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第 5 章　广域网

第 5 章　广域网. 基本内容. 广域网的基本概念，虚电路与数据报，广域网中的分组转发机制，路由原理与路由算法，拥塞控制原理， X.25 网，帧中继 FR ，异步传递方式 ATM 。. 重点掌握. 广域网中的分组转发机制 路由原理与路由算法 拥塞控制原理、 帧中继 FR. 5.1 广域网的基本概念. 5.1.1 　广域网的构成 5.1.2 　数据报和虚电路. 5.1.1 　广域网的构成. 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 结点交换机执行将分组存储转发的功能。结点之间都是 点到点连接 ，一个结点交换机通常和若干个结点交换机相连

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第 5 章　广域网

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  1. 第5章　广域网 基本内容 广域网的基本概念，虚电路与数据报，广域网中的分组转发机制，路由原理与路由算法，拥塞控制原理，X.25网，帧中继FR，异步传递方式ATM。 重点掌握 • 广域网中的分组转发机制 • 路由原理与路由算法 • 拥塞控制原理、 • 帧中继FR

  2. 5.1 广域网的基本概念 • 5.1.1　广域网的构成 • 5.1.2　数据报和虚电路

  3. 5.1.1　广域网的构成 • 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 • 结点交换机执行将分组存储转发的功能。结点之间都是点到点连接，一个结点交换机通常和若干个结点交换机相连 • 广域网中的最高层是网络层。 • 网络层服务的具体实现是数据报和虚电路的服务 • 数据报服务的特点：不可靠的服务 • 虚电路服务的特点：可靠的服务，服务质量有较好的保证

  4. 5.1.2　虚电路和数据报 • 虚电路服务 • 在传送数据之前，首先通过虚呼叫建立一条虚电路 • 所有分组沿同一条路径传送，并且按发出顺序到达 • 类似电路交换 • 建立连接之后，分组中只需要携带连接标识 • 可以在建立连接时协商参数、QoS、开销等 • 数据报 • 每个分组单独传送 • 网络为每个分组单独选路，路径可能不同 • 分组达到顺序可能与发出顺序不同 • 分组中需要携带完整的目的地址

  5. 1.1 1.2 1.3 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.3 2.2 2.1 4 2 1 3 5 虚电路 B A C vc1 B • vc1: A--1--2--4--B • vc2: A--1--3--5--C A vc2 C

  6. B.1 B.2 B.3 B.1 B.2 B.3 C.1 C.2 C.3 C.3 C.2 C.1 B.2 B.3 4 2 C.1 1 B.1 3 5 C.2 C.3 数据报 B A C B A C

  7. 虚电路与数据报的比较 虚电路 数据报 是否需要建立连接 不需要 需要 分组中的目的地址 完整地址 VC标识 只需一个很简单 的路由表 要为每个虚电路 保存一个路由表 路由器中的路由表 每个分组独立选路， 路由可能不同 在VC建立时选路， 所有分组路由相同 选路 所有经过该路由器 的VC都将终止 路由器故障的影响 几乎不受影响 拥塞控制 很难实现 易于实现 差错控制和流量控制 由主机负责 由子网负责

  8. 虚电路的路由表 路由表在建立虚电路（虚呼叫）时确定。分组在传送时只需携带虚电路号，虚电路号只具有本地意义，根据虚电路建立顺序由各主机、各结点自主排序，入出口号不一定相同。 数据报的路由表 每个分组都需要携带完整的目的地址。每个结点保存一个到网内其他结点的输出线选择表 H2 H3 结点A的路由表 目的站 输出线 B C B 1 1 C 2 H1 A D 1 D H4 2 E 2 E H5 权衡：(1) 路由器内存与带宽 (2) 虚呼叫时间与地址分析时间

  9. 虚电路路由表建立过程示例 H2 H3 B 入口 出口 D 入口 出口 B C A 0 E 0 B 0 H4 0 A 1 D 0 H1 A B 1 E 0 D H4 3 H2 0 D 1 E E 0 H4 1 A 2 C 0 A 入口 出口 C 0 H4 2 H5 H1 0 B 0 1 依次建立5条VC： VC1：A--B--E VC2：A--B--D VC3：B--D--E VC4：C--E--D VC5：A--B--C--D 2 H1 1 B 1 C 入口 出口 E 入口 出口 5 H1 2 B 2 H3 0 E 0 B 0 H5 0 4 B 0 D 0 D 0 H5 1 C 0 D 0

  10. 5.2　广域网中的分组转发机制 • 转发：当交换节点收到分组后，根据其目的地址查找转发表，并找出应从节点的哪一个接口将该分组发送出去 • 路由选择：构造路由表的过程。 • 路由表根据一定的路由选择算法得到的。 • 转发表根据路由表构造出的。 • 路由选择协议负责搜索分组从某个节点到目的节点的最佳传输路由，以便构造路由表。分组是通过转发表进行转发的。

  11. 5.2.1　路由器的功能 • 网络互联的机制是：IP数据包的路由选择 ，路由属于IP层的功能 • 对于不同规模的网络，路由器所起的作用的侧重点有所不同。 --在主干网上，路由器的主要作用是路由选择。 --在地区网中，路由器的主要作用是网络连接和路由选择 --在园区网内部，路由器的主要作用是分隔子网。

  12. 5.2.2　路由表 • 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： ---目的IP地址。 ---下一站（下一跳）路由器的IP地址，或者是直接连接　的网络IP地址。 ---标志。 ---为数据报的传输指定一个网络接口。

  13. 举例 红旗Linux下用netstat –r显示的静态路由表的主要(部分)信息如下： 其中标志Flag有5种取值： U 该路由器可以使用。 G该路由是到一个网关（路由器）；如果没有该标志表示目的地是直接相连的。 H该路由是到一个主机，这时目的地址是一个完整的主机地址；如果没有该标志，说明该标志是到一个网络，目的地址是一个网络地址：一个网络号，或者网络号与子网号的组合。 D该路由是由改变路由（Rediret）报文创建的。 M该路由已被改变路由报文修改。

  14. 5.2.3　路由选择算法 • 路由算法决定路由选择是如何做出的。 • IP路由选择是各路由器独立做出的决定，是逐跳（hop-by-hop）进行的。 • 所有的IP路由选择只是为数据报传输提供下一站路由器的IP地址。 • 有一个默认的假定：下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的地。

  15. 路由选择算法 • 路由算法有多种，一般地，按如下步骤进行IP路由选择： • 搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配）。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值） 。 • 搜索路由表，寻找能与目的网络号相匹配的表目。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）。目的网络上的所有主机都可以通过这个表目来处理。 • 搜索路由表，寻找标为“默认”（Default）的表目 。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器。 • 若上述步骤没成功，则该数据报就不能被传送。 “主机不可达”或“网络不可达”。 • 为网络指定路由器，而非为主机指定路由器，这是IP路由选择机制的另一个基本特性。这样做可以极大地缩小路由表的规模。

  16. IP数据报: 223.1.1.1 223.1.2.1 E B A 223.1.1.2 223.1.2.9 223.1.1.4 223.1.2.2 223.1.3.27 223.1.1.3 misc 字段 源端 IP地址 目的 IP地址 数据 223.1.3.2 223.1.3.1 目的网络. 下一个路由器 跳数 223.1.1 1 223.1.2 223.1.1.4 2 223.1.3 223.1.1.4 2 举例：从源端到目的端传输数据报 主机A的路由表 • 数据报在从源到目的地传输过程中保持不变

  17. 223.1.1.1 223.1.2.1 A E B 223.1.1.2 223.1.2.9 223.1.1.4 223.1.2.2 223.1.3.27 223.1.1.3 223.1.3.2 223.1.3.1 目的网络. 下一个路由器 跳数 223.1.1 1 223.1.2 223.1.1.4 2 223.1.3 223.1.1.4 2 从源端到目的端传输数据报 misc 字段 数据 223.1.1.1 223.1.1.3 从A出发，将IP数据报送给B: • 寻找B的网络地址 • 发现B和A有相同的网络地址 • 链路层直接将数据报放在链路层帧中发送给B • B和A是直接相连的

  18. 223.1.1.1 223.1.2.1 A E B 223.1.1.2 223.1.2.9 223.1.1.4 223.1.2.2 223.1.3.27 223.1.1.3 223.1.3.2 223.1.3.1 目的网络. 下一个路由器 跳数 223.1.1 1 223.1.2 223.1.1.4 2 223.1.3 223.1.1.4 2 从源端到目的端传输数据报 misc 字段 数据 223.1.1.1 223.1.2.3 数据报从A出发,目的地为E: • 寻找E的网络地址 • E在不同的网络上 • A和E没有直接相连 • 路由表:到E的下一个路由器为223.1.1.4 • 链路层将数据报放在链路层帧中发送给路由器 223.1.1.4 • 数据报到达路由器 223.1.1.4 • 继续该过程…..

  19. 目的　　下一个 223.1.1.1 网络 　 路由器 　 跳数　 接口 223.1.2.1 E B A 223.1.1 - 1 223.1.1.4 223.1.1.2 223.1.2 - 1 223.1.2.9 223.1.2.9 223.1.1.4 223.1.3 - 1 223.1.3.27 223.1.2.2 223.1.3.27 223.1.1.3 223.1.3.2 223.1.3.1 从源端到目的端传输数据报 misc 字段 数据 223.1.1.1 223.1.2.3 到达 223.1.4, 目的地为223.1.2.2 • 寻找E的网络地址 • E和路由器接口 223.1.2.9网络地址相同 • 路由器和E直接相连 • 链路层将数据报放在链路帧中经由接口223.1.2.9 送到223.1.2.2 • 数据报到达223.1.2.2!!!

  20. 拥塞: 在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏 与流量控制不同 拥塞导致的结果: 分组丢失（路由器溢出） 延迟长（在路由器中排队） 路由器浪费带宽来转发无用分组 5.3　拥塞控制原理

  21. 两个发送端，两个接收端 一个路由器，无限缓冲区 没有重传 路由器容量为R 发生拥塞时有较大延迟 可获得的最大吞吐量 拥塞的起因与代价：场景1

  22. 一个路由器，有限缓冲区 对丢失分组进行重传 拥塞的起因与代价：场景２

  23. 没有重传时，有 仅当分组丢失时进行有效重传 重传延迟而非丢失的分组导致相对于同一个　　，　　更大 l l l > = l l l in in in out out out 拥塞的起因与代价：场景2 拥塞的代价: • 重传分组 • 不必要的重传：链路携带多个分组副本

  24. 4个发送方 多条链路 超时／重传 l l in in 拥塞的起因与代价：场景3 问题:当　　和　　增大时会发生什么？ 图中各条连接经过了哪些路由器？ 各个路由器被哪些连接所共享？

  25. 拥塞的起因与代价：场景3 拥塞的另一个代价: • 当分组在传送路径中丢失了，则前面所有发送过该分组的、一直到丢失该分组的路由其所作的传输工作就都浪费了

  26. 端－端拥塞控制: 网络不提供清楚的反馈 端系统发现有分组丢失和延迟增长，判断有拥塞 由TCP采取方法来控制 网络协助的拥塞控制: 路由器给端系统提供反馈 单个比特指示拥塞 (SNA, DECbit, TCP/IP ECN, ATM) 发送方应该发送的速率 拥塞控制方法 有两种主要的控制方法:

  27. 5.4 X.25分组交换网（PDN） • 特征: • 工作在OSI/RM的低3层 • 采用分组交换，面向连接(虚电路)，可靠性高 • 多路复用。一条物理链路支持多条虚电路 • 点对点传输，不支持广播 • 支持多种高层协议，它们均作为普通数据被封装在X.25的分组中在网络中传送 • 工作速率≤64Kbps

  28. X.25的体系结构 X.25: “在公用数据网上以分组方式工作的数据终端设备DTE和数据电路端接设备DCE之间的接口”。 它对应于OSI层次模型的最下三层。 网络层 数据链路层 物理层

  29. PSE PSE PSE PSE PSE X.25网络的组成 D C E D C E DTE 广域网 DTE X.25 X.25 PSE：分组交换设备

  30. X.25网络由许多称之为分组交换机(PSE)的节点组成。X.25网络由许多称之为分组交换机(PSE)的节点组成。 为了保证通信可靠性，每个PSE至少与另两个PSE相连接，使得一个PSE故障时，能通过其他路由继续传输信息。 PSE之间交换的是分组(包)，所以又称X.25网为分组交换网或包交换网。PSE采用存储转发的方法交换分组。

  31. X.25网络的设备 • 数据终端设备(DTE)：X.25网络的末端设备(如路由器、主机、终端、PC机等)，一般位于用户端（故称为用户设备） • 数据电路端接设备(DCE)：专用的通信设备，DTE通过DCE接入X.25网络 • PSE：X.25网络分组交换机，用于数据的存储转发 • PAD设备：用于将非分组设备接入X.25网。位于DTE与DCE之间，实现三个功能：缓冲、打包、拆包。（见下页图）

  32. PAD 非分组终端 DCE 打包拆包 缓冲区 X.25网络 PAD的工作原理

  33. X.25提供的服务 • X.25网络为用户提供的是虚电路服务。多个虚电路可复用到单条物理电路上。 • DTE之间端到端的通信是通过双向虚电路来完成的（一般申请16个双向虚电路）。 • X.25即支持永久虚电路PVC，也支持交换虚电路SVC。

  34. X.25网络的接入 • 分组终端：直接接入 • 非分组终端：通过PAD接入 • 字符终端：用拨号(PSTN)方式间接接入(X.28/X.32） • 利用X.25组网： • 1.通过X.25将PC接入局域网 • PC端——X.25网卡，同步MODEM • LAN端——路由器，同步MODEM • 2.通过X.25实现LAN的远程互连 • 双方均需路由器，同步MODEM

  35. 5.5 帧中继（Frame Relay, FR） • 特征: • 工作在OSI/RM的物理层和数据链路层 • 帧中继使用永久虚电路（PVC）来建立通信连接，并通过虚电路实现多路复用 • 用链路层的HDLC帧来封装各种不同的高层协议，如IP、IPX、AppleTalk等 • 适用于在WAN上实现LAN的互联 • 传输速率一般为56Kbps～45Mbps

  36. F.R与OSI/RM的对应关系 F.R是CCITT和ANSI标准，定义了在公共数据网(PDN)上发送数据的流程，属于高性能的链路层协议。 它对应于OSI层次模型的最下二层。 OSI 高层 X.25 F.R 网络层 网络层 帧中继 数据链路层 数据链路层 物理层 物理层 物理层

  37. F.R网络的组成 Router 广域网 PSTN，X.25 Host Bridge 网桥 FRS FRS Router Router FRS FRS CSU/DSU 帧中继在这里工作

  38. 帧中继网中的设备分两类： • 帧中继网接入设备FRAD： • 属于用户设备。 • 如支持帧中继的主机、桥接器、路由器等。 • 帧中继网交换设备FRS： • 属于网络服务提供者设备。 • 如T1/E1一次群复用设备和帧交换结点机。

  39. F.R的工作原理 • 本质上仍是分组交换技术，但舍去了X.25的分组层，仅保留物理层和数据链路层，以帧为单位在链路层上进行发送、接收、处理 • 在链路层上完成统计复用，实现帧定界、寻址、差错检测；但省略了帧编号、重传、流控、窗口、应答、监视等功能 • 帧出错或发生阻塞时，仅仅简单地丢弃；重传、纠错和流控在端设备中由上层协议(如TCP)完成（这是因为F.R是基于光纤线路的，而光纤线路误码率很低，无需点到点纠错） • F.R用数据链路连接标识符DLCI来标识虚电路(最多1024个)，不同的DLCI在链路层上实现了复用

  40. F.R的帧结构 1 2 可变 2 1 DLCI、FECN、BECN、DE等 标志 数据 标志 FCS 标志：帧的开始和结束 DLCI：数据链路连接标识符，标识一个虚电路 FECN：前向显式阻塞通知（Front Explicit Congestion Notification） BECN：后向显式阻塞通知 DE：允许丢弃指示

  41. 5.6　异步传递方式ATM • ATM-Asynchronous Transfer Mode • ATM是宽带综合业务数字网B-ISDN的核心技术，故常称B-ISDN为ATM网 • ATM采用光缆为传输介质，宽带用户—网络接口上可达135Mbps以上的接口速率 • ATM也是一种高速分组交换传输模式，但分组(信元)长度固定，更加融合了线路交换传输模式的优点 • 当信息源传送信息时，ATM首先将信息分割并构成信元再存入缓冲器排队发送。 • 因信元插入时位置不固定，故称为异步传输模式。

  42. 思考题 • 基于数据包的网络层的两个主要功能是什么？基于VC的网络层有什么额外的功能？ • 以下公共传输网络中，那些属于电路交换，那些属于分组交换，哪些二者都不是？ • X.25、PSTN、DDN、ATM、FR、ISDN • 流量控制在网络工作中具有何意义？流量控制与用塞控制有何异同之处？ • 利用F.R进行网络互联时，检错和纠错分别在那个层次实现？

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