计算机网络教案(第6章)课件

第第6 6章章 广广 域域 网网 广域网是计算机网络的重要组成部分。广域网是计算机网络的重要组成部分。本章重点讨论广域网的基本概念和广域网本章重点讨论广域网的基本概念和广域网中的分组转发机制。中的分组转发机制。另外将介绍几种常见的广域网技术。另外将介绍几种常见的广域网技术。6.1 6.1 广域网的基本概念广域网的基本概念 6.2 6.2 广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制6.3 6.3 几种常见的广域网技术几种常见的广域网技术6.4 6.4 异步传递方式异步传递方式ATMATM主要内容主要内容n广域网的概念与构成广域网的概念与构成n数据报和虚电路数据报和虚电路n广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制本章重点本章重点n广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制本章难点本章难点6.1 6.1 广域网的基本概念广域网的基本概念 当主机之间的距离较远时，例如：相隔当主机之间的距离较远时，例如：相隔几十、几百公里甚至更远，局域网显然无法完几十、几百公里甚至更远，局域网显然无法完成主机间的通信任务，这时就需要另一种结构成主机间的通信任务，这时就需要另一种结构的网络的网络 。广域网广域网1.广域网的定义：广域网（广域网的定义：广域网（WAN）是一种覆盖地理范围是一种覆盖地理范围相对较广的数据通信系统。相对较广的数据通信系统。2.WAN的结构的结构 通信子网由结点交换机和连接交换机的链路组成。通信子网由结点交换机和连接交换机的链路组成。由主机（由主机（host）和通信子网（简称子网和通信子网（简称子网subnet）组成；组成；结点交换机：对分组执行存储转发功能的专用计算机结点交换机：对分组执行存储转发功能的专用计算机 链路：连接结点交换机的高速传输线路链路：连接结点交换机的高速传输线路 通信子网的主要任务（通信子网的主要任务（广域网的工作模式）广域网的工作模式）：广域网的基本工作模式是存储转发（广域网的基本工作模式是存储转发（store and forward）即即对分组进行存储转发，分组（数据）沿输对分组进行存储转发，分组（数据）沿输入线路到达交换机后，交换机必须为其选择输出线路并入线路到达交换机后，交换机必须为其选择输出线路并负责将其输出。负责将其输出。图6-1 广域网系统 通信子网（subnet）主机（host）结点交换机高速链路图6-2 广域网中的交换机及连接方式 通信子网（subnet）3.广域网与局域网的区别广域网与局域网的区别广域网与局域网之间存在着较大的区别。广域网与局域网之间存在着较大的区别。从连接方式上看，广域网的组成部分从连接方式上看，广域网的组成部分主要是分组交换机，采用的是点对点主要是分组交换机，采用的是点对点连接（如图连接（如图6-3（a）所示），而局域所示），而局域网的组成多为计算机，普遍采用多点网的组成多为计算机，普遍采用多点接入技术（如图接入技术（如图6-3（b）所示）。所示）。图6-3 广域网和局域网的接入方式n如图如图6-4所示的是一个典型的互联网拓扑结构，位于不同所示的是一个典型的互联网拓扑结构，位于不同地址位置的多个局域网通过广域网连接后便形成了互联网。地址位置的多个局域网通过广域网连接后便形成了互联网。图6-4 由局域网和广域网组成的互联网5.广域网中网络层所提供的服务类型广域网中网络层所提供的服务类型 网络层为网络中的主机提供了两大类服务：网络层为网络中的主机提供了两大类服务：n面向连接的虚电路服务面向连接的虚电路服务n面向非连接的数据报服务。面向非连接的数据报服务。4.WAN的参考模型的参考模型 从从OSI参考模型来看，参考模型来看，WAN的通信涉及的通信涉及OSI参考模型的下三层：参考模型的下三层：物理层、数据链路层和网络层。物理层、数据链路层和网络层。n虚电路服务是网络层向运输层提供的一种使所有分组虚电路服务是网络层向运输层提供的一种使所有分组按顺序到达目的端系统的可靠的数据传送方式。按顺序到达目的端系统的可靠的数据传送方式。n原理：进行数据交换的两个端系统之间存在着一条为原理：进行数据交换的两个端系统之间存在着一条为它们服务的虚电路。在虚电路中，为了进行数据传输，它们服务的虚电路。在虚电路中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。最后，由某一导到哪里去，不再需要路由选择判定。最后，由某一个站用清除请求分组来结束这次连接。它之所以是个站用清除请求分组来结束这次连接。它之所以是“虚虚”的，是因为这条电路不是专用的。的，是因为这条电路不是专用的。n特点：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电特点：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在路。但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。输出。1)1)虚电路服务虚电路服务2）数据报服务）数据报服务n在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的。在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一节点。由于合适的出路，把数据报原样地发送到下一节点。由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢失。整个过程中，没有虚电路建立，但要为每个数据失。整个过程中，没有虚电路建立，但要为每个数据报做路由选择。报做路由选择。图6-5 虚电路和数据报一、一、广域网交换机中的转发表广域网交换机中的转发表1 广域网的物理编址广域网的物理编址n在许多广域网中使用了层次编址方案，以在许多广域网中使用了层次编址方案，以提高数据的传输速率。提高数据的传输速率。n最简单的层次编址称为两段式层次地址，最简单的层次编址称为两段式层次地址，它把一个地址分成两个部分：它把一个地址分成两个部分：n第一部分表示分组交换机的编号，第一部分表示分组交换机的编号，n第二部分表示所连接的分组交换机的端第二部分表示所连接的分组交换机的端口号。口号。6.2 6.2 广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制与主机相连的交换机的编号 与主机相连的交换机端口的编号第一层地址第二层地址图6-6 最简单的层次地址图6-7显示了连接在不同的两台交换机上的计算机的两层编址地址。图6-7 连接在交换机上的计算机的编址方式2按照目的站点的交换机号确定下一站点的地址按照目的站点的交换机号确定下一站点的地址n 每一个交换机中都有一个转发表（每一个交换机中都有一个转发表（forwarding table）。图）。图6-6中列出了交换机中列出了交换机2的转发表以及每的转发表以及每台计算机的地址，转发表中有两个重要的组成：台计算机的地址，转发表中有两个重要的组成：即分组的目的站点和下一站点（即分组的目的站点和下一站点（next hop）。）。图6-8 广域网中交换机中的转发表及计算机的地址 n因为路由选择中的下一个站点只取决于分组因为路由选择中的下一个站点只取决于分组中的目的站点地址，而与源站点地址无关，中的目的站点地址，而与源站点地址无关，这个概念被称为这个概念被称为源地址独立性源地址独立性（source independence)。源地址独立性：源地址独立性：n对于广域网而言，在研究广域网的路由问题时，对于广域网而言，在研究广域网的路由问题时，可以用可以用“图图”（graph）来表示广域网。其中，来表示广域网。其中，图中的每个节点（图中的每个节点（node）代表交换机，连接两代表交换机，连接两个节点之间的连线代表一条链路（个节点之间的连线代表一条链路（link）。）。图6-9 广域网与图之间的对应关系3交换机转发表的简化交换机转发表的简化n据图6-9所示的网络拓扑，可以得出如图6-10所示的路由表。图6-10 图6-9中每个节点的路由表结点结点1 的转发表的转发表 结点结点2的转发表的转发表 结点结点3的转发表的转发表 结点结点4的转发表的转发表默认路由默认路由n在广域网中，某一结点路由表中的重复条目可能是在广域网中，某一结点路由表中的重复条目可能是一个庞大的数字，这对路由的选择带来了很大的开一个庞大的数字，这对路由的选择带来了很大的开销。为了消除节点路由表中的重复条目，可以用一销。为了消除节点路由表中的重复条目，可以用一个条目来代替路由表中具有相同个条目来代替路由表中具有相同“下一站点下一站点”的多的多条重复条目，此机制称为默认路由（条重复条目，此机制称为默认路由（default route）。在路由表中，默认路由的目的站点用符）。在路由表中，默认路由的目的站点用符号号“*”表示。表示。图6-11 使用了默认路由后的简化路由表结点结点1 的转发表的转发表 结点结点2的转发表的转发表 结点结点3的转发表的转发表 结点结点4的转发表的转发表结点结点1 的转发表的转发表 结点结点2的转发表的转发表 结点结点3的转发表的转发表 结点结点4的转发表的转发表6.3 6.3 几种常见的广域网技术几种常见的广域网技术 6.3.1 分组数据网分组数据网(X.25)6.3.2帧中继帧中继 6.3.3数字数据网数字数据网DDN 6.3.4 xDSL技术简介技术简介 6.3.1 X.25分组交换数据网分组交换数据网 X.25是由是由ITUT于于1974年制定的年制定的WAN通信协议标准，通信协议标准，它定义了用户设备与网络之间的接口标准。它定义了用户设备与网络之间的接口标准。X.25有如下特点有如下特点:能接入不同类型用户设备能接入不同类型用户设备 可靠性高可靠性高 采用多路复用技术采用多路复用技术 具有流量控制和拥塞控制具有流量控制和拥塞控制是点对点协议是点对点协议 6.3.2 帧中继帧中继n定义：定义：帧中继是在数字光纤传输线路逐渐代替原有的帧中继是在数字光纤传输线路逐渐代替原有的模拟线路，用户终端智能化的情况下，由模拟线路，用户终端智能化的情况下，由X.25分组交分组交换技术发展起来的一种换技术发展起来的一种新型的交换技术新型的交换技术。它。它在在X.25X.25基基础上，简化了差错控制、流量控制和路由选择功能，础上，简化了差错控制、流量控制和路由选择功能，着眼于数据的快速传输以提高网络的吞吐量。着眼于数据的快速传输以提高网络的吞吐量。n 帧中继和分组交换类似，但却以比分组容量大的帧为帧中继和分组交换类似，但却以比分组容量大的帧为单位而不是以分组为单位进行数据传输，而且，它在单位而不是以分组为单位进行数据传输，而且，它在网络上的中间节点对数据不进行误码纠错。网络上的中间节点对数据不进行误码纠错。6.3.3 数字数据网数字数据网DDNn数字数据网数字数据网(DDN，Digital Data Network)是利用数字信道是利用数字信道传输数据信号的数据传输网。传输数据信号的数据传输网。n 它的传输媒介主要是光缆，辅助于数字微波、它的传输媒介主要是光缆，辅助于数字微波、卫星信道卫星信道以及用户端可用的普通电缆和双绞线。以及用户端可用的普通电缆和双绞线。n在现有的电信网在现有的电信网(电话网或分组交换网电话网或分组交换网)中，都有模拟成中，都有模拟成分存在，需要许多模数转换及调制解调设备。而分存在，需要许多模数转换及调制解调设备。而DDN则则以全数字、高速率及灵活的交叉连接复用功能为用户提以全数字、高速率及灵活的交叉连接复用功能为用户提供永久性或半永久性的数字电路专线供永久性或半永久性的数字电路专线(出租出租)业务，为用业务，为用户构建了一个大容量的数据通信平台。数字信道与传统户构建了一个大容量的数据通信平台。数字信道与传统的模拟信道相比，具有传输质量高、速度快、带宽利用的模拟信道相比，具有传输质量高、速度快、带宽利用率高等一系列优点。率高等一系列优点。nxDSLxDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。nDSLDSL就是数字用户线就是数字用户线 (Digital Subscriber(Digital Subscriber Line)Line)的缩写。而的缩写。而DSLDSL的前缀的前缀x x则表示在数字则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。用户线上实现的不同宽带方案。6.3.4 xDSL 技技 术术 nADSL(Asymmetric Digital Subscriber ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line):Line):非对称数字用户线非对称数字用户线 W-ADSLW-ADSLnHDSL(High speed DSL):HDSL(High speed DSL):高速数字用户高速数字用户线线nVDSL(Very high speed DSL):VDSL(Very high speed DSL):甚高速甚高速数字用户线。数字用户线。xDSLxDSL对称性称性下下 行行 带 宽上上 行行 带 宽极限极限传输距离距离ADSLADSL非非对称称1.51.5Mbit/sMbit/s6464kbit/skbit/s4.64.65.55.5kmkmADSLADSL非非对称称6 68 8Mbit/sMbit/s640640kbit/skbit/s1 1Mbit/sMbit/s2.72.73.63.6kmkmHDSLHDSL（2 2对线）对称称1.51.5Mbit/sMbit/s1.51.5Mbit/sMbit/s2.72.73.63.6kmkmHDSLHDSL（1 1对线）对称称768768kbit/skbit/s768768kbit/skbit/s2.72.73.63.6kmkmVDSLVDSL非非对称称12.9612.96Mbit/Mbit/s s1.61.62.32.3Mbit/sMbit/s1.41.4kmkmVDSLVDSL非非对称称2525Mbit/sMbit/s1.61.62.32.3Mbit/sMbit/s0.90.9kmkmVDSLVDSL非非对称称5252Mbit/sMbit/s1.61.62.32.3Mbit/sMbit/s0.30.3kmkmDSL(ISDN)DSL(ISDN)对称称160160kbit/skbit/s160160kbit/skbit/s4.64.65.55.5kmkm表表 xDSLxDSL的几种类型的几种类型(书书6565页页)ADSLADSLnADSLADSL中的中的“D D（数字）（数字）”应理解为应理解为“使使用数字技术用数字技术”。ADSLADSL的用户线上传送的用户线上传送的仍然是模拟信号而不是数字信号。的仍然是模拟信号而不是数字信号。nADSLADSL在现成的用户线（铜线）的两端在现成的用户线（铜线）的两端各安装一个各安装一个ADSLADSL调制解调器。我国目调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调前采用的方案是离散多音调DMT DMT(Discrete Multi-Tone)(Discrete Multi-Tone)调制技术。调制技术。图图3-31 DMT3-31 DMT技术的频谱分布技术的频谱分布n基于基于ADSLADSL的接入网由以下的接入网由以下3 3大部分组成：大部分组成：数字用户线接入复用器数字用户线接入复用器DSLAM(DSL DSLAM(DSL Access Multiplexer)Access Multiplexer)，用户线和居民，用户线和居民家庭中的一些设施，如下图所示。家庭中的一些设施，如下图所示。图图3-32 3-32 基于基于ADSLADSL的接入网的组成的接入网的组成6.4 6.4 异步传输方式异步传输方式ATMATM1 ATM概述概述 1972年年ITU-T提出了综合业务数字网提出了综合业务数字网(ISDN)的概念。的概念。特别是特别是80年代初制定的一整套关于年代初制定的一整套关于ISDN的系列建议，的系列建议，奠定了奠定了ISDN发展的基础。鉴于当时技术能力和业务需发展的基础。鉴于当时技术能力和业务需求的限制，首先提出的只能是窄带综合业务数字网求的限制，首先提出的只能是窄带综合业务数字网(N-ISDN)。1989年，年，ITU-T第第18研究组在综合了已有研究成果研究组在综合了已有研究成果的基础上的基础上,提出了一种新的信息传递方式提出了一种新的信息传递方式-异步传送模异步传送模式式(ATM)，并将并将ATM作为实现宽带综合业务数字网作为实现宽带综合业务数字网(B-ISDN)的一个解决方案。的一个解决方案。ATM从此正式诞生。从此正式诞生。2 ATM 基本概念基本概念 ATM是异步传送模式，它采用快速分组交换和统计是异步传送模式，它采用快速分组交换和统计复用技术。它具有如下基本特点。复用技术。它具有如下基本特点。1)采用短而固定长度的短分组采用短而固定长度的短分组 在在ATM中采用短而固定长度的分组，称为信元中采用短而固定长度的分组，称为信元(Cell)。信元由信元由53个字节组成，其中个字节组成，其中5个字节是信元头，个字节是信元头，48个字节是净荷。固定长的短分组决定了个字节是净荷。固定长的短分组决定了ATM系统处理系统处理时间短、响应快，特别适合实时业务和高速应用。时间短、响应快，特别适合实时业务和高速应用。2)采用统计复用采用统计复用 ATM是按信元进行统计复用的，在时间上没有固定是按信元进行统计复用的，在时间上没有固定的复用位置。由于统计复用是按需分配带宽，可以满足的复用位置。由于统计复用是按需分配带宽，可以满足不同用户传递不同业务的带宽需要。不同用户传递不同业务的带宽需要。3 ATM的协议参考模型：的协议参考模型：ATM层 ATM适配层（AAL）传输汇聚 TC子层ATM物理层 物理媒体相关 PMD子层（1）ATM物理层物理层 物理层利用通信线路的比特流传送功能实现物理层利用通信线路的比特流传送功能实现ATM信元信元的传送。的传送。物理层物理层(PHY)包含两个子层：物理媒介子层包含两个子层：物理媒介子层(PMD)和传和传输会聚子层输会聚子层(TC)。PM的功能依赖于传输媒介的外部特性的功能依赖于传输媒介的外部特性(光纤、微波、双绞线等光纤、微波、双绞线等)，主要功能有比特传递和定时校，主要功能有比特传递和定时校准、线路编码和电光转换等。准、线路编码和电光转换等。TC负责会聚物理层操作，它负责会聚物理层操作，它不依赖于具体媒介。不依赖于具体媒介。与与OSI模型相比，模型相比，ATM物理层大体包括了物理层大体包括了OSI的物理层的物理层和数据链路层。其中，和数据链路层。其中，PM子层相当于子层相当于OSI物理层；物理层；TC子层子层相当于相当于OSI数据链路层，但其功能大大地简化了，只保留数据链路层，但其功能大大地简化了，只保留了对信元头的校验和信元定界功能。了对信元头的校验和信元定界功能。（2）ATM层层 ATM层利用物理层提供的传送功能，向外部提供传层利用物理层提供的传送功能，向外部提供传送送ATM信元的能力。信元的能力。ATM层是与物理层相互独立的。不层是与物理层相互独立的。不管信元是在光纤、双绞线上，还是在其他媒介上传送，无管信元是在光纤、双绞线上，还是在其他媒介上传送，无论速率如何，论速率如何，ATM层均以统一的信元标准格式完成复用、层均以统一的信元标准格式完成复用、交换和选路。交换和选路。在每个在每个ATM节点为信元选路，建立端到端的节点为信元选路，建立端到端的逻辑连接。逻辑连接。ATM逻辑连接是通过虚通路标识逻辑连接是通过虚通路标识VPI(VP Identifier)和虚信道标识和虚信道标识VCI(VC Identifier)来识别的。来识别的。ATM层的主要工作是产生层的主要工作是产生ATM信元的信头并进行处理。信元的信头并进行处理。ATM层可以为不同的用户指定不同的层可以为不同的用户指定不同的VPI/VCI。ATM层具层具有有OSI网络层的功能。网络层的功能。n虚通路标识虚通路标识VPIVPI(V Virtual P Path I Identifier)和虚信和虚信道标识道标识VCIVCI(V Virtual C Channel I Identifier)：nATM连接由一系列连接由一系列VPI/VCI标识。在标识。在ATM连连接建立时，在接建立时，在ATM端结点和中间的交换机为该端结点和中间的交换机为该连接指定一系列连接指定一系列VP链路和链路和VC链路，由一串链路，由一串VPI/VCI值标识。值标识。ATM交换机要建立交换机要建立VPI/VCI转换表。转换表。ATM信元只携带到达下一站的信元只携带到达下一站的VPI/VCI，由交换机查表得到下一段链路的由交换机查表得到下一段链路的VPI/VCI，填入信元。填入信元。nATM采用采用 VPI/VCI 是为了简化路由处理。是为了简化路由处理。n两个两个ATM交换机之间只需交换机之间只需VPI 确定下一确定下一VP链路。链路。n端接交换机和主机间才需端接交换机和主机间才需VCI 确定确定VP 中某中某VC。虚通路虚信道传输链路虚通路虚通路与与与与虚信道虚信道（3）ATM适配层（适配层（AAL）AAL层介于层介于ATM层和高层之间，负责将不同类型业层和高层之间，负责将不同类型业务信息适配成务信息适配成ATM信元。适配的原因是由于各种业务信元。适配的原因是由于各种业务(语语音、数据和图像等音、数据和图像等)所要求的业务质量所要求的业务质量(如时延、差错率等如时延、差错率等)不同。在把各个业务的原信号处理成信元时，应消除其不同。在把各个业务的原信号处理成信元时，应消除其质量条件的差异。换个角度说，质量条件的差异。换个角度说，ATM层只统一了信元格层只统一了信元格式，为各种业务提供了公共的传输能力，而并没有满足大式，为各种业务提供了公共的传输能力，而并没有满足大多数应用层多数应用层(高层高层)的要求，故需要用的要求，故需要用AAL层来做层来做ATM层层与应用层之间的桥梁。与应用层之间的桥梁。AAL层具有层具有OSI传输层、会话层和表示层的功能。传输层、会话层和表示层的功能。