计算机网络(第三版)蔡皖东-西安电子科技大学出版社第三章

1、1,2020/6/18,第三章广域网技术,第三章,2,2020/6/18,广域网,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。,3,2020/6/18,广域网概述,WAN的特点：范围广：地区、国家、洲际、全球建立在电信网络的基础上应用环境复杂：线路、技术、协议、设备介质：双绞线、同轴、光纤、地面微波、卫星传输速率：主干网高，但接入速率低（成本？）误码率高：复杂的错误控制技术，开销？拓扑结构：点到点连接构成的网状结构,4,2020/6/18,主要的广域网技术,X.25：公共分组交换网使用X.25

2、协议进行分组交换的数据通信技术FrameRelay：帧中继（FR）一种高速的在链路层进行分组交换的技术ATM：异步传输模式一种基于异步时分多路复用的、采用信元交换代替分组交换的技术,5,2020/6/18,主要的广域网技术,ISDN：综合业务数据网一种可以在电话线路上同时提供音频、视频和数据服务的数字网络DDN：数字数据网一种利用数字信道提供半永久性连接电路的数字网络xDSL：数字用户线一种利用电话线路进行数字传输的高速接入技术,6,2020/6/18,第三章主要内容,3.1引言,3.2分组交换网,3.3帧中继网,3.5ATM网,3.6无线通信网,3.7网络互连,3.4ISDN,3.8Inte

3、rnet,7,2020/6/18,分组交换网综述,分组交换技术始于20世纪70年代，盛于80年代。X.25建议是针对分组交换网而制定的国际标准，因此。,X.25网络采用端到端差错处理和流量控制机制，保证了较低级模拟线路条件下较高质量的数据传输服务。随着技术发展，分组交换网的分组处理能力、中继线速率以及传输时延等性能极高。新的分组交换技术：帧中继、ATM等快速分组交换技术。,8,2020/6/18,分组交换网的组成,分组交换机、用户接入设备、传输线路。分组交换机：枢纽；转发、路由选择。,转发是当交换结点收到分组后，根据其目的地址查找路由表，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

4、造路由表(routingtable)的过程。,9,2020/6/18,2,1,4567,交换机1,交换机2,交换机3,1,11,3,3,2,3,3,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。,123,123,123,2,2,10,2020/6/18,2,1,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,123,123,4567,123,2,2,11,2020/6/18,2,12,2,4

5、567,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,这时应查找交换机2的转发表，找目的站为3,2的项目。,4567,123,123,123,12,2020/6/18,2,12,2,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,查找转发表中的下一个项目。,否,123,123,4567,123,13,2020/6/18,2,12,2,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,查找转发表中的下一个项目。,否,123,1

6、23,4567,123,14,2020/6/18,2,12,2,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,根据转发表指出的下一跳把分组转发到交换机3。,是,123,123,4567,123,15,2020/6/18,2,12,2,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。,123,123,4567,123,16,2020/6/18,X.25分组交换网的体系结构,X.25分组交换网体系结构由三层通信协议，即物理层、链

7、路层和分组层组成；物理层，对应于ISO/OSI参考模型的物理层。链路层，对应于ISO/OSI参考模型的数据链路层。分组层，对应于ISO/OSI参考模型的网络层，它规定了数据终端设备DTE和数据电路端接设备DCE之间进行信息交换的分组格式，并规定了采用分组交换的方法，在一条逻辑信道上对分组流量、分组传送差错执行独立的控制。,17,2020/6/18,分组格式,Q:用户数据还是网络信息D：传送确认位E,G:分组编号的位数,18,2020/6/18,分组交换方式-虚电路交换方式,分组交换方式有虚电路和数据报两种。由分组格式中的“分组类型标识符”规定具体的数据分组。虚电路交换方式虚电路是两个用户终端在

8、通信之前预先建立的逻辑连接，它提供的是一条双向的、无差错的及有序的逻辑连接。在X.25的虚电路交换中，分为交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)两种。,19,2020/6/18,虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1要和H5通信,20,2020/6/18,SVC数据交换过程,21,2020/6/18,SVC,交换虚电路方式SVC的数据交换过程说明如下：在建立虚电路阶段，呼叫方(DTE)通过发送“呼叫请求”分组呼叫被叫方(DTE)。“呼叫请求”分组中包含有被叫方(目的)地址、呼叫方(信源)DTE地址和呼叫方使用的虚电路号。“呼叫请求”分组通

9、过网络时，网络中的各个分组交换机根据其被叫方地址选择路由，分配虚电路号(用逻辑信道组号和逻辑信道号表示)，并记录在交换机的路径表中。,22,2020/6/18,SVC(续),最靠近被叫方的交换机用“呼叫指示”分组通知被叫方。“呼叫指示”分组格式与“呼叫请求”分组相同，但使用不同的虚电路号。呼叫方采用由高向低分配策略从当前空闲虚电路号中为“呼叫请求”分组分配虚电路号；网络交换机采用由低向高分配策略从当前空闲虚电路号中为“呼叫指示”分组分配虚电路号，以避免虚电路号的分配冲突。,23,2020/6/18,SVC(续),被叫方如果同意连接，则回送“呼叫接受”分组，该分组沿着已建立的虚电路传输给呼叫方，

10、到达最靠近呼叫方的交换机后，以“呼叫连通”分组通知呼叫方，其分组格式与“呼叫请求”分组相同。至此，这条虚电路已建立起来，可转入数据传输阶段。在单条虚电路上使用“数据”分组可以进行点到点的双向数据传输。如果要进行点到多点传输，则必须建立多条虚电路。,24,2020/6/18,SVC(续),在虚电路上使用“流量控制”分组进行流量控制和差错处理，使用“链路维护”分组进行虚电路的维护。数据传输结束后，任何一方要使用“拆除请求”分组拆除虚电路，释放所占有的系统资源。拆除虚电路过程与建立虚电路过程基本相同。,25,2020/6/18,SVC数据交换过程,26,2020/6/18,PVC,在永久虚电路PVC

11、中，源DTE与目的DTE之间的虚电路是预先分配好的，并已记录在转发路径表中。在永久虚电路PVC中，源DTE与目的DTE之间可直接使用虚电路号进行通信，而无需动态地分配和清除这些虚电路号，即无建立连接和拆除连接阶段，如同一条专线一般。,数据报交换方式,在X.25分组交换网中主要以提供虚电路传输服务为主。,27,2020/6/18,数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1向H5发送分组,路径可能变化,28,2020/6/18,两种服务的优缺点比较,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

12、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,29,2020/6/18,两种服务的优缺点比较(续),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,30,2020/6/18,两种服务的比较(续),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,31,2020/6/18,

13、两种服务的思路来源,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，因此电信网的节点交换机复杂而昂贵。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来保证。关于网络层应当采用数据报服务还是虚电路服务，在网络界一直在进行争论，焦点是网络要不要提供网络端到端的可靠服务。Internet在网络层采用了数据报服务。,32,2020/6/18,两种服务的竞争,在早期，线路传输质量较差时，因为虚电路服务能保证服务质量，因此能提供虚电路传输服务的X.25网在三十多年前，曾经是颇受欢迎的一种计算机网络。到了20世纪9

14、0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。让网络只提供数据报服务可以大大简化网络层的结构。,33,2020/6/18,两种服务的竞争(续),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。技术的进步使得网络出错的概率已越来越小，因而让主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多的负担，反而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行。X.25网逐渐退出了历史舞台。因特网发展到今天的规模

15、，充分说明了在网络层提供数据报服务是非常成功的。,34,2020/6/18,第三章主要内容,3.1引言,3.2分组交换网,3.3帧中继网,3.5ATM网,3.6无线通信网,3.7网络互连,3.4ISDN,3.8Internet,35,2020/6/18,帧中继网概述,到20世纪80年代后期，许多应用迫切要求增加分组交换服务的速率。低误码率允许减少节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，同时节点对分组的处理能力也就增大了。帧中继FR(FrameRelay)就是一种减少节点处理时间，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，因此常被称为第二代的X.25。,3

16、6,2020/6/18,帧中继网减少节点处理时间,帧中继网的主要特点是，简化了大量的网络功能，将用于保证数据可靠传输的功能，如差错恢复和流量控制机制，转移给用户终端或本地节点来完成。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。当正在接收一个帧时就转发此帧的技术，通常被称为快速分组交换。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。,37,2020/6/18,帧中继网的拥塞控制,帧中继网使用的拥塞控制方法：丢弃策略。当拥塞足够严重时，网络就要被迫将帧丢弃。拥塞避免。在刚一出现轻微的拥塞迹

17、象时，用一些信令机制及时使拥塞避免过程开始工作。拥塞恢复。在已出现拥塞时，拥塞恢复过程可阻止网络彻底崩溃。为了进行拥塞控制，设定了帧的优先级。,38,2020/6/18,帧中继帧的两种优先级,在帧中继网络中，所有的帧中继帧被划分为高优先级和低优先级。高优先级帧在首部的地址字段中的可丢弃指示DE比特置为0，表示网络尽可能不要丢弃这类帧（即使网络发生了拥塞）。低优先级帧的DE比特置为1，表示这是相对较为不重要的帧，在网络发生了拥塞时可丢弃这类帧。,39,2020/6/18,帧中继帧的帧格式,标志,标志,地址,信息,帧检验序列,字节,1,2,24,1,长度可变,首部,尾部,IP数据报,标志字段是一个

18、01111110的比特序列，用于指示帧中继帧的起始和结束。它的惟一性是通过比特填充法来确保的。,40,2020/6/18,帧中继帧的帧格式(续),IP数据报,信息字段是长度可变的用户数据。,41,2020/6/18,帧中继帧的帧格式(续),IP数据报,帧检验序列字段是2字节的CRC检验。当检测出差错时，就将此帧丢弃。,42,2020/6/18,帧中继帧的帧格式(续),IP数据报,地址字段,43,2020/6/18,地址字段中的几个重要部分,数据链路连接标识符DLCI，用来标识虚电路，只具有本地意义。正向阻塞通知FECN，若某结点将FECN置为1，表明与该帧在同方向传输的帧可能受网络拥塞的影响而

19、产生时延。反向阻塞通知BECN，若某结点将BECN置为1即指示接受者，与该帧反方向传输的帧可能受网络拥塞的影响产生时延。帧丢弃许可指示DE。,44,2020/6/18,帧中继帧与HDLC帧的区别,与HDLC帧格式相比，帧中继的帧格式中没有控制字段(C)，这就意味着帧中继只有单一的数据帧，而无其他的控制帧，从而简化了协议。并且，帧中继的帧格式中也没有提供用于差错处理和流量控制的相应字段，这说明帧中继网络不提供差错处理和流控功能。,45,2020/6/18,帧中继网特点,与电路交换业务的比较。帧中继和电路交换业务都能为用户提供高速率、低时延的数据传输业务。由于用户使用电路交换业务时要独占带宽资源，

20、因此通信费用昂贵。帧中继采用动态分配带宽技术，允许用户占用其他用户的空闲带宽来传送大量的突发性数据，实现带宽资源共享，使用户的通信费用低于专线。,46,2020/6/18,帧中继网特点,与X.25分组交换业务的比较。帧中继和X.25分组交换业务都采用虚电路交换技术，以充分利用网络带宽资源，降低用户通信费用。但在业务质量上，由于帧中继网络对数据帧不进行差错处理，简化了通信协议，使帧中继交换机处理每帧所需的时间大大缩短，端到端数据传送延时低于分组交换网，整个网络的业务吞吐量高于分组交换网。帧中继还具有一套有效的带宽管理和阻塞管理措施，在带宽的动态分配技术上比分组交换网更具优越性。,47,2020/

21、6/18,帧中继网特点,与ATM业务的比较。ATM业务也可为用户提供高速率、低延时的数据传输业务，但需要大量网络硬件的更新，其代价十分昂贵。帧中继技术可直接利用现有的网络硬件资源，只需更新网络软件就可实现，所需费用比较低，因此对网络运营部门很有吸引力。,48,2020/6/18,第三章主要内容,3.1引言,3.2分组交换网,3.3帧中继网,3.5ATM网,3.6无线通信网,3.7网络互连,3.4ISDN,3.8Internet,49,2020/6/18,ATM网,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，这是ATM网的重要

22、特点之一。这种定长分组叫做信元(cell)。ATM网的主要优点如下：选择固定长度的短信元作为信息传输的单位，这种短小而固定的信元传输，有利于宽带高速交换，缩小网络传输延迟：信元长度为53字节，其首部（可简称为信头）为5字节。,50,2020/6/18,ATM网(续),定义了多种不同速率的物理接口，对不同应用提供不同带宽，并能支持不同速率(包括高传输速率)的各种业务，同时定义了多种服务级别。端节点可以根据要传输的媒体信息性质选择适当的QoS：声音、数据、传真、实时视频、CD质量音频和图象。采用虚电路交换方式，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。

23、,51,2020/6/18,ATM网(续),简化了网络功能：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网内不进行差错控制和流量控制，而是留给用户终端去处理，因而明显地提高了信元在网络中的传送速率。ATM网的主要缺点如下：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。技术复杂且价格较高。,52,2020/6/18,ATM的体系结构,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）。,53,2020/6/18,ATM物理层,ATM物理层分为两个子层：靠下面的是物理媒体相关子层(PhysicalMediumD

24、epartment)PMD子层；靠上面的是传输汇聚子层(TransmissionConvergence)TC子层。PMD子层负责在物理媒体上正确传输和接收比特流。它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。对不同的传输媒体，PMD子层是不同的。,54,2020/6/18,ATM物理层(续),TC子层主要实现信元流和比特流的转换。在发送时，TC子层将ATM层交下来的信元流转换成比特流，再交给下面的PMD子层。在接收时，TC子层将PMD子层交上来的比特流转换成信元流，标记出每一个信元的开始和结束，并交给ATM层。TC子层的存在，使得ATM层实现了与下面的传输媒体完全无关。,

25、55,2020/6/18,ATM层,ATM层的基本服务是提供基于连接的信息传输服务。在ATM网络中，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。所有的ATM连接都是端到端的，而中间点提供的是一种交换设备，对端点传来的信息进行中继传输。连接是利用信令和一套指定的连接参数建立的，这些连接参数将建立传输所需的QoS级别，如所需的传输速率、可接受的最大延迟等。,56,2020/6/18,ATM信元格式,ATM信元有两种不同的首部,1,48,5,首部,有效载荷,VCI,VPI,GFC,HEC,PT,VCI,HEC,VPI,字节,3,1

26、,8,12,16,4,8,CLP,16,8,3,在UNI,在NNI,比特,比特,PT,ATM信元,用户到网络接口UNI(User-to-NetworkInterface),网络到网络接口NNI(Network-to-NetworkInterface),57,2020/6/18,ATM信元格式,1,48,5,首部,有效载荷,VCI,VPI,GFC,HEC,PT,VCI,HEC,VPI,字节,3,1,8,12,16,4,8,CLP,16,8,3,在UNI,在NNI,比特,比特,PT,ATM信元,58,2020/6/18,ATM信元格式,一般流量控制GFC(GenericFlowControl)，用

27、来实现端点到交换机的流量控制，交换机到交换机不需要配置这一控制功能。,48,5,首部,有效载荷,VCI,VPI,GFC,HEC,PT,VCI,HEC,VPI,字节,CLP,在UNI,在NNI,PT,ATM信元,59,2020/6/18,ATM信元格式,PT为信元载体类型，用来定义该信元是用户信元，还是管理信元。,1,48,5,首部,有效载荷,VCI,VPI,GFC,HEC,VCI,HEC,VPI,字节,3,1,8,12,16,4,8,CLP,16,8,3,在UNI,在NNI,比特,比特,ATM信元,60,2020/6/18,ATM信元格式,CLP为信元的优先级，用于指示在网络拥塞时可丢弃(CL

28、P=1)或保留(CLP=0)的信元。,1,48,5,首部,有效载荷,VCI,VPI,GFC,HEC,PT,VCI,HEC,VPI,字节,3,1,8,12,16,4,8,16,8,3,在UNI,在NNI,比特,比特,PT,ATM信元,61,2020/6/18,ATM信元格式,首部差错控制HEC，只对首部的前四个字节（不包括有效载荷部分）进行CRC校验，并将校验码放在HEC字段中。,48,5,首部,有效载荷,VCI,VPI,GFC,PT,VCI,VPI,字节,在UNI,在NNI,PT,ATM信元,62,2020/6/18,ATM层对信元的处理,根据ATM节点性质(端点和中间点)不同，ATM层提供的

29、信元处理功能也不同。对于端点，ATM层提供的信元处理功能为：信元头的生成：当ATM层从ATM适配层接收到信元体后，生成一个信元头，附加在信元体上，形成完整的信元格式，然后再传送给物理层。ATM层并不关心信元体的内容，只是把它当作要传送的二进制位流，也就是说，ATM层与服务级别无关。,63,2020/6/18,ATM层对信元的处理,信元头的分离：当ATM层从物理层接收到信元时，先分离信元头，将信元体传送给ATM适配层。然后再把信元头提交给ATM适配层进行处理。对于中间节点，ATM层提供的信元处理功能为：信元头的转换。由于VPI和VCI只有局部意义，中间点必须将输入的VPI/VCI值转换成输出的VPI