《中间节点上的通信》PPT课件

第 2章 中 间 节 点 上 的 通 信 技 术 中 间 节 点 包 括 中 续 节 点 ,交 换 节 点 和 路由 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 的通 信 技 术 。 2.1 交 换 接 点 上 的 通 信 2.2 路 由 节 点 上 的 通 信 2.1 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 。 2.1.1 电 路 交 换 2.1.2 存 储 -转 发 交 换 2.1.3 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 2.1.5 交 换 机 实 现 技 术 2.1.1 电 路 交 换 电 路 交 换 （ Circuit Switching或 Circuit Exchanging） 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 能被 别 人 使 用 。 建 立 连 接 -通 信 -拆 除 连 接 资 源 片网 络 资 源 (e.g., 带 宽 ) 划 分 成 “ 片 ” 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 ,则 该资 源 片 就 被 闲 置 (idle,没 有 共 享 ) 将 链 路 带 宽 分 “ 片 ” 的 办 法频 谱 划 分时 隙 划 分 电 路 交 换 特 点 （ 1） 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 （ 2） 连 接 一 旦 建 立 ， 便 可 以 固 定 的 速 率传 输 数 据 （ 3） 路 径 独 占 性 2.1.2 存 储 -转 发 交 换 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 发送 节 点 起 ， 一 个 节 点 、 一 个 节 点 地 转 送到 目 的 节 点 报 文 交 换 每 个 报 文 无 固 定 大 小 分 组 交 换 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 2.1 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 2.2 报 文 分 组 2.1.3 分 组 交 换 的 两 种 服 务 分 组 交 换 有 虚 电 路 （ Virtual Circuit） 和数 据 报 （ Datagram） 两 种 服 务 方 式 。 虚 电 路 服 务 数 据 报 服 务 虚 电 路 服 务 虚 电 路 服 务 分 3个 阶 段 ： 建 立 虚 电 路 数 据 传 输 拆 除 虚 电 路 图 2.6虚 电 路 工 作 时 的 时 序 关 系 交 换 节 点 D 时 间 呼 叫 请 求 分 组 交 换 节 点 C 确 认 分 组呼 叫 应 答 分 组 释 放 请 求 分 组 释 放 应 答 分 组 交 换 节 点 A交 换 节 点 B 虚 电 路 建 立 数 据 传 输 虚 电 路 拆 除1234 1234图 2.3 虚 电 路 工 作 时 的 时 序 关 系 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 。（ 图 2.7为 一 个 只 有 A、 B、 C、 D四 个 节点 的 网 络 ， 在 数 据 报 方 式 下 进 行 传 输 的示 意 图 。 ） 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 。 数 据 报 服 务 特 点 2 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 。 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 。 A C DB123 312 整序 123图 2.4 数 据 报 工 作 原 理 示 意 图 分 组 交 换 vs. 电 路 交 换 分 组 交 换 使 得 更 多 用 户 可 “ 同 时 ” 使 用 网 络 ! 在 突 发 性 数 据 传 输 过 程 中 表 现 优 异 资 源 共 享 无 须 事 先 建 立 连 接 过 度 拥 塞 : 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 ? 音 频 /视 频 交 换 机 的 分 类1 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 。2 根 据 结 构结 构 的 不 同 ， 可 以 将 交 换 机 分 为 固 定 端 口 交 换 机 和模 块 化 交 换 机 。3 根 据 工 作 的 协 议 层分 为 第 2层 交 换 机 、 第 3层 交 换 机 和 第 4层 交 换 机 。4. 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 直通 式 交 换 机 。 2.1.4 交 换 机 的 功 能 数 据 转 发 ： 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 形成 的 网 络 拓 扑 结 构 差 错 验 证 ： 错 误 发 生 时 发 出 告 警 ； 数 据 帧 整 序 ： 流 量 控 制 ： 延 缓 数 据 的 传 输 能 力 。 2.1.5 交 换 机 实 现 技 术 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 ：空 间 交 换 和 时 隙 交 换 。 空 间 交 换 时 隙 交 换 空 间 交 换 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 到另 一 条 链 路 上 。 典 型 的 结 构 是 图 2.8所 示 的 交 叉 点 矩 阵 结构 ， 也 称 纵 横 制 交 换 机 构 （ crossbar switching） 。 它 的 N路 输 入 线 和 N路 输 出线 之 间 有 N2个 接 点 。 N 输入 N输 出图 2.5 一 个 简 单 的 交 叉 点 矩 阵 时 隙 交 换 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 出 链 路 上 的 另 一 个 时 隙 上 。 具 体 的 交换 方 式 有 ： STM传 输 模 式 的 交 换 机 ATM传 输 模 式 的 交 换 机 图 2.6 ATOM模 块 结 构 图 2.7 共 享 内 存 型 交 换 单 元 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（ Multi-stage Interconnect Network） 。 图 2.11为 一 个 由 2 2的 基 本 交 换 单 元 构 成的 3级 MIN结 构 图 2.8 多 级 交 换 结 构 分 组 交 换 结 构 的 发 展 增 加 了 FEP（ Front-End Processor， 前 端 机 ）的 结 构 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 计 算 机 存 储 器 中分 组 队 列FEP FEP FEP图 2.9 基 于 计 算 机 的 分 组 交 换 系 统 计 算 机FEP FEP FEP总 线 或 环图 2.10 基 于 独 立 前 端 处 理 机 的 分 组 交 换 系 统 LCI LCON N分 组交 换 结 构LCILCILCI LCOLCOLCO入 线 控 制 出 线 控 制 出入 控 制 处 理 机入 图 2.11 交 换 机 系 统 结 构 华 为 S8500系 列 万 兆 核 心 路 由 交 换 机 2.2 路 由 节 点 上 的 通 信 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 。 2.2.1 路 由 表 与 路 由 算 法 2.2.2 路 由 器 的 基 本 结 构 2.2.3 路 由 器 技 术 的 演 进 路 由 器 路 由 器 是 网 络 中 进 行 网 间 连 接 的 关 键 设 备 。 路由 器 系 统 构 成 了 Internet 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 靠性 则 直 接 影 响 着 网 络 互 连 的 质 量 。 路 由 器 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 。 LAN LANWANRouter Router 路 由 器 的 基 本 功 能1、 IP 数 据 报 的 转 发 和 路 由 选 择2、 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4、 IP 数 据 报 的 差 错 处 理 及 简 单 的 拥 塞 控 制5、 实 现 对 IP 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 有所 不 同 。 2.2.1 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 含以 下 信 息 ： 1. 目 的 IP地 址 2. 下 一 站 路 由 器 的 IP地 址3. 标 志 4. 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 ）6. Refcnt (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 50.0.0.030.0.0.040.0.0.0 20.0.0.010.0.0.0 20.0.0.120.0.0.250.0.0.110.0.0.2 10.0.0.110.0.0.3 30.0.0.430.0.0.2 30.0.0.130.0.0.340.0.0.140.0.0.3 40.0.0.2R1 R2R3 R4 R550.0.0.28 路 由 器 R1的 路 由 表目 的 地 址 下 一 站 地 址 标 志 接 口50.0.0.28 30.0.0.1 UGH int110.0.0.0 10.0.0.2 U int020.0.0.0 10.0.0.1 U G int030.0.0.0 30.0.0.4 U int140.0.0.0 10.0.0.3 U G int050.0.0.0 30.0.0.1 U G int1 标 志 U 该 路 由 可 以 使 用 G 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 D 路 由 是 由 重 定 向 报 文 创 建 的 M 路 由 已 被 重 定 向 报 文 修 改A R1 R2 BR1发 重 定 向 报 文 给 A 理 想 的 路 由 算 法 必 须 是 正 确 的 和 完 整 的 在 计 算 上 应 简 单 应 能 适 应 通 信 量 和 网 络 拓 扑 的 变 化 应 具 有 稳 定 性 应 是 公 平 的 应 是 最 佳 的 路 由 选 择 算 法1. 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 。 2.这 数 据 报 和 虚 电 路 采 用 不 同 的 选 择 方 法3. 路 由 算 法 的 分 类 路 由 算 法 静 态 路 由 算 法 动 态 路 由 算 法 静 态 路 由 静 态 路 由 路 由 器 不 共 享 路 由 信 息 路 手 工 构 造 路 由 表 构 筑 小 型 或 非 常 大 型 的 网 络 稳 固 的 网 络 静 态 路 由 算 法 洪 泛 （ flooding） 算 法 热 土 豆 （ Hot Potato） 算 法 固 定 路 由 算 法 随 机 走 动 法 动 态 路 由 动 态 路 由 路 由 器 自 动 共 享 路 由 信 息 自 动 构 造 路 由 表 需 要 一 个 路 由 协 议 ， 如 RIP或 OSPF 需 要 第 三 方 路 由 器 大 规 模 ， 拓 扑 结 构 复 杂 的 网 络 动 态 路 由 算 法 距 离 向 量 （ distance vector） 算 法 链 路 状 态 （ link state） 算 法 混 合 （ hybrid） 路 由 算 法 协 议 与 算 法 的 区 别算 法 是 一 种 思 想 和 策 略而 协 议 是 算 法 的 具 体 实 现 2.2.2 路 由 器 的 基 本 结 构 路由选择 分 组 处 理转 发 表 交 换 构 件输 入 端 口 1输 入 端 口 n 路 由 选 择 处 理 机路 由 表 输 出 端 口 1输 出 端 口 n 分组转发 路 由 器 的 组 成 单 元 网 络 接 口 （ 局 域 网 接 口 和 广 域 网 接 口 ） 路 由 器 软 件 路 由 交 换 单 元 路 由 器 队 列 （ 其 基 本 的 集 中 队 列 调 度 算法 有 ： 基 于 时 标 的 IP分 组 调 度 算 法 ， 基于 轮 转 的 调 度 算 法 ， 基 于 优 先 级 的 调 度算 法 ） 2.2.3 路 由 器 技 术 的 演 进 第 1代 路 由 器 技 术 （ 图 2.18 第 1代 路 由 器结 构 ） 第 2代 路 由 器 技 术 （ 第 2代 路 由 器 把 网 络接 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 由器 升 级 扩 容 提 供 了 便 利 。 ） 第 3代 路 由 器 技 术 如 图 2.19所 示 ， 第 3代 路由 器 是 在 各 网 络 接 口 上 增 加 CPU ） 第 4代 路 由 器 技 术 （ 第 4代 路 由 器 则 是 在第 3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 ASIC（ Application-Specific Intergrated Circuit， 专 用 集 成 电 路 ） 技 术 的 硬 件 转发 。 ） 第 5代 路 由 器 采 用 可 编 程 序 的 、 专 为 IP网络 设 计 的 网 络 处 理 器 ， 实 现 IP报 文 处 理和 转 发 ， 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 共 享 内 存（ Share Mem ory） CPU CPU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 2.12 第 1代 路 由 器 结 构 CPU CPU CPU CPU网 络 接 口 网 络 接 口 网 络 接 口 网 络 接 口高 速 总 线图 2.13 第 3代 路 由 器 结 构 最 新 路 由 器 产 品Quidway NetEngine 5000E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 、 ASIC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 ，具 备 海 量 交 换 容 量 和 超 高 转 发 性 能 支 持 高 密 度 10G/40G接 口 ， 提 供 64个 线 速 10G POS接口 ， 或 者 16个 线 速 40G接 口 ， 转 发 性 能 高 达 1600Mpps。