第三章 计算机网络的通信子网

1. 第三章 计算机网络的通信子网 本章要求： • 掌握通信子网的组成 • 掌握数据通信中的一些基本概念 • 掌握网络互连的基本技术和设备 • 掌握TCP/IP协议的主要内容 • 了解新的网络技术与通信网络的发展方向

2. 3-1 通信子网概述 • 通信子网（communication subnet），简称子网 是由用作信息交换的节点计算机和通信线路组成的独立的通信系统，它承担全网的数据传输、转接、加工和交换等通信处理工作。 • 通信子网与高层及应用分离的原则： 将网络的纯粹通信部分和应用部分分开，简化了网络设计。 如图所示。 • INTERNET以TCP/IP协议为核心 IP协议为各种不同的通信子网层或局域网提供一个统一的互连平台。 TCP协议用来为应用程序提供端到端的通信和控制功能。

3. 通信子网和应用子网与ISO层次模型的对应关系 应用子网 通信子网

4. 3-2 数据通信基本知识 3-2-1 信道带宽与信道容量 • 信道： 是通信双方之间以传输介质为基础传递信号的通路。 • 信道带宽 ：一个物理信道内可以传输频率的范围。 也可理解为“信道两端的发送接收设备能够改变比特信号的最大速率”，用Hz（赫兹）表示。 如某信道带宽为3000Hz，表示该信道最多可以以每秒3000次的速率发送信号。 • 信道容量：即“信道的极限信息传输速率”，指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用bps（比特/秒）表示。

5. 信道容量与信道带宽的关系： 增加信道带宽虽然可以增加信道容量，但在某些情况下，带宽的无限增加并不可能使信道容量无限增大。香农公式指出了信道容量与信道带宽的关系： C=W log 2 (1+S/N) bps 其中，C为信道容量，W为信道带宽，S为信号功率，N为噪声功率。 当N0，信道容量C无穷大，有限带宽无噪声信道信道数据速率完全由带宽决定。

6. 数据速率与信道带宽的关系：奈奎斯特给出有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率的表达式：数据速率与信道带宽的关系：奈奎斯特给出有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率的表达式： D=2W log 2K (bps)其中，D为信道最大数据传输速率，K为传输系统中所使用的逻辑值数。信道容量是该信道的最大传输能力，而数据速率则是对信道实际应用时的传输速度衡量。 • 波特率：又称“波形速率”，它是数据传输过程中在信道上每秒钟传送的离散信号事件（信号波形）个数，其单位是“波特”（Baud）。数字信道的最高波形传输速率=2W波特 （W为带宽） • 比特率：又称“信息速率”，它是数据传输系统每秒内所传送的信息量的多少，其单位是“比特/秒”（b/s）。信息速率直接与波形速率和一个波形所携带的信息量有关。 比特率 = 波特率 * log 2K K＝2时，波特率相当于比特率；采用多进制调制体制时，比特率为波特率的倍数。

7. 3-2-2 信道复用 • 信道复用的目的： 信道复用是让不同的计算机接到相同的信道上，共享信道资源。目的就是提高信道资源利用率。 • 信道复用技术的基本原则： 不同信息源产生的信息的速率之和应小于主信道容量，否则就不能实现无误传输。 • 信道复用技术： 频分多路复用、时分多路复用、 波分多路复用、码分多路复用。 • 三种信道连接方式： 点到点连接、共享信道、信道复用。

8. 3-2-3 异步通信和基带传输 • 异步与同步通信 异步通信是指发送方和接受方之间不需要严格的定时关系，适合于并不是经常有大量数据传送的设备。 同步通信要求发送和接收数据的双方有严格的定时关系。它是一个发送者和接收者之间互相制约、互相通信的过程。 • 基带和宽带传输 未经调制的电脉冲呈现方波形式，称为“基带信号” 。 传输距离较近时，一般采用基带传输方式；远程传输中，必须将它们经过高频调制后才能在信道中进行传输，称为数字基带信号的载波传输或宽带传输。 • 编码方式 RS－232异步串行ASCII码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

9. 3-2-4 调制解调器 • 一对Modem是远程通信所需的，每个Modem包含独立的线路发送和接收数字数据。发送数据时，Modem发出连续载波，并根据待发送数据的各位去调制载波； 接收数据时，它检测到达的载波中的调制信息，并据此重建数据的各位。 • 4线MODEM ： 在两个线路专线环境下所使用的Modem被称为4线Modem。每个Modem的调制器连向另一个Modem的解调器，每一个连接需要两根导线。 • 2线MODEM：协调发送的Modem被称为2线Modem。为彼此协调，一对2线Modem在同一对线上收发。 一个Modem发送数据后，再由另一个Modem发送。这种协调机制是自动完成的，对用户是透明的。

10. 3-3局域网（LAN）技术 3-3-1 局域网的基本概念 • 局域网就是一个通信系统，它在一定的地理区域内可使多个相互独立的设备在同一共享的介质上以一定的速率进行通信，以便共享资源和交换信息。这些设备包括网络设备、计算机、终端、外设、传感器、电话机等。 • 主要特点是： • 覆盖10m-10Km的地理范围，地理范围和站点数目均有限。 • 所有的站点共享较高的总带宽，有较高的数据传输速率 。 • 局域网具有较小的时延和较低的误码率。 • 可以连接几百个独立设备，各设备平等的访问网络资源。 • 能进行广播或多播(又称为组播) 。 • 局域网技术的三要素 拓扑结构、传输介质和介质访问控制技术。

11. 局域网的基本拓扑结构 星型、环型、总线型 • 局域网的共享信道 允许多台计算机共享通信介质的网络被用于局域通信； 点到点连接被用于长距离网络和一些特殊情况。 • 两种广播式的局域网 • 以太网IEEE802.3标准，速度为10Mb/s或 100Mbps。 • 令牌环网IEEE802.5标准，速度为4Mbps或16Mbps。

12. 3-3-2 局域网的参考模型

13. LAN体系结构 物理层：信号的编码/译码；比特的传输与接收；提取时钟； 载波检测等。 MAC子层：与接入各种传输媒体有关的问题都放在此层。 具体管理通信实体接入信道而建立数据链路的控制过程。将上一层交下来的数据封装成“帧”进行发送（接收时进行相反的过程，拆卸“帧”）；实现和维护MAC协议；在物理层的基础上进行无差错的通信（比特差错检测）；寻址等。 MAC子层协议与网络拓扑形式及传输介质的类型直接有关，其主要作用是介质接入控制和对信道资源的分配。

14. 高层数据 网络层以上 用户数据 LLC子层 LLC PDU LLC首部 LLC数据 MAC首部MAC数据 MAC尾部 MAC子层 MAC帧 LLC PDU与MAC帧的关系 LLC子层：数据链路层中与媒体接入无关的部分集中在此层。 建立和释放数据链路层的逻辑连接（以复用的形式建立“多点-多点”之间的数据通信连接）； 提供与高层的接口（提供一个或多个服务访问点）； 差错控制； 给“帧”加上序号等。

15. IEEE 802标准之间的关系 所有的高层协议要和局域网的MAC层交换信息，必须通过IEEE802.2规定的LLC层进行链接。

16. 共享总线10Mb/s A B C D 3-3-3 总线网络实例 - 以太网 • 以太网是应用最广泛的一类局域网，属于基带总线局域网。以无源电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太网（Ethernet）来命名，IEEE控制以太网标准（802.3）。 • 数据传送方式：发送的计算机传送调制过的载波，载波信号从发送计算机向共享电缆的两端传播。在帧的传送过程中发送计算机独占使用整个电缆，其他计算机必须等待。 • 以太网硬件运行在10Mbps带宽上，快速以太网的新版本运行在100Mbps带宽上。

17. 介质访问控制技术： • 载波侦听多路访问（CSMA） • 检测载波叫做载波侦听，用信号的存在性来确定何时传输的想法叫做载波侦听多路访问. • 载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD） • 以太网的核心技术是采用CSMA/CD通信控制机制。 • 计算机在传输数据帧以前要等待以太网空闲。 • 如果两台计算机同时检测到线路空闲，冲突就会发生。 • 计算机采用二进制指数退避算法来选择哪台计算机进行传输，即每次冲突后的随机延迟的范围加倍。 • 指数退避保证了在几次冲突后电缆的竞争将会降低，这样以太网能在冲突后迅速恢复。

18. 3-3-4 环型网络实例 – IBM令牌环 • 数据传送方式：令牌环运行在共享介质上。当一台计算机需要发送数据之前必须等待许可。一旦它得到许可，发送计算机完全控制令牌环。当发送计算机传输帧时，比特流从发送计算机向下一个计算机传送，再向下一台传送，直至比特流完全在整个环上发送并传回发送计算机。其中，目的站点转发比特流的同时复制一个副本。 • 介质访问控制技术：令牌环硬件在所有计算机中协调来保证许可按顺序传送给每一个计算机，其中使用一种 “令牌”的特殊的报文。在任何时刻，环上只有一个令牌。为了发送数据，计算机必须等待令牌到来，然后传输一帧，再向下一台计算机传输令牌。当没有计算机要发送数据时，令牌以高速在环上循环。 • Token Ring 代表IBM的这种技术， IBM的令牌环运行速度为16Mbps。令牌环采用IEEE802.5标准。

19. 正常情况 MAC实体逻辑连接 站点出故障 3-3-5 环型网络实例 – FDDI • 光纤分布式数据接口FDDI是一个使用光纤作为传输媒体的令牌环形网。 数据速率为100Mb/s。 • FDDI利用多模光纤进行传输，由两个光纤链路环构成双环结构，并具有断环重构能力。（内层环除了故障外不用）

21. 3-3-6 虚拟局域网 VLAN • 虚拟局域网是利用交换技术实现的一种局域网。Switch 技术工作在第2层，交换速率快，价格低。交换设备包括：以太网交换机、ATM交换机、宽带路由器等。 • 虚拟LAN为解决网络风暴的问题而产生。通过软件将网络站点划分为多个逻辑组。网络包的广播只局限在同一的逻辑组中。它为系统用户的移动、修改、增加等操作提供了极大的方便，减少了网络维护的难度和费用。 • 虚拟LAN可跨越不同物理网段和网络类型，如 Ethernet , Token-Ring、100base-T及FDDI等。 • 虚拟局域网的分类：基于端口的VLAN、基于MAC地址的VLAN 、基于第三层的VLAN 、基于策略的VLAN。 • IEEE 802.1Q是IEEE 802委员会制定的VLAN标准。

22. 虚拟工作组1 HUB 交换机 HUB 虚拟工作组2

23. 3-3-7 交换机 • 当网络因经常堵塞而影响速度，但又拿不出大量资金从物理性能上增加带宽时的解决方案就是：采用以太网交换。 • 以太网交换机可以把较大的通信密集的网络分解为较小的、易于控制的子网。交换机使单个设备或设备群“拥有”其固有的、直接连接至高速交换机的专用的10/100Mbps分段，然后再实现分段间通信。 • 交换机减少从一个分段到另一个分段的不必要的网络信息流，或在跨分段通信时交换机使帧只经过含源主机和目标主机的分段。 • 交换机限制数据流于局部分段，只在帧的目标主机位于其它分段时才进行跨段传输，此时交换机检查目的地址，将所需帧仅发往目的分段， • 交换机不是成为多个分段的被动连接，交换机的工作可以确保网络通信经过尽可能少的分段数。 • 交换机与同类网络设备相区别的三个重要因素： 1、速度更快；2、电子逻辑更智能；3、端口数更多

24. 静态交换与动态交换 动态交换中维护了一张将各个端点与它们连接的专用端口的表，并能进行更新，以保持交换机有关节点/端口连接的信息不过时，从而允许交换机使帧迅速到达正确分段。 • 分段交换与端口交换 分段交换能在每个端口处理来自整个网络分段的通信，以便用更少的交换机/物理端口连接更多的工作站和分段。 端口交换为适应每个物理端口上的单个设备设计，每个工作站、服务器及设备能有自己专用的10Mbps或100Mbps的通路连至网络。 • 直接交换与存储转发交换 直接交换允许更早地发送分组，从而加速网络通信。（即在全部接收完分组前，或交换机刚能决定目的地址时便将帧发往目的来实现）。存储转发交换一直等到交换机接收了整个分组，然后才将其发往目的地。这就使交换机可验证分组的CRC并去除可能的错误传输。 • 交换机的互连

27. 3-4城域网（MAN） • MAN的概念：可以看成是一种大型的LAN，使用与LAN 相似的技术，覆盖10Km - 100Km的地理范围。MAN可以支持数据和声音，并且可能涉及到 当地的有线电视网CATV。 • MAN使用了广播式介质（一条或两条电缆），所有的计算机或网络都连接在上面，并且不包括交换单元。 • MAN的标准 IEEE 802.6 ：分布式队列双路总线DQDB 。两条平行的单向总线穿绕于整个城市，站点同时连接于两条总线上。每条总线都有一个首端，由它启动传输活动。 在802.6中，站点按照准备好发送的顺序进行排队，并按照FIFO( First In first Out )先进先出的原则进行发送。 • CATV网络：CATV有300MHz以上的带宽。采用多个同轴电缆宽带调制解调器把电视电缆的带宽分割成多个子频带，每个子频带可传输各自独立的信息。以此宽带传输技术为基础可建立起宽带城域局域网。

28. 综合业务数字网（ ISDN） • ISDN综合业务数据网是由电话综合数字网IDN演变而成的，提供端到端的数字连接，以支持一系列语音、数据、文字和图像的综合业务。它为用户进网提供一组有限的标准的网络接口。不同业务的终端可以经过同一个接口接入网络。 • ISDN的中心思想是数字比特管道。比特能在管道中双向流动。ISDN数字比特管道通过对比特流的时分多路复用来支持多个独立的信道。共有7种标准化的信道。 • 窄带N-ISDN两种不同速率的标准接口（两种接口都可以采用双绞线作为传输媒体） • 基本速率接口：2B+D，速率为144Kb/s。 • B为64Kbps数字 PCM信道，用于语音或数字， • D为16Kbps数字信道，用于带外信令。 • 主速率接口： 30B+D， 23B+D，

29. 顾客的装备 电信公司的装备 基本速率接口 ISDN 电话 ISDN 终端 ISDN 报警器 数字 比特管道 T U ISDN 交换机 至电信 公司的 内部网 NT1 电信公司办公室 顾客办公室 家庭用的ISDN系统例子

30. 宽带B-ISDN和ATM • 宽带ISDN是一个数字虚电路，以155Mbps的速率把固定大小的信元从源端传送到目的地。 • 宽带ISDN的起点基于ATM技术，是基于分组交换技术的。原先PSTN中的空分和时分交换机不能用于分组交换。 • 宽带ISDN不能在现有的双绞线上传送，取而代之的是 5类双绞线或光纤。 • 宽带ISDN能够承载的业务很宽，除了一般的话音、数据和可视业务外，更重要的是实时可视交互业务（电视会议、点播电视等）高清晰度电视、高保真度音响和多媒体业务等。

31. 3-5广域网（WAN） • WAN的概念：是覆盖范围较广的数据通信网络。它常利用公共网络系统提供的便利条件进行传输，可以分布在一个城市、一个国家乃至全球范围。 • 路由选择和异构网互连技术是广域网技术的重要组成部分。 • 从层次上看，局域网和广域网主要区别是：局域网使用的协议主要在数据链路层，而广域网使用的协议主要在网络层。 • 广域网一般由主机和通信子网组成。广域网中一般由公共网络充当通信子网，目前有电话交换网PSTN、分组数据交换网X.25、帧中继网FR、数字数据网DDN等。

32. 3-5-1 广域网中的路由 • 路由选择是网络中所有结点共同协调工作的结果。 对于简单网络很容易写出所有结点的路由表，通过分组查找路由表找到下一站进行转发。对于大型广域网，必须使用合适的路由算法。 • 按网络通信量或拓扑结构自适应调整能力来划分，路由算法可分为两类： • 静态路由：分组交换机启动时由程序计算而后设定路由，此后路由不再改变等。 • 动态路由：分组交换机启动时由程序设置初始路由，当网络变化时随时更新。

33. 1 2 3 4

34. X.25接口 X.25接口 X.25接口 X.25 分组交换网 DCE DTE DCE DTE DCE DTE 3-5-2 X.25网（公共分组交换网） • 公共数据网PDN是在一个国家或地区内提供公共数据通信网络资源的广域网络系统。为了使用户设备经 PDN的连接能标准化，ITU-T制定了X.25规程，定义了用户设备和网络设备之间的接口标准。习惯上称PDN为X.25网。 • X.25网主要由分组交换机、用户接入设备和传输线路组成。

35. LAPB帧 标志 地址 控制 数据（可变） FCS 标志 X.25协议按其功能分为三个层次： （1）物理层：接口标准采用X.21建议书。 （2）链路层：采用的标准是LAPB规程（平衡型链路接入规程），为 DTE / DCE 链路上定义了帧格式。 LAPB仅适用于点到点连接的场合。 （3）分组层：是X.25建议的核心，规定了关于虚电路(VC)的建立、释放过程以及分组的格式、分组传输控制过程、流控和异常情况的处理与恢复等。X.25是以虚电路服务为基础。

36. 3-5-3 帧中继 • 帧中继协议对 X.25协议作了简化和改进，省略了X.25的分组层，以链路层的帧为基础实现多条逻辑链路的统计复用和转换，所以称为“帧中继”。 帧中继协议运行在OSI参考模型的物理层和数据链路层。 • 帧中继与X.25的不同 • X.25在分组层对报文进行分组和重装，对相邻节点间都要有确认和重发，因而消耗大量网络资源，增加了时延；帧中继避免了分组层的报文分组和重组的消耗，而且帧长度是可变的，没有分组层的固定组长度的限制，从而保证了网络的吞吐量。 • X.25网是确认型的网络，帧中继是非确认型的网络。帧中继只在源节点和目的节点之间进行确认和重发，在网络接口及各相邻节点间不负责确认和重发，只进行检错，有错就简单的将它抛弃。

37. LAPB帧 标志 地址 控制 数据（可变） FCS 标志 • 帧中继的帧格式 帧中继的帧格式，与LAPB帧的格式很类似，主要区别是没有控制字段，现在一般都叫为LAPE帧。 LAPE帧 标志 地址 数据（可变） FCS 标志 LAPB帧内所含的 FCS校验字段采用循环冗余进行检错，具有确认应答机制，保证帧序列的无差错传输。 帧中继网不提供纠正错误的机制，在帧中虽然含有FCS字段，但仅仅是检测错误。

38. 3-5-4 数字数据网 • 数字数据网DDN（digital data network），它利用光纤、微波或卫星等数字传输通道提供永久性电路，以传输数据信号为主，为用户提供专用的高质量的数据传输通道，传送各种数据业务，为用户建立自己的专用数据网提供条件。 • 数字数据网（DDN)是由光纤数字电路和数字交叉连接设备组成为用户提供高质量的数据专线出租业务，速率范围64kb/s至2Mb/s，可支持数据、图像、话音等多媒体业务。 它的特点是： • 同步数据传输，不具备交换功能。 • 传输速率高，网络时延小； • 全透明网，支持任何规程； • 网络运行管理简便。

39. DDN适用于远程局域网间的固定连接，租用费用高。 DDN适用于远程局域网间的固定连接，租用费用高。 • 高投入，高回报。速度快、通信质量有保证，不会出现拨号常见的占线、掉线情况，信誉好。 • 采用DDN，网络设备需要路由器、NTU、基带MODEM。这两种设备的价格都比较昂贵，且专线租用费高。 • 根据需要选择不同业务：点对点、点对多点专用电路、广播、轮询等。

40. 3-5-5 ATM技术 • ATM即异步传输模式，它是B-ISDN（宽带综合服务数字网）的底层传输技术。是建立在线路交换和分组交换的基础上的新的交换技术。 • ATM网络的基本思路是把数据分割成固定长度的信元来传输。 • ATM的统计异步时分复用：根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求的情况下，在各个业务之间动态的分配网络带宽，以达到最佳的资源利用率。多条数据连接根据他们不同的传输特性复用到一条链路上，且在一个以上数据连接有数据传输时才被分配时隙进行传输，无数据传输时不占用带宽。

41. ATM的技术特点： • 选择固定长度53字节的信元作为传输单位。信元的长度固定，信元头5个字节又非常简单，这使得ATM网络可以用硬件来实现信元的快速转发。 • ATM 网络是星型拓扑结构。 ATM端点通过点到点的链路与ATM交换机相连，每个ATM端系统接口基本的发送速率为155Mbps。ATM交换机是一个快速分组交换机。 • ATM是定义在光纤媒体上的传输方式。 • ATM是面向连接、通过建立虚电路进行数据传输。 • ATM采用统计异步时分复用。 • ATM提供多种服务类型。

42. ATM骨架型ATM-LAN网络

43. ATM集线器构型ATM-LAN网络

44. ATM的中的虚连接 • ATM是通过建立虚电路进行数据传输。 • 虚连接的建立过程：ATM网络发送一个建立连接的请求，接收端接到该请求并同意建立连接后，虚连接上所有中继交换机中都会建立连接映象表。虚连接用VPI / VCI（虚路径/虚信道的标识符）来标识。 • ATM中的虚连接有两个层次： • 虚信道连接(VCC)：是一条单向ATM信元传输信道，是连接的基本形式，虚信道端到端的连接由VCI和VPI值共同标识。 • 虚路径连接(VPC)：将成束的虚信道作为一个单元一起交换。一般用于两地之间的大量的数据传输。 • 虚信道与虚路径都是单向的。

45. 物理线路与虚路径VP、虚信道VC关系如图所示。物理线路与虚路径VP、虚信道VC关系如图所示。 • ATM中的虚连接可分为两种形式： • 永久虚连接(PVC)：由网络管理等外部机制建立的虚拟连接，该连接在网络中一直存在。 • 交换虚连接(SVC)：在进行数据传输之前通过协议自动建立的，数据传输之后便被拆除。

46. ATM网络与传统局域网 • 传统局域网以非连接方式传输数据，ATM采用面向连接的点对点的信道复用方式传输数据。 • 传统局域网是共享媒体的，易实现广播或组播通信；ATM本质上是一种点到点服务，广播或组播通信需采用较复杂的技术实现。 • 传统局域网以不定长度帧为单位传输数据，ATM采用固定长度（53字节）信元。 • 以太网上的MAC地址与网络拓扑结构无关，而ATM地址由网络分配决定。

47. ATM上的局域网仿真LANE ( LAN Emulation ) • 局域网仿真就是在ATM网上模拟传统局域网的一些特性，在ATM网上构造新的局域网(ELAN)，让ATM上的设备和传统局域网上设备能够透明通信。 • LANE协议最基本的功能：将MAC地址解析为ATM地址。通过这种地址映射，完成ATM的MAC桥接协议，从而使ATM交换机更好地完成LAN交换机的功能，确保ELAN 站点之间能够建立连接并传输数据。 • 在使用局域网仿真时，一个大的ATM网络被划分为多个逻辑子网，每个子网为一个ELAN。对一个ELAN（逻辑组），广播消息只在这个组内传播。不同的仿真局域网之间的通信仍然要通过路由器。

48. MPOA技术 • MPOA技术是一种在ATM网络上使用的路由机制。使用MPOA技术，可以解决在ATM网络上的路由器瓶颈的问题。 • MPOA在进行通信的源端和目的端之间建立直接的ATM连接，把路由器从传输路径中短路掉，本质上就是把一个数据流直接映射到ATM的VC连接上。MPOA也可以在ATM网上支持多种互连协议。 • MPOA是综合了LANE技术、传统的路由器等技术而形成的新技术。

49. 各种服务简单比较

50. 3-6网际互联技术（IP） 选择互连设备的原则： （1）在满足服务功能的前提下，互连实现层尽可能选在较低的层次上，以便简化网关设备和提高网关运行效率； （2）如果互连实现层是第N层，那么包括第N层在内的以上各功能层必须完全相同，才能实现网络互连和互通；而包括第N-1层在内的以下各功能层可以完全不同，以便容许连接更多的不同类型的独立子网； （3）LAN-LAN间互连层多选择在物理层和数据链路层，分别采用转发器和桥接器作为互连设备；LAN-WAN间和WAN-WAN间互连层多选择在网络层，采用路由器作为互连设备；应用层网关仅用于一些特殊情况。 网络互连的复杂程度取决于互连的网络的帧、分组、报文和协议的差异程度。