《计算机网络教学资料》第6章.ppt

1通信网基础第 6 章 广域网*2n广域网的定义（与局域网比较）n数据报服务与虚电路服务的对比n结点交换机如何查找转发表为什么采用层次地址结构？结点交换机怎样转发分组？转发表的简化？*3异步传输模式（ATM)n异步的概念nATM的优缺点nATM交换机的结构nATM协议参考模型（每层的功能）n信元结构*4第 6 章 广域网6.1 广域网的基本概念 n6.1.1 广域网的构成n广域网的构成广域网的构成 当当主主机机之之间间的的距距离离较较远远时时，例例如如，相相隔隔几几百百公公里里，甚甚至至几几千千公公里里，局局域域网网显显然然就就无无法法完完成成主主机机之之间间的的通通信信任任务务,这这时时就就需需要要另另一一种种结结构构的的网网络络，即即广广域域网。网。广广域域网网由由一一些些结结点点交交换换机机以以及及连连接接这这些些交交换换机机的的链链路路组组成成。结结点点交交换换机机执执行行将将分分组组存存储储转转发发的的功功能能，结结点点之之间间都都是是点点对对点点连连接接，但但为为了了提提高高网网络络的的可可靠靠性性，通通常常一一个个结结点点交交换换机机往往往往与与多多个个结结点点交交换换机机相相连。连。n由由于于广广域域网网的的造造价价较较高高，一一般般都都是是由由国国家家或或较较大大的的电电信公司出资建造。信公司出资建造。*5广域网、局域网和互联网的关系n 广域网是因特网的核心部分广域网是因特网的核心部分，其任务是通过长距离传输主机所发其任务是通过长距离传输主机所发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路都是高速链路，其距离送的数据。连接广域网各结点交换机的链路都是高速链路，其距离可以是几千公里的光缆线路，也可以是几万公里的点对点卫星链路，可以是几千公里的光缆线路，也可以是几万公里的点对点卫星链路，通信容量必须足够大。通信容量必须足够大。n 广域网和局域网广域网和局域网都是互联网的重要组成构件。都是互联网的重要组成构件。相距较远的相距较远的局域网局域网通过路由器通过路由器与广域网与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的相连组成了一个覆盖范围很广的互联网互联网。*6广域网和互联网n互联网，一般不称它为广域网。因为在互联网中，不同互联网，一般不称它为广域网。因为在互联网中，不同网络的网络的“互连互连”才是其最主要的特征。互联网必须使用才是其最主要的特征。互联网必须使用路由器路由器来连接。来连接。n广域网是广域网是单个的网络单个的网络，它使用，它使用结点交换机结点交换机连接各主机连接各主机而而不是用路由器连接各网络。不是用路由器连接各网络。n结点交换机结点交换机在单个网络中转发分组，而在单个网络中转发分组，而路由器路由器在多个网在多个网络构成的互联网中转发分组。络构成的互联网中转发分组。n从互联网的角度来看，从互联网的角度来看，广域网广域网和和局域网局域网都是都是平等平等的。的。n广域网和局域网有一个共同点：连接在一个广域网或一广域网和局域网有一个共同点：连接在一个广域网或一个局域网上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其个局域网上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其网络内的网络内的物理地址物理地址即可。即可。*76.1.2 数据报和虚电路n从层次上看，广域网中的最高层就是网从层次上看，广域网中的最高层就是网络层。络层。网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类：n无连接的网络服务（数据报服务）n面向连接的网络服务（虚电路服务）。*8提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组路径可能变化网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络不保证所传送的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机 提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃 提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。*13提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1 要和 H5 通信主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。虚电路H1 向 H5 发送的所有分组都沿此虚电路传送。*14提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量 QoS(Quality of Service)有较好的保证。*17两种服务的思路来源不同 n虚电路服务的思路来源于传统的电信网。n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。n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。n可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来保证。*18数据报服务与虚电路服务之争 n让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。n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。n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。*19n网络上传送的报文长度，在很多情况下都很短。n用数据报既迅速又经济。n若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点*20n在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。n在使用虚电路的情况下，每个分组不需要携带完整的目的地址，而仅需要有个很简单的虚电路号码的标志。n这就使分组的控制信息部分的比特数减少，因而减少了额外开销。数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点*21n在使用数据报时，主机承担端到端的差错控制和流量控制。n在使用虚电路时，分组按顺序交付，网络可以负责差错控制和流量控制。数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点*22n数据报服务对军事通信有其特殊的意义。当某个结点发生故障时，后续的分组就可另选路由，因而提高了可靠性。n但在使用虚电路时，结点发生故障就必须重新建立另一条虚电路。n数据报服务还很适合于将一个分组发送到多个地址(即广播或多播)。数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点*23数据报服务和虚电路服务优缺点的归纳 对比的方面 虚电路服务 数据报服务 思路 可靠通信应当 可靠通信应当 由网络来保证 由用户主机来保证连接的建立 必须有 不要目的站地址 仅在连接建立阶段 每个分组都有 使用，每个分组使 目的站的全地址 用短的虚电路号*24数据报服务和虚电路服务优缺点的归纳 对比的方面 虚电路服务 数据报服务分组的转发 属于同一条虚电路 每个分组独立选择 的分组均按照同一 路由进行转发 路由进行转发当结点出 所有通过出故障的 故障结点可能丢失 故障时 结点的虚电路 分组，一些路由 均不能工作 可能会发生变化*25数据报服务和虚电路服务优缺点的归纳 对比的方面 虚电路服务 数据报服务分组的顺序 总是按发送顺序 到达目的站时不一定 到达目的站 按发送顺序 端到端的 由分组交换网 由用户主机负责差错处理和 负责流量控制 主机负责*266.2 广域网中的分组转发机制n“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。n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。n路由选择是构造路由表(routing table)的过程。n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。*27“转发”和“路由选择”n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。n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。n为了使讨论更简单些，可以不严格区分“转发”和“路由选择”，也不一定使用“转发表”这一名词。n在转发分组时可以不是说“查找转发表”而是说“查找路由表”。*286.2.1 在结点交换机中查找转发表1.层次结构的地址结构 n局域网采用了平面地址结构 (flat addressing)。n对局域网，这种结构非常方便。n每种广域网技术都定义了计算机所收发帧的明确格式，而且连到广域网上的每台计算机都有一个物理地址。n当发送帧时，发送的计算机必须给出目的计算机的地址。n广域网中一般都采用层次地址结构(hierarchical addressing)。*29最简单的层次结构地址举例 n用二进制数表示的主机地址划分为前后两部分。n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。n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。所连接的交换机的编号所连接的交换机端口的编号计算机在广域网中的地址2,1 2,2456745674 5 6 7交换机1交换机 2交换机31,11,33,23,3每个交换机都有两组端口。一组是和本地主机相连的低速端口，另一组是和其他交换机相连的高速端口。1231231 2 32,1 2,245674567交换机 2交换机31,13,23,3每个主机地址中后面的数字是指该交换机的低速端口主机地址3,2是指连接在交换机 3 的 2 号低速端口交换机11,3主机地址1,3是指连接在交换机 1 的 3 号低速端口1231234 5 6 71 2 32,1 2,245674567交换机 2交换机31,13,23,3这里给出结点交换机 2 中的转发表作为例子 例如，一个欲发往主机3,2的分组到达了交换机 2。交换机11,3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1,1 交换机1 1,3 交换机1 3,2 交换机3 3,3 交换机3 2,1 直接 2,2 直接这时应查找交换机 2 的转发表，找目的站为3,2的项目。4 5 6 71 2 31231232,1 2,212341234交换机 2交换机31,13,23,3目的站是3,2吗？交换机11,3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1,1 交换机1 1,3 交换机1 3,2 交换机3 3,3 交换机3 2,1 直接 2,2 直接查找转发表中的下一个项目。否1231234 5 6 71 2 32,1 2,212341234交换机 2交换机31,13,23,3目的站是3,2吗？交换机11,3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1,1 交换机1 1,3 交换机1 3,2 交换机3 3,3 交换机3 2,1 直接 2,2 直接查找转发表中的下一个项目。否1231234 5 6 71 2 32,1 2,212341234交换机 2交换机31,13,23,3目的站是3,2吗？交换机11,3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1,1 交换机1 1,3 交换机1 3,2 交换机3 3,3 交换机3 2,1 直接 2,2 直接根据转发表指出的下一跳把分组转发到交换机 3。是1231234 5 6 71 2 32,1 2,212341234交换机 2交换机31,13,23,3交换机11,3分组转发到交换机 3 后就查找交换机 3 的转发表。从转发表（此处省略了）可知不必再转发分组了，把该分组直接交付给主机3,2即可。1231234 5 6 71 2 3只要转发表中目的站一栏中的只要转发表中目的站一栏中的交换机号相同，那么查出的交换机号相同，那么查出的“下一跳下一跳”就是相同的就是相同的下一站转发技术下一站转发技术(next-hop forwarding)n一个分组交换机必须选择一条路径来转发分组，分组一个分组交换机必须选择一条路径来转发分组，分组交换机要使用分组中的目的地址。但是，一个分组交交换机要使用分组中的目的地址。但是，一个分组交换机不必保存到达所有可能目的地的完整信息，仅包换机不必保存到达所有可能目的地的完整信息，仅包含有关于分组到达目的地的下一站信息。含有关于分组到达目的地的下一站信息。n下图是下图是switch2中的下一站转发信息。中的下一站转发信息。*38源地址独立性：源地址独立性：下一站转发只依赖于分组的目的地址。下一站转发只依赖于分组的目的地址。n结结局局：计计算算机机网网络络中中的的转转发发能能够够更更紧紧凑凑和更有效和更有效n直直接接从从计计算算机机发发出出的的分分组组和和从从其其它它分分组组交交换换机机传传送送来来的的分分组组所所使使用用的的转转发发机机制制是一样的。是一样的。层次地址与路由的关系层次地址与路由的关系n使用两部分层次地址转发分组时，首先检查分组使用两部分层次地址转发分组时，首先检查分组的目的地址中与分组交换机相同的那部分。的目的地址中与分组交换机相同的那部分。n如果它与该交换机相一致，就利用第二部分地址如果它与该交换机相一致，就利用第二部分地址把分组发送到计算机。否则，利用该地址在路由把分组发送到计算机。否则，利用该地址在路由表中选择下一站。表中选择下一站。*40广域网中的路由广域网中的路由n为为了了使使广广域域网网能能正正确确地地运运行行，分分组组交交换换机机都都必必须须有有一一张张路路由由表表，并并且且都都能能转转发发分组。分组。n路由表的数据项必须符合以下条件完整的路由路由优化*41图的应用n可用图论中的“图(graph)”来表示整个广域网。n用“结点”表示广域网上的结点交换机，用连接结点与结点的“边”表示广域网中的链路。n连接在结点交换机上的主机与分组转发无关，因此在图中可以不画上。*42用图表示广域网的例子 12341结点边243*43每一个结点的转发表 1243目的站 下一跳1 直接2 33 34 3结点 1 的转发表对结点 1 的转发表的第一个项目的解释：若到达结点 1 的分组的目的地址是结点 1 上的主机，则下一跳就是直接交付而不必再转发其他结点。*44每一个结点的转发表 1243目的站 下一跳1 32 直接3 34 4结点 2 的转发表对结点 2 的转发表的第一个项目的解释：若到达结点 2 的分组的目的地址是结点 1 上的主机，则下一跳就应转发到结点 3。*456.2.2 在路由表中使用默认路由 1243目的站 下一跳1 直接2 33 34 3结点 1 的转发表这三个项目的“下一跳”都是转发到“3”（结点 3）。可以合并以结点 1 和结点 2 中的转发表为例来讨论*466.2.2 在路由表中使用默认路由 1243目的站 下一跳 1 直接默认 3结点 1 的转发表默认路由*476.2.2 在路由表中使用默认路由 1243目的站 下一跳1 32 直接3 34 4结点 2 的转发表这两个项目的“下一跳”都是转发到“3”（结点 3）。可以合并*486.2.2 在路由表中使用默认路由 1243目的站 下一跳 2 直接 4 4默认 3结点 2 的转发表默认路由使用默认路由使转发表更加简洁，可减少查找转发表的时间。*49路由表计算路由表计算n有两种方法：有两种方法：n静静态态路路由由：分分组组交交换换机机启启动动时时由由程程序序计计算和设置路由，此后路由不再改变。算和设置路由，此后路由不再改变。n动动态态路路由由：分分组组交交换换机机启启动动时时由由程程序序建建立初始路由，当网络变化时随时更新。立初始路由，当网络变化时随时更新。*50计算路由有一些计算路由有一些 算法算法nDijkstra算法算法n矢量距离算法矢量距离算法n链接状态路由算法链接状态路由算法*51n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。nB-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。n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。6.3 异步传递方式 ATM6.3.1 ATM 的基本概念*52ATM 网络路由器ATM 端点因特网主干网（ATM 网络）（ATM 网络）(a)(b)因特网主干网*53nATM 是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。nATM 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)。异步传递方式 ATM(Asynchronous Transfer Mode)*54n当用户的 ATM 信元需要传送时，就可插入到 SDH 的一个帧中。nSDH 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）。n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。“异步”的含义*55n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。nATM 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。“异步”的含义*56n选择固定长度的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。n能支持不同速率的各种业务。n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 的主要优点如下：*57nATM 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 的主要优点如下：*58nATM 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。nATM 的技术复杂且价格较高。nATM 能够直接支持的应用不多。n10 千兆以太网的问世，进一步削弱了 ATM 在因特网高速主干网领域的竞争能力。ATM 的缺点*59ATM 网络中的网络元素 nATM 端点（又称为 ATM 端系统）通过点到点链路与 ATM 交换机相连。nATM 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：n交换结构(switching fabric)n若干个高速输入端口和输出端口n必要的缓存 *60ATM 的交换结构 ATM 交换机abcdefgh交换结构输入信元输出信元*616.3.2 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ATM 适配层(AAL 层)321 ATM的层次*62nAAL(ATM Adaptation Layer)层的作用就是增强 ATM 层所提供的服务，并向上面高层提供各种不同的服务。(1)ATM 适配层 AAL ATM 层物理层ATM 适配层(AAL 层)321 ATM的层次*63AAL 层将 48 字节长的数据块交给 ATM 层，加上 5 字节的首部后变成 53 字节的信元 话音信号A/DAAL 层ATM 层48 字节数据块数字化的采样信号53 字节信元数据信号长度可变的突发数据分组AAL 层48 字节数据块ATM 层53 字节信元视频信号A/D图像帧 压缩的编码信号AAL 层48 字节数据块ATM 层53 字节信元*64(2)ATM 层n主要完成交换和复用功能，与传送 ATM 信元的物理媒体或物理层无关。ATM 层物理层ATM 适配层(AAL 层)321 ATM的层次*65VCI 与 VPI（VPI 包含 VCI）nATM 连接用信元首部中的两级标号来识别。n虚通路标识 VCI(Virtual Channel Identifier)n虚通道标识符 VPI(Virtual Path Identifier)传输链路虚通道 VPxVPzVPyVCxVCxVCyVCzVCzVCyVCyVCx虚通路*66VCI 与 VPI（VPI 包含 VCI）n一个虚通路 VC 是在两个或两个以上的端点之间的一个运送 ATM 信元的通信通路。n一个虚通道 VP 包含有许多相同端点的虚通路 VC，而这许多 VC 都使用同一个 VPI。传输链路虚通道 VPxVPzVPyVCxVCxVCyVCzVCzVCyVCyVCx虚通路*67VCI 与 VPI（VPI 包含 VCI）n在一个给定的接口，复用在一条链路上的许多不同的 VP，用它们的 VPI 来识别。n复用在一个 VP 中的不同的 VC，用它们的 VCI 来识别。传输链路虚通道 VPxVPzVPyVCxVCxVCyVCzVCzVCyVCyVCx虚通路*68VCI 与 VPI（VPI 包含 VCI）n一个给定的 VCI 值没有端到端的意义。nVP 在经过集中器或交换机时，其 VPI 也会改变。传输链路虚通道 VPxVPzVPyVCxVCxVCyVCzVCzVCyVCyVCx虚通路*69n信元的复用与分用n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）n信元首部的产生与提取n流量控制ATM 层的功能*70(3)物理层 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。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。)ATM 层物理层ATM 适配层(AAL 层)321 ATM的层次*71ATM 层和 AAL 层n在 ATM 交换机中只有物理层和 ATM 层。ATM 端点AAL层IP 层物理层ATM层AAL层IP 层物理层ATM层ATM 网络ATM 网络交换机交换机ATM 层物理层物理层物理层ATM 层物理层ATM 端点*72ATM 层和 AAL 层nAAL 层只能驻留在 ATM 端点之中。交换机交换机ATM 网络ATM 网络ATM 层物理层物理层物理层ATM 层物理层IP 层物理层ATM层IP 层物理层ATM层ATM 端点AAL层AAL层ATM 端点*73ATM 在哪一层？n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。n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。n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。*746.3.3 ATM 的逻辑连接机制n在 ATM 中使用的虚通路是一种逻辑连接。n虚通路是 ATM 网络中的基本交换单元。n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。*75VCI 和 VPI 的转换 nATM 信元在 ATM 网络中传输时，一定是在某个特定的虚连接上按序传送的。nATM 信元的首部一定要有这个虚连接的标识符 VPI/VCI，以便唯一地标识该信元属于哪一个虚通路。n所有的 VPI/VCI 值只在每一段物理链路上具有唯一的值。n每经过一段链路，信元的 VPI/VCI 值都可能改变数值。*76ATM 网络AB交换机 X交换机 Y交换机 Z12123234341 入 入 出 出端口 VPI/VCI 端口 VPI/VCI 4 3/17 2 9/35 交换机 X 的 VPI/VCI 转换表 交换机 Y 的 VPI/VCI 转换表 交换机 Z 的 VPI/VCI 转换表 入 入 出 出端口 VPI/VCI 端口 VPI/VCI 1 9/35 4 6/35 入 入 出 出端口 VPI/VCI 端口 VPI/VCI 4 6/35 2 42/55端点 A 通过 ATM 交换机 X,Y 和 Z 与端点 B 建立了一条逻辑连接 VPI=3VCI=17ATM 信元VPI=9VCI=35VPI=6VCI=8VPI=42VCI=55