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第七章 广域网和网络互联

1. 广域网的特点地理覆盖范围大,至少在上百公里以上;主要用于互连广泛地理范围内的局域网;为了实现远距离通信,通常采用载波形式的频带传输或光传输;通常由公共通信部门来建设和管理的。公共通信部门利用各自的广域网资源向用户提供收费的广域网数据传输服务,所以其又被称为网络服务提供商。在网络拓扑结构上,通常采用网状拓扑,以提高广域网链路的容错性。网络中两个节点在进行通信时,一般要经过较长的通信线路和较多的中间节点。中间节点设备的处理速度、线路的质量以及传输环境的噪声都会影响广域网的可靠性。2. 广域网的构成由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。广域网使用的协议在网络层。在广域网中的一个重要问题就是路由选择和分组转发。因特网就是广域网的实例,长距离,高速。3.广域网的主要设备交换机和路由器的主要区别:交换机是在单个网络中转发分组,而路由器是在多个网络构成的互联网中转发分组;一般交换机工作在数据链路层,而路由器工作在网络层。
常见广域网设备包括路由器,广域网交换机,调制解调器和通信服务器。路由器属于网络层的互连设备,用于实现不同网络之间的互连和路由功能;广域网交换机属于数据链路层的多端口存储转发设备,在广域网中实现数据链路层协议帧的转发。如帧中继交换机、X.25 交换机、光交换机等;调制解调器用于实现数字和模拟信号转换,如 ISDN 网络中用到的 TA/NT1 设备等;通信服务器主要用来对广域网用户进行身份合法性的验证并提供服务策略

.广域网与 OSI 模型广域网主要工作于 OSI 模型的下三层,即物理层、数据链路层和网络层;由于目前网络层普遍采用了 IP 协议,所以广域网技术或标准主要关注物理层和数据链路层的功能及其实现;不同广域网技术的差异就在于它们在物理层和数据链路层实现方式的不同。广域网的物理层协议主要描述如何面向广域网服务,提供电气、机械、规程和功能特性,包括定义 DTE 和 DCE 设备的接口;广域网的数据链路层定义数据帧的封装以及如何通过广域网链路传输到远程节点
1. 分组交换网的分组转发分组转发是基于查表的。转发就是在交换结点收到分组时,检查其目的地址,然后用查找转发表(forwarding table)的方法,找出应从结点的哪一个接口将该分组发送出去。转发表中没有源站地址这一项。这是因为路由选择中的下一跳只取决于数据报中的目的站地址,而与源站地址无关。路由选择则是构造路由表(routing table) 的过程。路由表是用路由选择算法得到的,而转发表则是根据路由表得出的。广域网中主机的层次地址结构为所连接的交换机编号和所连接的交换机的端口
2.结点交换机分为两种:一种是仅和其它结点交换机相连接(高速端口),另一种是同时和其它结点交换机(高速端口)和主机相连(低速端口)。3.在结点交换机中查找转发表按照目的站的交换机号确定下一跳;只要转发表中的目的站的交换机号相同,则“下一跳”相同。采用两个层次的编址方案可使转发分组时只使用第一部分地址,即在进行路由选择时,只根据主机地址中的交换机号。只有当分组到达与目的主机相连的结点交换机时,交换机才检查第二部分地址(主机号),并通过低速端口将分组交给目的主机。
4.拥塞控制当网络用户对资源的需求大于网络可用资源时,网络的吞吐量(交付的分组)将随着输入负载(发送的分组)的增加而严重下降。其中的可用资源指链路容量、交换结点中的缓存、处理机等。当拥塞发展到一定程度,已经没有可用资源,吞吐量降为 0,整个网络瘫痪。这种情况称为死锁。分为直接死锁(指相互占用对方需要的资源造成的)和重装死锁(资源预约解决办法)5.拥塞控制与流量控制的区别在于作用范围不同。拥塞控制确保全网畅通;一个全局性的过程,涉及到所有的主机、所有的路由器,以及与降低网络传输性能有关的所有因素。流量控制只负责结点/主机间、结点/结点间的。拥塞控制可以从两方面入手,一是增大网络的某些可用资源,二是减少一些用户对某些资源的需求。

一、X.25二十世纪 80 年代初,CCITT 提出了 X.25 建议书;X.25 讨论的是面向连接的虚电路服务;规定了 DTE(数据终端设备)与 DCE(数据电路端接设备)的接口
X.25 物理层为 X.21 规范;链路层为平衡链路接入规范(LAPB),HDLC 子集;分组层为多重信道,分组级协议(PLP),0-4095 条逻辑信道;高层与远程用户进程连接。基于 IP 协议的因特网是无连接的,只提供尽最大努力交付的数据报服务,无服务质量可言。 X.25 网是面向连接的,能够提供可靠交付的虚电路服务,能保证服务质量。正因为 X.25 网能保证服务质量,在二十多年前它曾经是颇受欢迎的一种计算机网络。到了 20 世纪 90 年代,情况就发生了很大的变化。通信主干线路已大量使用光纤技术,数据传输质量大大提高使得误码率降低好几个数量级,而 X.25 十分复杂的数据链路层协议和分组层协议已成为多余的。
二、帧中继 FR它是一种工作在 OSI 参模型的物理层和数据链路层的高性能广域网络协议;最初其主要用于 ISDN 网络,现可用于多种网络应用平台;它是简化了的 X.25 协议,第二代的 x.25。流控和差错控制由信源和信宿完成,采用虚电路技术。仅当网络本身的误比特率非常低时,帧中继技术才是可行的。由于它一面接收帧就一面转发此帧,因此也称为快速分组交换(fast packet switching)。帧中继的帧长是可变的。
1. 帧中继的工作原理快速转发,只要查到帧的目的地址就转发该帧;帧中继在 OSI 第二层以简化的方式传送数据,仅完成物理层和链路层核心层的功能:帧中继网络不进行纠错、重发、流量控制等。没有逐段的链路控制能力,纠错、流量控制等留由智能终端(高层协议)去处理,从而简化了结点机之间的处理过程。帧不需要确认,若网络检查出错误帧,直接将其丢弃,中间结点不回送应答,只有目的结点回送应答。2. 帧中继的链路控制和数据传输它们是在不同的逻辑连接上进行的,即两个平面:(1) 控制平面:建立和释放连接(D 通道)(2) 用户平面:用于数据传输  (B 通道)
3. 帧中继网络的工作过程用户在局域网上传送的 MAC 帧传到与帧中继网络相连接的路由器。 路由器就剥去 MAC 帧的首部,将 IP 数据报交给路由器的网络层。网络层再将 IP 数据报传给帧中继接口卡。 帧中继接口卡把 IP 数据报封装到帧中继帧的信息字段。加上帧中继帧的首部(包括帧中继的标志字段和地址字段,帧中继帧的标志字段和 PPP 帧的一样),进行 CRC 检验后,加上帧中继帧的尾部(包含帧检验序列字段和标志字段),就构成了帧中继帧。帧中继接口卡将封装好的帧通过向电信公司租来的专线发送给帧中继网络中的帧中继交换机。帧中继交换机收到帧中继帧就按地址字段中的虚电路号转发帧(若检查出有差错则丢弃)。当帧中继帧被转发到虚电路的终点路由器时,终点路由器就剥去帧中继帧的首部和尾部,加上局域网的首部和尾部,交付给连接在此局域网上的目的主机。目的主机若发现有差错,则报告上层的 TCP 协议处理。即使 TCP 协议对有错误的数据进行了重传,帧中继网也仍然当作是新的帧中继帧来传送,而并不知道这是重传的数据。
4.帧中继的优点减少了网络互连的费用;网络的复杂性减少但性能提高了,结点处理量减少了;由于使用了国际标准,增加了互操作性;帧中继可以承载 IP、IPX 等多种协议。
5.承诺的信息速率 CIRCommitted Information Rate :是对特定的帧中继连接中,用户和网络共同协商确定的用户信息传送速率的门限数值。CIR 数值越高,帧中继用户向帧中继服务提供者交纳的费用也就越多。只要端用户在一段时间内的数据传输速率超过 CIR,在网络出现拥塞时,帧中继网络就可能会丢弃用户所发送的某些帧。每个帧中继结点都应使通过该结点的所有连接的 CIR 的总和不超过该结点的容量,即不能超过该结点的接入速率(access rate)。虽然使用了“承诺的”这一名词,但当数据传输速率不超过 CIR 时,网络并不保证一定不发生帧丢弃。CIR 是用来限制用户在某一段测量时间间隔 Tc 内所发送的数据的平均数据率。当网络必须把一些帧丢弃时,网络将首先选择超其 CIR 值的那些连接上的帧予以丢弃。如果帧的速率总是小于 CIR,那么所有的帧都被打上高优先级的标志(DE 比特置 0)。这在一般情况下传输是有保证的。若数据率仅在不太长的时间间隔大于 CIR,则网络可以将这样的帧置为 DE = 1,并在可能的情况下进行传送(即不一定丢弃,视网络的拥塞程度而定)。若数据率超过 CIR 的时间较长,以致注入到网络的数据量超过了网络所设定的最高门限值,则应立即丢弃该连接上传送的帧。
三、异步传递方式 ATMAsynchronous Transfer Mode 就是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术,它采用定长分组,能够较好地对宽带信息进行交换。ATM:基于异步时分复用、电路交换的面向连接的快速分组交换传输网络。和帧中继一样,快于 X.25 网络。采用的基本技术是异步时分复用和信元交换(定长分组)。ATM 信元是 53 字节(5 字节首部)的固定长度,可使 ATM 交换机功能简化,有利于宽带高速交换。支持不同速率的各种业务;信元以面向连接的方式传递;提供了实时性和服务质量保证;使用光纤介质。
四、综合业务数字网 ISDNIntegrated Service Digital Network:由 CCITT(现更名为国际电信联合会 ITU)的定义,由电话综合数字网 IDN 演变而来,它向用户提供端到端的连接,并支持一切话音、数字、图像、图形、传真等广泛业务。用户可以通过一组有限的、标准的、多用途用户网络接口来访问这个网络获得相应的业务。以综合数字电话网(IDN)为基础发展而成的通信网;支持端到端的数字连接,是一个全数字化的网络;支持各种通信业务;提供标准的用户-网络接口,用户对 ISDN 的访问通过该接口完成。

1.网络互连需要解决的问题为了能使一个网络的主机能与另一个网络的主机,互相通信,共享资源,应使两个网络协调相连。由于异构型网络大量存在,两个互相连接的网络通信协议可能完全不相同。应在两个网络之间接入中继系统或互连网进行协议转换。网络互连最成功的示例是因特网 Interent,指由 ARPANet 发展而形成的,采用 TCP/IP 进行互联的全球性计算机网络。网络互连需要解决的问题包括:(1) 寻址问题:不同网络的编址和寻址方案不同(2) 分组长度:不同网络的最大分组长度不同(3) 接入机制(4) 差错处理方法:超时机制、差错码、错误恢复机制(5) 流控处理方法、拥塞控制方法(6) 路由策略(7) 服务方式:面向连接、无连接(8) 管理与控制方式
2.网络互连的目的网络互连的目的是数据通信,不同网络间的数据传输;资源共享,利于进程通信的实现,利于通用服务的建立。向应用程序隐藏网络细节,包括介质特性、存取方式和网络拓扑。使用智能网络互连设备以增加冲突域个数的方式减少冲突域的大小,称为网络的逻辑划分或网络分段。智能网络互连设备包括:第一层设备(如中继器,HUB,REPEATER),第二层设备(如网桥 ,交换机)和第三层设备(如路由器)。
3.因特网的互连思路(1) 网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务;(2) 网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组(即 IP 数据报)独立发送,与其前后的分组无关(不进行编号);(3) 网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序(不按序到达终点),当然也不保证分组传送的时限。4.因特网尽最大努力交付的思想它的好处是由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务,这就使网络中的路由器可以做得比较简单,而且价格低廉(与电信网的交换机相比较)。如果主机(即端系统)中的进程之间的通信需要是可靠的,那么就由网络的主机中的运输层负责(包括差错处理、流量控制等)。采用这种设计思路的好处是网络的造价大大降低,运行方式灵活,能够适应多种应用;因特网能够发展到今日的规模,充分证明了当初采用这种设计思路的正确性。

5.Internet 网络互联的体系结构基于 IP 网关的网络互联是基于网络,而不是主机,进行分组(包)转发;各个网络是平等的;抽象的网络隐藏了网络的物理特性
其中,R1,R2 指路由器 Router。
6.Internet 网络互联的交付方式(1) 直接交付:源站与目的站位于同一物理网络内,其特点是不需要路由器进行转发;源站和目的站的 IP 网络号相同。交付过程是当源 IP 地址和目标 IP 地址在同一个 IP 网络时;发现目标 IP 地址在同一个 IP 网络;查找目标 IP 地址的 MAC 地址;把 IP 包封装在 LAN 的帧里,然后向目标 MAC 地址直接投递。封装过程中源地址和目标地址不改变。(2) 间接交付:源站与目的站位于不同物理网络内,其特点是需要路由器进行转发。交付过程是源 IP 地址和目标 IP 地址不再同一 IP 网络时,发现目标 IP 地址不再同一 IP 网络上;在路由表(routing table)查找符合的记录,叫做下一跳路由器地址(IP)。向相应的下一跳路由器的 MAC 发送封装包后的 LAN 帧。
如果中国只从网络层考虑问题,那么 IP 数据报就可以想象是在网络层中传送。
1.网络互连的层次及设备网络互连发生在不同的层次,采用的设备不同:(1) 物理层互连:如 HUB、中继器(转发器) Repeater(2) 数据链路层互连:如网桥(桥接器) Bridge(3) 网络层的互连:如路由器 Router(4) 网络层以上的互连:网关 Geteway2.网络互连的设备(1) HUB、中继器(又称为转发器,或 Repeater):仅放大物理信号。并不称之为网络互连,因为仅把一个网络扩大了,而实质上仍然是一个网络。(2) 网桥(桥接器) Bridge:放大物理信号,隔离冲突域。并不称之为网络互连,因为仅把一个网络扩大了,而实质上仍然是一个网络。(3) 路由器 Router:放大物理信号,隔离冲突域,重点是进行路由选择。它在因特网的网际互连中的主要任务是转发数据报分组。路由器转发数据报分组的方式分为直接交付和间接交付
数据链路层剥去帧首部和尾部后,将分组送到网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时延。 当队列满时,会丢失分组。
若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率,则队列的存储空间最终必定减少到零,这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。 路由器总是有多个 LAN 和 WAN 的端口,每个端口所联的网段是一个独立的网络或子网

路由器在网际互连中能隔离广播风暴,起防火墙的作用。路由器所联网络的广播分组被隔离在本网段之内,起到了防火墙作用。根据统计的 80/20 规律,一个网络应用的 80%信息是在同一个 LAN 中交换的,使 80%的信息不会经路由器转到其它网络上,隔离广播风暴,从面提高了整个网络的带宽。

(1) 桥路器( Brouter ) :具有路由器、网桥功能的设备。

1、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,重要问题是路由选择和分组转发。因特网就是广域网的实例。2、常用的广域网技术包括 X.25、帧中继、ATM、ISDN。3、互连网络没有大小的限制,也没有限制参与互连的网络。有四种互连设备:中继器、桥、路由器和网关,分别对应不同的层次。


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