计算机网络第六章广域网课件.ppt

第第6 6章章 广广 域域 网网 广域网的基本概念广域网的基本概念6.1广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制6.2异步传递方式异步传递方式ATM6.3其它广域网其它广域网6.46.1 6.1 广域网的基本概念广域网的基本概念6.1.1 6.1.1 广域网的构成广域网的构成广域网由一些结点交换机以及连接这广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。通常一个结点交换些交换机的链路组成。通常一个结点交换机往往与多个结点交换机相连。在广域网机往往与多个结点交换机相连。在广域网中的一个重要问题就是路由选择和分组转中的一个重要问题就是路由选择和分组转发。发。图图6-16-1表示相距较远的局域网通过路由表示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器与广域网相连，组成了一个覆盖范围很广的互联网。广的互联网。广域网并没有严格的定义。通常是指广域网并没有严格的定义。通常是指覆盖范围很广覆盖范围很广(远远超过一个城市的范围远远超过一个城市的范围)的长距离网络，一般都是由电信公司所拥的长距离网络，一般都是由电信公司所拥有。有。图图6-1 6-1 由局域网和广域网组成互联网由局域网和广域网组成互联网 6.1.2 6.1.2 数据报和虚电路数据报和虚电路网络层为接在网络上的主机所提供的网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类，即无连接的网络服务服务可以有两大类，即无连接的网络服务和面向连接的网络服务。这两种服务的具和面向连接的网络服务。这两种服务的具体实现就是通常所谓的数据报服务和虚电体实现就是通常所谓的数据报服务和虚电路服务。路服务。图图6-26-2中分别画出了网络提供数据报中分别画出了网络提供数据报服务和提供虚电路服务的特点。服务和提供虚电路服务的特点。看网络提供虚电路服务的情况。先设看网络提供虚电路服务的情况。先设图图6-2(b)6-2(b)中主机中主机H H1 1要和主机要和主机H H5 5通信。通信。在图在图6-2(b)6-2(b)中，我们设寻找到的路由中，我们设寻找到的路由是是ABEABE。图图6-2 6-2 数据报服务和虚电路服务数据报服务和虚电路服务表表6-1归纳了虚电路服务与数据报服务的主要区别。归纳了虚电路服务与数据报服务的主要区别。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分组交换网的分组转发是基于查表的。分组交换网的分组转发是基于查表的。转转发发就就是是在在交交换换结结点点收收到到分分组组时时，检检查查 其其 目目 的的 地地 址址，然然 后后 用用 查查 找找 转转 发发 表表(forwarding table)的的方方法法，找找出出应应从从结结点点的哪一个接口将该分组发送出去。的哪一个接口将该分组发送出去。路路由由选选择择则则是是构构造造路路由由表表 (routing(routing table)table)的的过过程程。路路由由表表是是用用路路由由选选择择算算法法得得到到的的，而而转转发发表表则则是是根根据据路路由由表表得得出出的。的。6.2.1 6.2.1 在结点交换机中查找在结点交换机中查找转发表转发表 1 1层次结构的地址结构层次结构的地址结构为了减少查找转发表所花费的时间，为了减少查找转发表所花费的时间，在广域网中一般都采用层次结构的地址在广域网中一般都采用层次结构的地址(hierarchical addressing)(hierarchical addressing)。最简单的层次结构地址就是把一个用最简单的层次结构地址就是把一个用二进制数表示的主机地址划分为前后两部二进制数表示的主机地址划分为前后两部分。前一部分的二进制数表示该主机所连分。前一部分的二进制数表示该主机所连接的分组交换机的编号，是第一层地址，接的分组交换机的编号，是第一层地址，而后一部分的二进制数表示所连接的分组而后一部分的二进制数表示所连接的分组交换机的端口号，或主机的编号，是第二交换机的端口号，或主机的编号，是第二层地址，如图层地址，如图6-36-3所示。所示。图图6-3 6-3 最简单的层次地址最简单的层次地址图图6-46-4中有三个交换机，其编号分别中有三个交换机，其编号分别为为1,21,2和和3 3。每个交换机所连接的主机也按。每个交换机所连接的主机也按接入的低速端口编上号码。接入的低速端口编上号码。图图6-4 6-4 主机在广域网中的地址和交换机中的转发表主机在广域网中的地址和交换机中的转发表转转发发表表中中没没有有源源站站地地址址这这一一项项。这这是是因因为为路路由由选选择择中中的的下下一一跳跳只只取取决决于于数数据据报报中中的的目目的的站站地地址址，而而与与源源站站地地址址无无关关。这这是一个很重要的概念，应记住。是一个很重要的概念，应记住。2 2按按照照目目的的站站的的交交换换机机号号确确定定下下一一跳跳采采用用两两个个层层次次的的编编址址方方案案可可使使转转发发分分组组时时只只使使用用第第一一部部分分地地址址，即即在在进进行行路路由由选择时选择时，只根据主机地址中的交换机号只根据主机地址中的交换机号。6.2.2 6.2.2 路由表的简化路由表的简化广域网的路由问题就是要解决分组在广域网的路由问题就是要解决分组在各交换机中应如何进行转发。在专门研究各交换机中应如何进行转发。在专门研究广域网的路由问题时，可用图论中的广域网的路由问题时，可用图论中的“图图(graph)(graph)”来表示整个广域网，用来表示整个广域网，用“结点结点”表示广域网上的结点交换机，用连接结点表示广域网上的结点交换机，用连接结点与结点的与结点的“边边”表示广域网中的链路。表示广域网中的链路。图图6-56-5左边是一个具有左边是一个具有4 4个结点交换机个结点交换机的例子，而右边则是对应的图。的例子，而右边则是对应的图。图图6-5 6-5 用图表示一个广域网用图表示一个广域网根根据据图图6-56-5所所示示的的图图，可可得得出出每每一一个个结点中的转发表，如图结点中的转发表，如图6-66-6所示。所示。使使用用了了默默认认路路由由的的简简化化转转发发表表如如图图6-6-7 7所示。所示。图图6-6 6-6 图图6-56-5中各结点的转发表中各结点的转发表图图6-7 6-7 使用了默认路由的简化转发表使用了默认路由的简化转发表6.3 6.3 异步传递方式异步传递方式ATMATM 6.3.1 ATM6.3.1 ATM的基本概念的基本概念异异步步传传递递方方式式ATM ATM(Asynchronous(Asynchronous Transfer Transfer Mode)Mode)就就是是建建立立在在电电路路交交换换和和分分组组交交换换的的基基础础上上的的一一种种面面向向连连接接的的快快速速分分组组交交换换技技术术，它它采采用用定定长长分分组组作作为为传传输输和和交换的单位。交换的单位。同同 步步 传传 递递 方方 式式 STM STM(Synchronous(Synchronous Transfer Transfer Mode)Mode)是是使使各各个个终终端端之之间间有有称称之之为帧参考的一个共同时间参考。为帧参考的一个共同时间参考。ATMATM的主要优点如下：的主要优点如下：（1 1）选选择择固固定定长长度度的的短短信信元元作作为为信信息息传传输输的的单单位位，有有利利于于宽宽带带高高速速交换。交换。（2 2）能支持不同速率的各种业务。）能支持不同速率的各种业务。（3 3）所所有有信信息息在在最最低低层层是是以以面面向向连连接接的的方方式式传传送送，以以保保持持电电路路交交换换适适合于传送实时性很强的业务的优点。合于传送实时性很强的业务的优点。（4 4）ATMATM使用光纤信道传输。使用光纤信道传输。ATMATM的一个明显缺点就是信元首部的一个明显缺点就是信元首部 的开销太大。的开销太大。6.3.2 6.3.2 ATMATM的的协协议议参参考考模模型型和信元结构和信元结构 ATMATM的协议参考模型，如图的协议参考模型，如图6-106-10所示。所示。图图6-10 ATM6-10 ATM的协议参考模型的协议参考模型 ATMATM的协议参考模型共有的协议参考模型共有3 3层，从上往层，从上往下看是下看是ATMATM适配层、适配层、ATMATM层和物理层。这层和物理层。这3 3层层与与OSIOSI的层次无法严格对应。的层次无法严格对应。（1 1）ATMATM适配层适配层 ATMATM传送和交换的是传送和交换的是5353字节固定长度的字节固定长度的信元，但是，上层的应用程序向下层传递信元，但是，上层的应用程序向下层传递的并不是的并不是5353字节长的信元。例如，在因特字节长的信元。例如，在因特网的网的IPIP层传送的是各种长度的层传送的是各种长度的IPIP数据报。数据报。因此，当因此，当IPIP数据报需要在数据报需要在ATMATM网络上传网络上传送时，就需要有一个接口，它能够把送时，就需要有一个接口，它能够把IPIP数数据报装入一个个据报装入一个个ATMATM信元，然后在信元，然后在ATMATM网络网络中传送。这个接口就是在中传送。这个接口就是在ATMATM层上面的层上面的ATMATM适配层，记为适配层，记为AALAAL层层 (ATM Adaptation(ATM Adaptation Layer)Layer)。AALAAL层的作用就是增强层的作用就是增强ATMATM层所提供的层所提供的服务，并向上面高层提供各种不同的服务。服务，并向上面高层提供各种不同的服务。图图6-116-11表示不同信源发出的信号（话音、表示不同信源发出的信号（话音、视频、数据等）通过适当的变换后（这里视频、数据等）通过适当的变换后（这里省略了很多细节和步骤），都要传送到省略了很多细节和步骤），都要传送到AALAAL层，成为固定长度的数据块（层，成为固定长度的数据块（4848字节长），字节长），然后交给然后交给ATMATM层，加上层，加上5 5字节的首部后变成字节的首部后变成为为5353字节的固定长度信元。字节的固定长度信元。图图6-11 AAL6-11 AAL层把层把4848字节长的数据块交给字节长的数据块交给ATMATM层，层，加上加上5 5字节的首部后变成字节的首部后变成5353字节的信元字节的信元 ITU-TITU-T规定了规定了ATMATM网络可向用户提供几网络可向用户提供几种类型种类型 (type)(type)的服务。目前的服务。目前AAL5AAL5（即（即AALAAL的类型的类型5 5）是和）是和IPIP数据报配合起来使用的一数据报配合起来使用的一种种ATMATM适配层。图适配层。图6-126-12表示从层次上看，表示从层次上看，IPIP数据报怎样通过数据报怎样通过AALAAL层把一个层把一个IPIP数据报划分数据报划分为为4848字节的数据块（最后不足字节的数据块（最后不足4848字节的数字节的数据块要用据块要用0 0进行填充），然后在进行填充），然后在ATMATM层加上层加上5 5字节的首部，构成为字节的首部，构成为ATMATM信元。信元。图图6-12 6-12 从从IPIP数据报转换为数据报转换为ATMATM信元信元（2 2）ATMATM层层 ATMATM层主要完成层主要完成ATMATM信元的交换和复用信元的交换和复用功能，与传送功能，与传送ATMATM信元的物理媒体或物理层信元的物理媒体或物理层无关。无关。每一个每一个ATMATM连接都用信元首部中的两级连接都用信元首部中的两级标号来识别。第一级标号是虚通路标识符标号来识别。第一级标号是虚通路标识符VCI(Virtual Channel Identifier)VCI(Virtual Channel Identifier)，第，第二级标号是虚通道标识符二级标号是虚通道标识符VPI(Virtual VPI(Virtual Path Identifier)Path Identifier)。我们应当注意到，图我们应当注意到，图6-126-12强调了强调了ATMATM信信元的首部中有元的首部中有VCIVCI和和VPIVPI这两个标识符（在这两个标识符（在首部中当然还有其他的一些信息，这里从首部中当然还有其他的一些信息，这里从略）。略）。虚通路虚通路VCVC是在两个或两个以上的端点是在两个或两个以上的端点之间运送之间运送ATMATM信元的通信通路。信元的通信通路。虚通道虚通道VPVP包含有许多相同端点的虚通包含有许多相同端点的虚通路，而这许多虚通路都使用同一个虚通道路，而这许多虚通路都使用同一个虚通道标识符标识符VPIVPI。图。图6-136-13表示了使用表示了使用VPIVPI和和VCIVCI来来标识标识VPVP和和VCVC的方法。的方法。如果我们用高速公路来比喻，那么在如果我们用高速公路来比喻，那么在两个城市之间的高速公路相当于虚通道两个城市之间的高速公路相当于虚通道VPVP，这些高速公路的编号是，这些高速公路的编号是VP1,VP2VP1,VP2虚通虚通路路VCVC则相当于每条高速公路上的车道，编则相当于每条高速公路上的车道，编号是号是VC1,VC2VC1,VC2因此，汽车的行驶情况由因此，汽车的行驶情况由VPxVPx,VCyVCy确定（即高速公路确定（即高速公路VPxVPx上的车道上的车道VCyVCy）。）。图图6-13 ATM6-13 ATM连接的标识符连接的标识符VCIVCI和和VPIVPI 在一个给定的接口上，属于两个不同在一个给定的接口上，属于两个不同的的VPVP的两个的两个VCVC，可以具有相同的，可以具有相同的VCIVCI。如图。如图6-136-13所示的所示的3 3个不同的虚通道个不同的虚通道VPVP都可以使用都可以使用相同的虚通路标识符相同的虚通路标识符VCxVCx或或VCyVCy。因此，要同时使用因此，要同时使用VPIVPI和和VCIVCI这两个参这两个参数才能完全识别一个虚通路数才能完全识别一个虚通路VCVC。应当强调。应当强调指出，一个给定的指出，一个给定的VCIVCI值并没有端到端的意值并没有端到端的意义。义。VPVP在经过集中器或交换机时，其在经过集中器或交换机时，其VPIVPI也也会改变。关于这点后面还要讨论。会改变。关于这点后面还要讨论。（3 3）物理层）物理层 物理层实现信元流和比特流的转换，物理层实现信元流和比特流的转换，以及在物理媒体上正确传输和接收比特流。以及在物理媒体上正确传输和接收比特流。当使用光纤传输时，物理层还必须完成从当使用光纤传输时，物理层还必须完成从电信号到光信号（或反过来）的转换。电信号到光信号（或反过来）的转换。需要强调的是，需要强调的是，AALAAL层的功能只能驻留层的功能只能驻留在在ATMATM端点之中，而在端点之中，而在ATMATM交换机中只有物交换机中只有物理层和理层和ATMATM层。图层。图6-146-14表示出了这个概念。表示出了这个概念。对应于每一个对应于每一个ATMATM交换机的物理层都画了两交换机的物理层都画了两个，这表示在不同的链路可采用不同的物个，这表示在不同的链路可采用不同的物理传输媒体。理传输媒体。图图6-14 AAL6-14 AAL层只能驻留在层只能驻留在ATMATM端点之中端点之中 从图从图6-146-14我们可以看出，当孤立地观我们可以看出，当孤立地观察察ATMATM网络时，网络时，ATMATM网络就像一个广域网，网络就像一个广域网，因为它可以覆盖很大的地理范围，有自己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。因此，换机，并且向上提供虚电路服务。因此，有关有关ATMATM技术的内容可以放在广域网这一章技术的内容可以放在广域网这一章来讨论。来讨论。但是，当但是，当ATMATM网用于因特网的主干网时，网用于因特网的主干网时，那么从那么从IPIP层看，整个层看，整个ATMATM网络又相当于两个网络又相当于两个IPIP结点之间的一条数据链路。从这个角度结点之间的一条数据链路。从这个角度看，整个看，整个ATMATM网络又好像是处在数据链路层。网络又好像是处在数据链路层。这就是为什么在前面曾指出，这就是为什么在前面曾指出，ATMATM体系结构体系结构中的层次和中的层次和OSIOSI的层次很难有严格的对应关的层次很难有严格的对应关系。系。6.3.3 ATM6.3.3 ATM的逻辑连接机制的逻辑连接机制在在ATMATM中使用的虚通路是一种逻辑连中使用的虚通路是一种逻辑连接，虚通路是接，虚通路是ATMATM网络中的一个基本交换单网络中的一个基本交换单元。元。在在下下面面图图6-156-15的的例例子子中中，我我们们设设从从端端点点A A到到端端点点B B经经过过ATMATM交交换换机机X,X,Y Y和和Z Z。图图中中用用粗粗线线表表示示信信元元通通过过的的这这条条特特定定路路径径AXYZBAXYZB。图图6-15 6-15 端点端点A A通过通过ATMATM交换机交换机X,YX,Y和和Z Z与端点与端点B B建立了一条逻辑连接建立了一条逻辑连接6.4 6.4 其他广域网其他广域网 6.4.1 X.25分组交换网分组交换网 X.25X.25所讨论的都是以面向连接的虚电所讨论的都是以面向连接的虚电路服务为基础。路服务为基础。6.4.2 6.4.2 帧中继帧中继FRFR 帧帧中中继继就就是是一一种种减减少少结结点点处处理理时时间间的的技技术术。当当帧帧中中继继交交换换机机收收到到一一个个帧帧的的首首部部时时，只只要要一一查查出出帧帧的的目目的的地地址址就就立立即开始转发该帧即开始转发该帧。仅仅当当帧帧中中继继网网络络本本身身的的误误比比特特率率非非常常低时，帧中继技术才是可行的。低时，帧中继技术才是可行的。像像上上面面这这样样一一面面接接收收帧帧就就一一面面转转发发此此帧帧，就就称称为为快快速速分分组组交交换换(fast(fast packet packet switching)switching)。当当正正在在接接收收一一个个帧帧时时就就转转发发此此帧帧，通通常常被被称称为为快快速速分分组组交交换换 (fast(fast packet packet switching)switching)。快快速速分分组组交交换换在在实实现现的的技技术术上上有有两两大大类类，它它是是根根据据网网络络中中传传送送的的帧帧长长是可变的还是固定的来划分。是可变的还是固定的来划分。在在快快速速分分组组交交换换中中，当当帧帧长长为为可可变变时时就就是是帧帧中中继继；当当帧帧长长为为固固定定时时（这这时时每每一一个个帧帧叫叫做做一一个个信信元元）就就是是信信元元中中继继 (Cell(Cell Relay)Relay)，像像异异步步传传递递方方式式ATMATM就就属属于于信信元元中中继。继。帧中继的呼叫控制信令是在与用户数帧中继的呼叫控制信令是在与用户数据分开的另一个逻辑连接上传送的（即共据分开的另一个逻辑连接上传送的（即共路信令或带外信令）。帧中继的逻辑连接路信令或带外信令）。帧中继的逻辑连接的复用和交换都在第二层处理。的复用和交换都在第二层处理。帧帧中中继继网网络络向向上上提提供供面面向向连连接接的的虚虚电电路路服服务务。虚虚电电路路一一般般分分为为交交换换虚虚电电路路SVCSVC和和永永久久虚虚电电路路PVCPVC两两种种，但但帧帧中中继继网网络络通通常常为为相相隔隔较较远远的的一一些些局局域域网网提提供供链链路路层层的的永永久久虚虚电电路路服服务务。永永久久虚虚电电路路的的优优点点是是在在通通信信时可省去建立连接的过程。时可省去建立连接的过程。如果有如果有N N个路由器需要用帧中继网络个路由器需要用帧中继网络进行连接，那么就一共需要有进行连接，那么就一共需要有N N(N N 1)1)/2/2条永久虚电路。如图条永久虚电路。如图6-16(a)6-16(a)所示的例所示的例子。帧中继网络有子。帧中继网络有4 4个帧中继交换机。个帧中继交换机。当帧中继网络为其两个用户提供帧中当帧中继网络为其两个用户提供帧中继虚电路服务时，对两端的用户来说，帧继虚电路服务时，对两端的用户来说，帧中继网络所提供的虚电路就好像在这两个中继网络所提供的虚电路就好像在这两个用户之间有一条直通的专用电路，如图用户之间有一条直通的专用电路，如图6-6-16(b)16(b)所示。用户看不见帧中继网络中的所示。用户看不见帧中继网络中的帧中继交换机。帧中继交换机。图图6-16 6-16 帧中继网络提供的服务帧中继网络提供的服务 下面用简单的例子来说明帧中继网络下面用简单的例子来说明帧中继网络的工作过程。的工作过程。当用户在局域网上传送的当用户在局域网上传送的MACMAC帧传到与帧传到与帧中继网络相连接的路由器时，该路由器帧中继网络相连接的路由器时，该路由器就剥去就剥去MACMAC帧的首部，将帧的首部，将IPIP数据报交给路由数据报交给路由器的网络层。器的网络层。网网络络层层再再将将IPIP数数据据报报传传给给帧帧中中继继接接口口卡卡。帧帧中中继继接接口口卡卡把把IPIP数数据据报报封封装装到到帧帧中中继继帧帧的的信信息息字字段段中中，加加上上帧帧中中继继帧帧的的首首部部（其其中中包包括括帧帧中中继继的的标标志志字字段段和和地地址址字字段段，帧帧中中继继帧帧的的标标志志字字段段和和PPPPPP帧帧的的一一样样），进进行行CRCCRC检检验验后后，加加上上帧帧中中继继帧帧的的尾尾部部（其其中中包包含含帧帧检检验验序序列列字字段段和和标志字段），如图标志字段），如图6-176-17所示。所示。图图6-17 IP6-17 IP数据报被封装成帧中继帧数据报被封装成帧中继帧然然后后，帧帧中中继继接接口口卡卡把把封封装装好好的的帧帧通通过过向向电电信信公公司司租租来来的的专专线线发发送送给给帧帧中中继继网网络络中中的的帧帧中中继继交交换换机机。帧帧中中继继交交换换机机在在收收到到一一个个帧帧时时，就就按按地地址址字字段段中中的的虚虚电电路路号号对帧进行转发（若检查出有差错则丢弃）。对帧进行转发（若检查出有差错则丢弃）。为为了了区区分分开开不不同同的的永永久久虚虚电电路路PVCPVC，每每一一条条PVCPVC的的两两个个端端点点都都各各有有一一个个数数据据链链路路连连接接标标识识符符DLCI DLCI(Data(Data Link Link Connection Connection Identifier)Identifier)。当当帧帧中中继继帧帧被被转转发发到到虚虚电电路路的的终终点点路路由由器器时时，终终点点路路由由器器就就剥剥去去帧帧中中继继帧帧的的首首部部和和尾尾部部，加加上上局局域域网网的的首首部部和和尾尾部部，交交付付给给连连接接在在此此局局域域网网上上的的目目的的主主机机。目目的的主主机机若若发发现现有有差差错错，则则报报告告上上层层的的TCPTCP协协议议处处理理。即即使使TCPTCP协协议议对对有有错错误误的的数数据据进进行行了了重重传传，帧帧中中继继网网也也仍仍然然当当做做是是新新的的帧帧中中继继帧帧来来传传送送，而而并并不不知知道道这这里里面面是是重重传传的的数数据。据。根根据据帧帧中中继继的的特特点点，可可以以知知道道帧帧中中继继适适用用于于大大文文件件（如如高高分分辨辨率率图图像像）的的传传送送、多多个个低低速速率率线线路路的的复复用用，以以及及局局域域网网的的互互连。连。