第2章 中间节点上的通信

第第2章章 中间节点上的通信技术中间节点上的通信技术 中间节点包括中续节点中间节点包括中续节点,交换节点和路交换节点和路由节点。中续节点起放大和整型的作用。由节点。中续节点起放大和整型的作用。本章主要讨论交换节点和路由节点上的本章主要讨论交换节点和路由节点上的通信技术。通信技术。2.1 交换接点上的通信交换接点上的通信 2.2 路由节点上的通信路由节点上的通信 2.1 交换接点上的通信交换接点上的通信 交换机构的功能是将一条输入信道上的数据交换机构的功能是将一条输入信道上的数据转送到另外的输出信道上，将输入端口与输出转送到另外的输出信道上，将输入端口与输出端口对应起来。端口对应起来。2.1.1 电路交换电路交换 2.1.2 存储存储-转发交换转发交换 2.1.3 分组交换的虚电路服务和数据报服务分组交换的虚电路服务和数据报服务 2.1.4 交换机的功能交换机的功能 2.1.5 交换机实现技术交换机实现技术 2.1.1 电路交换电路交换 电路交换（电路交换（Circuit Switching或或Circuit Exchanging）方式通信的双方在进行数）方式通信的双方在进行数据传送之前先要建立一个实际的物理线据传送之前先要建立一个实际的物理线路连接，连接的电路被通信的一对用户路连接，连接的电路被通信的一对用户独占，只有通信结束电路释放后，才能独占，只有通信结束电路释放后，才能被别人使用。被别人使用。建立连接建立连接-通信通信-拆除连接拆除连接资源片资源片网络资源网络资源(e.g.,带宽带宽)划分成划分成“片片”各资源片分配给各个通信连接各资源片分配给各个通信连接 如果拥有资源的通信连接没有使用如果拥有资源的通信连接没有使用,则该则该资源片就被闲置资源片就被闲置(idle,没有共享没有共享)将链路带宽分将链路带宽分“片片”的办法的办法 频谱划分频谱划分 时隙划分时隙划分电路交换特点电路交换特点（1）由于需要连接过程，因此适合传输）由于需要连接过程，因此适合传输大量数据。传输少量数据时，效率不高大量数据。传输少量数据时，效率不高（2）连接一旦建立，便可以固定的速率）连接一旦建立，便可以固定的速率传输数据传输数据（3）路径独占性）路径独占性2.1.2 存储存储-转发交换转发交换 当发送方要发送信息时，应把目的地址当发送方要发送信息时，应把目的地址先加到报文中，然后靠地址把报文从发先加到报文中，然后靠地址把报文从发送节点起，一个节点、一个节点地转送送节点起，一个节点、一个节点地转送到目的节点到目的节点 报文交换报文交换 每个报文无固定大小每个报文无固定大小 分组交换分组交换 分组的长度有限制分组的长度有限制交换节点D交换时延传输时延时间报文报文报文交换节点A交换节点B交换节点C确认确认确认图图2.1 2.1 报文交换的基本过程报文交换的基本过程用户数据报头分组报头分组报头分组图图2.2 2.2 报文分组报文分组 2.1.3 分组交换的两种服务分组交换的两种服务 分组交换有虚电路（分组交换有虚电路（Virtual Circuit）和）和数据报（数据报（Datagram）两种服务方式。）两种服务方式。虚电路服务虚电路服务 数据报服务数据报服务虚电路服务虚电路服务 虚电路服务分虚电路服务分3个阶段个阶段：建立虚电路建立虚电路 数据传输数据传输 拆除虚电路拆除虚电路 图图2.6虚电路工作时的时序关系虚电路工作时的时序关系 交换节点交换节点D时间时间呼叫请求分组呼叫请求分组交换节点交换节点C确认分组确认分组呼叫应答分组呼叫应答分组释放请求分组释放请求分组释放应答分组释放应答分组交换节点交换节点A交换节点交换节点B虚电路建立虚电路建立数据传输数据传输虚电路拆除虚电路拆除12341234图图2.3 2.3 虚电路工作时的时序关系虚电路工作时的时序关系 数据报服务特点数据报服务特点 1 每个分组所走过的路径可能是不相同的每个分组所走过的路径可能是不相同的。（图图2.7为一个只有为一个只有A、B、C、D四个节四个节点的网络，在数据报方式下进行传输的点的网络，在数据报方式下进行传输的示意图。示意图。）由于传输路径不同，各节点交换处理的由于传输路径不同，各节点交换处理的时间不等，到达目的地的时间也不相同时间不等，到达目的地的时间也不相同。数据报服务特点数据报服务特点 2 数据报服务不需要进行连接，因此也说数据报服务不需要进行连接，因此也说它提供无连接的服务。它提供无连接的服务。数据报服务要求在传送过程中，每一个数据报服务要求在传送过程中，每一个数据分组都要带有目的地址和源地址。数据分组都要带有目的地址和源地址。ACDB123312整序123图图2.4 2.4 数据报工作原理示意图数据报工作原理示意图 分组交换分组交换 vs.电路交换电路交换 分组交换使得更多用户可分组交换使得更多用户可“同时同时”使用网络使用网络!在突发性数据传输过程中表现优异在突发性数据传输过程中表现优异 资源共享资源共享 无须事先建立连接无须事先建立连接 过度拥塞过度拥塞:导致分组延迟和丢失导致分组延迟和丢失 如何在分组交换网中提供电路交换的性能如何在分组交换网中提供电路交换的性能?音频音频/视频视频 交换机的分类交换机的分类1 1根据应用的规模根据应用的规模分为桌面交换机、骨干交换机和中心交换机三类。分为桌面交换机、骨干交换机和中心交换机三类。2根据结构根据结构结构的不同，可以将交换机分为固定端口交换机和结构的不同，可以将交换机分为固定端口交换机和模块化交换机。模块化交换机。3根据工作的协议层根据工作的协议层分为第分为第2层交换机、第层交换机、第3层交换机和第层交换机和第4层交换机。层交换机。4.根据交换方式根据交换方式分为直通式交换机、存储转发式交换机和无碎片直分为直通式交换机、存储转发式交换机和无碎片直通式交换机。通式交换机。2.1.4 交换机的功能交换机的功能 数据转发：数据转发：物理编址：定义数据帧的物理地址；物理编址：定义数据帧的物理地址；网络拓扑结构：定义设备物理连接所形网络拓扑结构：定义设备物理连接所形成的网络拓扑结构成的网络拓扑结构 差错验证：错误发生时发出告警；差错验证：错误发生时发出告警；数据帧整序：数据帧整序：流量控制：延缓数据的传输能力。流量控制：延缓数据的传输能力。2.1.5 交换机实现技术交换机实现技术 构成交换机构的最基本的元件是交换单构成交换机构的最基本的元件是交换单元。交换单元的基本实现技术有两种：元。交换单元的基本实现技术有两种：空间交换和时隙交换。空间交换和时隙交换。空间交换空间交换 时隙交换时隙交换 空间交换空间交换 空间交换是交换单元按照链路的空间分空间交换是交换单元按照链路的空间分布进行交换，将分组从一条链路转送到布进行交换，将分组从一条链路转送到另一条链路上。另一条链路上。典型的结构是典型的结构是图图2.8所示的交叉点矩阵结所示的交叉点矩阵结构，也称纵横制交换机构（构，也称纵横制交换机构（crossbar switching）。它的）。它的N路输入线和路输入线和N路输出路输出线之间有线之间有N2个接点。个接点。N输入N输出图图2.5 2.5 一个简单的交叉点矩阵一个简单的交叉点矩阵 时隙交换时隙交换 时隙交换是按时间顺序进行交换，即将时隙交换是按时间顺序进行交换，即将输入链路上的某个时隙上的分组安排到输入链路上的某个时隙上的分组安排到输出链路上的另一个时隙上。输出链路上的另一个时隙上。具体的交具体的交换方式有：换方式有：STM传输模式的交换机传输模式的交换机 ATM传输模式的交换机传输模式的交换机图图2.6 ATOM2.6 ATOM模块结构模块结构图图2.7 2.7 共享内存型交换单元结构共享内存型交换单元结构 多级互联网络交换结构多级互联网络交换结构MIN 为了减少交叉节点的数目，可以把大容为了减少交叉节点的数目，可以把大容量交换网络分成小容量的交换单元，并量交换网络分成小容量的交换单元，并将这些交换单元连接成多级互联网络将这些交换单元连接成多级互联网络（Multi-stage Interconnect Network）。）。图图2.11为一个由为一个由22的基本交换单元构成的基本交换单元构成的的3级级MIN结构结构图图2.8 2.8 多级交换结构多级交换结构 分组交换结构的发展分组交换结构的发展 增加了增加了FEP（Front-End Processor，前端机），前端机）的结构的结构 基于独立前端处理机的分组交换系统基于独立前端处理机的分组交换系统 广泛应用的交换机系统广泛应用的交换机系统计算机存储器中分组队列FEPFEPFEP图图2.9 2.9 基于计算机的分组交换系统基于计算机的分组交换系统计算机FEPFEPFEP总线或环图图2.10 2.10 基于独立前端处理机的分组交换系统基于独立前端处理机的分组交换系统LCILCONN分组交换结构LCILCILCILCOLCOLCO入线控制出线控制出入控制处理机入图图2.11 2.11 交换机系统结构交换机系统结构 华为华为S8500系列万兆核心路由交换机系列万兆核心路由交换机2.2 路由节点上的通信路由节点上的通信 一个路由节点可能连接多个网络，当其一个路由节点可能连接多个网络，当其中一个端口的数据分组传来时，它需要中一个端口的数据分组传来时，它需要判断是丢弃还是转发到另一个网络或是判断是丢弃还是转发到另一个网络或是对所有的端口都进行转发。对所有的端口都进行转发。2.2.1 路由表与路由算法路由表与路由算法 2.2.2 路由器的基本结构路由器的基本结构 2.2.3 路由器技术的演进路由器技术的演进 路由器路由器 路由器路由器是网络中进行网间连接的关键设备。路是网络中进行网间连接的关键设备。路由器系统构成了由器系统构成了Internet 的主体脉络。它的处的主体脉络。它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠性则直接影响着网络互连的质量。性则直接影响着网络互连的质量。路由器路由器 的关键地位，是因为它处于网络层，一的关键地位，是因为它处于网络层，一方面能够跨越不同的物理网络类型，另一方面方面能够跨越不同的物理网络类型，另一方面在逻辑上将整个互连网络分割成逻辑上独立的在逻辑上将整个互连网络分割成逻辑上独立的网络单位，使网络具有一定的逻辑结构。网络单位，使网络具有一定的逻辑结构。LANLANWANRouterRouter路由器的基本功能路由器的基本功能1、IP 数据报的转发和路由选择数据报的转发和路由选择2、子网隔离，抑制广播风暴、子网隔离，抑制广播风暴3、维护路由表，与其它路由器交换路由信息、维护路由表，与其它路由器交换路由信息4、IP 数据报的差错处理及简单的拥塞控制数据报的差错处理及简单的拥塞控制5、实现对、实现对 IP 数据报的过滤和记录数据报的过滤和记录对于不同规模的网络，路由器作用的侧重点有对于不同规模的网络，路由器作用的侧重点有所不同所不同。2.2.1 路由表与路由算法路由表与路由算法 路由表中记录了路由选择信息，其中的每一项都包含路由表中记录了路由选择信息，其中的每一项都包含以下信息：以下信息：1.目的目的IP地址地址 2.下一站路由器的下一站路由器的IP地址地址3.标志标志 4.为数据报的传输指定一个网络接口为数据报的传输指定一个网络接口5.子网掩码（带有子网选路的协议）子网掩码（带有子网选路的协议）6.Refcnt(使用路由的活动进程个数）使用路由的活动进程个数）7.Use (通过该路由发送的分组数）交换机构通过该路由发送的分组数）交换机构50.0.0.030.0.0.040.0.0.020.0.0.010.0.0.020.0.0.120.0.0.250.0.0.110.0.0.210.0.0.110.0.0.330.0.0.430.0.0.230.0.0.130.0.0.340.0.0.140.0.0.340.0.0.2R1R2R3R4R550.0.0.28路由器路由器R1的路由表的路由表目的地址目的地址下一站地址下一站地址标志标志接口接口50.0.0.2830.0.0.1UGHint110.0.0.010.0.0.2Uint020.0.0.010.0.0.1U Gint030.0.0.030.0.0.4Uint140.0.0.010.0.0.3U Gint050.0.0.030.0.0.1U Gint1标志标志 U 该路由可以使用该路由可以使用 G 区分了直接路由和间接路由区分了直接路由和间接路由 H 区分了主机地址和网络地址区分了主机地址和网络地址 D 路由是由重定向报文创建的路由是由重定向报文创建的 M 路由已被重定向报文修改路由已被重定向报文修改AR1R2BR1发重定向报文给发重定向报文给A理想的路由算法理想的路由算法 必须是正确的和完整的必须是正确的和完整的在计算上应简单在计算上应简单应能适应通信量和网络拓扑的变化应能适应通信量和网络拓扑的变化应具有稳定性应具有稳定性应是公平的应是公平的应是最佳的应是最佳的路由选择算法路由选择算法1.为网络指定路由器，而非为主机指定路由为网络指定路由器，而非为主机指定路由器，这样做可以极大地缩小路由表的规模。器，这样做可以极大地缩小路由表的规模。2.这数据报和虚电路采用不同的选择方法这数据报和虚电路采用不同的选择方法3.3.路由算法的分类路由算法的分类 路由算法路由算法 静态路由算法静态路由算法 动态路由动态路由 算法算法静态路由静态路由 静态路由静态路由 路由器不共享路由信息路由器不共享路由信息 路手工构造路由表路手工构造路由表 构筑小型或非常大型的网络构筑小型或非常大型的网络 稳固的网络稳固的网络 静态路由算法静态路由算法 洪泛（洪泛（flooding）算法）算法 热土豆（热土豆（Hot Potato）算法）算法 固定路由算法固定路由算法 随机走动法随机走动法动态路由动态路由 动态路由动态路由 路由器自动共享路由信息路由器自动共享路由信息 自动构造路由表自动构造路由表 需要一个路由协议，需要一个路由协议，如如RIP或或OSPF 需要第三方路由器需要第三方路由器 大规模，拓扑结构复杂的网络大规模，拓扑结构复杂的网络 动态路由动态路由 算法算法 距离向量（距离向量（distance vector）算法）算法 链路状态（链路状态（link state）算法）算法 混合（混合（hybrid）路由算法）路由算法协议与算法的区别协议与算法的区别算法是一种思想和策略算法是一种思想和策略而协议是算法的具体实现而协议是算法的具体实现2.2.2 路由器的基本结构路由器的基本结构路路由由选选择择分组处理分组处理转发表转发表 交换构件交换构件输入端口输入端口1输入端口输入端口 n路由选择处理机路由选择处理机路由表路由表输出端口输出端口1输出端口输出端口 n分分组组转转发发路由器的组成单元路由器的组成单元 网络接口网络接口（局域网接口和广域网接口）（局域网接口和广域网接口）路由器软件路由器软件 路由交换单元路由交换单元 路由器队列路由器队列（其基本的集中队列调度算（其基本的集中队列调度算法有：基于时标的法有：基于时标的IP分组调度算法分组调度算法，基，基于轮转的调度算法于轮转的调度算法，基于优先级的调度，基于优先级的调度算法算法）2.2.3 路由器技术的演进路由器技术的演进 第第1代路由器技术代路由器技术（图图2.18 第第1代路由器代路由器结构结构）第第2代路由器技术代路由器技术（第（第2代路由器把网络代路由器把网络接口做成可插拔的活动模块，使用户可接口做成可插拔的活动模块，使用户可以根据需要增减网络接口模块，为路由以根据需要增减网络接口模块，为路由器升级扩容提供了便利。器升级扩容提供了便利。）第第3代路由器技术如代路由器技术如图图2.19所示，第所示，第3代路代路由器是在各网络接口上增加由器是在各网络接口上增加CPU）第第4代路由器技术代路由器技术（第（第4代路由器则是在代路由器则是在第第3代实现分布式转发的基础上，将基于代实现分布式转发的基础上，将基于CPU的软件转发模式转换到基于的软件转发模式转换到基于ASIC（Application-Specific Intergrated Circuit，专用集成电路）技术的硬件转，专用集成电路）技术的硬件转发。发。）第第5代路由器采用可编程序的、专为代路由器采用可编程序的、专为IP网网络设计的网络处理器，实现络设计的网络处理器，实现IP报文处理报文处理和转发和转发，采用大容量的交换网络结构，采用大容量的交换网络结构，可通过升级软件增加新的处理功能可通过升级软件增加新的处理功能共享内存（Share Memory）CPUCPU内存（包括路由表和Fast Cache）网络接口网络接口网络接口网络接口图图2.12 2.12 第第1 1代路由器结构代路由器结构CPUCPUCPUCPU网络接口网络接口网络接口网络接口高速总线图图2.13 2.13 第第3 3代路由器结构代路由器结构最新路由器产品最新路由器产品Quidway NetEngine 5000E核心路由器是华为公司面向核心路由器是华为公司面向互联网骨干节点、城域网核心节点以及数据互联中心互联网骨干节点、城域网核心节点以及数据互联中心节点推出的顶级核心路由器产品。节点推出的顶级核心路由器产品。NE5000E基于先进的网络处理器技术、基于先进的网络处理器技术、ASIC技术、技术、IPv6技术和光背板互连技术，采用分布式和可扩展性设计，技术和光背板互连技术，采用分布式和可扩展性设计，具备海量交换容量和超高转发性能具备海量交换容量和超高转发性能 支持高密度支持高密度10G/40G接口，提供接口，提供64个线速个线速10G POS接接口，或者口，或者16个线速个线速40G接口，转发性能高达接口，转发性能高达1600Mpps。