1、第6章 广域网技术计算机网络技术及应用（第2版）6.1 广域网的基本概念n6.1.1广域网的构成n区分局域网技术和广域网技术的关键是网络的规模，广域网能按照需要连接地理距离较远的许多站点，每个站点内有许多计算机。n广域网由许多节点交换机以及连接这些交换机的链路组成，各台计算机连接到交换机上，节点之间的连接方式是点到点方式。广域网初始的规模是由站点数目和连入的计算机数目决定，其他的交换机可以按需要加入，用来连接其他的站点或计算机。一组交换机相互连接构成广域网。一台交换机通常有多个输入/输出接口，使得它能形成多种不同的拓扑结构，连接多台计算机。图6-1显示了由四台结点交换机和八台计算机互连而成的广
2、域网的一种可能情况 广域网中基本的电子交换机称为结点交换机（packet switch）6.1.2广域网的分组转发机制n1.存储转发n局域网中，在一个给定时间内只允许一对计算机交换帧，而在广域网中，分组往往经过许多的结点交换机的存储转发（store and forward）才能到达目的地。为完成存储转发功能，结点交换机必须在存储器中对分组进行缓冲。存储操作是在分组到达时执行，结点交换机的输入/输出硬件把一个分组副本放在存储器中并通知处理器（例如使用中断）。然后进行转发（forward）操作。处理器检查分组，决定应该送到哪个接口，并启动输出硬件设备以发送分组。使用存储转发模式的系统能使分组以硬件
3、所容许的最快速度在网络中传送。更重要的是，如果有许多分组都必须送到同一输出设备，结点交换机能将分组一直存储在存储器中直到该输出设备空出。2.广域网的物理编址n局域网采用了平面地址结构，对不需要进行路由选择的局域网这种结构非常方便。然而在广域网中，分组往往经过许多结点交换机的存储转发才到达目的地。广域网使用层次地址方案（hierarchical addressing scheme），使得转发效率更高。层次地址把一个地址分成几部分。最简单的层次地址方案把一个地址分为两部分：第一部分表示结点交换机，第二部分表示连到该交换机上的计算机。3.广域网中的路由 n当有另外的计算机连入时，广域网的容量必须能相
4、应扩大。当有少量计算机加入时，可通过增加输入/输出接口硬件或更快的CPU来扩大单个交换机的容量。这些改变能适应网络小规模的扩大，更大的扩大就需要增加结点交换机。这一基本概念使得建立一个具有较大可扩展性的广域网成为可能，因为可不增加计算机而使交换容量增加。特别是在网络内部可加入结点交换机来处理负载，这样的交换机无需连接计算机。我们称这些结点交换机为内部交换机（interior switch），而把与计算机直接连接的交换机称为外部交换机（exterior switch）。为使广域网能正确地运行，内、外部交换机都必须有一张路由表，并且都能转发结点。路由表中的数据必须符合以下条件：n（1）完整的路由。
5、每个交换机的路由表必须含有所有可能目的地的下一站。n（2）路由优化。对于一个给定的目的地而言，交换机路由表中下一站的值必须是指向目的地的最短路径。图6-4说明了一个广域网的例子和相应的图。表6-1展示了图6-1的路由表。目的地下一站目的地下一站目的地下一站目的地下一站1-1(2,3)1(3,2)1(4,2)2(1,3)2-2(3,3)2(4,4)3(1,3)3(2,3)3-3(4,2)4(1,3)4(2,4)4(3,4)4 -站点1站点2站点3站点46.2 X.25分组交换网nCCITT 在70年代开发了X.25，以便在公用分组交换网络和它们的客户之间提供接口。X.25描述了将一个分组终端连接
6、到一个分组网络上所需要做的工作。通过虚电路方式，它能负责维护一个通过单一物理连接的多用户会话，每个用户会话被分配了一个逻辑信道，这是X.25的一个很强的功能。X.25是一种中速数据网络，一般速率在64kbps以内。图6-5表示X.25接口的3个层次。nX.25是面向连接的，支持交换式虚电路和永久式虚电路。交换式虚电路（switched virtual circuit）在一台计算机向网络发送分组要求与远程计算机通话时建立。一旦建立好连接，分组就可以在上面发送，通常按次序到达。X.25提供流量控制，以避免快速发送方淹没低速或繁忙的接收方。n永久式虚电路（permanent virtual circ
7、uit）在用法上和前者相同，但是它根据提前和运载方达成的协议建立连接，它一直存在，不需要在使用时设置，它与租用线路相似。6.3 帧中继FRn帧中继是继X.25后发展起来的数据通信方式。帧中继消除了X.25加在端用户系统和分组交换网络上的许多开销。通常将帧中继称为快速分组交换。帧中继和传统的X.25分组交换服务之间的主要差别：n（1）呼叫控制信令在不同于用户数据的一条单独的逻辑连接上运载。因此，中间结点不需要在每条连接的基础上维持状态表或处理与呼叫控制有关的消息。n（2）逻辑连接的多路复用和交换发生在第二层。而不是第三层，这样就免除了一个处理层次。n（3）没有站段到站段的流量控制和差错控制。端到
8、端的流量控制和差错控制由高层负责。n帧中继是一种简单的面向连接的虚电路分组服务。它既提供永久虚电路（PVC），又提供交换虚电路（SVC）。n帧中继是一种广域网技术，也是一种快速操作技术。X.25运行在64kb/s以下的速率，但帧中继现在可以达到T1/E1的速率，甚至更高。帧中继的主要特点是：n（1）中速到高速的数据接口；n（2）标准速率T1速率；n（3）可用于专用和公共网；n（4）仅传输数据；n（5）使用可变长度分组。6.3.1帧中继的帧格式F（帧开始标志）DLCI（数据链路连接标识符）CR（命令/响应位）FECNBECNDE（丢弃合格指示）EA（地址扩展位）数 据帧校验F（帧结束标志）6.3
9、.2帧中继的应用n帧中继既可作为公用网络的接口，也可作为专用网络的接口。专用网络接口的典型实现方式是，为所有的数据设备安装带有帧中继网络接口的T1多路选择器，而其它如语音传输、电话会议等应用则仅需安装非帧中继的接口。这两类网络中，连接用户设备和网络装置的电缆可以用不同速率传输数据，一般速率在56Kbps到E1速率（2.048Mbps）间，一旦它适应宽带应用，将具备44.7Mbps速度的能力。帧中继的常见应用简介如下：n（1）局域网的互连。n（2）语音传输。n（3）文件传输。6.4 综合业务数字网ISDNn6.4.1 ISDN的概述nISDN是由CCITT和各国标准化组织开发的一组标准，这些标准
10、将决定用户设备到全局网络的联接，使之能方便地用数字形式处理声音、数据和图像通信。在此之前，各类不同的公众网同时并存，分别提供不同的业务，造成相对独立的割裂状态。例如，电话网提供语音业务、用户电报网提供文字通信业务、电路交换和分组交换网提供数据传输业务等。ISDN的目的就是应用单一网络向公众提供不同的业务。n1984年10月CCITT推荐的CCITT ISDN标准中给出了一个定义：“ISDN是由综合数字电话网发展起来的一个网络，它提供端到端的数字连接以支持广泛的服务，包括声音的和非声音的，用户的访问是通过少量多用途用户网络接口标准实现的”。nISDN通过普通的本地环路向用户提供数字语音和数据传输
11、服务，也就是说，ISDN使用与模拟信号电话系统相同类型的双绞线。1.ISDN系统体系结构2.ISDN接口 nISDN比特管道支持由时分多路复用分隔的多个信道，共有7种标准化的信道：nA4khz模拟电话信道nB64kb/s数字PCM信道，用于话音或数字nC8kb/s 或16kb/s数字信道nD16kb/s数字信道，用于段外信令nE64kb/s数字信道，用于ISDN内部信令nH384kb/s，1536kb/s或1920kb/s数字信道n（1）基本速率接口2B+D（BRI）nBRI包括两个传输声音和数据的64kbps通道（B通道）和一个传输控制信号和数据的16 kbps分组交换数据通道（D通道）。B
12、RI用于小容量系统，如声音/数据工作站。n（2）一次群速率接口23B+D或30B+D（PRI）nPRI包括23个B通道和1个64 kbps的D通道，或30个B通道和1个D通道，接口速率达1.544Mbps。PRI用于大容量系统，如国家范围的ISDN。n（3）混合速率接口：1A+1Cn因为ISDN如此集中于64kb/s信道，所以我们称之为N-ISDN（窄带ISDN），以便和后面讨论的宽带ISDN（ATM）相对比。3.ISDN的主要特点：n（1）建立数字比特管道的概念，管道采用分时复用的方式来支持多个独立的信道。n（2）可同时提供多个信道、多种业务，包括声音、图形、图像、文本等。n（3）一对线可同
13、时接入多个终端。n（4）支持端到端的透明连接，即只要有号码即可。n（5）可以实现封装用户组，组内成员只能内部通话。6.4.2 宽带ISDN（B-ISDN）n早在1985年1月，CCITT第18研究组就成立了专门小组着手研究宽带ISDN，并提出了关于B-ISDN的建设性框架。B-ISDN基本上是一个数字虚电路，以155Mb/s的速率把固定大小的分组（信元）从源端传送到目的地。B-ISDN的起点基于ATM技术。ATM是基于分组交换技术而不是电路交换技术。与之相比，现有的PSTN和窄带的ISDN都是电路交换技术。B-ISDN和N-ISDN相比具有以下的一些主要区别：n（1）N-ISDN使用的是电路交
14、换，它只在传送信令的D通路使用分组交换。使用的是快速分组交换，即异步传输模式ATM。n（2）N-ISDN是以目前正在使用的电话网为基础，其用户环路采用双绞线。但在B-ISDN中，其用户环路和干线都采用光缆。n（3）N-ISDN各通路的比特率是预先设置的。如B通路比特率为64，但在B-ISDN使用虚电路的概念，其比特率只受用户到网络接口的物理比特率的限制。n（4）N-ISDN无法传输高速图像，但B-ISDN可以传送。由窄带ISDN向宽带ISDN的发展，可分为三个阶段。n第一阶段是进一步实现话音、数据和图像等业务的综合。由ATM构成的宽带交换网实现话音、高速数据和活动图像的综合传输。n第二阶段的主
15、要特征是B-ISDN和用户网络接口已经标准化，光纤已进入家庭，光交换技术已广泛应用，因此它能提供包括具有多频道的高清晰度电视HDTV（High Definition Television）在内的宽带业务。n第三阶段的主要特征是在宽带ISDN中引入了智能管理网，由智能网控制中心来管理三个基本网。智能网也可称作智能宽带ISDN，其中可能引入智能电话、智能交换机及用于工程设计或故障检测与诊断的各种智能专家系统。6.5 异步传输模式ATM n6.5.1 ATM概述n异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）是在分组交换技术上发展起来的一种快速分组交换方式，它吸取了分组交
16、换高效率和电路交换高速度的优点，采用的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。一般将这种交换称为信元（cell）交换。ATM由国际电信联盟ITU在1991年正式确定为B-ISDN的传送方式。值得说明的是，N-ISDN采用的交换技术是同步传输模式STM（Synchronous Transfer Mode）。而B-ISDN采用的交换技术是基于异步分时复用的信元交换，即ATM。在ATM中，每个时隙没有确定的占有者，各信道根据通信量的大小和排队规则来占用时隙。每个时隙就相当于一个分组，即信元。图6-8 ATM的一般接入方式6.5.2 ATM协议参考模型1.物理层n物理
17、层在ATM 设备间提供ATM 信元传输通道。它分成物理媒体子层PM（Physical Media Sub layer）和传输会聚子层TC（Transmission Sub layer）。2.ATM层nATM 层提供与业务类型无关的统一的信元传送功能。ATM 层具有网络层协议的功能:端到端虚电路连接交换、路由选择等。3.ATM适配层nATM适配层记为AAL（ATM Adaptation Layer），其作用是增强ATM层所提供的服务，并向上层提供各种不同的服务。表6-2 ATM网络向用户提供的四种服务服务类别class）A类B类C类D类AAL类型（type）AAL1，AAL5AAL2，AAL5A
18、AL3/4，AAL5AAL3/4，AAL5比特率恒定可变是否需要同步需要不需要连接方式面向连接无连接应用举例64kb/s话音变比特率图像面向连接的数据无连接数据6.5.3 ATM的信元格式n信元实际上就是分组，只是为了区别于X.25的分组，才将ATM的信息单元叫作信元。ATM的信元具有固定的长度，即总是53个字节。其中5个字节是信头（Header），48个字节是信息段。信头包含各种控制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址，另外还有一些维护信息、优先级及信头的纠错码。信息段中包含来自各种不同业务的用户数据，这些数据透明地穿越网络。信元的格式与业务类型无关，任何业务的信息都同样被切割封装成统一格式的
19、单元。n在ATM层，有两个接口是非常重要的，即用户-网络接口UNI（user-network interface）和网络-网络接口NNI（network-network interface）。前者定义了主机和ATM网络之间的边界（在很多情况下是在客户和载体之间），后者应用于两台ATM交换机（ATM意义上的路由器）之间。两种格式的ATM信元头部如图6-11。图6-11 (a)UNI中的ATM头部；(b)NNI中的ATM头部6.5.4 ATM交换机n1.ATM基本排队原理 nATM交换有两条根本点：信元交换和各虚连接间的统计复用。信元交换将ATM信元通过各种形式的交换媒体，从一个VP/VC交换到另
20、一个VP/VC上。统计复用表现在各虚连接的信元竞争传送信元的交换介质等交换资源，为解决信元对这些资源的竞争，必须对信元进行排队，在时间上将各信元分开，借用电路交换的思想，可以认为统计复用在交换中体现为时分交换，并通过排队机制实现。n排队机制是ATM交换中一个极为重要的内容，队列的溢出会引起信元丢失，信元排队是交换时延和时延抖动的主要原因，因此排队机制对ATM交换机性能有着决定性的影响。基本排队机制有三种：输入排队、输出排队和中央排队。这三种方式各有缺点，如输入排队有信头阻塞，交换机的负荷达不到60%；输出排队存储器利用率低，平均队长要求长，而中央排队存储器速率要求高、存储器管理复杂。同时，三种
21、方式有各有优点，输入队列对存储器速率要求低，中央排队效率高，输出队列则处于两者之间，所以在实际应用中并没有直接利用这三种方式，而是加以综合，采取了一些改进的措施。改进的方法主要有：n（1）减少输入排队的队头阻塞。n（2）采用带反压控制的输入输出排队方式。n（3）带环回机制的排队方式。n（4）共享输出排队方式。n（5）在一条输出线上设置多个输出子队列，这些输出子队列在逻辑上作为一个单一的输出队列来操作。2、ATM交换机构 n为实现大容量的交换，也为了增加ATM交换机的可扩展性，往往构造小容量的基本交换单元，再将这些交换单元按一定的结构构造成ATM交换机构(Fabric)，对于ATM交换机构来说，
22、研究的主要问题是各交换单元之间的传送介质结构及选路方法，以及如何降低竞争，减少阻塞。ATM交换机构分类方法不一，有一种分法为：时分交换和空分交换，其中时分交换包括共享总线、共享环和共享存储器结构，空分交换包括全互连网和多级互连网。3、ATM交换机 nATM信元交换机的通用模型如图6-12所示。它有一些输入线路和一些输出线路，通常在数量上相等（因为线路是双向的）。在每一周期从每一输入线路取得一个信元（如果有的话）。通过内部的交换结构（switching fabric），并且逐步在适当的输出线路上传送。图6-12 ATM交换机n信元通常以ATM速率到达，一般在150Mb/s左右，即大约超过360,
23、000信元/s，这意味着交换机的周期大约为2.7us。一台商用交换机可能有16条1024条输入线路，即它必须能在每2.7us内接收和交换16个1024个信元。在622Mb/s的速率上，每700ns就有一批信元进入交换结构。由于信元是固定长度并且较小（53字节），这就可能制造出这样的交换机。若使用更长的可变长分组，高速交换会更复杂，这就是ATM使用短的、固定长度信元的原因。4、ATM交换机的分类 n各种ATM交换设备由于应用场合的不同，完成的功能也略有差异，主要区别有接口种类、交换容量、处理的信令这几方面。n在公用网中，有接入交换机、节点交换机和交叉连接设备。n在ATM专用网中，有专用网交换机、ATM局域网交换机。
