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1、第5章 广域网,基本内容,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,重点掌握,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。,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 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
2、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,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,虚电路,A,B,C,A,B,C,vc1,vc2,vc1: A-1-2-4-B vc2: A-1-3-5-C,数据报,A,B,C,A,B,C,虚电路与数据报的比较,虚电路,数据报,是否需
3、要建立连接,需要,不需要,分组中的目的地址,完整地址,VC标识,路由器中的路由表,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,选路,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,几乎不受影响,所有经过该路由器 的VC都将终止,拥塞控制,很难实现,易于实现,路由器故障的影响,差错控制和流量控制,由主机负责,由子网负责,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
4、内其他结点的输出线选择表,A,E,D,C,B,H2,H3,H1,H4,H5,1,2,目的站,输出线,B,C,D,E,1,2,1,2,结点A的路由表,权衡:(1) 路由器内存与带宽 (2) 虚呼叫时间与地址分析时间,虚电路路由表建立过程示例,A,E,D,C,B,H2,H3,H1,H4,H5,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,入口,出口,H1,H1,H1,1,2,5,0,1,2,B,0,1,2,B,B,入口,出口,A,A,H2,3,0,1,0,E,0,0,1,D,D,入口,出口,B,B,E,0,1,0,H4,
5、0,0,1,E,H4,入口,出口,H3,B,4,0,0,0,E,0,0,2,D,入口,出口,B,D,C,0,0,0,H5,0,1,0,D,A,B,C,D,E,A,2,C,0,H5,C,H4,5.2 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。,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I
6、P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。,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。,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
7、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。,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。,路由选择算法,路由算法有多种,一般地,按如下步骤
8、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,
9、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。,举例:从源端到目的端传输数据报,IP数据报:,数据报在从源到目的地传输过程中保持不变,主机A的路由表,从源端到目的端传输数据报,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,misc 字段,223.1.1.1,223.1.1.3,数据,从源端到目的端传输数据报,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
10、由器 223.1.1.4 数据报到达路由器 223.1.1.4 继续该过程,misc 字段,223.1.1.1,223.1.2.3,数据,从源端到目的端传输数据报,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!,misc 字段,223.1.1.1,223.1.2.3,数据,5.3 拥塞控制原理,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
11、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,拥塞的起因与代价:场景1,两个发送端,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,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,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,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,拥塞的起因与代价:场景2,4个发送方 多条链路 超时重传,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
12、路由器被哪些连接所共享?,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,拥塞的起因与代价:场景3,拥塞控制方法,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,有两种主要的控制方法:,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),
13、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,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,X.25网络的组成,D C E,D C E,DTE,DTE,X.25,X.25,PSE:分组交换设备,广域网,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,
14、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。,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),缓冲区,打包拆包,PAD,非分组终端,DCE,PAD的工作原理,X.25网络,X
15、.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。,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,X.25网络的接入,特征: 工作在OSI/RM的物理层和数据链路层
16、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56Kbps45Mbps,5.5 帧中继(Frame Relay, FR),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。,网络层,数据链路层,物理层,高层,网络层,数据链路层,物理层,X.25,OSI,F.R,帧中继,物理层,F.R与OSI/RM的对应关系,FRS,FRS,FRS,FRS,网桥,CS
17、U/DSU,Router,Router,广域网 PSTN,X.25,Router,帧中继在这里工作,Host,Bridge,F.R网络的组成,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。,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
18、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,F.R的工作原理,标志,DLCI、FECN、BECN、DE等,数据,FCS,标志,1,2,2,1,可变,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,F.R的帧结构,5.6 异步传递方式A
19、TM,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。,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?,思考题,
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