1、第五章 广域网（4 学时）（一）教学目的和要求通过学习本章，掌握各种广域网的基本概念和体系结构、网络组成，掌握广域网中的路由选择机制，路由选择的一般原理，帧中继的概况、体系结构、帧格式及应用；熟练掌握网络层服务转发机制、拥塞控制；了解 x.25 网络与字符方式终端的连接，熟练掌握各种广域网的技术特点，ATM 网技术。（二）教学要点1、广域网的基本概念2、广域网中的分组转发机制3、拥塞控制4、X.25 网5、帧中继 FR6、异步传递 ATM（三）教学重点和难点重点: 1、广域网的构成2、广域网的分组转发机制，拥塞控制3、帧中继 FR4、ATM 的基本结构及其工作原理难点: 1、广域网的分组转发机
2、制，拥塞控制的原理2、广域网中的路由选择机制 , 路由选择的一般原理3、ATM 网络的原理和工作过程（四）教学内容5.1 广域网的基本概念 5.1.1 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。由局域网和广域网组成互联网 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 5.1.2 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）。 两种服务的思
3、路来源不同：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，因此电信网的结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（即 TCP）来保证。 数据报服务与虚电路服务之争：让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。但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。因特网发展到今天的规模，充分说明了在网络层提供数据报服务是非常成功的。数据报服务和虚电路服务都各有其优缺点。 5.2 广域
4、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(forwarding table)，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(routing table)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
5、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”。 5.2.1 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(flat addressing)。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(hierarchical addressing)。5.2.2 在路由表中使用默认路由 1 23 41结点 边2435.3 拥塞控制5.3.1 拥塞控制的意义 在某段时间，若对网络中某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产生拥塞(congestion)。出现资源拥塞的条件：对资源
6、需求的总和 可用资源 若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。 拥塞控制与流量控制的关系：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，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。流量控制往往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。 拥塞控制所起的作用：直接死锁，直接死锁即由互相占用了对方需要的资源而造成的死锁。例如两个结点都有大量的分组要发往对方，但两个结点中的缓存在发送之前就已经全部被
7、待发分组占满了。当每个分组到达对方时，由于没有地方存放，只好被丢弃。发送分组的一方因收不到对方发来的确认信息，只能将发送过的分组依然保存在自己结点的缓存中。这两个结点就这样一直互相僵持着，谁也无法成功地发送出一个分组。 重装死锁(reassembly deadlock)5.3.2 拥塞控制的一般原理 拥塞控制是很难设计的，因为它是一个动态的（而不是静态的）问题。当前网络正朝着高速化的方向发展，这很容易出现缓存不够大而造成分组的丢失。但分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因。在许多情况下，甚至正是拥塞控制本身成为引起网络性能恶化甚至发生死锁的原因。这点应特别引起重视。开环控制和闭环控制 5.4
8、 X.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 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。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.2
9、5 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。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。5.5 帧中继 FR5.5.1 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 (Frame Relay)就是一种支持高速交换的网络体系结构。
10、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。当中止传输的指示到达下个结点后，下个结点也立即中止
11、该帧的传输，并丢弃该帧。如果需要重传出错的帧，则由源站使用高层协议（而不是帧中继协议）请求重传该帧。因此，仅当帧中继网络本身的误码率非常低时，帧中继技术才是可行的。 帧中继使用虚电路：帧中继的逻辑连接的复用和交换都在第二层处理，而不是像 X.25 在第三层处理。帧中继网络向上提供面向连接的虚电路服务。虚电路一般分为交换虚电路 SVC 和永久虚电路 PVC 两种。帧中继网络通常为相隔较远的一些局域网提供链路层的永久虚电路服务，它的好处是在通信时可省去建立连接的过程。 帧中继网帧中继交换机路由器局域网 局域网虚电路路由器帧中继网路由器局域网 局域网虚电路路由器虚电路像一条专用电路用户看不见帧中继网
12、络内的帧中继交换机帧中继网络的工作过程5.5.2 帧中继的帧格式 帧中继帧发送在前标志 标志地 址 信 息 息帧检验序列字节 1 2241可 变变变变首部 尾部部IP 数据报地址字段中的几个重要部分 5.5.3 帧中继的拥塞控制 帧中继使用的拥塞控制方法 1、丢弃策略。当拥塞足够严重时，网络就要被迫将帧丢弃。2、拥塞避免。在刚一出现轻微的拥塞迹象时用一些信令机制及时使拥塞避免过程开始工作。3、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。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
13、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。 5.6 异步传递方式 ATM5.6.1 ATM 的基本概念 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。 异步传递方式 ATM(Asynchronous Transfer Mode)：ATM 是建立在电路交换和分组交换的基础上的
14、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”：当用户的 ATM 信元需要传送时，就可插入到 SDH 的一个帧中。SDH 传送的同步比特流被划分为一个个固定时间长度的帧（请注意，这是时分复用的时间帧，而不是数据链路层的帧）。 每一个用户发送的 ATM 信元在每一时分复用帧中的相对位置并不是固定不变的。 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。 ATM 的主要优点：选择固定长度的
15、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 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 的缺点：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
16、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 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(switching fabric)、若干个高速输入端口和输出端口、必要的缓存 5.6.2 ATM 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321ATM的层
17、次ATM 层的功能：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。 1485首 部 有 效 载 荷VCIVPIGFC PTVCIHECHECVPI字节3
18、1 812 164 8 16 83 CLP在 UNI在 NNI比特比特PTATM 信元5.6.3 ATM 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。ATM 网络A B交换机 X 交换机 YUNI UNINNI NNICONNECT ACKCONNECT ACKRELEASE COMPLETERELEASECOMPLETE连接建立连接释放tSETUP SETUPSETUP CALL PROCEEDINGC
19、ALL PROCEEDINGCALL PROCEEDINGCONNECTCONNECTCONNECTCONNECT ACKRELEASERELEASERELEASERELEASECOMPLETE数据传送阶段5.6.4 AAL 层举例：AAL5 所有的支持交换虚连接 SVC (Switched Virtual Connection)的 ATM 交换机和端点都必须支持 AAL5。用户数据先传递给 AAL5 的汇聚子层 CS，作为汇聚子层的数据。SAR 的协议数据单元 SAR-PDU 是由 CS 子层交来的 48 字节的数据块组成。每个 SAR-PDU 再加上 5 个字节的 ATM 信元首部就构成了一个完整的 ATM 信元
