計算機網(wǎng)絡(luò)與通信（第4版）：CH5 廣域網(wǎng)

1、計算機網(wǎng)絡(luò) 第 5 章 廣域網(wǎng) 第 5 章 廣域網(wǎng) *5.1 廣域網(wǎng)的基本概念 5.1.1 廣域網(wǎng)的構(gòu)成 5.1.2 數(shù)據(jù)報和虛電路 *5.2 廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機制 5.2.1 結(jié)點交換機中查找轉(zhuǎn)發(fā)表 5.2.2 在路由表中使用默認路由 *5.4 X.25 網(wǎng) 5.5 幀中繼 FR 第 5 章 廣域網(wǎng)（續(xù)） *5.5.1 幀中繼的工作原理 5.5.2 幀中繼的幀格式 5.5.3 幀中繼的擁塞控制 第 5 章 廣域網(wǎng)（續(xù)） *5.6 異步傳遞方式 ATM 5.6.1 ATM 的基本概念 5.6.2 ATM 的協(xié)議參考模型和信元結(jié)構(gòu) 5.6.3 ATM 的邏輯連接機制 5.6.4 AAL 層舉例

2、：AAL5 第 5 章 廣域網(wǎng) 5.1 廣域網(wǎng)的基本概念 n5.1.1 廣域網(wǎng)的構(gòu)成 n當(dāng)主機之間的距離較遠時，例如，相隔幾十 或幾百公里，甚至幾千公里，局域網(wǎng)顯然就 無法完成主機之間的通信任務(wù)。這時就需要 另一種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，即廣域網(wǎng)。 互聯(lián)網(wǎng) 由局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)組成互聯(lián)網(wǎng) 局域網(wǎng)局域網(wǎng) 廣域網(wǎng) 路由器 結(jié)點交換機 相距較遠的局域網(wǎng)通過路由器與廣域網(wǎng)相連 組成了一個覆蓋范圍很廣的互聯(lián)網(wǎng) 應(yīng)當(dāng)注意 n即使是覆蓋范圍很廣的互聯(lián)網(wǎng)，也不是廣域 網(wǎng)，因為在這種網(wǎng)絡(luò)中，不同網(wǎng)絡(luò)的“互連” 才是其最主要的特征。 n廣域網(wǎng)是單個的網(wǎng)絡(luò)，它使用結(jié)點交換機連 接各主機而不是用路由器連接各網(wǎng)絡(luò)。 n結(jié)點交換機在單個

3、網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)分組，而路由 器在多個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)分組。 n連接在一個廣域網(wǎng)（或一個局域網(wǎng)）上的主 機在該網(wǎng)內(nèi)進行通信時，只需要使用其網(wǎng)絡(luò) 的物理地址即可。 5.1.2 數(shù)據(jù)報和虛電路 n網(wǎng)絡(luò)層為接在網(wǎng)絡(luò)上的主機所提供的服 務(wù)可以有兩大類： n無連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（數(shù)據(jù)報服務(wù)） n面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（虛電路服務(wù)）。 提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) H1 向 H5 發(fā)送分組 H2 向 H6 發(fā)送分組 路徑可能變化 網(wǎng)絡(luò)隨時接受主機發(fā)送的分組（即數(shù)據(jù)報） 網(wǎng)絡(luò)為每個分組獨立地選擇路由。 提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A

4、 C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)盡最大努力地將分組交付給目的主機， 但網(wǎng)絡(luò)對源主機沒有任何承諾。 提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)不保證所傳送的分組不丟失 也不保證按源主機發(fā)送分組的先后順序 以及在時限內(nèi)必須將分組交付給目的主機 提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時 網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點可根據(jù)情況將一些分組丟棄 提供數(shù)據(jù)報服務(wù)的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 數(shù)據(jù)報提供的服務(wù)是不可靠的， 它不能保證服務(wù)質(zhì)量。 實際上“盡最

5、大努力交付”的服務(wù) 就是沒有質(zhì)量保證的服務(wù)。 提供虛電路服務(wù)的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) H1 要和 H5 通信 主機 H1 先向主機 H5 發(fā)出一個特定格式的控制信息分組， 要求進行通信，同時尋找一條合適路由。若主機 H5 同意 通信就發(fā)回響應(yīng)，然后雙方就建立了虛電路。 虛電路 H1 向 H5 發(fā)送的 所有分組都沿此 虛電路傳送。 提供虛電路服務(wù)的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 同理，主機 H2 和主機 H6 通信之前，也要建立虛電路。 提供虛電路服務(wù)的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B

6、H6 E 分組交換網(wǎng) 在虛電路建立后，網(wǎng)絡(luò)向用戶提供的服務(wù)就好像在 兩個主機之間建立了一對穿過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字管道。 所有發(fā)送的分組都按順序進入管道，然后按照 先進先出的原則沿著此管道傳送到目的站主機。 提供虛電路服務(wù)的特點 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分組交換網(wǎng) 到達目的站的分組順序就與發(fā)送時的順序一致， 因此網(wǎng)絡(luò)提供虛電路服務(wù)對通信的 服務(wù)質(zhì)量 QoS (Quality of Service)有較好的保證。 兩種服務(wù)的思路來源不同 n虛電路服務(wù)的思路來源于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)。 n電信網(wǎng)負責(zé)保證可靠通信的一切措施，因此 電信網(wǎng)的結(jié)點交換機復(fù)雜而昂貴。 n數(shù)據(jù)報服務(wù)力求使網(wǎng)絡(luò)生

7、存性好和使對網(wǎng) 絡(luò)的控制功能分散，因而只能要求網(wǎng)絡(luò)提 供盡最大努力的服務(wù)。 n可靠通信由用戶終端中的軟件（即TCP）來 保證。 數(shù)據(jù)報服務(wù)與虛電路服務(wù)之爭 n讓網(wǎng)絡(luò)只提供數(shù)據(jù)報服務(wù)就可大大簡化網(wǎng) 絡(luò)層的結(jié)構(gòu)。 n但技術(shù)的進步使得網(wǎng)絡(luò)出錯的概率已越來 越小，因而讓主機負責(zé)端到端的可靠性不 但不會給主機增加更多的負擔(dān)，反而能夠 使更多的應(yīng)用在這種簡單的網(wǎng)絡(luò)上運行。 n因特網(wǎng)發(fā)展到今天的規(guī)模，充分說明了在 網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)報服務(wù)是非常成功的。 n網(wǎng)絡(luò)上傳送的報文長度，在很多情況下 都很短。 n用數(shù)據(jù)報既迅速又經(jīng)濟。 n若用虛電路，為了傳送一個分組而建立 虛電路和釋放虛電路就顯得太浪費網(wǎng)絡(luò) 資源了。 數(shù)

8、據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù) 都各有一些優(yōu)缺點 n在使用數(shù)據(jù)報時，每個分組必須攜帶完 整的地址信息。 n在使用虛電路的情況下，每個分組不需 要攜帶完整的目的地址，而僅需要有個 很簡單的虛電路號碼的標(biāo)志。 n這就使分組的控制信息部分的比特數(shù)減 少，因而減少了額外開銷。 數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù) 都各有一些優(yōu)缺點 n在使用數(shù)據(jù)報時，主機承擔(dān)端到端的差 錯控制和流量控制。 n在使用虛電路時，分組按順序交付，網(wǎng) 絡(luò)可以負責(zé)差錯控制和流量控制。 數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù) 都各有一些優(yōu)缺點 n數(shù)據(jù)報服務(wù)對軍事通信有其特殊的意義。 當(dāng)某個結(jié)點發(fā)生故障時，后續(xù)的分組就 可另選路由，因而提高了可靠性。 n但在使用虛電路時，

9、結(jié)點發(fā)生故障就必 須重新建立另一條虛電路。 n數(shù)據(jù)報服務(wù)還很適合于將一個分組發(fā)送 到多個地址(即廣播或多播)。 數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù) 都各有一些優(yōu)缺點 數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù) 優(yōu)缺點的歸納 對比的方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報服務(wù) 思路 可靠通信應(yīng)當(dāng) 可靠通信應(yīng)當(dāng) 由網(wǎng)絡(luò)來保證 由用戶主機來保證 連接的建立 必須有 不要 目的站地址 僅在連接建立階段 每個分組都有 使用，每個分組使 目的站的全地址 用短的虛電路號 數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù) 優(yōu)缺點的歸納 對比的方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報服務(wù) 分組的轉(zhuǎn)發(fā) 屬于同一條虛電路 每個分組獨立選擇 的分組均按照同一 路由進行轉(zhuǎn)發(fā) 路由進行轉(zhuǎn)發(fā) 當(dāng)結(jié)點出 所有通過

10、出故障的 故障結(jié)點可能丟失 故障時 結(jié)點的虛電路 分組，一些路由 均不能工作 可能會發(fā)生變化 數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù) 優(yōu)缺點的歸納 對比的方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報服務(wù) 分組的順序 總是按發(fā)送順序 到達目的站時不一定 到達目的站 按發(fā)送順序 端到端的 可以由分組交換網(wǎng) 由用戶主機負責(zé) 差錯處理和 負責(zé)也可以由用戶 流量控制 主機負責(zé) 5.2 廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機制 n“轉(zhuǎn)發(fā)” (forwarding)和“路由選擇” (routing)這 兩個名詞的使用在過去有些混亂?，F(xiàn)在的文獻傾 向于將它們區(qū)分開來。 n轉(zhuǎn)發(fā)是當(dāng)交換結(jié)點收到分組后，根據(jù)其目的地址 查找轉(zhuǎn)發(fā)表(forwarding table)，

11、并找出應(yīng)從結(jié)點的 哪一個接口將該分組發(fā)送出去。 n路由選擇是構(gòu)造路由表(routing table)的過程。 n路由表是根據(jù)一定的路由選擇算法得到的，而轉(zhuǎn) 發(fā)表又是根據(jù)路由表構(gòu)造出的。 “轉(zhuǎn)發(fā)”和“路由選擇” n路由選擇協(xié)議負責(zé)搜索分組從某個結(jié)點到目的結(jié) 點的最佳傳輸路由，以便構(gòu)造路由表。 n從路由表再構(gòu)造出轉(zhuǎn)發(fā)分組的轉(zhuǎn)發(fā)表。分組是通 過轉(zhuǎn)發(fā)表進行轉(zhuǎn)發(fā)的。 n為了使討論更簡單些，可以不嚴格區(qū)分“轉(zhuǎn)發(fā)” 和“路由選擇”，也不一定使用“轉(zhuǎn)發(fā)表”這一 名詞。 n在轉(zhuǎn)發(fā)分組時可以不是說“查找轉(zhuǎn)發(fā)表”而是說“查找 路由表”。 5.2.1 在結(jié)點交換機中查找轉(zhuǎn)發(fā)表 1. 層次結(jié)構(gòu)的地址結(jié)構(gòu) n局域網(wǎng)采用了

12、平面地址結(jié)構(gòu) (flat addressing)。 n對局域網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)非常方便。 n廣域網(wǎng)中一般都采用層次地址結(jié)構(gòu) (hierarchical addressing)。 最簡單的層次結(jié)構(gòu)地址舉例 n用二進制數(shù)表示的主機地址劃分為前后兩部分。 n前一部分的二進制數(shù)表示該主機所連接的分組交 換機的編號。 n后一部分的二進制數(shù)表示所連接的分組交換機的 端口號，或主機的編號。 所連接的交換機的編號所連接的交換機端口的編號 計算機在廣域網(wǎng)中的地址 2, 1 2, 2 4 5 6 7 4 5 6 7 4 5 6 7 交 換 機 1 交換機 2 交 換 機 3 1, 1 1, 3 3, 2 3, 3 每個

13、交換機都有兩組端口。 一組是和本地主機相連的低速端口， 另一組是和其他交換機相連的高速端口。 1 2 3 1 2 3 1 2 3 2, 1 2, 2 4 5 6 7 4 5 6 7 交換機 2 交 換 機 3 1, 1 3, 2 3, 3 每個主機地址中后面的數(shù)字是指該交換機的低速端口 主機地址3, 2是指連接在交換機 3 的 2 號低速端口 交 換 機 1 1, 3 主機地址1, 3是指連接在交換機 1 的 3 號低速端口 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 4 5 6 7 4 5 6 7 交換機 2 交 換 機 3 1, 1 3, 2 3, 3 這里給出

14、結(jié)點交換機 2 中的轉(zhuǎn)發(fā)表作為例子 例如，一個欲發(fā)往主機3, 2的分組到達了交換機 2。 交 換 機 1 1, 3 交換機 2 的轉(zhuǎn)發(fā)表 目的站 下一跳 1, 1 交換機1 1, 3 交換機1 3, 2 交換機3 3, 3 交換機3 2, 1 直接 2, 2 直接 這時應(yīng)查找交換機 2 的轉(zhuǎn)發(fā)表，找目的站為3, 2的項目。 4 5 6 7 1 2 3 1 2 3 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交換機 2 交 換 機 3 1, 1 3, 2 3, 3 目的站是3, 2嗎？ 交 換 機 1 1, 3 交換機 2 的轉(zhuǎn)發(fā)表 目的站 下一跳 1, 1 交換機1 1,

15、3 交換機1 3, 2 交換機3 3, 3 交換機3 2, 1 直接 2, 2 直接 查找轉(zhuǎn)發(fā)表中的下一個項目。 否 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交換機 2 交 換 機 3 1, 1 3, 2 3, 3 目的站是3, 2嗎？ 交 換 機 1 1, 3 交換機 2 的轉(zhuǎn)發(fā)表 目的站 下一跳 1, 1 交換機1 1, 3 交換機1 3, 2 交換機3 3, 3 交換機3 2, 1 直接 2, 2 直接 查找轉(zhuǎn)發(fā)表中的下一個項目。 否 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1

16、 2 3 4 交換機 2 交 換 機 3 1, 1 3, 2 3, 3 目的站是3, 2嗎？ 交 換 機 1 1, 3 交換機 2 的轉(zhuǎn)發(fā)表 目的站 下一跳 1, 1 交換機1 1, 3 交換機1 3, 2 交換機3 3, 3 交換機3 2, 1 直接 2, 2 直接 根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表指出的下一跳把分組轉(zhuǎn)發(fā)到交換機 3。 是 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2, 1 2, 2 1 2 3 4 1 2 3 4 交換機 2 交 換 機 3 1, 1 3, 2 3, 3 交 換 機 1 1, 3 分組轉(zhuǎn)發(fā)到交換機 3 后就查找交換機 3 的轉(zhuǎn)發(fā)表。 從轉(zhuǎn)發(fā)表（此處省略了）可知不必再轉(zhuǎn)發(fā)

17、分組了， 把該分組直接交付給主機3, 2即可。 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 2. 按照目的站連接的交換機號 確定下一跳 n只要轉(zhuǎn)發(fā)表中目的站一欄中的交換機號 相同，那么查出的“下一跳”就是相同 的。 n在轉(zhuǎn)發(fā)分組時，可只根據(jù)分組的主機地 址中的交換機號來查找轉(zhuǎn)發(fā)表。 n只有當(dāng)分組到達與目的主機相連的結(jié)點 交換機時，交換機才檢查第二部分地址 （主機號），并通過合適的低速端口將 分組交給目的主機。 圖的應(yīng)用 n可用圖論中的“圖(graph)”來表示整個廣 域網(wǎng)。 n用“結(jié)點”表示廣域網(wǎng)上的結(jié)點交換機， 用連接結(jié)點與結(jié)點的“邊”表示廣域網(wǎng) 中的鏈路。 n連接在結(jié)點交換機上的主

18、機與分組轉(zhuǎn)發(fā) 無關(guān)，因此在圖中可以不畫上。 用圖表示廣域網(wǎng)的例子 12 34 1 結(jié)點 邊 2 43 每一個結(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)表 12 43 目的站 下一跳 1 直接 2 3 3 3 4 3 結(jié)點 1 的轉(zhuǎn)發(fā)表 對結(jié)點 1 的轉(zhuǎn)發(fā)表的第一個項目的解釋： 若到達結(jié)點 1 的分組的目的地址是結(jié)點 1 上的主機， 則下一跳就是直接交付而不必再轉(zhuǎn)發(fā)其他結(jié)點。 每一個結(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)表 12 43 目的站 下一跳 1 3 2 直接 3 3 4 4 結(jié)點 2 的轉(zhuǎn)發(fā)表 對結(jié)點 2 的轉(zhuǎn)發(fā)表的第一個項目的解釋： 若到達結(jié)點 2 的分組的目的地址是結(jié)點 1 上的主機， 則下一跳就應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)到結(jié)點 3。 5.2.2 在路由表中使用默認路由 12 43 目的站 下一跳 1 直接 2 3 3 3 4 3 結(jié)點 1 的轉(zhuǎn)發(fā)表 這三個項目的