通信导论--广域网

网络技术导论广域网计算机学院2011年春季学期魏更宇通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程29.1广域网概述电话网、分组数据交换网、数字数据网、帧中继网、ISDN网、数字卫星网VSAT(verySmallApertureTerminal)和无线分组数据通信网。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程31．广域网的概念广域网是将地理位置上相距较远的多个计算机系统，通过通信线路按照网络协议连接起来，实现计算机之间相互通信的计算机系统的集合。广域网由交换机、路由器、网关、调制解调器等多种数据交换设备、数据连接设备构成。具有技术复杂性强、管理复杂、类型多样化、连接多样化、结构多样化、协议多样化、应用多样化的特点。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程4PSEPSEPSEPSEABRPSE——分组交换机LAN典型广域网通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程52.广域网的类型广域网可以被划分为：电路交换网、分组交换网和专用线路网。（1）电路交换网电路交换网是面向连接的网络，在数据需要发送的时候，发送设备和接收设备之间必须建立并保持一个连接，等到用户发送完数据后中断连接。电路交换网只有在每个通话过程中建立一个专用信道。它有模拟和数字的电路交换服务。典型的电路交换网是电话拨号网和ISDN网。（2）分组交换网分组交换网使用无连接的服务，系统中任意两个节点之间被建立起来的是虚电路。信息以分组的形式沿着虚电路从发送设备传输到接收设备。大多数现代的网络都是分组交换网，例如X.25网、帧中继网等。（3）专用线路网专用线路网是指两个节点之间建立一个安全永久的信道。专用线路网不需要经过任何建立或拨号进行连接，它是点到点连接的网络。典型的专用线路网采用专用模拟线路、E1线路等。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程63广域网与局域网的比较广域网是由多个局域网相互连接而成的。局域网可以利用各种网间互联设备、如中继器、网桥、路由器等构成复杂的网络，并扩展成广域网。局域网与广域网不同之处在于：（1）作用范围局域网的网络通常分布在一座办公大楼、实验室或者宿舍大楼中，为一个部门所有，涉及范围一般在几公里以内。广域网的网络分布通常在一个地区、一个国家甚至全球的范围。（2）结构局域网的结构简单，局域网中计算机数量少，一般是规则的结构，可控性、可管理性以及安全性都比较好。广域网由众多异构、不同协议的局域网连接而成，包括众多各种类型的计算机，以及上面运行的种类繁多的业务。因此广域网的结构往往是不规则的，且管理和控制复杂，安全性也比较难于保证。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程7比较（3）通信方式局域网多数采用广播式的通信方式，采用数字基带传输。广域网通常采用分组点到点的通信方式，无论是在电话线传输、借助卫星的微波通信以及光纤通信采用的都是模拟传输方式。（4）通信管理局域网信息传输的时延小、抖动也小，传输的带宽比较宽，线路的稳定性比较好，因此通信管理比较简单。在广域网中，由于传输的时延大、抖动大，线路稳定性比较差，同时，通信设备多种多样，通信协议也种类繁多，因此通信管理非常复杂。（5）通信速率局域网的信息传输速率比较高，一般能达到10Mbps、100Mbps，甚至能够达到千兆。传输误码率比较低。一般为。而在广域网中，传输的带宽与多种因素相关。同时，由于经过了多个中间链路和中间节点，传输的误码率也比局域网高。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程89.2广域网技术数据广域网相关的技术问题主要介绍三个：（1）路由选择：由于源和目的站不是直接连接的，因此网络必须将分组从一个节点选择路由传输到另一个节点，最后通过整个网络。（2）分组交换：路由选择确定了输出端口和下一个节点后，必须使用交换技术将分组从输入端口传送到输出端口，实现输送比特通过网络节点。（3）拥塞控制：进入网络的通信量必须与网络的传输量相协调，以获得有效、稳定、良好的性能。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程99.2.1分组交换1．分组交换简介分组交换、帧中继和ATM。通信中的分组，如X.25、帧中继和IP分组。IP分组就像是一辆公共汽车。各种分组技术的差别包括：分组中包含的比特数目，对于分组的时延和丢失有多少控制手段、分组寻址和传送机制等等。2．分组交换的基本原理分组交换的基本原理是采用“存储——转发”技术，从源站发送报文时，将报文划分成有固定格式的分组（Packet），把目的地址添加在分组中，然后网络中的交换机将源站的分组接收后暂时存储在存储器中，再根据提供的目的地址，不断通过网络中的其它交换机选择空闲的路径转发，最后送到目的地址。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程10分组交换有两种方式（1）数据报方式：在这种方式中，每个分组按一定格式附加源与目的地址、分组编号、分组起始、结束标志、差错校验等信息，以分组形式在网络中传输。网络只是尽力地将分组交付给目的主机，但不保证所传送的分组不丢失，也不保证分组能够按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是不可靠的，也不保证服务质量。如图9-2（a）所示，主机H1向H5发送的分组，有的经过节点A-B-E，有的经过A-C-E或A-B-C-E，主机H2向H6发送的分组，有的经过节点B-D-E，有的经过B-E。数据报方式一般适用于较短的单个分组的报文。其优点是传输延时小，当某节点发生故障时不会影响后续分组的传输。缺点是每个分组附加的控制信息多，增加了传输信息的长度和处理时间，增大了额外开销。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程11分组交换服务分组交换网ABDCH3H1H5H6H4H2分组交换网ABDCH3H1H5H6H4H2EE（a）数据报（b）虚电路通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程12（2）虚电路方式：在信息交换时，首先需要在发送端和接收端之间建立一个逻辑连接，然后才开始传送分组，所有分组沿相同的路径进行交换转发，通信结束后再拆除该逻辑连接。网络保证所传送的分组按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是可靠的，也保证服务质量。如图9-2（b）所示，主机H1向H5发送的所有分组都经过相同的节点A-B-E，主机H2向H6发送的所有分组也都经过相同的节点B-E。这种方式对信息传输频率高、每次传输量小的用户不太适用，但由于每个分组头只需标出虚电路标识符和序号，所以分组头开销小，适用长报文传送。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程133分组交换的优点（1）线路利用率更高：因为结点到结点的单个链路可以由很多分组动态共享。分组被排队，并被尽可能快速地在链路上传输。（2）一个分组交换网络可以实行数据率的转换：两个不同数据率的站之间能够交换分组，因为每一个站以它的自己的数据率连接到这个结点上。（3）排队制：当电路交换网络上负载很大时，一些呼叫就被阻塞了。在分组交换网络上，分组仍然被接受，只是其交付时延会增加。（4）支持优先级：在使用优先级时，如果一个结点有大量的分组在排队等待传送，它可以先传送高优先级的分组。这些分组因此将比低优先级的分组经历更少的时延。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程14分组交换的缺点（1）时延：一个分组通过一个分组交换网结点时会产生时延，而在电路交换网中则不存在这种时延。（2）时延抖动：因为一个给定的源站和目的站之间的各分组可能具有不同的长度，可以走不同的路径，也可以在沿途的交换机中经历不同的时延，所以分组的总时延就可能变化很大。这种现象被称为抖动。抖动对一些应用来讲是不希望有的（例如：电话话音和实时图像等实时应用中）。（3）额外开销大：要将分组通过网络传送，包括目的地址在内的额外开销信息和分组排序信息必须加在每一个分组里。这些信息降低了可用来运输用户数据的通信容量。在电路交换中，一旦电路建立，这些开销就不再需要通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程159.2.2路由选择1．路由选择的基本概念分组交换网络是由众多节点通过通信链路连接成一个任意的网格形状。当分组从一个主机传输到另一个主机时，可以通过很多条路径传输。在这些可能的路径中如何选择一条最佳的路径（跳数最小、端到端的延时最小或者最大可用带宽）？路由算法目的就是根据所定义的最佳路径含义来确定出网络上两个主机之间的最佳路径。为了实现路由的选择，路由算法必须随时了解网络状态的全部信息。一个好的路由算法通常要具备以下的条件：（1）迅速而准确的传递分组：如果目的主机存在，它必须能够找到通往目的地的路由，而且路由搜索时间不能过长。（2）能适应由于节点或链路故障而引起的网络拓扑结构的变化：在实际网络中，设备和传输链路都随时可能出现故障。因此路由算法必须能够适应这种情况，在设备和链路出现故障的时候，可以自动的重新选择路由。（3）能适应源和目的主机之间的业务负荷的变化：业务负荷在网络中是动态变化的。路由算法应该能够根据当前业务负载情况来动态的调整路由。（4）能使分组避开暂时拥塞的链路：路由算法应该使分组尽量避开拥塞严重的链路，最好还能平衡每段链路的负荷。（5）能确定网络的连通性：为了寻找最优路由，路由算法必须知道网络的连通性和各个节点的可达性。（6）低开销：通常路由算法需要各个节点之间交换控制信息来得到整个网络的连通性等信息。在路由算法中应该使这些控制信息的开销尽量小。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程163路由表和分级路由（1）路由表为了使交换机和路由器能够知道如何转发分组，就必须将路由的信息保存在路由表中。路由表中的信息与网络的类型有关，对于虚电路的分组交换，路由表要将每一个输入虚电路号转换为输出虚电路号，并且要标出转发分组的输出端口。在数据报网络中，路由表是根据分组的目的地址标出分组下一跳的输出端口。在虚电路的分组交换网络中，主机发送分组的分组头中，有虚电路标记（VCI）来标识虚电路号。虚电路的标记仅仅是在本地有效，在每一段链路上拥有一个由交换机分配的虚电路标记，并且根据交换机中得到的虚电路号，一个虚电路的标记可以在交换机中转换为另一个不同的虚电路标记。使用本地的虚电路标记有两个优点：①虚电路标记只要求在一段链路上必须唯一，而不是全局唯一，这样可以有更多的虚电路号用来分配。②由于交换机只需要保证它本地虚电路号的唯一性，这样交换机分配虚电路标记的过程比较简单，花费少，速度快。而且管理和维护这些虚电路标记也都比较简单。在数据报分组交换中，由于源主机和目的主机之间不需要连接，也就不需要建立虚电路。这时路由表中保存的是目的地址和相应的转发端口。由于目的地址比较长，一般都选择散列表。（2）分级路由在地址分配中如果采用分级路由的方法，就可以减少路由器必须保持的路由表的长度和每个表项的大小。在分级路由中，每个相邻的主机一般有公共的地址前缀。这样，路由器只需要检查地址的前缀就可以知道相应的路由。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程174典型路由选择算法在路由选择算法中，以某种尺度来衡量路径的“长度”，例如：跳、成本、延时或者可用带宽。可以利用距离矢量和链路状态这两种算法来获得这些信息。（1）距离矢量路由算法：这种算法要求相邻路由器之间交换路由表中的信息。这些信息是说明到目的地的距离矢量。当相邻路由器交换了这些信息后，就可以寻找最优的路由。这种算法可以逐渐的与网络拓扑的变化相适配。（2）链路状态路由算法：在这种算法中，每个路由器对连接它和相邻路由器的链路状态信息进行扩散，是每个路由器都可以得到整个网络的拓扑图。并根据这个拓扑图来计算最优路由。通信导论北京邮电大学计算机科学与技术学院本科课程18最广泛使用的路由选择算法（1）Bellman-Ford算法：这种算法的原理是：A和B之间最短路径上的节点到A节点和B节点的路径也是最短的。这种算法容易分布实现，这样每个节点可以独立的计算该节点到每个目的地的最小费用，但是这种算法对链路故障