第8章 廣域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

1、v8.1 廣域網(wǎng)的構(gòu)成及參考模型廣域網(wǎng)的構(gòu)成及參考模型 v8.2 廣域網(wǎng)的路由廣域網(wǎng)的路由 v8.3 廣域網(wǎng)技術(shù)廣域網(wǎng)技術(shù) v8.4 接入網(wǎng)技術(shù)接入網(wǎng)技術(shù) 8.1.1 廣域網(wǎng)構(gòu)成 狹義的廣域網(wǎng)由一些節(jié)點(diǎn)交換機(jī)以及連接這些交換機(jī)的鏈路組成。節(jié)點(diǎn)交換機(jī)執(zhí)行將分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 廣義的廣域網(wǎng)一般由端系統(tǒng)（end system）和通信子網(wǎng)（communication subnet）構(gòu)成。廣域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：是由點(diǎn)對點(diǎn)連接構(gòu)成的是一種不規(guī)則的網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。為了解決廣域網(wǎng)中不同端系統(tǒng)之間的通信問題，除了解決點(diǎn)對點(diǎn)的通信外，還要解決一個重要的問題就是路由選擇。 目前，許多廣域網(wǎng)中都使用公共通信網(wǎng)絡(luò)作為其通

2、信子網(wǎng)。常用的公共通信網(wǎng)絡(luò):電話交換網(wǎng)PSTN、分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)。它們主要包括2個部分:傳輸線路和交換節(jié)點(diǎn)。分組交換機(jī)是廣域網(wǎng)的基本組件之一。分組交換機(jī)通過通信線路互相連接起來，就構(gòu)成了廣域網(wǎng)。而通過增加交換機(jī)可以擴(kuò)展廣域網(wǎng)，覆蓋更多的地點(diǎn)和連接更多計(jì)算機(jī)。圖中所示的分組交換機(jī)包括兩種I/O連接： 高速的I/O接口 低速的I/O接口 由分組交換機(jī)構(gòu)成的廣域網(wǎng) 8.1.2 廣域網(wǎng)參考模型通信子網(wǎng)工作在OSI模型的低三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。如圖所示： 8.2.1 廣域網(wǎng)的編址 每種廣域網(wǎng)技術(shù)都精確定義了計(jì)算機(jī)在收發(fā)數(shù)據(jù)時使用的幀格式，并為連到廣域網(wǎng)上的每臺計(jì)算機(jī)分配了一個

3、物理地址。當(dāng)發(fā)送幀到另外一臺計(jì)算機(jī)時，發(fā)送者必須給出目的計(jì)算機(jī)的地址。 許多廣域網(wǎng)使用層次地址方案（hierarchical addressing scheme），使得轉(zhuǎn)發(fā)效率更高。層次地址把一個地址分成幾部分。最簡單的層次地址方案把一個地址分為兩部分：第一部分表示包交換機(jī)，第二部分表示連到 該交換機(jī)上的計(jì)算機(jī)。圖中是十進(jìn)制地址形式。在實(shí)際應(yīng)用中是用一個二進(jìn)制數(shù)來表示地址的：二進(jìn)制數(shù)的一些位表示地址的第一部分，其他位則表示第二部分。由于每個地址用一個二進(jìn)制數(shù)來表示，用戶和應(yīng)用程序可將地址看成一個整數(shù)-他們不必知道這個地址是分層的。 8.2.2 廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā) 包交換機(jī)不必保存怎樣到達(dá)所有

4、可能目的地的完整信息。相反，一個給定的交換機(jī)僅包含為使該包最終到達(dá)目的地所應(yīng)發(fā)送的下一站（next hop）的信息。 交換機(jī)2的路由表8.3.1 ISDN技術(shù) 1. ISDN概述為用戶提供大范圍數(shù)字服務(wù)的最早努力之一就是電話公司提出的“綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（Integrated Services Digital Network，ISDN）”。ISDN通過普通的本地環(huán)路向用戶提供數(shù)字語音和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，也就是說，ISDN使用與模擬信號電話系統(tǒng)相同類型的雙絞 銅線。這里所謂的本地環(huán)路即指電話局的變通電話線。ISDN的特點(diǎn)：ISDN提供了不同的業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)是構(gòu)建在OSI前三層的模型上的。它提供了高層次的

5、電信業(yè)務(wù)，以及一些附加業(yè)務(wù)。鑒于開放數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型，電信業(yè)務(wù)屬于 應(yīng)用層的應(yīng)用程序。而附加業(yè)務(wù)本質(zhì)上提供的是呼叫控制的功能而不是進(jìn)行通訊，并不是直接符合開放數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型。 ISDN提供的主要功能：進(jìn)行音頻和數(shù)字化的語音傳輸，以及提供了64kbps的電路交換數(shù)字信道、分組交換虛擬電路和無連接業(yè)務(wù)。 電信業(yè)務(wù)包括電報(bào)、傳真、可視圖文、文字電視廣播傳輸業(yè)務(wù)，并且使用特殊的編碼和端對端的協(xié)議。附加業(yè)務(wù)中包括呼叫者的身份認(rèn)證，呼叫轉(zhuǎn)移，呼叫等待和電話呼叫。 2.ISDN的組成在ISDN中，用戶和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)之間的連線相當(dāng)于一個數(shù)字比特管道。管道中的比特流可以來自數(shù)字電話機(jī)、數(shù)字傳真機(jī)或其它終端，并且比特

6、流可以雙向流動。這個管道機(jī)制實(shí)際上是數(shù)字電話機(jī)、數(shù)字傳真機(jī)或其它終端產(chǎn)生的信號復(fù)用復(fù)用用戶與ISDN之間的連線。ISDN的組成 用戶端接設(shè)備用戶端接設(shè)備 如果擁有較多的電話和終端，用戶設(shè)施較多，則需要較大的接入帶寬。 NT1不夠用，需要一個ISDN的專用小交換局（PBX），稱為第二類網(wǎng)絡(luò)端接設(shè)備（NT2）。3. ISDN的兩種接入速率 ISDN的用戶接口定義為三種信道的組合：B、D和H信道。B信道是64kbps的數(shù)據(jù)信道，傳輸X.25的連接以及X.25業(yè)務(wù)（分組交換，虛擬電路）或者永久的數(shù)字點(diǎn)對點(diǎn)線路。D信道提供了16kbps或者 64kbps信道用于傳輸信號發(fā)射信息，以及低速率的包交換業(yè)務(wù)。

7、H信道提供了384kbps,1536kbps或者1920kbps信道，它的用途和B 信道相似，不同的是用于高速率的業(yè)務(wù)。 ISDN標(biāo)準(zhǔn)指定了基本速率接口（BRI）和主要速率接口（PRI）?；驹L問速率是2B+D，包括兩個完全的B信道和一個D信道。主要訪問速率在歐洲是30B+D而在美國，日本，加拿大是23B+D。ISDN采用時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用技術(shù)支持用戶設(shè)備接入ISDN網(wǎng)絡(luò)。對應(yīng)于BRI接口，ISDN的幀結(jié)構(gòu)如下： 在這個格式中，BRI=2B+D，其中B1是16位，B2是16位，D是4位。ISDN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定BRI幀的發(fā)送頻率是每秒4000幀。則B的數(shù)據(jù)傳輸率為16*4000=64kbps，D

8、的數(shù)據(jù)傳輸率是4*4000=16kbps。則用戶實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸率為64+64+16=144kbps此幀總的數(shù)據(jù)傳輸率為（12+32+4）*4000=192kbps ISDN BRI 幀格式 主要訪問速率（PRI）在歐洲是30B+D而在美國，日本，加拿大是23B+D。根據(jù)BRI的計(jì)算方法，可以得出23B+D=23*64（B）+64（D）=1.536Mbps； 23個B信道和一個D信道指出了一個PRI所能包含的最大信道數(shù)。換句話說，一個PRI可以支持多達(dá)24個源和目標(biāo)之間的全雙工傳輸。每個傳輸都從它們的 源收集而來，復(fù)復(fù)用用到單個通道中（數(shù)字用戶線路），發(fā)送到ISDN局中。 在歐洲，PRI包括了3

9、0個B信道和2個D信道道，總共的容量是2.048Mbps，是E-1線路的容量。 30B+2D=30*64+2*64=2.048Mbps對于更加專業(yè)的傳輸需要，PRI標(biāo)準(zhǔn)也支持其他的信道組合。這些信道組合都是相應(yīng)的國際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范。ISDN的數(shù)據(jù)鏈路層：ISDN的D信道的數(shù)據(jù)鏈路層的是LAPD（鏈路訪問規(guī)程D）；而B信道上的分組交換連接是LAPB（鏈路訪問規(guī)程B）。對于B信道上的電路交換和永久連 接，用戶可以選擇數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，也可以選擇CCITT定義的1.465/v.120協(xié)議。ISDN的網(wǎng)絡(luò)層：ISDN的網(wǎng)絡(luò)層除了呼叫控制，還進(jìn)行路由，多路復(fù)用，以及擁塞控制等。 8.3.2 SONET/S

10、DH技術(shù)隨著人們對帶寬需要不斷地增加，光纖由于具有高帶寬而被人們所看好。在光纖的標(biāo)準(zhǔn)化過程中：美國的ANSI提出了自己的標(biāo)準(zhǔn)：SONET（Synchronour Optical Network，ANSI標(biāo)準(zhǔn)）。歐洲的ITU-T提出了自己的標(biāo)準(zhǔn)SDH（Synchronous Digital Hierarchy，ITU標(biāo)準(zhǔn)）。這兩種技術(shù)幾乎完全相同。 1. SONET（Synchronour Optical Network，ANSI標(biāo)準(zhǔn)）現(xiàn)在，SONET的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)可以高達(dá)2.488Gbps，并且承諾在將來可以達(dá)到13.271Gbps。SONET標(biāo)準(zhǔn)中最重要的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)是所有的時鐘都和公共的

11、主時鐘保持一致。（為什么？）其簡單的時分復(fù)用如下圖所示： SONET的時分復(fù)用 SONET的復(fù)用通過字節(jié)交叉進(jìn)行的。如圖所示，如果每個N輸入流有相同的速率，則復(fù)用流的速率是NR。 SONET字節(jié)交叉時分解復(fù)用 SONET的幀結(jié)構(gòu)和復(fù)用方法簡化了通信設(shè)備。這種Byte交叉的時分復(fù)用使得解復(fù)用也非常簡單，如下圖所示，每個通信流可以通過幀中的位置確定。在北美和日本，基本的SONET信號是STS-1（同步傳輸信號1）。它的位速率51.84Mbps，高速率的信號可以復(fù)用這個速率。在歐洲，基本的速率是STS-3或者155.52MBps，STS的層次結(jié)構(gòu)叫做SDH或者同步數(shù)字結(jié)構(gòu)，起始速率是155.52Mb

12、ps。 SONET幀結(jié)構(gòu)的主要特征SONET定義的分層結(jié)構(gòu)如圖。這四層結(jié)構(gòu)是路徑，線路，段和光子層。SONET的分層結(jié)構(gòu) 一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并不參與某些上層功能。比如，上圖中復(fù)用器在線路層工作，而中繼站在段層工作。光子放大器在光子層（直接放大光信號而不是象中繼站一樣先轉(zhuǎn)化 為電信號）工作。從底層到上層，每一層都是在下層提供的業(yè)務(wù)上構(gòu)建的。光子層提供某種速率上的光學(xué)信號的傳輸；段層為了位流傳輸提供了分段和編碼；線路層提供了線路維護(hù)和保護(hù)以及STS-1信號的復(fù)用；路徑層提供了從業(yè)務(wù)（DS-3幀，ATM信元，數(shù)字語音流）到STS-1 SPEs（同步載荷封裝synchronous payload envel

13、ope）的映射。SONET路徑層實(shí)現(xiàn)了承載業(yè)務(wù)，包括SPE格式端到端的比特流傳輸。 例如：兩個路徑層過程正在交換DS-3幀。（45Mbps DS-e信號屬于目前的電話信號層次）DS-e幀加上POH的開銷，映射成STS-qSPE(同步有效載荷包絡(luò))即用戶數(shù)據(jù)。路徑層將它交給線路層。線路層復(fù)用復(fù)用路徑層不同的有效載荷（除了STS-1 SPE以外包括DS-3信號），再加上LOH（線路層的頭部）。除了復(fù)用，線路頭部還提供了其他的一些功能，比如交換保護(hù)。然后段頭部在光子層進(jìn)行傳輸前進(jìn)行分段和編碼。最后光子層將位流電信號轉(zhuǎn)換成光信號。 810字節(jié)字節(jié)的STS-1幀組織成9行90列（從左傳輸?shù)接覀?cè)，從上傳到

14、下）的字節(jié)字節(jié)矩陣每個單元是字節(jié)字節(jié)而不是bit。一個幀的延遲是150us，相當(dāng)于每秒8000幀的速率（這個速率正好符合所有數(shù)字電話系統(tǒng)中使用的脈沖編碼調(diào)制PCM的采樣率）。按照這個采樣率，同步傳輸信號（STS-1）的速率 ：810字節(jié)/幀8000幀/秒=81088000=5184000bps，也就是51.8Mbps。每一幀的前三列保留某用于系統(tǒng)管理信息；其中前3行是段開銷SOH（section overhead），它在每一段的開始和結(jié)束時被生成和檢查的；接下來的6行是線路開銷LOH（line overhead），它是在每條線路開始和結(jié)束時被生成和檢查的。這樣用戶數(shù)據(jù)即SPE是9行*87列（8

15、7988000=50.112Mbps）。 SPE的第一列是路徑開銷POH（path overhead）。SONET的幀 SPE可以從幀內(nèi)的任何一個地方開始。線路開銷的第一行包含了一個指針，它指向SPE的第一個字節(jié)。SONET允許SPE可以從幀內(nèi)任何一個地方開始，甚至可以跨越兩個幀（即教材中所說的“浮動”）。這種能力使得系統(tǒng)非常靈活。例如：當(dāng)源端正在構(gòu)造SONET空幀的時候，又有一些用戶數(shù)據(jù)或SPE來到了，那么它就可以將這些用戶數(shù)據(jù)插入到當(dāng)前幀中，而不用等到下一個幀開始。8.3.3 幀中繼FR技術(shù)幀中繼FR（Frame Relay）的ITU-T標(biāo)準(zhǔn)于1984年提議，以滿足高容量、高帶寬的WAN提

16、出的要求。起初，幀中繼的最常見的實(shí)施速度為56Kbps和2Mbps，但目前在DS-3鏈路上幀中繼的速度可高達(dá)45Mbps。幀中繼在虛擬電路（在幀中繼上，稱為虛擬連接）上使用包交換技術(shù)，并且可以有交換型（SVC）和永久型（PVC）兩種。 幀中繼的體系結(jié)構(gòu)：所有的幀中繼通信都實(shí)現(xiàn)了LAPF核心協(xié)議，該協(xié)議處理的是基本的通信服務(wù)。LAPF核心協(xié)議執(zhí)行的任務(wù)有幀的格式化和交換、對幀進(jìn)行度量確保其長度在允 許的長度范圍之內(nèi)、檢查傳輸中的差錯和線路的擁塞狀態(tài)。幀中繼通信可以有選擇地使用LAPF控制協(xié)議，在每個虛擬連接上進(jìn)行流控制。LAPF控制協(xié)議是從 接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理的。 幀中繼只使用兩個通信層：物理層和

17、幀模式承載服務(wù)鏈接訪問協(xié)議（LAPF），分別對應(yīng)于OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，如下圖所示： 幀中繼在一條電纜介質(zhì)上使用了多個虛擬連接。每個虛擬連接在兩個通信的節(jié)點(diǎn)之前提供一個數(shù)據(jù)路徑。虛擬連接是邏輯連接而不是物理連接。永久性虛擬連接是在1984年作為最初的幀中繼標(biāo)準(zhǔn)的一部分而提出來的。幀中繼的永久性虛擬連接是兩個結(jié)點(diǎn)之間的一條持續(xù)可用的通路。該通路被分配了一個 連接ID，在該通路上發(fā)送的每一個包都必須使用這個ID。一旦連接被定義之后，它將一直保持開通狀態(tài)，所以通信可以在任何時間進(jìn)行。信號的傳輸是在物理層 進(jìn)行的，虛擬連接是LAPF層的一部分。在一條單一的電纜上，可以同時支持多個虛擬連接，

18、這些虛擬連接可以到達(dá)不同的目的地。交換式虛擬連接傳輸在1993年成為幀中繼標(biāo)準(zhǔn)的一部分。這種虛擬連接需要一個建立傳輸會話的過程。一旦通信結(jié)束，呼叫控制信號將對每個結(jié)點(diǎn)發(fā)出一個命令，要求斷開連接。交換式虛擬連接是為了讓網(wǎng)絡(luò)或者T載波提供商可以確定數(shù)據(jù)吞吐率而設(shè)計(jì)的。它可以根據(jù)應(yīng)用的需求和當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)流量狀況來進(jìn)行調(diào)整。在一條點(diǎn)到點(diǎn)的電纜 上，可以支持多個交換式虛擬連接。在幀中繼中，交換式虛擬連接是一種比永久性虛擬連接新的技術(shù)。 8.2.4 ATM異步傳輸模式（ATM）是在分組交換技術(shù)上發(fā)展起來的一種快速分組交換。它吸取了分組交換高效率和電路交換高速率的優(yōu)點(diǎn)，并且和分組交換、幀中繼一樣都可 以實(shí)現(xiàn)對

19、網(wǎng)絡(luò)資源的按需分配。我們將這種交換稱為信元交換。ATM由國際電信聯(lián)盟ITU在1991年正式確定為寬帶ISDN（B-ISDN）的傳送方式。值得說明，窄帶ISDN（N-ISDN）采用的交換技術(shù)是同步傳輸模式（STM）。而B-ISDN采用的交換技術(shù)則是基于異步時分復(fù)用的信元交換。 隨著通信網(wǎng)的發(fā)展，人們不斷地提出更新的通信業(yè)務(wù)要求，如高清晰度電視（HDTV）、會議電視、可視電話、視頻點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。對這些多功能化的業(yè)務(wù)，現(xiàn)今的任何通信網(wǎng)（包括LAN、MAN、WAN、ISDN、CATV等）都是無法完成的，因?yàn)?這些網(wǎng)絡(luò)都是面對特定的業(yè)務(wù)類型設(shè)計(jì)的。它們存在許多問題。 對于這些

20、問題，無論從用戶的角度還是從網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營者的角度，都希望建立一個單一的網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)既能傳送低速信號，也能傳送高速信號；既能適應(yīng)語音信號所要求的時延特性，又能適應(yīng)數(shù)據(jù)信號所要求的誤碼特性，進(jìn)而也能適應(yīng)圖象和視頻信號所要求的時延和誤碼兩種特性。于是人們提出了寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）。 1.ATM的基本特點(diǎn)如前所述，ATM被作為B-ISDN的傳輸方式。ATM采用類似分組交換中的信息封裝方式，將信息分解、包裝在一個個小的固定長度的信息分組中，從而具有靈活的分配帶寬、高效的復(fù)用等特點(diǎn)。這些信息分組 稱為信元（Cell）。同時ATM中采用了電路交換中面向連接的通信方式，保證了信息的順序性，同時通過

21、一定的控制，力圖保證各電路的通信業(yè)務(wù)質(zhì)量，以滿 足不同業(yè)務(wù)的需求。 在ATM中使用了虛電路概念，即每個信元中都含有虛電路標(biāo)志，帶有相同標(biāo)志的信元屬于同一個虛電路，這些信元將得到相同的處理并按先后順序在ATM網(wǎng)絡(luò)中傳送。ATM最重要的特點(diǎn)是能適用于一般電路交換和分組交換都不能勝任的高速寬帶信息業(yè)務(wù)。它可適應(yīng)范圍寬廣的可變速率，終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比特流可以是突發(fā)式的，也可以是連續(xù)的。 2. ATM的虛電路和虛路徑ATM采用分組交換中的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，以期達(dá)成較高的資源利用率和實(shí)現(xiàn)靈活的多速率和變速率的復(fù)用。在同一物理傳輸線路上的復(fù)用依靠信元中的不同的虛路徑標(biāo)識 符VPI（Virtual Path Ident

22、ifier）和虛電路標(biāo)識符VCI（Virtual Channel Identifier）區(qū)分。虛路徑和虛電路都是指一個單向的ATM信元傳輸信道。不過，一條虛路徑中包含有多條虛電路，所有這些虛電路有相同的標(biāo)識符（即VPI）。同樣，在一條物理鏈路中，可以有許多虛路徑。一條物理鏈路中的虛電路，由其VPI和VCI共同確定。物理鏈路、虛電路和虛路徑的關(guān)系可以用下圖表示。 ATM中物理鏈路、虛電路和虛路徑的關(guān)系 不同VPI、VCI的信元屬于不同的虛連接（Virtual Connect），有不同的邏輯路由和連接。在復(fù)用之后，各路由的信元之間沒有固定的關(guān)系。這樣，ATM中就把虛連接分為虛路徑和虛電路兩個層次，

23、其優(yōu)點(diǎn) 在于：通過預(yù)定義虛路徑，可以構(gòu)造虛擬專用網(wǎng)VPN，保證在同一個VPN中的數(shù)據(jù)的保密性。 其次，使用虛路徑還可以簡化網(wǎng)絡(luò)管理。 用戶和用戶之間、用戶和網(wǎng)絡(luò)之間、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)之間都可以建立VC，也可以建立VP。應(yīng)該指出，VCI和VPI只是本地編號，不具有全局的含義。因此，不同VP中的VC可以具有相同的VCI值，不同的物理鏈路上的VP也可以具有相同的 VPI值。虛路徑和虛電路都是單向的，不過在建立連接時，可以同時建立起一對正向和反向的通道，形成一個雙工信道。兩個方向上的VPI和VCI值是不一樣的，其帶 寬也可以是不相同的。 3.ATM參考模型（體系結(jié)構(gòu)）ATM有它自己的參考模型，既不同于OSI，也不同于TCP/IP模型。它包括三層：物理層、ATM層和ATM適配層。另外，用戶還可以在頂上放置任何東西。物理層處理的物理介質(zhì)問題，即電壓、位時序和各種各樣其他的問題。它被設(shè)計(jì)成與傳輸介質(zhì)無關(guān)的。ATM層處理信元和信