1、12022/7/18第三章 廣域網技術第三章22022/7/18互聯網局域網局域網廣域網路由器結點交換機 廣域網是單個的網絡，它使用結點交換機連接各主機而不是用路由器連接各網絡。 結點交換機在單個網絡中轉發分組，而路由器在多個網絡構成的互聯網中轉發分組。32022/7/18廣域網概述WAN的特點：范圍廣：地區、國家、洲際、全球建立在電信網絡的基礎上應用環境復雜：線路、技術、協議、設備介質：雙絞線、同軸、光纖、地面微波、衛星傳輸速率：主干網高，但接入速率低（成本？）誤碼率高：復雜的錯誤控制技術，開銷？拓撲結構：點到點連接構成的網狀結構42022/7/18主要的廣域網技術X.25：公共分組交換網使

2、用X.25協議進行分組交換的數據通信技術Frame Relay：幀中繼（FR）一種高速的在鏈路層進行分組交換的技術ATM：異步傳輸模式一種基于異步時分多路復用的、采用信元交換代替分組交換的技術52022/7/18主要的廣域網技術ISDN：綜合業務數據網一種可以在電話線路上同時提供音頻、視頻和數據服務的數字網絡DDN：數字數據網一種利用數字信道提供半永久性連接電路的數字網絡xDSL：數字用戶線一種利用電話線路進行數字傳輸的高速接入技術62022/7/18第三章主要內容3.1 引言3.2 分組交換網3.3 幀中繼網3.5 ATM網3.6 無線通信網3.7 網絡互連3.4 ISDN3.8 Inter

3、net72022/7/18分組交換網綜述 分組交換技術始于20世紀70年代，盛于80年代。 X.25建議是針對分組交換網而制定的國際標準，因此。 X.25網絡采用端到端差錯處理和流量控制機制，保證了較低級模擬線路條件下較高質量的數據傳輸服務。 隨著技術發展，分組交換網的分組處理能力、中繼線速率以及傳輸時延等性能極高。 新的分組交換技術：幀中繼、ATM等快速分組交換技術。82022/7/18分組交換網的組成 分組交換機、用戶接入設備、傳輸線路。 分組交換機：樞紐；轉發、路由選擇。 轉發是當交換結點收到分組后，根據其目的地址查找路由表，并找出應從結點的哪一個接口將該分組發送出去。 路由選擇是構造路

4、由表(routing table)的過程。92022/7/182, 1456745674 5 6 7交換機1交換機 2交換機31, 11, 33, 23, 3每個交換機都有兩組端口。一組是和本地主機相連的低速端口，另一組是和其他交換機相連的高速端口。1231231 2 32, 2102022/7/182, 145674567交換機 2交換機31, 13, 23, 3每個主機地址中后面的數字是指該交換機的低速端口主機地址3, 2是指連接在交換機 3 的 2 號低速端口交換機11, 3主機地址1, 3是指連接在交換機 1 的 3 號低速端口1231234 5 6 71 2 32, 2112022/

5、7/182, 1 2, 245674567交換機 2交換機31, 13, 23, 3這里給出結點交換機 2 中的轉發表作為例子 例如，一個欲發往主機3, 2的分組到達了交換機 2。交換機11, 3交換機 2 的轉發表目的站 下一跳 1, 1 交換機1 1, 3 交換機1 3, 2 交換機3 3, 3 交換機3 2, 1 直接 2, 2 直接這時應查找交換機 2 的轉發表，找目的站為3, 2的項目。4 5 6 71 2 3123123122022/7/182, 1 2, 212341234交換機 2交換機31, 13, 23, 3目的站是3, 2嗎？交換機11, 3交換機 2 的轉發表目的站 下

6、一跳 1, 1 交換機1 1, 3 交換機1 3, 2 交換機3 3, 3 交換機3 2, 1 直接 2, 2 直接查找轉發表中的下一個項目。否1231234 5 6 71 2 3132022/7/182, 1 2, 212341234交換機 2交換機31, 13, 23, 3目的站是3, 2嗎？交換機11, 3交換機 2 的轉發表目的站 下一跳 1, 1 交換機1 1, 3 交換機1 3, 2 交換機3 3, 3 交換機3 2, 1 直接 2, 2 直接查找轉發表中的下一個項目。否1231234 5 6 71 2 3142022/7/182, 1 2, 212341234交換機 2交換機31

7、, 13, 23, 3目的站是3, 2嗎？交換機11, 3交換機 2 的轉發表目的站 下一跳 1, 1 交換機1 1, 3 交換機1 3, 2 交換機3 3, 3 交換機3 2, 1 直接 2, 2 直接根據轉發表指出的下一跳把分組轉發到交換機 3。是1231234 5 6 71 2 3152022/7/182, 1 2, 212341234交換機 2交換機31, 13, 23, 3交換機11, 3分組轉發到交換機 3 后就查找交換機 3 的轉發表。從轉發表（此處省略了）可知不必再轉發分組了，把該分組直接交付給主機3, 2即可。1231234 5 6 71 2 3162022/7/18X.25

8、分組交換網的體系結構 X.25分組交換網體系結構由三層通信協議，即物理層、鏈路層和分組層組成； 物理層，對應于ISO/OSI參考模型的物理層。 鏈路層，對應于ISO/OSI參考模型的數據鏈路層。 分組層，對應于ISO/OSI參考模型的網絡層，它規定了數據終端設備DTE和數據電路端接設備DCE之間進行信息交換的分組格式，并規定了采用分組交換的方法，在一條邏輯信道上對分組流量、分組傳送差錯執行獨立的控制。172022/7/18分組格式 Q:用戶數據還是網絡信息 D：傳送確認位 E,G:分組編號的位數 182022/7/18分組交換方式-虛電路交換方式 分組交換方式有虛電路和數據報兩種。由分組格式中

9、的“分組類型標識符”規定具體的數據分組。 虛電路交換方式 虛電路是兩個用戶終端在通信之前預先建立的邏輯連接，它提供的是一條雙向的、無差錯的及有序的邏輯連接。 在X.25的虛電路交換中，分為交換虛電路(SVC)和永久虛電路(PVC)兩種。192022/7/18虛電路服務的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網H1 要和 H5 通信虛電路H1 向 H5 發送的所有分組都沿此虛電路傳送。202022/7/18SVC數據交換過程212022/7/18SVC 交換虛電路方式SVC的數據交換過程說明如下： 在建立虛電路階段，呼叫方(DTE)通過發送“呼叫請求”分組呼叫被叫方(DTE)。“呼叫請求

10、”分組中包含有被叫方(目的)地址、呼叫方(信源)DTE地址和呼叫方使用的虛電路號。 “呼叫請求”分組通過網絡時，網絡中的各個分組交換機根據其被叫方地址選擇路由，分配虛電路號(用邏輯信道組號和邏輯信道號表示)，并記錄在交換機的路徑表中。222022/7/18SVC(續) 最靠近被叫方的交換機用“呼叫指示”分組通知被叫方。“呼叫指示”分組格式與“呼叫請求”分組相同，但使用不同的虛電路號。 呼叫方采用由高向低分配策略從當前空閑虛電路號中為“呼叫請求”分組分配虛電路號；網絡交換機采用由低向高分配策略從當前空閑虛電路號中為“呼叫指示”分組分配虛電路號，以避免虛電路號的分配沖突。 232022/7/18S

11、VC(續) 被叫方如果同意連接，則回送“呼叫接受”分組，該分組沿著已建立的虛電路傳輸給呼叫方，到達最靠近呼叫方的交換機后，以“呼叫連通”分組通知呼叫方，其分組格式與“呼叫請求”分組相同。至此，這條虛電路已建立起來，可轉入數據傳輸階段。 在單條虛電路上使用“數據”分組可以進行點到點的雙向數據傳輸。如果要進行點到多點傳輸，則必須建立多條虛電路。242022/7/18SVC(續) 在虛電路上使用“流量控制”分組進行流量控制和差錯處理，使用“鏈路維護”分組進行虛電路的維護。 數據傳輸結束后，任何一方要使用“拆除請求”分組拆除虛電路，釋放所占有的系統資源。拆除虛電路過程與建立虛電路過程基本相同。2520

12、22/7/18SVC數據交換過程262022/7/18PVC 在永久虛電路PVC中，源DTE與目的DTE之間的虛電路是預先分配好的，并已記錄在轉發路徑表中。 在永久虛電路PVC中，源DTE與目的DTE之間可直接使用虛電路號進行通信，而無需動態地分配和清除這些虛電路號，即無建立連接和拆除連接階段，如同一條專線一般。數據報交換方式 在X.25分組交換網中主要以提供虛電路傳輸服務為主。 272022/7/18數據報服務的特點H1H5H2H4H3ACDBH6E分組交換網H1 向 H5 發送分組路徑可能變化282022/7/18兩種服務的優缺點比較對比的方面 虛電路服務 數據報服務 思路 可靠通信應當

13、可靠通信應當 由網絡來保證 由用戶主機來保證連接的建立 必須有 不要目的站地址 僅在連接建立階段 每個分組都有 使用，每個分組使 目的站的全地址 用短的虛電路號292022/7/18兩種服務的優缺點比較(續)對比的方面 虛電路服務 數據報服務分組的轉發 屬于同一條虛電路 每個分組獨立選擇 的分組均按照同一 路由進行轉發 路由進行轉發當結點出 所有通過出故障的 故障結點可能丟失 故障時 結點的虛電路 分組，一些路由 均不能工作 可能會發生變化302022/7/18兩種服務的比較(續)對比的方面 虛電路服務 數據報服務分組的順序 總是按發送順序 到達目的站時不一定 到達目的站 按發送順序 端到端的

14、 可以由分組交換網 由用戶主機負責差錯處理和 負責也可以由用戶 流量控制 主機負責312022/7/18兩種服務的思路來源 虛電路服務的思路來源于傳統的電信網。 電信網負責保證可靠通信的一切措施，因此電信網的節點交換機復雜而昂貴。 數據報服務力求使網絡生存性好和使對網絡的控制功能分散，因而只能要求網絡提供盡最大努力的服務。 可靠通信由用戶終端中的軟件來保證。 關于網絡層應當采用數據報服務還是虛電路服務，在網絡界一直在進行爭論，焦點是網絡要不要提供網絡端到端的可靠服務。Internet在網絡層采用了數據報服務。322022/7/18兩種服務的競爭 在早期，線路傳輸質量較差時，因為虛電路服務能保證

15、服務質量， 因此能提供虛電路傳輸服務的X.25 網在三十多年前，曾經是頗受歡迎的一種計算機網絡。 到了 20 世紀 90 年代，情況就發生了很大的變化。通信主干線路已大量使用光纖技術，數據傳輸質量大大提高使得誤碼率降低好幾個數量級，而 X.25 十分復雜的數據鏈路層協議和分組層協議已成為多余的。 讓網絡只提供數據報服務可以大大簡化網絡層的結構。 332022/7/18兩種服務的競爭(續) PC 機的價格急劇下降使得無硬盤的啞終端退出了通信市場。這正好符合因特網當初的設計思想：網絡應盡量簡單而智能應盡可能放在網絡以外的用戶端。 技術的進步使得網絡出錯的概率已越來越小，因而讓主機負責端到端的可靠性

16、不但不會給主機增加更多的負擔，反而能夠使更多的應用在這種簡單的網絡上運行。 X.25 網逐漸退出了歷史舞臺。因特網發展到今天的規模，充分說明了在網絡層提供數據報服務是非常成功的。342022/7/18第三章主要內容3.1 引言3.2 分組交換網3.3 幀中繼網3.5 ATM網3.6 無線通信網3.7 網絡互連3.4 ISDN3.8 Internet352022/7/18幀中繼網概述 到20世紀80年代后期，許多應用迫切要求增加分組交換服務的速率。 低誤碼率允許減少節點對每個分組的處理時間，則各分組通過網絡的時延亦可減少，同時節點對分組的處理能力也就增大了。 幀中繼 FR (Frame Rela

17、y)就是一種減少節點處理時間，支持高速交換的網絡體系結構。 幀中繼在許多方面非常類似于 X.25，因此常被稱為第二代的 X.25。362022/7/18幀中繼網減少節點處理時間 幀中繼網的主要特點是，簡化了大量的網絡功能，將用于保證數據可靠傳輸的功能，如差錯恢復和流量控制機制，轉移給用戶終端或本地節點來完成。 當幀中繼交換機收到一個幀的首部時，只要一查出幀的目的地址就立即進行轉發。當正在接收一個幀時就轉發此幀的技術，通常被稱為快速分組交換。 因此在幀中繼網絡中，一個幀的處理時間比 X.25 網約減少一個數量級。這樣，幀中繼網絡的吞吐量要比 X.25 網絡的提高一個數量級以上。372022/7/

18、18幀中繼網的擁塞控制 幀中繼網使用的擁塞控制方法： 丟棄策略。當擁塞足夠嚴重時，網絡就要被迫將幀丟棄。 擁塞避免。在剛一出現輕微的擁塞跡象時，用一些信令機制及時使 擁塞避免過程 開始工作。 擁塞恢復。在已出現擁塞時，擁塞恢復過程可阻止網絡徹底崩潰。 為了進行擁塞控制，設定了幀的優先級。382022/7/18幀中繼幀的兩種優先級 在幀中繼網絡中，所有的幀中繼幀被劃分為高優先級和低優先級。 高優先級幀在首部的地址字段中的可丟棄指示 DE 比特置為 0，表示網絡盡可能不要丟棄這類幀（即使網絡發生了擁塞）。 低優先級幀的 DE 比特置為1，表示這是相對較為不重要的幀，在網絡發生了擁塞時可丟棄這類幀。

19、392022/7/18幀中繼幀的幀格式幀中繼幀發送在前標 志標 志地 址信 息幀檢驗序列字節12241長度 可變首部尾部IP 數據報標志字段是一個 01111110 的比特序列，用于指示幀中繼幀的起始和結束。它的惟一性是通過比特填充法來確保的。 402022/7/18幀中繼幀的幀格式(續)幀中繼幀發送在前標 志標 志地 址信 息幀檢驗序列字節12241可 變首部尾部IP 數據報信息字段是長度可變的用戶數據。 412022/7/18幀中繼幀的幀格式(續)幀中繼幀發送在前標 志標 志地 址信 息幀檢驗序列字節12241可 變首部尾部IP 數據報幀檢驗序列字段是 2 字節的 CRC 檢驗。當檢測出差

20、錯時，就將此幀丟棄。 422022/7/18幀中繼幀的幀格式(續)幀中繼幀發送在前標 志標 志地 址信 息幀檢驗序列字節12241可 變首部尾部IP 數據報地址字段432022/7/18地址字段 中的幾個重要部分 數據鏈路連接標識符DLCI，用來標識虛電路，只具有本地意義。 正向阻塞通知FECN，若某結點將 FECN 置為1，表明與該幀在同方向傳輸的幀可能受網絡擁塞的影響而產生時延。 反向阻塞通知BECN，若某結點將BECN置為1即指示接受者，與該幀反方向傳輸的幀可能受網絡擁塞的影響產生時延。 幀丟棄許可指示DE。442022/7/18幀中繼幀與HDLC幀的區別 與HDLC幀格式相比，幀中繼的

21、幀格式中沒有控制字段(C)，這就意味著幀中繼只有單一的數據幀，而無其他的控制幀，從而簡化了協議。 并且，幀中繼的幀格式中也沒有提供用于差錯處理和流量控制的相應字段，這說明幀中繼網絡不提供差錯處理和流控功能。452022/7/18幀中繼網特點 與電路交換業務的比較。 幀中繼和電路交換業務都能為用戶提供高速率、低時延的數據傳輸業務。 由于用戶使用電路交換業務時要獨占帶寬資源，因此通信費用昂貴。 幀中繼采用動態分配帶寬技術，允許用戶占用其他用戶的空閑帶寬來傳送大量的突發性數據，實現帶寬資源共享，使用戶的通信費用低于專線。462022/7/18幀中繼網特點 與X.25分組交換業務的比較。 幀中繼和X.

22、25分組交換業務都采用虛電路交換技術，以充分利用網絡帶寬資源，降低用戶通信費用。 但在業務質量上，由于幀中繼網絡對數據幀不進行差錯處理，簡化了通信協議，使幀中繼交換機處理每幀所需的時間大大縮短，端到端數據傳送延時低于分組交換網，整個網絡的業務吞吐量高于分組交換網。 幀中繼還具有一套有效的帶寬管理和阻塞管理措施，在帶寬的動態分配技術上比分組交換網更具優越性。 472022/7/18幀中繼網特點 與ATM業務的比較。 ATM業務也可為用戶提供高速率、低延時的數據傳輸業務，但需要大量網絡硬件的更新，其代價十分昂貴。 幀中繼技術可直接利用現有的網絡硬件資源，只需更新網絡軟件就可實現，所需費用比較低，因

23、此對網絡運營部門很有吸引力。482022/7/18第三章主要內容3.1 引言3.2 分組交換網3.3 幀中繼網3.5 ATM網3.6 無線通信網3.7 網絡互連3.4 ISDN3.8 Internet492022/7/18ATM網 ATM 是建立在電路交換和分組交換的基礎上的一種面向連接的快速分組交換技術。 ATM 采用定長分組作為傳輸和交換的單位，這是ATM網的重要特點之一。這種定長分組叫做信元(cell)。 ATM網的主要優點如下： 選擇固定長度的短信元作為信息傳輸的單位，這種短小而固定的信元傳輸，有利于寬帶高速交換，縮小網絡傳輸延遲：信元長度為 53 字節，其首部（可簡稱為信頭）為 5

24、字節。502022/7/18ATM網(續) 定義了多種不同速率的物理接口，對不同應用提供不同帶寬，并能支持不同速率(包括高傳輸速率)的各種業務，同時定義了多種服務級別。端節點可以根據要傳輸的媒體信息性質選擇適當的QoS：聲音、數據、傳真、實時視頻、CD質量音頻和圖象 。 采用虛電路交換方式，所有信息在最低層是以面向連接的方式傳送，保持了電路交換在保證實時性和服務質量方面的優點。512022/7/18ATM網(續) 簡化了網絡功能： ATM 使用光纖信道傳輸，由于光纖信道的誤碼率極低，且容量很大，因此在ATM 網內不進行差錯控制和流量控制，而是留給用戶終端去處理，因而明顯地提高了信元在網絡中的傳

25、送速率。 ATM網的主要缺點如下： 信元首部的開銷太大，即 5 字節的信元首部在整個 53 字節的信元中所占的比例相當大。 技術復雜且價格較高。522022/7/18ATM的體系結構 ATM 的協議參考模型共有三層，大體上與 OSI的最低兩層相當（但無法嚴格對應）。ATM 層物理層PMD 子層TC 子層ATM 適配層 (AAL 層)SAR子層CS子層321 ATM的層次532022/7/18ATM物理層 ATM 物理層分為兩個子層： 靠下面的是物理媒體相關子層(Physical Medium Department) PMD子層； 靠上面的是傳輸匯聚子層(Transmission Converg

26、ence) TC子層。 PMD 子層負責在物理媒體上正確傳輸和接收比特流。它完成只和媒體相關的功能，如線路編碼和解碼、比特定時以及光電轉換等。 對不同的傳輸媒體，PMD子層是不同的。542022/7/18ATM物理層(續) TC 子層主要實現信元流和比特流的轉換。 在發送時，TC 子層將 ATM 層交下來的信元流轉換成比特流，再交給下面的 PMD 子層。 在接收時，TC 子層將 PMD 子層交上來的比特流轉換成信元流，標記出每一個信元的開始和結束，并交給 ATM 層。 TC 子層的存在，使得 ATM 層實現了與下面的傳輸媒體完全無關。552022/7/18ATM層 ATM層的基本服務是提供基于

27、連接的信息傳輸服務。 在ATM網絡中，兩個端用戶要進行通信，首先必須建立虛通路連接，然后才能在這個端到端連接上以固定信元長度和可變速率進行全雙工的通信。 所有的ATM連接都是端到端的，而中間點提供的是一種交換設備，對端點傳來的信息進行中繼傳輸。 連接是利用信令和一套指定的連接參數建立的，這些連接參數將建立傳輸所需的QoS級別，如所需的傳輸速率、可接受的最大延遲等。562022/7/18ATM信元格式 ATM 信元有兩種不同的首部1485首 部有 效 載 荷VCIVPIGFCHECPTVCIHECVPI字節318121648CLP1683在 UNI在 NNI比特比特PTATM 信元用戶到網絡接口

28、 UNI (User-to-Network Interface) 網絡到網絡接口 NNI (Network-to-Network Interface) 572022/7/18ATM信元格式1485首 部有 效 載 荷VCIVPIGFCHECPTVCIHECVPI字節318121648CLP1683在 UNI在 NNI比特比特PTATM 信元582022/7/18ATM信元格式 一般流量控制GFC (Generic Flow Control)，用來實現端點到交換機的流量控制，交換機到交換機不需要配置這一控制功能。 485首 部有 效 載 荷VCIVPIGFCHECPTVCIHECVPI字節CLP

29、在 UNI在 NNIPTATM 信元592022/7/18ATM信元格式 PT為信元載體類型，用來定義該信元是用戶信元，還是管理信元。1485首 部有 效 載 荷VCIVPIGFCHECVCIHECVPI字節318121648CLP1683在 UNI在 NNI比特比特PTPTATM 信元602022/7/18ATM信元格式 CLP為信元的優先級，用于指示在網絡擁塞時可丟棄(CLP=1)或保留(CLP=0)的信元。1485首 部有 效 載 荷VCIVPIGFCHECPTVCIHECVPI字節3181216481683CLP在 UNI在 NNI比特比特PTATM 信元612022/7/18ATM信

30、元格式 首部差錯控制HEC，只對首部的前四個字節（不包括有效載荷部分）進行CRC校驗，并將校驗碼放在HEC字段中。485首 部有 效 載 荷VCIVPIGFCPTVCIHECHECVPI字節CLP在 UNI在 NNIPTATM 信元622022/7/18ATM層對信元的處理 根據ATM節點性質(端點和中間點)不同，ATM層提供的信元處理功能也不同。 對于端點，ATM層提供的信元處理功能為： 信元頭的生成：當ATM層從ATM適配層接收到信元體后，生成一個信元頭，附加在信元體上，形成完整的信元格式，然后再傳送給物理層。ATM層并不關心信元體的內容，只是把它當作要傳送的二進制位流，也就是說，ATM層

31、與服務級別無關。 632022/7/18ATM層對信元的處理 信元頭的分離：當ATM層從物理層接收到信元時，先分離信元頭，將信元體傳送給ATM適配層。然后再把信元頭提交給ATM適配層進行處理。 對于中間節點，ATM層提供的信元處理功能為： 信元頭的轉換。 由于VPI和VCI只有局部意義，中間點必須將輸入的VPI/VCI值轉換成輸出的VPI/VCI值。然后對HEC值重新進行計算。 信元的選徑：對于從端口輸入的信元，首先進行信元分撿，然后根據信元的VPI和VCI選擇適當的端口輸出。642022/7/18ATM層對信元的處理 信元的差錯處理。 當發生下列情況之一時，信元將被丟棄： 無效的信元頭，即信元頭的HEC值校驗錯誤； 信元頭的VPI和VCI值標識了一個尚未建立的連接或超出指定的范圍； 信元頭的PT值為2(即系統保留值)； 在鏈路上發生阻塞時，將丟棄CLP=1的信元，以疏導交通。652022/7/18ATM層對信元的處理 信元的流量管理。 在建立連接時，端點將根據ATM適配層的服務級別要求，向交換機提交網絡特性參數來描述該連接的性能需求，這些特性參數規定了用戶對網絡傳輸的QoS