第四章 网络与通信技术

1第四章4.1交换4.1.1交换方式及交换网4.1.2电路交换网4.1.3分组交换网–数据报交换网络4.1.4分组交换网–虚电路交换网络4.1.5虚电路网络和数据报网络的比较4.2IP地址4.2.1IPv4编址系统4.2.2IPv6编址系统（暂时没写，还讲吗？）4.3因特网协议4.3.1IPv4协议4.3.2协同IPv4工作的协议4.3.3IPv6协议（暂时没写，还讲吗？）4.3.4IPv4向IPv6的转换（暂时没写，还讲吗？）4.4路由算法和路由协议4.4.1分组的转发4.4.2路由表4.4.3路由协议（暂时没写，还讲吗？）4.5拥塞和拥塞控制4.5.1拥塞的概念4.5.2拥塞控制措施注：如果目录中现在缺的部分都补齐的话，8个课时（原设计为6个课时，从第三章借两个课时）肯定不够用。现在已经整理的内容中可以去掉的只有“电路交换机的结构”这部分。但是课时应该还是不够。各位老师的意见呢？24.1交换交换技术是网络中的一个十分重要的问题。为什么要用交换设备？简单的讲就是为了节省传输线路。在交换网中，有些交换节点直接和端设备相连（例如计算机或电话），有些仅仅是为了路由。如图4-1所示，如果不使用交换设备，10个设备之间采用直接相连，则共需452/)110(10条链路。在广域网和互联网中，将所有端设备直接相连是不可能的。交换节点将两个或多个节点连接在一起，在他们之间产生临时连接。图4-1交换网络4.1.1交换方式及交换网根据交换的方式和交换的特点，可以把交换分为3类：电路交换、报文交换和分组交换（包交换）。分组交换又分为两种形式：数据报和虚电路。用数据交换的形式来命名网络，就得到电路交换网，分组交换网和报文交换网。其中分组交换网又进一步划分两个子类：虚电路网和数据报网。电话网采用电路交换，电报网是报文交换，计算机网络采用包交换。目前报文交换已基本不用，因此重点讨论电路交换和分组交换。交换网络电路交换网络分组交换网络信息交换网络数据报交换网络虚电路交换网络图4-234.1.2电路交换网1．电路交换网电路交换网组成电路交换网是由物理链路连接的一组交换机组成的，每条链路用FDM或TDM划分成n个通道，每次连接仅使用每条链路上的一专用通道。图表示一个有四个交换机和四条链路的电路交换网络每条链路用FDM或TDM划分成n（=3）个通道。例6.1，例6.2三个阶段连接建立阶段在双方通信之前，交换机之间建立专用通道的过程。当端系统A需要与M通信时，它发送一个含有M地址的连接请求给交换机I。交换机I发现它与交换机这个连接请求必须被所有交换机接受包括M本身的交换机Ⅳ有专用通道，然后。。。。（见书）数据传输阶段拆除阶段例题【4-1】：一个小例子。8台电话机通过一个小型电路交换网络连接。信道为4-kHz的音频信道。假设链路均采用频分复用FDM，可以同时容纳最大两个音频信道。因此，每条链路（或者连接）的带宽为8kHz。如图4-3。电话1与电话7相连，2和5相连，3和8相连，4和6相连。如果有新的终端加入，连接则可能发生变化。交换机控制连接。图4-3例题4-1的电路交换网例题【4-2】：某公司两个距离很远的办公室的计算机通过电路交换网络相连。相连的链路是租借某通信服务商的专用线路。网络中有两个4×8的交换机（4个输入，8个输出）。对于每一个交换机，8个输出中有4个输出与输入交叉连接，以完成同一个办公室里的计算机之间的通信。如图4-4所示。4图4-4例题4-2的电路交换网电路交换网的性能低效连接期间信道容量固定且专用（必须为必须为建立的连接保留交换容量和信道容量）如果无数据，容量浪费建立(连接)花费时间（必须有足够智能完成容量分配和路由选择）一旦连接,传送是透明的为话音通信量(电话)开发延迟尽管效率低，但这种网络的延迟最小。整个延迟的组成：建立连接需要的时间、数据传输需要的时间、拆除电路的时间每一阶段延迟的组成：由建立所引起的延迟是四部分的和：原计算机请求的传播时间（第一个灰色框的斜度），请求信号的传输时间（第一个灰框的高度），目的计算机确认的传播时间（第二个灰框的斜度）和确认信号的传输时间（第二个灰框的高度）。数据传输延迟是两部分的和：传播延迟（浅灰色框的斜率）和数据传输时间（浅灰色框的高度）拆除电路延迟：第三个框表示。图4-5中表示接收方请求撤销连接，产生的最大延迟。5传输延迟传输时间图4-5电路交换的延时2．电路交换机的结构（1）空分交换机最初为模拟通信网络设计，现在即可用于模拟通信网，又可用于数字通信网。发展历史Crossbar交换（纵横交换，开关矩阵交换？）：crossbar交换将n个输入和m个输出以网状结构连接起来，每个交叉节点为电子微开关（晶体管），见图4-6。此种交换机的主要限制是位于交叉节点的晶体管的数目。N个输入，m个输出，需要n×m个节点。例如，用crossbar将1000个输入和1000个输出连接起来，需要1，000，000个交叉节点。具有如此大数目的交叉节点的纵横交换开关无法实现。而且，即便能够制造，使用效率也不高。任意时刻大概只有低于25%的交叉节点处于使用状态，其他均为空闲状态。图4-6三个输入，四个输出的crossbar交换Multistage开关（多级开关）：可以解决输入输出数目较大时交叉结点过多的问6题。多级开关使用多级纵横交换开关，一般为3级。如图4-7所示。在一个纵横交换开关中，对于任何一次连接，只使用一行或一列交叉节点。这样，如果能够通过设计，使得一次连接中可以利用多行或多列交叉节点，则可以减少中的交叉节点的数目。如图4-7的三级结构，处于中间的纵横交换开关可以被第一级和第三级的纵横交换开关的多个交叉节点使用。（这个怎么形容？）图4-7多级交换开关图4-7中的三级纵横交换行列节点数可以按如下步骤设计：1)将N个输入分成组，每组n条输入。每一组，纵横交换开关大小为n×k，k是中间一级的纵横开关的个数。换句话说，第一级有N/n个纵横交换开关，每个纵横交换开关有n×k个交叉节点。2)中间一级有k个纵横交换开关，每个的尺寸是（N/n）×（N×n）个交叉节点。3)第三级有N/n个纵横交换开关，每个的尺寸是k×n交叉节点个。三级纵横交换开关的交叉节点数为2)(2nNkkN（4-1）例题【4-3】设计三级纵横交换开关，200×200（这个是指输入为200，输出为200吗？）的交换开关（N=200），k=4，n=20求解：第一级有200/20=10个纵横交换开关（20×4），第二级4个（10×10），第三级10个（4×20）。总的交叉点的数目是2000，只占实现同样功能的单级纵横交换开关交叉点（200×200=40000）的5%。注：但是可能存在阻塞多级纵横交换开关有一个缺点，交换量大时可能造成阻塞（指的是由于中间级的交换的不可用导致的输入无法跟输出建立连接的时间）。单级纵横交换开关不会阻塞。7Clos准则：满足12nk可以避免阻塞发生。下面的公式怎么算出来的？假设N的数目一定，根据Clos准则，计算不发生阻塞情况下的n的最小值。则应该将12nk带入式（8-1），此时只有一个变量n，对n求导，使一阶导数为零的n即为极值。可是我算不出来！2/1)2(Nn12nk则总的交叉点的数目1242/1NN。例【4-4】：重新设计前例，200×200交换开关，使用Clos准则，使总的交叉点数最少。解：英文教材230页（2）时分交换机时分交换机使用时分复用技术。常用的方法称作时隙互换（time-slotinterchange）（TSI）图4-8时分交换图4-8中包含时分多路复用开关以及RAM（用来存储时隙数据）。左侧的A,B,C,D为四台终端需要发往右侧的时隙数据。该时隙数据所需到达的目的终端在右侧以同样的字母标出，即1-3，2-4，3-1，4-2。RAM用以按顺序暂存接收的时隙数据。控制单元决定RAM中的时隙数据发出的顺序（即，可能与接收的顺序不同吗？）。（3）组合时分-空分交换8图4-9组合时分-空分交换4.1.3分组交换网--数据报交换网络datagramnetworks1．数据报网络的特点数据切割成分组：数据需要分成固定长度或边长度的分组。长度由所使用的网络和规约决定。网络资源按需分配，可能产生时延：数据报交换网络中，不存在某次连接而建立的专用连接（reservation这么翻译？），资源按需分配。不为每个分组专门分配资源（带宽），也没有专门的分组信息处理时间。资源按需分配，分配原则是先到先得。当交换机接到分组后，不管分组的源端是哪个节点，目的端是哪个节点。只要交换机正在处理别的分组，刚到达的分组就需要等待。因此会产生延迟。每个分组独立处理：称为数据报。交换机称为路由器。在目的端，由于各分组经由的路由不同，各路由的负荷不同，到达目的节点的顺序可能与源端发出顺序不同。（那么怎么处理）分组也可能在传输中丢失。网络层实现数据报交换上层规约完成目的端收到的各数据报的排序及丢失报文的重发图4-10数据报分组交换网络9图4-10为简单示例。分组交换网络又称为无连接网络。无连接是与电路交换相比较而言。交换机并没有关于连接状态的信息。没有电路建立和拆除阶段。2．数据报交换网络中的几个概念目的地址：每一个数据报都包含一个报头，里面包含有数据报的目的地址。当路由器收到数据报时，路由器检测该地址，在路由表里根据目的地址找到发送的端口。这个地址跟虚电路交换网络的地址不同，在整个数据报传送的过程中保持不变。效率：数据报网络的效率高于电路交换网络。因为只有需要传输数据报时才分配信道资源。如果源节点发送一个数据报，且在另外一个数据报发送之前有几分钟的延迟，则刚才数据报占用的信道资源可以用于发送其他源节点发送的其他数据报。延迟：数据报网络的延迟可能比虚电路网络长。尽管没有电路建立和拆除阶段，数据报在发送之前可能会有一些延迟。由于信息的各个数据报并不一定经由同一个路径发送，因此各数据报的延迟并不一定全相同。图8.9为一个数据报在数据报网络中传输所经历的延迟。图4-11报文交换的时间延迟4.1.4分组交换网—虚电路交换网络virtual-circuitnetworks10图4-12虚电路网络虚电路网络介于电路交换网络和数据报网络之间。具有上述两种交换网络的特点。1．虚电路网的特征：·具有链路建立和拆除阶段·链路资源可以像在电路交换网络中那样在链路建立阶段加以分配，或者像在数据报交换网络中按需分配。·数据分成组，每组数据头携带地址信息。该地址仅标明下一个交换和传输数据所采用的信道，并不表明数据的最终目的地址。·所有分组报文均经由同一路径传输（在链路建立阶段建立）。·目前：虚电路交换在数据链路层实现，电路交换在物理层实现，而数据报交换在网络层实现。编址：具有全局编址和本地编址全局编址：源和目的端需要有一个全网唯一的地址。虚电路网络中的全局地址用于产生虚电路标识符。虚电路标识符：虚电路标识符仅在局部有效。当一帧数据到达一个交换节点时，具有一个VCI，当它离开该交换节点时，具有另外一个VCI。VCI数字无须很大，因为每一个交换节点具有其自己专门的VCI系列。图4-13虚电路标识符112．虚电路交换过程：具有建立、数据传输和拆除阶段三个阶段。建立阶段，源和目的利用其全局地址与交换建立路由表（？还是交换表？）（tableentries？）。拆除阶段，删除路由表。虚电路网的路由器及路由表如图4-14所示。图4-14虚电路网的路由器和路由表（1）建立阶段：在建立阶段，交换机为虚电路产生一个entry。建立分两部进行：虚电路建立请求和确认。图4-15请求建立虚电路建立请求：建立请求帧从源发往目的。A．源A将建立帧发送至交换机1。B．交换机1接到请求帧，明确从节点A发往节点B的帧经由端口3（以后章节解释如何明确这一点）。在建立阶段，交换机与报文交换中的路由相同，具有一张路由表。该路由表与交换表（交换表是什么？分组交换中的是路由表？虚电路交换中的是交换表？）不同。交换机在表中建立一条记录，记录下收到信息的虚电路的VCI和对应端口号。但仅能完成