 最后 由于链路状态报文仅携带与单个路由器直接相连的链接的信息 报文的长短独立于互联网中的网络 因此SPF算法的性能优于矢量距离算法 更适用于大规模互联网 2 开放性SPF协议 OSPF OSPF协议即开放SPF协议 除具有SPF协议的所有功能外 还增加了以下功能 l公开发布了各种规范 l包含服务类型路由 l提供了负载均衡功能 l为了允许网点上的网络扩展并易于管理 OSPF允许网点把网络和路由器划分为若干称为区域的子网 l路由器上交换的任何信息都是可以进行鉴别的 OSPF支持各种鉴别机制 而且允许各个区域之间的鉴别机制互不相同 lOSPF支持特定于主机的路由 子网路由和特定于网络的路由 lOSPF扩展了SPF算法 以适应多点接入的网络 l为了获得最大的灵活性 OSPF允许管理员描述一个从物理连接中舍弃细节而抽象出来的虚拟网络拓扑结构 lOSPF允许路由器之间交换从其他网点获得的路由信息 7 2 7EGP协议EGP exteriorgatewayprotocol 是一种用于自治系统之间交换路由信息的协议 即外部网关协议 EGP是Internet早期使用的一种外部网关路由协议 包含邻居获取 邻居可达性确认 网络可达性确认3个过程 通过EGP交换的消息都是只经过1跳 也就是说交换EGP消息的两个路由器必须是外部邻居 不能有中间服务器 路由器收到不是发给自己的EGP消息时 可以将其丢弃 7 2 8BGP协议前面介绍的OSPF是因特网的内部网关协议IGP interiorgatewayprotocol 除此之外 因特网还存在外部路由网关协议EGP 在IGP和EGP之间还有一个协议 就是本小节要介绍的BGP BorderGatewayProtocol 边界网关协议 协议 由于EGP的局限性 在它的基础上提出了另外一种外部网关路由协议 边界网关协议BGP BGP目前已经成为Internet的标准外部网关路由协议 BGP对于互联网络的拓扑结构没有任何限制 所传递的路由信息足以用来构建一个自治系统的连接图 可以以此为根据删除路由回路 按照BGP路由器的观点 与自己互联的网络由其他的BGP路由器及连接它们的线路组成 如果两个BGP路由器共享同一网络 则认为它们是邻居 BGP路由器之间通过交换BGP消息实现路由协议 BGP消息通过BGP路由器之间的TCP连接发送 BGP协议基本上是一个距离向量协议 但它与其他同类协议又有很大不同 每个BGP路由器记录的是使用的实际路由 而不是到各个目的地的开销 BGP路由器不是定期向它的每个邻居提供到各个可能目的地的开销 而是向邻居说明正在使用的实际路由 这一点使得它很容易解决其他距离向量路由协议中的无穷计数问题 BGP系统与其它BGP系统之间交换网络可到达信息 这些信息包括数据到达这些网络所必须经过的自治系统AS中的所有路径 这些信息足以构造一幅自治系统连接图 然后 可以根据连接图删除路由环 制订路由策略 首先 我们将一个自治系统中的IP数据报分成本地流量和通过流量 在自治系统中 本地流量是起始或终止于该自治系统的流量 也就是说 其信源IP地址或信宿IP地址所指确定的主机位于该自治系统中 其它的流量则称为通过流量 在Internet中使用BGP的一个目的就是减少通过流量 7 3拥塞控制与流量控制7 3 1网络拥塞当加载到某个网络上的载荷超过其处理能力时 就会出现拥塞现象 拥塞现象应用物理层的规则便可以得到控制 这个规则即分组保持规则 就是只有当一个旧的分组被发送出去后再向网络注入新的分组 TCP试图通过动态地控制滑动窗口的大小达到这一目的 控制拥塞首先要做的是检测 分组丢失而造成超时有两个原因 一个是由于传输线路上的噪声干扰 另一个是拥塞的路由器丢失了分组 现在 由于传输错误造成分组丢失的情况相对较少 因为大多数长距离的主干线都是光纤 因此 Internet上发生的超时现象大多数都是由于拥塞造成的 Internet上所有的TCP算法都假设分组传输超时是由拥塞造成的 并且以监控定时器超时作为出现问题的信号 当数据从一个大的管道向一个较小的管道 如一个高速局域网和一个低速的广域网 发送数据时便会发生拥塞 当多个输入流到达一个路由器 而路由器的输出流小于这些输入流的总和时也会发生拥塞 7 3 2拥塞控制技术1 慢启动算法在Internet上存在网络的容量和接收方的容量两个潜在问题 需要分别进行处理 为此 每个发送方均保持两个窗口 接收方承认的窗口和拥塞窗口 每个窗口都反映出发送方可以传输的字节数 取两个窗口的最小值作为可以发送的字节数 这样 有效窗口便是发送方和接收方分别认为合适的窗口中最小的一个窗口 当建立连接时 发送方将拥塞窗口大小初始化为该连接所有最大报文段的长度值 并随后发送一个最大长度的报文段 如果该报文段在定时器超时之前得到了确认 那么发送方在原拥塞窗口的基础上再增加一个报文段的字节值 使其为两倍最大报文段的大小 然后发送 当这些报文段中的每一个都被确认后 拥塞窗口大小就再增加一个最大报文段的长度 当拥塞窗口是N个报文段的大小时 如果发送的所有N个报文段都被及时确认 那么将拥塞窗口大小增加N个报文段所对应的字节数目 拥塞窗口保持指数规律增大 直到数据传输超时或者达到接收方设定的窗口大小 也就是说 如果发送的数据长度序列 如1024 2048和4096字节都能正常工作 但发送8192字节数据时出现定时器超时 那么拥塞窗口应设置为4096以避免出现拥塞 只要拥塞窗口保持为4096字节 便不会再发送超过该长度的数据量 无论接收方赋予多大的窗口空间亦是如此 这种算法是以指数规律增加的 通常称为慢启动算法 所有的TCP实现都必须支持这种算法 慢启动算法工作过程如下 慢启动为发送方的TCP增加了一个窗口 即拥塞窗口 当与另一个网络的主机建立TCP连接时 拥塞窗口被初始化为1个报文段 即另一端通告的报文段大小 每收到1个ACK 拥塞窗口就增加1个报文段 拥塞窗口以字节为单位 但是慢启动以报文段大小为单位进行增加 发送方取拥塞窗口与接收方窗口中的最小值作为发送上限 拥塞窗口是发送方使用的流量控制 而接收方窗口则是接收方使用的流量控制 在某些点上可能达到了互联网的容量 于是中间路由器开始丢弃分组 并通知发送方其固有的拥塞窗口开得过大 2 拥塞避免算法慢启动算法不能解决的问题是 数据传输达到中间路由器的极限时分组将被丢弃 拥塞避免算法是一种处理丢失分组的最佳方法 该算法假定由于分组受到损坏引起的丢失是极少的 因此分组丢失就表明在源主机和目的主机之间的某处网络上发生了拥塞 拥塞避免算法和慢启动算法是目的不同的 独立无关的算法 但是当拥塞发生时 为了降低分组进入网络的传输速率 于是可以调用慢启动来做到这一点 慢启动一直持续到当拥塞发生之初所处窗口大小的一半时才停止 然后才转去执行拥塞避免 慢启动只是采用了比引起拥塞更慢些的分组传输速率 但在慢启动期间进入网络的分组数的速率仍然在增加 只有在达到门限拥塞避免算法起作用时 这种增加的速率才会慢下来 1 对一个给定的连接 初始化拥塞窗口为1个报文段 门限为65535字节 2 TCP输出例程的输出不能超过拥塞窗口和接收方窗口的大小 拥塞避免是发送方使用的流量控制 而接收方窗口则是接收方进行的流量控制 前者是发送方感受到的网络拥塞的估计 而后者则与接收方在该连接上的可用缓存大小有关 3 当拥塞发生时 超时或收到重复确认 门限被设置为当前窗口大小的一半 拥塞窗口和接收方窗口大小的最小值 但最少为2个报文段 此外 如果是超时引起了拥塞 则拥塞窗口被设置为1个报文段 这就是慢启动 4 当新的数据被对方确认时 就增加拥塞窗口 但增加的方法依赖于是否正在进行慢启动或拥塞避免 如果拥塞窗口小于或等于门限 则正在进行慢启动 否则正在进行拥塞避免 3 快速重传与快速恢复算法如果一连串收到3个或3个以上的重复ACK 就表明有一个报文段丢失了 于是就重传丢失的数据报文段 而无须等待超时定时器溢出 这就是快速重传算法 收方只有在收到另一个相同的报文段时才产生重复的ACK 而该报文段已经离开了网络并进入了接收方的缓存 也就是说 在收 发两端之间仍然有流动的数据 而不执行慢启动来突然减少数据流 快速重传与快速恢复算法步骤如下 1 当收到第3个重复的ACK时 将门限设置为当前拥塞窗口的一半 重传丢失的报文段 设置拥塞窗口为门限加上3倍的报文段大小 2 每次收到另一个重复的ACK时 拥塞窗口增加1个报文段大小 并发送1个分组 如果新的拥塞窗口允许发送 3 当下一个确认数据的ACK到达时 设置拥塞窗口为门限 在步骤 1 中设置的值 这个ACK应该是在进行重传后的一个往返时间内对步骤 1 中重传的确认 另外 这个ACK也应该是对丢失的分组和收到的第1个重复的ACK之间的所有中间报文段的确认 这一步采用拥塞避免算法 因为当分组丢失时该算法能将当前的速率减半 7 3 3流量控制技术在数据链路层及高层协议中 一个最重要的控制技术就是流量控制技术 所谓流量控制 就是如何处理发送方的发送能力比接收方的接收能力大的问题 即是当发送方是在一个相对快速或负载较轻的计算机上运行时 而接收方是一个相对慢速或负载较重的机器上运行时 如果发送方不断地高速将数据帧发出 最终会 淹没 接收方 即便传输过程毫无差错 到某一时刻 接收方将无能力处理刚收到的帧 就会发生信息 丢失 的现象 因此 我们必须采取有效的技术与措施来防止这种丢失帧的情况发生 最常见的方法是引入流量控制来限制发送方发出的数据流量 使其发送速率不超过接收方处理的速率 这种限制流量需要某种反馈机制 使发送方了解接收方的处理速度是否能够跟上发送方发送帧的速度 大部份已知的流量控制协议的基本原理是相同的 此协议中包括一些定义完整的规则 这些规则描写了接收方在什么时候接收下一帧 在未获得接收方直接或间接允许之前 发送方禁止发出帧 例如 当有一个连接建立好后 接收方可以告诉对方 现在你可以给我发送帧了 但是在此后 直到我告诉你继续时 才可以发送帧 7 4数据交换技术现代网络的通信是一种分组交换技术的通信 分组交换技术有两种 1 电路交换技术 l空分线路交换l时分线路交换 2 存储转发技术 l报文交换l分组交换 7 4 1电路交换技术电路交换又称线路交换 是一种直接交换技术 是多个输入线和多个输出线之间直接形成传输信息的物理链路 1 空分交换技术空分交换技术是一种早期的电话交换技术 电话交换机上是由若干条横向排列的线缆和若干条纵向排列的线缆交叉组成 每一条横线和每一条纵线之间都有一个连接开关 要想两个用户通信 就用这两个用户所对应的开关进行连接 如图7 12 图7 12所示的是一个电话交换机示意图 空分交换机 有A用户 B用户 C用户等九个用户 分别与交换机中的第1条 第2条到第9条线相连 在交换机内 任意两条线之间都有一个连线开关 任两条线需要连通则用相应的开关连接 如图7 12中第1条线与第9条线相连 表示A用户与I用户已连接 图7 12空分交换技术 早期的电话交换机 2 时分交换时分交换即是时分复用技术在数据交换中的利用 典型的例子是 在图7 12中 每隔一定的时间 如1ms 自动接通某两用户 如第1ms接通A用户和F用户 第2ms接通A用户和G用户 第3ms接通A用户和H用户 第4ms接通A用户和I用户 第5ms接通B用户和F用户 第6ms接通B用户和G用户 值得注意的是 时分交换只适用于数据交换通信 不能作为语音交换通信 7 4 2存储转发技术电路交换是一种较早的交换技术 在现代计算机网络通信中 一般采用的是存储转发技术 很少使用电路交换 存储转发技术的数据交换原理是 每一个交换机中都有一个缓冲区 先将要传递的分组信息存放在该缓冲区中 当线路空闲时由交换机将分组信息传输到下一跳的缓冲区去 通常 从数据源到目的地要进行多级转发 即要通过多个交换机进行传递 每经过一个交换机或路由器称为一 跳 每 一跳 都有自己的缓冲区 存储转发技术的特点 可靠性高 可采用差错控制技术和重发措施 并可使用不同的线路进行重发 1 报文交换 messageswitching 从逻辑意义上讲 一个完整的数据段称为一个报文 一个报文可以是一个数据 一条记录或一个文件 一个报文通常为数K字节 报文的构成 报头 正文 报文交换就是以报头加正文的形式进行数据的交换的 报文交换的优点 线路利用率高 报文交换的缺点 时延过长 2 分组交换 packetswitching 1 分组交换的概念分组交换又叫包交换 分组交换是一种特殊的报文传送方式 其基本思想是 将需在通信网络中传送的信息分割成一块块较小的信息单位 每块信息再加上信息交换时所需要的呼叫控制信号 如分组序号 发送端地址 接收端地址等 和差错控制信号 如奇偶校验位等 每一个分组信息就是一个 包 包交换 的概念即由此而来 分组信息先存入与发送端主机相连的交换设备的缓冲区中 系统根据分组信息中的目的地址 利用数据传输的路径算法确定分组传输的路径 就这样 分组被一步步的传下去 直到目标计算机接收为止 在网络通信过程中 分组信息是作为一个独立体进行交换的 在信息传输过程中 分组与分组之间不存在任何联系 各分组信息可以断续地传输 也可经由不同的路径进行传输 分组信息到达目的地后 由接收处理机将它们按原来的顺序装配起来 2 分组交换的特点l通信子网中节点暂时存储的是一个个的分组 而不是整个文件 l分组信息保存在通信子网节点的内存中 保证了交换的高速和高效 l分组交换采用的是动态分配信道的策略 极大地提高了线路的利用率 l分组数据不必连续传输 即允许传输完一个分组后 可隔一段时间再传下一个分组 这可有效的避免线路拥塞 l一个分组信息必须一次传完 一个分组数据是一个不可再分割的整体 7 4 3ATM交换技术1 什么是ATM 们一般习惯把电信网分为传输 复用 交换和终端等几个部分 但是近几年来随着程控时分交换和时分复用技术的发展 电信网中的传输 复用和交换这三个部分已越来越紧密地联系在一起 开始使用传输方式来统一描述 目前通信网上的传输方式可分为同步传输方式 STM 和异步传输方式 ATM 两种 如ISDN 综合服务数字网 用户线路上的2B D方式 以及数字电话网中的数字复用等均属于同步传输方式 其特点是在由N路原始信号复合成的时分复用信号中 各路原始信号都是按一定时间间隔周期性出现 所以只要根据时间就可以确定现在是哪一路的原始信号 而异步传输方式的各路原始信号是不按时间间隔周期性地出现的 因而需要另外附加一个标志来表明某一段信息属于哪一段原始信号 例如采用在信元前附加信头的标志就是异步传输方式 图7 14ATM数据传输方式 每个信元由信头信息指明是哪一路信号 图7 13STM数据传输方式 每一路信号周期性的出现 异步传输模式ATM是一种面向连接的高速交换和多路复用技术 它是综合了分组交换和线路交换的优点而形成的网络技术 ATM是专用于宽带ISDN的通信标准 对局域网和广域网来说都是一种高效的联网方案 ATM使用一对高速的专用交换器 通过光纤直接连接到计算机上 一个交换器用于发送 一个交换器用于接收 ATM支持在一个网路上同时传输声音 数据 视频 其速率为155 52Mbps 在异步传输过程中 每个信息字符 或信息字 信息块 都具有自己的开始标志和结束标志 字符中的各个位是同步的 但字符与字符之间的间隔是不定长的 在同步传输过程中 代表每个比特的信号出现的时间与固定的时间有关 发送设备和接收设备都以同一个频率连续的工作 而且保持一定的位相关系 即时间同步关系 用ATM技术连接的网络拓扑如图7 15所示 图7 15ATM网络连接拓扑结构图 2 ATM技术与电路交换及分组交换技术的比较现代通信网中广泛使用的交换技术是电路交换和分组交换两种方式 电路交换方式适用于电话业务 分组交换适用于数据业务 而ATM信元中承载的是宽带综合业务 采用的是ATM交换方式 既有电话业务 又有数据业务和其他业务 电路交换是以电路连接为目的的交换方式 电路交换的过程 就是在通信时建立电路的连接 通信完毕时断开电路 电路交换 分组交换和ATM交换方式的比较如表7 2所示 当把电路交换方式用在计算机通信中 由于人机交互时间过长 因而电路空闲的时间很大 甚至可高达90 以上 所以电路交换方式最大的缺点就是电路利用率太低 分组交换是以信息分发为目的 把从输入端送来的数据分组 根据其标志的地址域和控制域 把它们分发到各个目的地 分组交换是把信息分为一个个的数据分组 并且需要在每个信息分组中增加地址域和控制域 用以表示这段信息的类型和送往何处 再加上错误校验码以检验传送中发生的错误 表7 2三种交换方式优 缺点比较表 3 ATM的基本特征ATM的基本特征是信息的传输 复用和交换都是以信元 cell 为基本单位 按照CCITT的建议 每个信元的长度为53个字节 其中前面5个字节为信头 用来表示这个信元从何处来 到何处去 是什么类型等信息 后面48个字节是要传送的信息 由于ATM有信头 所以会有一部分线路传输能力用在信头上 因此 用户实际使用的传输速率是155 52Mbit 53 48 140Mbit s ATM是定长度的信元 它可以适应用户不同速率分配的要求 例如 某用户要与A B C三个用户通信 其速率分别为20 40 60Mbit s 由于这三个通信用户的速率总合是120Mbit s 尚未达到155 52Mbit s 因此线路还会有一些时间处于空闲状态 所以ATM可以非常灵活地适配各种不同速率的要求 用户几乎可以按任何方式把信道分割成任意多个不同速率的子信道 只要它们的速率之和不超过信道的总容量 即155 52Mbit s 4 ATM交换结构交换结构将决定ATM网络的规模和性能 其设计方法将影响它的吞吐量 信元阻塞 信元丢失及交换延迟等 交换机性能和扩展特性 支持广播和多点转发的能力等都取决于交换结构 路由器R主要功能是提供来自输入端口的信元快速有效地路由到输出端的方法 而ATM交换机将进行单个信元的输入处理 信头的转换以及信元输出处理 以确保信头按输出端口要求转换和信元进入合适的物理链路 ATM交换技术可分为两大类 l时分交换结构 包括共享存储和共享总线 l空分交换结构 包括Banyan结构 Delta结构以及循环交换技术 1 时分交换结构多路时分交换结构在处理信元交换过程中共享公共的内部设施 时分结构通过一个共享设施 如内部底板或内存 路由所有交换信息从输入端口到输出端口 多路时分最直接的形式是使用共享总线 信元通过这个共享设施进行传输 必须先请求 获准后才可存取总线 共享存储交换结构要求交换机中的所有端口共享对交换存储器的存取 时分交换有一个设备吞吐量的固定上限 这种交换能力的限制不能随端口的增加而增加 所以 当对公共资源的需求增加时 网络性能会受到影响 交换的吞吐量是由公共资源的速度确定的 一般不能扩展 所以无法满足容量的增加 为完成特定的信元功能 每端口的处理必须存取公共的存储设施 在执行信元操作前 每个端口必须请求获准后方可存取存储器 输入端口必须将输入信元放入存储器 经端口处理器处理完成输出功能 当每个端口存取共享资源时 其他所有端口必须等待 每个等待存取公共设施的端口必须缓冲到达此端口的信元 共享资源限制了交换设备及时地对每个信元进行服务的能力 2 空分交换结构空分网络结构提供通过交换构架的多条路径 与共享存储或底板结构不同 空分结构不依赖于共享设施 多条路径的概念允许多个信元同时通过交换设备进行传输 空分结构具有良好的硬件扩展性 可以增加端口而不影响交换器的吞吐量 端口不必竞争单一的共享资源 另外 空分结构随着端口数量的增加 性能也获得提高 由于交换机性能可随端口数量的增加而提高 所以在理论上交换机可容纳多少端口不存在上限 Banyan结构Banyan结构是一种基于2 2交换单元的网络交换构架 Banyan结构交换单元的构造方法是在任意给定的一对输入和输出端口间形成一条路径 多条路径可支持多个信元同时传输 Banyan结构是一种自路由结构 在信元进入交换器时将路由前缀附在信元上 后缀则定义输出端口 内在的交换构架式交换单元可利用路由前缀信息 快速地引导信元到达正确的端口 路由结构可确保所有信元到达由每个信元后缀信息指定的输出端口 Banyan结构如下图所示 Batcher Banyan结构如果信元在进入交换结构之前先按目标点进行排序 Banyan结构将具有无阻塞特性 在一瞬间每个输出端口只有一个信元请求 为确保同一输出端口每个瞬间不会有两个以上的信元请求 Batcher网络将进行信元排序 Batcher网络的排序功能将把具有较低地址的信元放在交换单元较高的输出上 Banyan结构将阻塞同时请求同一端口的两个信元之一 除非信元被预先排序 Bat