广域网的基本概念课件

第6章广域网6.1广域网的基本概念6.2广域网的中分组转发机制6.3异步传递方式ATM6.4其他广域网本章需掌握内容广域网基本概念数据报与虚电路区别广域网中分组转发机制ATM基本概念及数据转发方式X.25及帧中继转发方式6.1广域网的基本概念

6.1.1广域网的构成当主机之间的距离较远时，例如，相隔几十或几百公里，甚至几千公里，局域网显然就无法完成主机之间的通信任务。这时就需要另一种结构的网络，即广域网。广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机链路组成。结点交换机执行分组转发功能。广域网与局域网区别地理位置差距：受经济条件限制，广域网不能使用局域网普遍采用多点接入技术从层次上考虑：广域网与局域网区别很大，局域网使用的协议主要在数据链路层，而广域网使用的协议在网络层。广域网中一个重要问题是分组转发机制。互联网由局域网和广域网组成互联网局域网局域网广域网路由器结点交换机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应当注意即使是覆盖范围很广的互联网，也不是广域网，因为在这种网络中，不同网络的“互连”才是其最主要的特征。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。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，只需要使用其网络的物理地址即可。6.1.2数据报和虚电路网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类：无连接的网络服务（数据报服务）面向连接的网络服务（虚电路服务）。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1

向

H5

发送分组H2

向

H6

发送分组路径可能变化网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络不保证所传送的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E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。若主机H5同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。虚电路H1

向

H5

发送的所有分组都沿此虚电路传送。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E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。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网在虚电路建立后，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。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网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(QualityofService)有较好的保证。数据报服务和虚电路服务

优缺点的归纳对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当可靠通信应当

由网络来保证由用户主机来保证连接的建立必须有不要目的站地址仅在连接建立阶段每个分组都有使用，每个分组使目的站的全地址用短的虚电路号数据报服务和虚电路服务

优缺点的归纳对比的方面虚电路服务数据报服务分组的转发属于同一条虚电路每个分组独立选择的分组均按照同一路由进行转发路由进行转发当结点出所有通过出故障的故障结点可能丢失故障时结点的虚电路分组，一些路由均不能工作可能会发生变化数据报服务和虚电路服务

优缺点的归纳对比的方面虚电路服务数据报服务分组的顺序总是按发送顺序到达目的站时不一定

到达目的站按发送顺序端到端的可以由分组交换网由用户主机负责差错处理和负责也可以由用户流量控制主机负责6.2广域网中的分组转发机制“转发”(forwarding)和“路由选择”(routing)这两个名词的使用在过去有些混乱。现在的文献倾向于将它们区分开来。转发是当交换结点收到分组后，根据其目的地址查找转发表(forwardingtable)，并找出应从结点的哪一个接口将该分组发送出去。路由选择是构造路由表(routingtable)的过程。路由表是根据一定的路由选择算法得到的，而转发表又是根据路由表构造出的。“转发”和“路由选择”路由选择协议负责搜索分组从某个结点到目的结点的最佳传输路由，以便构造路由表。从路由表再构造出转发分组的转发表。分组是通过转发表进行转发的。为了使讨论更简单些，可以不严格区分“转发”和“路由选择”，也不一定使用“转发表”这一名词。在转发分组时可以不是说“查找转发表”而是说“查找路由表”。

6.2.1在结点交换机中查找转发表

1.层次结构的地址结构

局域网采用了平面地址结构

(flataddressing)。对局域网，这种结构非常方便。广域网中一般都采用层次地址结构(hierarchicaladdressing)。

最简单的层次结构地址举例用二进制数表示的主机地址划分为前后两部分。前一部分的二进制数表示该主机所连接的分组交换机的编号。后一部分的二进制数表示所连接的分组交换机的端口号，或主机的编号。所连接的交换机的编号所连接的交换机端口的编号计算机在广域网中的地址[2,1][2,2]4567456745

6

7交换机1交换机2交换机3[1,1][1,3][3,2][3,3]每个交换机都有两组端口。一组是和本地主机相连的低速端口，另一组是和其他交换机相连的高速端口。1231231

2

3[2,1][2,2]45674567交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]每个主机地址中后面的数字是指该交换机的低速端口主机地址[3,2]是指连接在交换机

3

的

2

号低速端口交换机1[1,3]主机地址[1,3]是指连接在交换机

1

的

3

号低速端口12312345

6

71

2

3[2,1][2,2]45674567交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]这里给出结点交换机

2

中的转发表作为例子例如，一个欲发往主机[3,2]的分组到达了交换机

2。交换机1[1,3]交换机

2的转发表目的站下一跳

[1,1]交换机1[1,3]交换机1[3,2]交换机3[3,3]交换机3[2,1]直接

[2,2]直接这时应查找交换机

2的转发表，找目的站为[3,2]的项目。45

6

71

2

3123123[2,1][2,2]12341234交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]目的站是[3,2]吗？交换机1[1,3]交换机

2的转发表目的站下一跳

[1,1]交换机1[1,3]交换机1[3,2]交换机3[3,3]交换机3[2,1]直接

[2,2]直接查找转发表中的下一个项目。否12312345

6

71

2

3[2,1][2,2]12341234交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]目的站是[3,2]吗？交换机1[1,3]交换机

2的转发表目的站下一跳

[1,1]交换机1[1,3]交换机1[3,2]交换机3[3,3]交换机3[2,1]直接

[2,2]直接查找转发表中的下一个项目。否12312345

6

71

2

3[2,1][2,2]12341234交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]目的站是[3,2]吗？交换机1[1,3]交换机

2的转发表目的站下一跳

[1,1]交换机1[1,3]交换机1[3,2]交换机3[3,3]交换机3[2,1]直接

[2,2]直接根据转发表指出的下一跳把分组转发到交换机

3。是12312345

6

71

2

3[2,1][2,2]12341234交换机2交换机3[1,1][3,2][3,3]交换机1[1,3]分组转发到交换机

3

后就查找交换机

3

的转发表。从转发表（此处省略了）可知不必再转发分组了，把该分组直接交付给主机[3,2]即可。12312345

6

71

2

3按照目的站连接的交换机号

确定下一跳只要转发表中目的站一栏中的交换机号相同，那么查出的“下一跳”就是相同的。在转发分组时，可只根据分组的主机地址中的交换机号来查找转发表。只有当分组到达与目的主机相连的结点交换机时，交换机才检查第二部分地址（主机号），并通过合适的低速端口将分组交给目的主机。6.2.2路由表简化广域网路由问题就是要解决分组在交换机中应如何进行转发。转发表就是为解决广域网路由问题而在交换机中专门设置的。在专门研究广域网路由问题时，可用图论中“图”来表示整个广域网。图的应用可用图论中的“图(graph)”来表示整个广域网。用“结点”表示广域网上的结点交换机，用连接结点与结点的“边”表示广域网中的链路。连接在结点交换机上的主机与分组转发无关，因此在图中可以不画上。用图表示广域网的例子12341结点边243每一个结点的转发表1243目的站下一跳1直接233343结点1的转发表对结点1

的转发表的第一个项目的解释：若到达结点1

的分组的目的地址是结点1上的主机，则下一跳就是直接交付而不必再转发其他结点。每一个结点的转发表1243目的站下一跳132直接3344结点2的转发表对结点2

的转发表的第一个项目的解释：若到达结点2

的分组的目的地址是结点1上的主机，则下一跳就应转发到结点3。在路由表中使用默认路由1243目的站下一跳1直接233343结点

1

的转发表这三个项目的“下一跳”都是转发到“3”（结点3）。可以合并以结点

1

和结点

2

中的转发表为例来讨论在路由表中使用默认路由1243目的站下一跳

1直接默认3结点1的转发表默认路由在路由表中使用默认路由1243目的站下一跳132直接3344结点2的转发表这两个项目的“下一跳”都是转发到“3”（结点3）。可以合并在路由表中使用默认路由1243目的站下一跳

2直接

44默认3结点2的转发表默认路由使用默认路由使转发表更加简洁，可减少查找转发表的时间。人们曾经设想过“未来最理想的”一种网络应当是宽带综合业务数字网B-ISDN。B-ISDN采用新的ATM交换技术。这种技术结合了电路交换和分组交换的优点。虽然在B-ISDN并没有成功，但ATM技术还是获得了相当广泛的应用，并在因特网的发展中起到了重要的作用。6.3异步传递方式ATM

6.3.1ATM的基本概念

ATM是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。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)。异步传递方式ATM

(AsynchronousTransferMode)

如果用户有很多信元要发送，就可以接连不断地发送出去。只要SDH的帧有空位置就可以将这些信元插入进来。ATM

名词中的“异步”是指将

ATM

信元“异步插入”到同步的SDH比特流中。“异步”的含义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。信元长度为53字节，其首部（可简称为信头）为5字节。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的主要优点如下：ATM使用光纤信道传输。由于光纤信道的误码率极低，且容量很大，因此在ATM网内不必在数据链路层进行差错控制和流量控制(放在高层处理)，因而明显地提高了信元在网络中的传送速率。ATM的主要优点如下：ATM的一个明显缺点就是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。10千兆以太网的问世，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ATM网络中的网络元素ATM

端点（又称为ATM端系统）通过点到点链路与ATM交换机相连。ATM

交换机是一个快速分组交换机（交换容量高达数百Gb/s），其主要构件是：交换结构(switchingfabric)若干个高速输入端口和输出端口必要的缓存ATM的交换结构ATM交换机abcdefgh交换结构输入信元输出信元6.3.2ATM的协议参考模型

和信元结构1.ATM的协议参考模型

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层物理层PMD子层TC子层ATM适配层(AAL层)SAR子层CS子层321

ATM的层次AAL(ATMAdaptationLayer)层的作用就是增强ATM层所提供的服务，并向上面高层提供各种不同的服务。(1)ATM适配层AALATM层物理层PMD子层TC子层ATM适配层(AAL层)SAR子层CS子层321

ATM的层次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字节的信元话音信号A/DAAL层ATM层48字节数据块数字化的采样信号53字节信元数据信号长度可变的突发数据分组AAL层48字节数据块ATM层53字节信元视频信号A/D图像帧压缩的编码信号AAL层48字节数据块ATM层53字节信元从IP数据报转换为ATM信元ITU-T规定了ATM网络可向用户提供几种类型服务。目前AAL5（即AAL的类型5）是和IP数据报配合起来的一种ATM适配层。从层次上看，IP数据报通过AAL层把一个IP数据报划分成48字节数据块，然后在ATM层加上5字节首部，构成ATM信元。SAR-PDUAAL5层CS子层尾部1~65535字节填充长度CRC检验保留字节224SAR子层ATM层CS-PDU用户数据（例如，IP数据报）ATM信元53字节发送ATM信元53字节ATM信元53字节ATM信元53字节48字节48字节48字节48字节PT＝000PT＝000PT＝000PT＝001表示是最后一个信元举例：AAL5将用户数据分割为48字节的数据块交给ATM层(2)ATM层ATM层物理层PMD子层TC子层ATM适配层(AAL层)SAR子层CS子层321

ATM的层次主要完成交换和复用功能，与传送ATM信元的物理媒体或物理层无关。VCI与VPI

（VPI包含VCI）ATM连接用信元首部中的两级标号来识别。虚通路标识VCI(VirtualChannelIdentifier)虚通道标识符VPI(VirtualPathIdentifier)传输链路虚通道VPxVPzVPyVCxVCxVCyVCzVCzVCyVCyVCx虚通路VCI与VPI

（VPI包含VCI）一个虚通路VC是在两个或两个以上的端点之间的一个运送ATM信元的通信通路。一个虚通道VP包含有许多相同端点的虚通路VC，而这许多VC都使用同一个VPI。传输链路虚通道VPxVPzVPyVCxVCxVCyVCzVCzVCyVCyVCx虚通路VCI与VPI

（VPI包含VCI）在一个给定的接口，复用在一条链路上的许多不同的

VP，用它们的VPI来识别。复用在一个VP中的不同的VC，用它们的VCI来识别。传输链路虚通道VPxVPzVPyVCxVCxVCyVCzVCzVCyVCyVCx虚通路VCI与VPI

（VPI包含VCI）一个给定的VCI值没有端到端的意义。VP在经过集中器或交换机时，其VPI也会改变。传输链路虚通道VPxVPzVPyVCxVCxVCyVCzVCzVCyVCyVCx虚通路信元的复用与分用信元的VPI/VCI转换（就是将一个入信元的VPI/VCI转换成新的数值）信元首部的产生与提取流量控制ATM

层的功能(3)物理层物理层实现信元流和比特流的转换，以及在物理媒体上正确传输和接收比特流。当使用光纤传输时，物理层还必须完成从电信号到光信号（或反过来）的转换。ATM层和AAL层在ATM交换机中只有物理层和ATM层。ATM端点AAL层IP层物理层ATM层AAL层IP层物理层ATM层ATM网络ATM网络交换机交换机ATM层物理层物理层物理层ATM层物理层ATM端点ATM层和AAL层AAL层功能只能驻留在ATM端点之中，而在ATM交换机中只有物理层和ATM层。

交换机交换机ATM网络ATM网络ATM层物理层物理层物理层ATM层物理层IP层物理层ATM层IP层物理层ATM层ATM端点AAL层AAL层ATM端点ATM在哪一层？当孤立地观察一个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。从IP层来看，整个的ATM网络又相当于两个IP结点之间的一条数据链路，因而整个ATM网络又好像是处在数据链路层。可见ATM体系结构中的层次和OSI的层次很难有严格的对应关系。6.3.3ATM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

网络中的基本交换单元。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。VCI

和VPI的转换ATM信元在ATM网络中传输时，一定是在某个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，以便惟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惟一的值。每经过一段链路，信元的VPI/VCI值都可能改变数值。ATM网络AB交换机

X交换机

Y交换机

Z121232343414

入入出出端口VPI/VCI端口VPI/VCI43/1729/353/1742/556/359/35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

入入出出端口VPI/VCI端口VPI/VCI19/3546/35

入入出出端口VPI/VCI端口VPI/VCI46/35242/55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6.4其他广域网

6.4.1X.25网X.25网就是X.25分组交换网，它是在二十多年前根据CCITT（即现在的ITU-T）的X.25建议书实现的计算机网络。X.25只是一个对公用分组交换网接口的规约。X.25所讨论的都是以面向连接的虚电路服务为基础。X.25规定了DTE-DCE的接口X.25接口X.25接口X.25公用分组交换网VC2VC1DTEDTEDCEDCEDCEDTEX.25接口X.25的层次关系用户数据在X.25的分组层（相当于网络层）加上X.25的首部控制信息后，就组装成为X.25分组。在数据链路层使用的是HDLC的一个子集——平衡型链路接入规程LAPB。在分组层DTE与DCE之间可建立多条逻辑信道(0~4095号)，使一个DTE同时和网上其他多个DTE建立虚电路并进行通信。X.25还规定了在经常需要进行通信的两个DTE之间可以建立永久虚电路。这些虚电路号以及分组序号等控制信息都写在X.25分组的首部中。X.25的层次关系LAPB帧X.25分组分组层（网络层）数据链路层用户数据用户数据X.25首部LAPB首部LAPB尾部X.25网与IP网基于IP协议的因特网是无连接的，只提供尽最大努力交付的数据报服务，无服务质量可言。X.25网是面向连接的，能够提供可靠交付的虚电路服务，能保证服务质量。正因为X.25网能保证服务质量，在二十多年前它曾经是颇受欢迎的一种计算机网络。X.25网退出了历史舞台到了20世纪90年代，情况就发生了很大的变化。通信主干线路已大量使用光纤技术，数据传输质量大大提高使得误码率降低好几个数量级，而X.25十分复杂的数据链路层协议和分组层协议已成为多余的。PC机的价格急剧下降使得无硬盘的哑终端退出了通信市场。这正好符合因特网当初的设计思想：网络应尽量简单而智能应尽可能放在网络以外的用户端。6.4.2帧中继FR

1.帧中继的工作原理在20世纪80年代后期，许多应用都迫切要求增加分组交换服务的速率。帧中继

FR(FrameRelay)就是一种支持高速交换的网络体系结构。帧中继在许多方面非常类似于X.25，被称为第二代的X.25。今天的数字光纤网比早期的电话网具有低得多的误码率，如果减少结点对每个分组的处理时间，则各分组通过网络的时延亦可减少，同时结点对分组的处理能力也就增大了。帧中继减少结点处理时间帧中继不使用差错恢复和流量控制机制。当帧中继交换机收到一个帧的首部时，只要一查出帧的目的地址就立即进行转发。因此在帧中继网络中，一个帧的处理时间比X.25网约减少一个数量级。这样，帧中继网络的吞吐量要比X.25网络的提高一个数量级以上。帧中继对差错的处理当检测到有误码时，结点要立即中止这次传输。当中止传