第六章 廣域網(wǎng)

1、第 6 章 廣域網(wǎng),第 6章 廣域網(wǎng),6.1 廣域網(wǎng)的基本概念 6.2 廣域網(wǎng)中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制 6.3 擁塞控制 6.4 X.25 網(wǎng) 6.5 幀中繼 FR 6.6 異步傳遞方式 ATM,第 6 章 廣域網(wǎng) 6.1 廣域網(wǎng)的基本概念,6.1.1 廣域網(wǎng)的構(gòu)成 當(dāng)主機(jī)之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，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(jī)之間的通信任務(wù)。這時(shí)就需要另一種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，即廣域網(wǎng)。,由局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)組成互聯(lián)網(wǎng),廣域網(wǎng),相距較遠(yuǎn)的局域網(wǎng)通過路由器與廣域網(wǎng)相連 組成了一個(gè)覆蓋范圍很廣的互聯(lián)網(wǎng),應(yīng)當(dāng)注意,即使是覆蓋范圍很廣的互聯(lián)網(wǎng)，也不是廣域網(wǎng)，因?yàn)樵谶@種網(wǎng)絡(luò)中，不同網(wǎng)絡(luò)的“互連”

2、才是其最主要的特征。 廣域網(wǎng)是單個(gè)的網(wǎng)絡(luò)，它使用結(jié)點(diǎn)交換機(jī)連接各主機(jī)而不是用路由器連接各網(wǎng)絡(luò)。 結(jié)點(diǎn)交換機(jī)在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)分組，而路由器在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)分組。 連接在一個(gè)廣域網(wǎng)（或一個(gè)局域網(wǎng)）上的主機(jī)在該網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通信時(shí)，只需要使用其網(wǎng)絡(luò)的物理地址即可。,6.1.2 數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路,網(wǎng)絡(luò)層為接在網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)所提供的服務(wù)可以有兩大類： 無連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)） 面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（虛電路服務(wù)）。,數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路,提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn),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(shí)接受主

3、機(jī)發(fā)送的分組（即數(shù)據(jù)報(bào)） 網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)分組獨(dú)立地選擇路由。,提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn),H1,H5,H2,H4,H3,A,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(jī)， 但網(wǎng)絡(luò)對(duì)源主機(jī)沒有任何承諾。,提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn),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(jī)發(fā)送分組的先后順序 以及在時(shí)限內(nèi)必須將分組交付給目的主機(jī),提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn),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(shí) 網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)可根據(jù)情況將一些分組丟棄,提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn),H1,H5,H2,H

4、4,H3,A,C,D,B,H6,E,分組交換網(wǎng),數(shù)據(jù)報(bào)提供的服務(wù)是不可靠的， 它不能保證服務(wù)質(zhì)量。 實(shí)際上“盡最大努力交付”的服務(wù) 就是沒有質(zhì)量保證的服務(wù)。,兩種服務(wù)的思路來源不同,虛電路服務(wù)的思路來源于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)。 電信網(wǎng)負(fù)責(zé)保證可靠通信的一切措施，因此電信網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)復(fù)雜而昂貴。 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)力求使網(wǎng)絡(luò)生存性好和使對(duì)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)。 可靠通信由用戶終端中的軟件（即TCP）來保證。,數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)與虛電路服務(wù)之爭(zhēng),讓網(wǎng)絡(luò)只提供數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)就可大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)。 但技術(shù)的進(jìn)步使得網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)的概率已越來越小，因而讓主機(jī)負(fù)責(zé)端到端的可靠性不但不會(huì)給主機(jī)增加更

5、多的負(fù)擔(dān)，反而能夠使更多的應(yīng)用在這種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。 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(bào)服務(wù)是非常成功的。,網(wǎng)絡(luò)上傳送的報(bào)文長(zhǎng)度，在很多情況下都很短。 用數(shù)據(jù)報(bào)既迅速又經(jīng)濟(jì)。 若用虛電路，為了傳送一個(gè)分組而建立虛電路和釋放虛電路就顯得太浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源了。,數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù) 都各有一些優(yōu)缺點(diǎn),在使用數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，每個(gè)分組必須攜帶完整的地址信息。 在使用虛電路的情況下，每個(gè)分組不需要攜帶完整的目的地址，而僅需要有個(gè)很簡(jiǎn)單的虛電路號(hào)碼的標(biāo)志。 這就使分組的控制信息部分的比特?cái)?shù)減少，因而減少了額外開銷。,數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù) 都各有一些優(yōu)缺點(diǎn),在使用數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，主機(jī)承擔(dān)端到端的差錯(cuò)

6、控制和流量控制。 在使用虛電路時(shí)，分組按順序交付，網(wǎng)絡(luò)可以負(fù)責(zé)差錯(cuò)控制和流量控制。,數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù) 都各有一些優(yōu)缺點(diǎn),數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)對(duì)軍事通信有其特殊的意義。當(dāng)某個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，后續(xù)的分組就可另選路由，因而提高了可靠性。 但在使用虛電路時(shí)，結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障就必須重新建立另一條虛電路。 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)還很適合于將一個(gè)分組發(fā)送到多個(gè)地址(即廣播或多播)。,數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù) 都各有一些優(yōu)缺點(diǎn),數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù) 優(yōu)缺點(diǎn)的歸納,對(duì)比的方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報(bào)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(jī)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(gè)分組都

7、有 使用，每個(gè)分組使 目的站的全地址 用短的虛電路號(hào),數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù) 優(yōu)缺點(diǎn)的歸納,對(duì)比的方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù) 分組的轉(zhuǎn)發(fā) 屬于同一條虛電路 每個(gè)分組獨(dú)立選擇 的分組均按照同一 路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) 路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) 當(dāng)結(jié)點(diǎn)出 所有通過出故障的 故障結(jié)點(diǎn)可能丟失 故障時(shí) 結(jié)點(diǎn)的虛電路 分組，一些路由 均不能工作 可能會(huì)發(fā)生變化,數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)和虛電路服務(wù) 優(yōu)缺點(diǎn)的歸納,對(duì)比的方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù) 分組的順序 總是按發(fā)送順序 到達(dá)目的站時(shí)不一定 到達(dá)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(jī)負(fù)責(zé) 差錯(cuò)處理和 負(fù)責(zé)也可以由用戶 流量控制 主機(jī)負(fù)責(zé),返回本章,6.2 廣域網(wǎng)中

8、的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,“轉(zhuǎn)發(fā)” (forwarding)和“路由選擇” (routing)這兩個(gè)名詞的使用在過去有些混亂。現(xiàn)在的文獻(xiàn)傾向于將它們區(qū)分開來。 轉(zhuǎn)發(fā)是當(dāng)交換結(jié)點(diǎn)收到分組后，根據(jù)其目的地址查找轉(zhuǎn)發(fā)表(forwarding table)，并找出應(yīng)從結(jié)點(diǎn)的哪一個(gè)接口將該分組發(fā)送出去。 路由選擇是構(gòu)造路由表(routing table)的過程。 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”,路由選擇協(xié)議負(fù)責(zé)搜索分組從某個(gè)結(jié)點(diǎn)到目的結(jié)點(diǎn)的最佳傳輸路由，以便構(gòu)造路由表。 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(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的。 為了使討論更簡(jiǎn)單

9、些，可以不嚴(yán)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。 在轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)可以不是說“查找轉(zhuǎn)發(fā)表”而是說“查找路由表”。,廣域網(wǎng)中的路由選擇,6.2.1 在結(jié)點(diǎn)交換機(jī)中查找轉(zhuǎn)發(fā)表,1. 層次結(jié)構(gòu)的地址結(jié)構(gòu) 局域網(wǎng)采用了平面地址結(jié)構(gòu) (flat addressing)。 對(duì)局域網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)非常方便。 廣域網(wǎng)中一般都采用層次地址結(jié)構(gòu)(hierarchical addressing)。,最簡(jiǎn)單的層次結(jié)構(gòu)地址舉例,用二進(jìn)制數(shù)表示的主機(jī)地址劃分為前后兩部分。 前一部分的二進(jìn)制數(shù)表示該主機(jī)所連接的分組交換機(jī)的編號(hào)。 后一部分的二進(jìn)制數(shù)表示所連接的分組交換機(jī)的端口號(hào)，或主機(jī)的編號(hào)。,所連接的交

10、換機(jī)的編號(hào),所連接的交換機(jī)端口的編號(hào),計(jì)算機(jī)在廣域網(wǎng)中的地址,2, 1 2, 2,4 5 6 7,交 換 機(jī) 1,交換機(jī) 2,交 換 機(jī) 3,1, 1 1, 3,3, 2,3, 3,每個(gè)交換機(jī)都有兩組端口。 一組是和本地主機(jī)相連的低速端口，,另一組是和其他交換機(jī)相連的高速端口。,1 2 3,1 2 3,1 2 3,2, 1 2, 2,交換機(jī) 2,交 換 機(jī) 3,1, 1,3, 2,3, 3,每個(gè)主機(jī)地址中后面的數(shù)字是指該交換機(jī)的低速端口,主機(jī)地址3, 2是指連接在交換機(jī) 3 的 2 號(hào)低速端口,交 換 機(jī) 1,1, 3,主機(jī)地址1, 3是指連接在交換機(jī) 1 的 3 號(hào)低速端口,1 2 3,1

11、2 3,4 5 6 7,1 2 3,按照目的站連接的交換機(jī)號(hào) 確定下一跳,只要轉(zhuǎn)發(fā)表中目的站一欄中的交換機(jī)號(hào)相同，那么查出的“下一跳”就是相同的。 在轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)，可只根據(jù)分組的主機(jī)地址中的交換機(jī)號(hào)來查找轉(zhuǎn)發(fā)表。 只有當(dāng)分組到達(dá)與目的主機(jī)相連的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)才檢查第二部分地址（主機(jī)號(hào)），并通過合適的低速端口將分組交給目的主機(jī)。,圖的應(yīng)用,可用圖論中的“圖(graph)”來表示整個(gè)廣域網(wǎng)。 用“結(jié)點(diǎn)”表示廣域網(wǎng)上的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)，用連接結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)的“邊”表示廣域網(wǎng)中的鏈路。 連接在結(jié)點(diǎn)交換機(jī)上的主機(jī)與分組轉(zhuǎn)發(fā)無關(guān)，因此在圖中可以不畫上。,6.3 擁塞控制 6.3.1 擁塞控制的意義,在某段時(shí)間，

12、若對(duì)網(wǎng)絡(luò)中某資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就要變壞產(chǎn)生擁塞(congestion)。 出現(xiàn)資源擁塞的條件： 對(duì)資源需求的總和 可用資源 (5-1) 若網(wǎng)絡(luò)中有許多資源同時(shí)產(chǎn)生擁塞，網(wǎng)絡(luò)的性能就要明顯變壞，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將隨輸入負(fù)荷的增大而下降。,擁塞控制與流量控制的關(guān)系,擁塞控制所要做的都有一個(gè)前提，就是網(wǎng)絡(luò)能夠承受現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。 擁塞控制是一個(gè)全局性的過程，涉及到所有的主機(jī)、所有的路由器，以及與降低網(wǎng)絡(luò)傳輸性能有關(guān)的所有因素。 流量控制往往指在給定的發(fā)送端和接收端之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信量的控制。 流量控制所要做的就是抑制發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以便使接收端來得及接收。,直接

13、死鎖,直接死鎖即由互相占用了對(duì)方需要的資源而造成的死鎖。 例如兩個(gè)結(jié)點(diǎn)都有大量的分組要發(fā)往對(duì)方，但兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中的緩存在發(fā)送之前就已經(jīng)全部被待發(fā)分組占滿了。 當(dāng)每個(gè)分組到達(dá)對(duì)方時(shí)，由于沒有地方存放，只好被丟棄。發(fā)送分組的一方因收不到對(duì)方發(fā)來的確認(rèn)信息，只能將發(fā)送過的分組依然保存在自己結(jié)點(diǎn)的緩存中。 這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)就這樣一直互相僵持著，誰也無法成功地發(fā)送出一個(gè)分組。,重裝死鎖舉例,A4,A2,A1,B3,C1,B1,B2,C3,B4,A3,C2,路由器 P,路由器 Q,路由器 R,主機(jī) H,報(bào)文 A、B 和 C 經(jīng)過路由器 P、Q 和 R 發(fā)往主機(jī) H。 每一報(bào)文由 4 個(gè)分組構(gòu)成。每個(gè)路由器的緩存只能

14、容納 4 個(gè)分組。 路由器 R 已為報(bào)文 A 預(yù)留了 4 個(gè)分組的緩存。 由于分組 A3 還未到達(dá)，所以目前還不能交付給主機(jī) H。 分組 A3 暫存于路由器 P 的緩存中，它無法轉(zhuǎn)發(fā)到路由器 Q， 因?yàn)槁酚善?Q 的緩存已全占滿了。,重裝死鎖（動(dòng)畫演示）,6.3.2 擁塞控制的一般原理,擁塞控制是很難設(shè)計(jì)的，因?yàn)樗且粋€(gè)動(dòng)態(tài)的（而不是靜態(tài)的）問題。 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)正朝著高速化的方向發(fā)展，這很容易出現(xiàn)緩存不夠大而造成分組的丟失。但分組的丟失是網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的征兆而不是原因。 在許多情況下，甚至正是擁塞控制本身成為引起網(wǎng)絡(luò)性能惡化甚至發(fā)生死鎖的原因。這點(diǎn)應(yīng)特別引起重視。,開環(huán)控制和閉環(huán)控制,開環(huán)控制方法就

15、是在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)事先將有關(guān)發(fā)生擁塞的因素考慮周到，力求網(wǎng)絡(luò)在工作時(shí)不產(chǎn)生擁塞。 閉環(huán)控制是基于反饋環(huán)路的概念。屬于閉環(huán)控制的有以下幾種措施： 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以便檢測(cè)到擁塞在何時(shí)、何處發(fā)生。 將擁塞發(fā)生的信息傳送到可采取行動(dòng)的地方。 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行以解決出現(xiàn)的問題。,返回本章,6.4 X.25 網(wǎng),X.25 網(wǎng)就是 X.25 分組交換網(wǎng)，它是在二十多年前根據(jù) CCITT（即現(xiàn)在的 ITU-T）的 X.25 建議書實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 X.25 只是一個(gè)對(duì)公用分組交換網(wǎng)接口的規(guī)約。X.25 所討論的都是以面向連接的虛電路服務(wù)為基礎(chǔ)。,X.25 的層次關(guān)系,用戶數(shù)據(jù)在 X.25 的分組層（相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)層

16、）加上 X.25 的首部控制信息后，就組裝成為 X.25 分組。 在數(shù)據(jù)鏈路層使用的是 HDLC 的一個(gè)子集平衡型鏈路接入規(guī)程 LAPB。 在分組層 DTE 與 DCE 之間可建立多條邏輯信道(04095 號(hào)) ，使一個(gè) DTE 同時(shí)和網(wǎng)上其他多個(gè) DTE 建立虛電路并進(jìn)行通信。 X.25 還規(guī)定了在經(jīng)常需要進(jìn)行通信的兩個(gè) DTE 之間可以建立永久虛電路。這些虛電路號(hào)以及分組序號(hào)等控制信息都寫在 X.25 分組的首部中。,X.25 的層次關(guān)系,LAPB 幀,X.25 分組,分組層（網(wǎng)絡(luò)層）,數(shù)據(jù)鏈路層,用戶數(shù)據(jù),用戶數(shù)據(jù),X.25首部,LAPB首部,LAPB尾部,X.25 網(wǎng)與 IP 網(wǎng),基于

17、 IP 協(xié)議的因特網(wǎng)是無連接的，只提供盡最大努力交付的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，無服務(wù)質(zhì)量可言。 X.25 網(wǎng)是面向連接的，能夠提供可靠交付的虛電路服務(wù)，能保證服務(wù)質(zhì)量。 正因?yàn)?X.25 網(wǎng)能保證服務(wù)質(zhì)量，在二十多年前它曾經(jīng)是頗受歡迎的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。,X.25 網(wǎng)退出了歷史舞臺(tái),到了 20 世紀(jì) 90 年代，情況就發(fā)生了很大的變化。通信主干線路已大量使用光纖技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量大大提高使得誤碼率降低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而 X.25 十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和分組層協(xié)議已成為多余的。 PC 機(jī)的價(jià)格急劇下降使得無硬盤的啞終端退出了通信市場(chǎng)。這正好符合因特網(wǎng)當(dāng)初的設(shè)計(jì)思想：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單而智能應(yīng)盡可能放在網(wǎng)絡(luò)以外的

18、用戶端。,返回本章,6.5 幀中繼 FR 6.6.1 幀中繼的工作原理,在 20 世紀(jì) 80 年代后期，許多應(yīng)用都迫切要求增加分組交換服務(wù)的速率。 幀中繼 FR (Frame Relay)就是一種支持高速交換的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。 幀中繼在許多方面非常類似于 X.25，被稱為第二代的 X.25。 今天的數(shù)字光纖網(wǎng)比早期的電話網(wǎng)具有低得多的誤碼率，如果減少結(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)分組的處理時(shí)間，則各分組通過網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延亦可減少，同時(shí)結(jié)點(diǎn)對(duì)分組的處理能力也就增大了。,幀中繼減少結(jié)點(diǎn)處理時(shí)間,幀中繼不使用差錯(cuò)恢復(fù)和流量控制機(jī)制。 當(dāng)幀中繼交換機(jī)收到一個(gè)幀的首部時(shí)，只要一查出幀的目的地址就立即進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 因此在幀中繼網(wǎng)絡(luò)中

19、，一個(gè)幀的處理時(shí)間比 X.25 網(wǎng)約減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣，幀中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量要比 X.25 網(wǎng)絡(luò)的提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。,幀中繼對(duì)差錯(cuò)的處理,當(dāng)檢測(cè)到有誤碼時(shí)，結(jié)點(diǎn)要立即中止這次傳輸。 當(dāng)中止傳輸?shù)闹甘镜竭_(dá)下個(gè)結(jié)點(diǎn)后，下個(gè)結(jié)點(diǎn)也立即中止該幀的傳輸，并丟棄該幀。 如果需要重傳出錯(cuò)的幀，則由源站使用高層協(xié)議（而不是幀中繼協(xié)議）請(qǐng)求重傳該幀。 因此，僅當(dāng)幀中繼網(wǎng)絡(luò)本身的誤碼率非常低時(shí)，幀中繼技術(shù)才是可行的。,幀中繼使用虛電路,幀中繼的邏輯連接的復(fù)用和交換都在第二層處理，而不是像 X.25 在第三層處理。 幀中繼網(wǎng)絡(luò)向上提供面向連接的虛電路服務(wù)。虛電路一般分為交換虛電路 SVC 和永久虛電路 PVC 兩

20、種。 幀中繼網(wǎng)絡(luò)通常為相隔較遠(yuǎn)的一些局域網(wǎng)提供鏈路層的永久虛電路服務(wù)，它的好處是在通信時(shí)可省去建立連接的過程。 如果有 N 個(gè)路由器需要用幀中繼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，那么就一共需要有 N(N 1)/2 條永久虛電路。,幀中繼的控制信令,幀中繼的呼叫控制信令是在與用戶數(shù)據(jù)分開的另一個(gè)邏輯連接上傳送的（即共路信令或帶外信令）。 這點(diǎn)和 X.25 很不相同。X.25 使用帶內(nèi)信令，即呼叫控制分組與用戶數(shù)據(jù)分組都在同一條虛電路上傳送。,幀中繼接口卡把 IP 數(shù)據(jù)報(bào)封裝到幀中繼幀的信息字段。 加上幀中繼幀的首部（包括幀中繼的標(biāo)志字段和地址字段，幀中繼幀的標(biāo)志字段和 PPP 幀的一樣），進(jìn)行 CRC 檢驗(yàn)后，加上

21、幀中繼幀的尾部（包含幀檢驗(yàn)序列字段和標(biāo)志字段），就構(gòu)成了幀中繼幀。,IP 數(shù)據(jù)報(bào),幀中繼網(wǎng)絡(luò)的工作過程,目的主機(jī)若發(fā)現(xiàn)有差錯(cuò)，則報(bào)告上層的 TCP 協(xié)議處理。 即使 TCP 協(xié)議對(duì)有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行了重傳，幀中繼網(wǎng)也仍然當(dāng)作是新的幀中繼幀來傳送，而并不知道這是重傳的數(shù)據(jù)。,6.6.2 幀中繼的幀格式,IP 數(shù)據(jù)報(bào),標(biāo)志字段是一個(gè) 01111110 的比特序列， 用于指示幀中繼幀的起始和結(jié)束。 它的惟一性是通過比特填充法來確保的。,幀中繼的幀格式,IP 數(shù)據(jù)報(bào),信息字段是長(zhǎng)度可變的用戶數(shù)據(jù)。,幀中繼的幀格式,IP 數(shù)據(jù)報(bào),幀檢驗(yàn)序列字段是 2 字節(jié)的 CRC 檢驗(yàn)。 當(dāng)檢測(cè)出差錯(cuò)時(shí)，就將此幀丟棄。

22、,幀中繼的幀格式,IP 數(shù)據(jù)報(bào),地址字段一般為 2 字節(jié)， 但也可擴(kuò)展為 3 或 4 字節(jié)。,地址字段中的幾個(gè)重要部分,數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識(shí)符 DLCI DLCI 字段的長(zhǎng)度一般為10 bit（采用默認(rèn)值 2 字節(jié)地址字段），但也可擴(kuò)展為 16 bit（用 3字節(jié)地址字段），或 23 bit（用 4 字節(jié)地址字段），這取決于擴(kuò)展地址字段的值。 DLCI 的值用于標(biāo)識(shí)永久虛電路(PVC)、呼叫控制或管理信息。 數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識(shí)符 DLCI 只具有本地意義。,地址字段中的幾個(gè)重要部分,前向顯式擁塞通知 FECN (Forward Explicit Congestion Notification) 若某

23、結(jié)點(diǎn)將 FECN 置為1，表明與該幀在同方向傳輸?shù)膸赡苁芫W(wǎng)絡(luò)擁塞的影響而產(chǎn)生時(shí)延。,地址字段中的幾個(gè)重要部分,反向顯式擁塞通知 BECN (Backward Explicit Congestion Notification) 若某結(jié)點(diǎn)將BECN置為1即指示接受者，與該幀反方向傳輸?shù)膸赡苁芫W(wǎng)絡(luò)擁塞的影響產(chǎn)生時(shí)延。,地址字段中的幾個(gè)重要部分,可丟棄指示 DE (Discard Eligibility)的長(zhǎng)度是 1 bit。 DE 比特為 1 的幀表明這是較為不重要的低優(yōu)先級(jí)幀，在必要時(shí)可丟棄。,幀中繼使用的擁塞控制方法 丟棄策略。當(dāng)擁塞足夠嚴(yán)重時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就要被迫將幀丟棄。 擁塞避免。在剛一出現(xiàn)輕

24、微的擁塞跡象時(shí)用一些信令機(jī)制及時(shí)使擁塞避免過程開始工作。 擁塞恢復(fù)。在已出現(xiàn)擁塞時(shí)，擁塞恢復(fù)過程可阻止網(wǎng)絡(luò)徹底崩潰。,6.6.3 幀中繼的擁塞控制,在幀中繼網(wǎng)絡(luò)中，所有的幀中繼幀被劃分為高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)。 高優(yōu)先級(jí)幀在首部的地址字段中的可丟棄指示 DE 比特置為 0，表示網(wǎng)絡(luò)盡可能不要丟棄這類幀（即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞）。 低優(yōu)先級(jí)幀的 DE 比特置為1，表示這是相對(duì)較為不重要的幀，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞時(shí)可丟棄這類幀。,幀中繼幀的兩種優(yōu)先級(jí),承諾的信息速率 CIR,速率,測(cè)量時(shí)間間隔 Tc,t,CIR 是對(duì)特定的幀中繼連接中，用戶和網(wǎng)絡(luò)共同協(xié)商確定的用戶信息傳送速率的門限數(shù)值。CIR 數(shù)值越高，幀中

25、繼用戶向幀中繼服務(wù)提供者交納的費(fèi)用也就越多。,承諾的信息速率 CIR,只要端用戶在一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率超過 CIR，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，幀中繼網(wǎng)絡(luò)就可能會(huì)丟棄用戶所發(fā)送的某些幀。,速率,測(cè)量時(shí)間間隔 Tc,t,承諾的信息速率 CIR,每個(gè)幀中繼結(jié)點(diǎn)都應(yīng)使通過該結(jié)點(diǎn)的所有連接的 CIR的總和不超過該結(jié)點(diǎn)的容量，即不能超過該結(jié)點(diǎn)的接入速率(access rate)。,速率,測(cè)量時(shí)間間隔 Tc,t,承諾的信息速率 CIR,雖然使用了“承諾的”這一名詞，但當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率不超過 CIR 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)并不保證一定不發(fā)生幀丟棄。,速率,測(cè)量時(shí)間間隔 Tc,t,承諾的信息速率 CIR,CIR 是用來限制用戶在某

26、一段測(cè)量時(shí)間間隔 Tc內(nèi)所發(fā)送的數(shù)據(jù)的平均數(shù)據(jù)率。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)必須把一些幀丟棄時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將首先選擇超其 CIR 值的那些連接上的幀予以丟棄。,速率,測(cè)量時(shí)間間隔 Tc,t,承諾的信息速率 CIR,如果幀的速率總是小于 CIR，那么所有的幀都被打上高優(yōu)先級(jí)的標(biāo)志（DE 比特置 0）。 這在一般情況下傳輸是有保證的。,速率,測(cè)量時(shí)間間隔 Tc,t,承諾的信息速率 CIR,若數(shù)據(jù)率僅在不太長(zhǎng)的時(shí)間間隔大于 CIR，則網(wǎng)絡(luò)可以將這樣的幀置為 DE = 1，并在可能的情況下進(jìn)行傳送（即不一定丟棄，視網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度而定）。,速率,測(cè)量時(shí)間間隔 Tc,t,承諾的信息速率 CIR,若數(shù)據(jù)率超過 CIR 的時(shí)間較長(zhǎng)，

27、以致注入到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量超過了網(wǎng)絡(luò)所設(shè)定的最高門限值，則應(yīng)立即丟棄該連接上傳送的幀。,速率,測(cè)量時(shí)間間隔 Tc,t,返回本章,人們?cè)?jīng)設(shè)想過“未來最理想的”一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)是寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng) B-ISDN。 B-ISDN 采用新的 ATM 交換技術(shù)。這種技術(shù)結(jié)合了電路交換和分組交換的優(yōu)點(diǎn)。 雖然在 B-ISDN 并沒有成功，但 ATM 技術(shù)還是獲得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，并在因特網(wǎng)的發(fā)展中起到了重要的作用。,6.6 異步傳遞方式 ATM 6.6.1 ATM 的基本概念,ATM 是建立在電路交換和分組交換的基礎(chǔ)上的一種面向連接的快速分組交換技術(shù)。 ATM 采用定長(zhǎng)分組作為傳輸和交換的單位。這種定長(zhǎng)分組叫做

28、信元(cell)。,異步傳遞方式 ATM (Asynchronous Transfer Mode),當(dāng)用戶的 ATM 信元需要傳送時(shí)，就可插入到 SDH 的一個(gè)幀中。 SDH 傳送的同步比特流被劃分為一個(gè)個(gè)固定時(shí)間長(zhǎng)度的幀（請(qǐng)注意，這是時(shí)分復(fù)用的時(shí)間幀，而不是數(shù)據(jù)鏈路層的幀）。 每一個(gè)用戶發(fā)送的 ATM 信元在每一時(shí)分復(fù)用幀中的相對(duì)位置并不是固定不變的。,“異步”的含義,如果用戶有很多信元要發(fā)送，就可以接連不斷地發(fā)送出去。只要 SDH 的幀有空位置就可以將這些信元插入進(jìn)來。 ATM 名詞中的“異步”是指將 ATM 信元“異步插入”到同步的 SDH 比特流中。,“異步”的含義,選擇固定長(zhǎng)度的短信

29、元作為信息傳輸?shù)膯挝唬欣趯拵Ц咚俳粨Q。信元長(zhǎng)度為 53 字節(jié)，其首部（可簡(jiǎn)稱為信頭）為 5 字節(jié)。 能支持不同速率的各種業(yè)務(wù)。 所有信息在最低層是以面向連接的方式傳送，保持了電路交換在保證實(shí)時(shí)性和服務(wù)質(zhì)量方面的優(yōu)點(diǎn)。,ATM 的主要優(yōu)點(diǎn)如下：,ATM 使用光纖信道傳輸。由于光纖信道的誤碼率極低，且容量很大，因此在ATM 網(wǎng)內(nèi)不必在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行差錯(cuò)控制和流量控制(放在高層處理)，因而明顯地提高了信元在網(wǎng)絡(luò)中的傳送速率。,ATM 的主要優(yōu)點(diǎn)如下：,ATM 的一個(gè)明顯缺點(diǎn)就是信元首部的開銷太大，即 5 字節(jié)的信元首部在整個(gè) 53 字節(jié)的信元中所占的比例相當(dāng)大。 ATM 的技術(shù)復(fù)雜且價(jià)格較高。

30、ATM 能夠直接支持的應(yīng)用不多。 10 千兆以太網(wǎng)的問世，進(jìn)一步削弱了 ATM 在因特網(wǎng)高速主干網(wǎng)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)能力。,ATM 的缺點(diǎn),ATM 網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)元素,ATM 端點(diǎn)（又稱為 ATM 端系統(tǒng)）通過點(diǎn)到點(diǎn)鏈路與 ATM 交換機(jī)相連。 ATM 交換機(jī)是一個(gè)快速分組交換機(jī)（交換容量高達(dá)數(shù)百 Gb/s），其主要構(gòu)件是： 交換結(jié)構(gòu)(switching fabric) 若干個(gè)高速輸入端口和輸出端口 必要的緩存,ATM 的交換結(jié)構(gòu),ATM 交換機(jī),交換結(jié)構(gòu),輸入信元,輸出信元,6.6.2 ATM 的協(xié)議參考模型 和信元結(jié)構(gòu),1. ATM 的協(xié)議參考模型 ATM 的協(xié)議參考模型共有三層，大體上與 OSI的

31、最低兩層相當(dāng)（但無法嚴(yán)格對(duì)應(yīng)）。,ATM 層,物理層,PMD 子層,TC 子層,ATM 適配層 (AAL 層),SAR子層,CS子層,3,2,1,ATM 的層次,(1) 物理層 （分為兩個(gè)子層）,靠下面的是 PMD 子層，即 物理媒體相關(guān)子層 (Physical Medium Dependent Sublayer),ATM 層,物理層,PMD 子層,TC 子層,ATM 適配層 (AAL 層),SAR子層,CS子層,3,2,1,ATM 的層次,(1) 物理層 （分為兩個(gè)子層）,靠上面是 TC 子層 傳輸匯聚子層 (Transmission Convergence Sublayer),ATM 層,

32、物理層,PMD 子層,TC 子層,ATM 適配層 (AAL 層),SAR子層,CS子層,3,2,1,ATM 的層次,物理層中的 PMD 子層,ATM 層,物理層,PMD 子層,TC 子層,ATM 適配層 (AAL 層),SAR子層,CS子層,3,2,1,ATM 的層次,PMD 子層負(fù)責(zé)在物理媒體上正確傳輸和接收比特流。它完成只和媒體相關(guān)的功能，如線路編碼和解碼、比特定時(shí)以及光電轉(zhuǎn)換等。,物理層中的 TC 子層,TC 子層實(shí)現(xiàn)信元流和比特流的轉(zhuǎn)換，包括速率適配（空閑信元的插入）、信元定界與同步、傳輸幀的產(chǎn)生與恢復(fù)等。 在發(fā)送時(shí)，TC 子層將 ATM 層交下來的信元流轉(zhuǎn)換成比特流，再交給下面的 P

33、MD 子層。 在接收時(shí)，TC 子層將 PMD 子層交上來的比特流轉(zhuǎn)換成信元流，標(biāo)記出每一個(gè)信元的開始和結(jié)束，并交給 ATM 層。 TC 子層的存在使得 ATM 層實(shí)現(xiàn)了與下面的傳輸媒體完全無關(guān)。典型的 TC 子層就是 SONET/SDH。,9 行,ATM 信元流 裝入一個(gè) STM-1 幀的例子,270 字節(jié),261 字節(jié),(2) ATM 層,ATM 層,物理層,PMD 子層,TC 子層,ATM 適配層 (AAL 層),SAR子層,CS子層,3,2,1,ATM 的層次,主要完成交換和復(fù)用功能，與傳送 ATM 信元的物理媒體或物理層無關(guān)。,VCI 與 VPI （ VPI 包含 VCI）,ATM 連

34、接用信元首部中的兩級(jí)標(biāo)號(hào)來識(shí)別。 虛通路標(biāo)識(shí) VCI (Virtual Channel Identifier) 虛通道標(biāo)識(shí)符 VPI (Virtual Path Identifier),傳輸鏈路,VCI 與 VPI （ VPI 包含 VCI）,一個(gè)虛通路 VC 是在兩個(gè)或兩個(gè)以上的端點(diǎn)之間的一個(gè)運(yùn)送 ATM 信元的通信通路。 一個(gè)虛通道 VP 包含有許多相同端點(diǎn)的虛通路 VC，而這許多 VC 都使用同一個(gè) VPI。,傳輸鏈路,VCI 與 VPI （ VPI 包含 VCI）,在一個(gè)給定的接口，復(fù)用在一條鏈路上的許多不同的 VP，用它們的 VPI 來識(shí)別。 復(fù)用在一個(gè) VP 中的不同的 VC，用它

35、們的 VCI 來識(shí)別。,傳輸鏈路,VCI 與 VPI （ VPI 包含 VCI）,一個(gè)給定的 VCI 值沒有端到端的意義。 VP 在經(jīng)過集中器或交換機(jī)時(shí)，其 VPI 也會(huì)改變。,傳輸鏈路,信元的復(fù)用與分用 信元的 VPI/VCI 轉(zhuǎn)換（就是將一個(gè)入信元的 VPI/VCI 轉(zhuǎn)換成新的數(shù)值） 信元首部的產(chǎn)生與提取 流量控制,ATM 層的功能,AAL (ATM Adaptation Layer)層的作用就是增強(qiáng) ATM 層所提供的服務(wù)，并向上面高層提供各種不同的服務(wù)。,(3) ATM 適配層 AAL,ATM 層,物理層,PMD 子層,TC 子層,ATM 適配層 (AAL 層),SAR子層,CS子層,

36、3,2,1,ATM 的層次,AAL 層將 48 字節(jié)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊 交給 ATM 層，加上 5 字節(jié)的首部后 變成 53 字節(jié)的信元,AAL 層又劃分為兩個(gè)子層 CS 子層 SAR 子層,AAL 層的兩個(gè)子層,ATM 層,物理層,PMD 子層,TC 子層,ATM 適配層 (AAL 層),SAR子層,CS子層,3,2,1,ATM 的層次,使 ATM 系統(tǒng)可對(duì)不同的應(yīng)用（如文件傳送、點(diǎn)播視像等）提供不同的服務(wù)。每一個(gè) AAL 用戶通過相應(yīng)的服務(wù)訪問點(diǎn) SAP（即應(yīng)用程序的地址）接入到 AAL 層。在 CS 子層形成的協(xié)議數(shù)據(jù)單元叫做 CS-PDU。,匯聚子層 CS (Convergence Subla

37、yer),在發(fā)送時(shí)， SAR 子層將 CS 子層傳下來的協(xié)議數(shù)據(jù)單元 CS-PDU 劃分成為 48 字節(jié)的單元，交給 ATM 層作為信元的有效載荷。 在接收時(shí)，SAR 子層進(jìn)行相反的操作，將 ATM 層交上來的 48 字節(jié)長(zhǎng)的有效載荷裝配成 CS-PDU。 SAR 子層就使得 ATM 層與上面的應(yīng)用無關(guān)。,拆裝子層 SAR (Segmentation And Reassembly),ATM 層和 AAL 層,在 ATM 交換機(jī)中只有物理層和 ATM 層。,ATM 端點(diǎn),AAL層,IP 層,物理層,ATM層,AAL層,IP 層,物理層,ATM層,ATM 網(wǎng)絡(luò),ATM 網(wǎng)絡(luò),ATM 端點(diǎn),ATM 層和 AAL 層,AAL 層只能駐留在 ATM 端點(diǎn)之中。,交換機(jī),交換機(jī),ATM 網(wǎng)絡(luò),ATM 網(wǎng)絡(luò),ATM 層,物理層,物理層,物理層,ATM 層,物理層,IP 層,物理層,ATM層,IP 層,物理層,ATM層,ATM 在哪一層？,當(dāng)孤立地觀察一個(gè) ATM 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，ATM 網(wǎng)絡(luò)像一個(gè)廣域網(wǎng)，因?yàn)樗梢愿采w很大的地理范圍，有自己網(wǎng)絡(luò)的硬件地址和進(jìn)行信元轉(zhuǎn)發(fā)的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)，并且向上提供虛電路服務(wù)。 從 IP 層來看，整個(gè)的 ATM 網(wǎng)絡(luò)又相當(dāng)于兩個(gè) IP 結(jié)點(diǎn)之