第六章广域网

第六章广域网 本章讨论的主要内容： 1. 广域网基本概念 • 广域网的构成 • 广域网所提供的服务 2. 广域网中的路由选择机制 • 结点交换机中的路由表 a.层次法的编址方案 b.按照目的站交换机号确定下一站 • 用图表示广域网 3. 路由选择的一般原理 • 理想的路由算法 • 非自适应路由选择 • 自适应路由选择 • 4.拥塞控制 • 拥塞控制的意义 • 拥塞控制的一般原理 • 5.X.25建议书 • 6.帧中继FR • FR体系结构 • FR呼叫控制 • 应用

6.1节基本概念 一、广域网的构成 1.问题：距离较远时,例如，几十，几百公里，甚至几千公里,局域网显然是无法完成通信任务，这就需要另一种结构网络，即广域网。 • 广域网的构成：由一些结点交换机以及相应的链路组成。

互连网: LAN1 D B A E LAN2 C 广域网

局域网采用的多点接入技术 广域网结点之间采用点到点连接 1.连接技术的区别注意区别局域网主要在Data Link层广域网主要在Network层 2.协议层次上 3.广域网与局域网之间采用路由器连接

二、广域网提供的服务： 服务： 1）无连接的网络服务（数据报服务） 2）面向连接的网络服务（虚电路服务） 1.无连接（数据报）网络服务有二点： ①主机只要想发送数据就随时可发送； ②每个分组独立地选择路由；注意：第二点，意味着先发送出去的分组不一定先到达目的站主机。

D B P3 P5 A E P1 P4 C P2 无连接的网络服务特征： 1）数据发送的随意性 2）每个分组独立选择路由 3）不可靠服务注：即分组有二条路由选择，因此，数据报不能保证按发送顺序交付给目的站。另外，当网络发生拥塞时，网络中的某个结点可能将一些分组丢弃。所以，数据报提供的服务是不可靠的。

D B A E C 2.面向连接的网络服务: • H1和H5 通信，主机H1先发起一个虚呼叫，要求进行通信，同时，也寻找一条合适的路由。 • 若主机H5 同意，就发回响应，然后双方就可以传送数据。就建立了一条虚电路以后H1 向H5传送所有的分组都沿着这条虚电路传送； • 传送完毕，释放。

面向连接服务（虚电路服务）: • 特征： • 1)虚电路建立（通过虚呼叫实现） • 2）所有分组均沿同一路径传输 • 3）可靠服务 • 需要指出的是： • 这个虚电路和电路交换的连接有很大的区别: • 电路交换：二个用户通信网始终占用一条端到端的物理信道； • 虚电路：由于采用的是存储转发的分组交换，所以，只是断续地占用一条一条的链路；

从用户端看网络提供的服务：虚电路与数据报对比：从用户端看网络提供的服务：虚电路与数据报对比：对比的方式虚电路数据报 1.连接的建立必须有不要 2.目的站地址仅在连接建立阶段使用每个分组都有每个分组使用短的虚电路号目的站的全地址 3.路由选择在虚电路建立时进行，所有每个分组独立选择路由分组均按同一路由。 4.当路由器出故障所有通过出故障的路由器出故障的路由的可能会丢失的虚电路均不能工作分组，一些路由可能会发生更改 5.分组的顺序总是按发送顺序到达可能不按发送顺序目的站 6.差错处理由通信子网负责由主机负责 7.流量控制由通信子网负责由主机负责

6.2节广域网中的路由选择机制 一、结点交换机中的路由表分组交换网络的路由选择：通过查找路由表完成，那么在讨论路由表之前，应先了解广域网是如何给接入网络的计算机进行编址的。 1. 层次结构的编址方案地址=[分组交换机号，计算机接入交换机的端口号] 例如：有3台交换机，分别接有计算机，如图:

2、路由表基本结构 1 2 3 4 1 2 3 4 交换机1 交换机3 1 2 3 4 交换机2 [1,1] [3,2] [1,3] [3,3] 目的站下一站 [1,1] 交换机1 [1,3] 交换机1 [3,2] 交换机2 [3,3] 交换机2 [2,1] 本交换机交换机2的路由表 [2,2] 本交换机 [2,1] [2,2]

交换机1 交换机1 交换机2 交换机2 本交换机本交换机 3、简化路由表目的站下一站目的站下一站 [1,1] 1 交换机1 [1,3] 3 交换机3 [3,2] 2 本交换机 [3,3] [2,1] [2,2]

2 1 4 3 图B 3 4 二、用图表示广域网在研究广域网的路由问题时，可用图论中的“图”表示整个广域网：结点 — 表示结点交换机边 — 表示广域网中的链路 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 图A

2 1 4 3 图B 结点1 结点2 结点3 结点4

图(B)的路由表进一步简化: 结点1 进一步化简 *表示其余的默认路由

默认路由： 1）用一个默认路由代替所有的具有相同“下一站”的项目 2）默认路由比其他项目的优先级低 3）若转发分组时找不到明确的项目对应，就使用默认路由

6.3节路由选择的一般原理 下面就讨论路由选择的一般原理以及几种不同的路由选择策略和算法。一、理想的路由算法 1. 特点： 1）算法必须是正确的和完整的;正确性(correctness) 2）算法在计算上应简单的;简单性(simplicity) 3）算法应能适应和网络拓扑的变化;稳健性（robustness) 4）算法应具有稳定性(stability);路径的相对稳定性 5）算法应是公平的(fairness) 6）算法应是最佳的(optimality)和高效的（efficiency).

最优路由评估指标 • 跳数费用时延吞吐量 • 最短路经路由：路径上的节点数最少 • 最小费用路由算法 • 最大吞吐量路由算法 • 最小时延路由算法 8 5 3 6 5 2 4 8 6 • 所有节点对间 • 所有可能的路径中 • 最少节点数的路径 • 累计费用最低的路径 • 累计时延最小的路径 • 最小吞吐量最大的路径 2 4 1 3 2 2 3 1 2 3 1 1 1 5 3 7 1

2. .路由选择方法的分类： • 非自适应路由选择策略（静态）固定路由法扩散法（flooding) 随机走动法 • 自适应路由选择策略（动态）距离向量路由分布式路由选择策略

静态路由与动态路由 • 依据网络拓扑结构建立路由表 • 路由表的内容保持不变（网络变化小的网络） • 路由表的内容随网络的变化而更新 • 静态路由简单可靠、但灵活性较差 • 动态路由随网络变化而自动变化，可靠性较差 • 动态路由需在节点间交换路由信息---路由协议 • 全局最优路由与局部最优路由 • 全局最优路由---小型网络 • 局部最优路由---大型网络

二. 非自适应路由选择 一、固定路由法 1.方法： • 在每个结点有一张路由表，表上标明：每一个目的地址应查哪些链路。 • 表是在整个交流进行配置时生成的，并在一段时间内保持不变。特征：一般不能适应拓扑和通信量的变化，实现简单，开销小

2. 路由表的制作： 将网络内任何二个结点之间的最短通路计算好，根据这些最短通路制成路由表存放在各个结点中。 • 路由选择策略: 算法给定网络中任意二个结点之间的最短边路。 3.求最短边路算法： A. 已知条件：整个网络拓扑和各链路的长度。如果长度代表了最小时延或最少费用时，求最短通路。 B.算法： ① 设原结点为：结点1 ② 然后一步一步地寻找，每次找一个结点 ③ 直到把所有的点都找到为止.

5 3 3 2 2 5 1 3 2 1 6 1 4 5 2 1 令：① D(v)为原结点D到任意结点V的距离 ② L(i,j)为结点i到j之间的距离 ③ N 表示网络结点的集合 1）先令N={1}，对所有不在N中的结点V， L(1,v)，若结点V与结点1直接相连则：D(v)= ∞ 若结点v与结点1不直接相连

2）寻找一个不在N中的结点w，其D(w)值为最小，把w加入到N中。 然后，对所有不在N中的结点，用[D(v),D(w)+L(w,v)]中的较小值去更新原有的D(v)值，即： D(v) ←Min[D(v), D(w)+L(w,v)] 3）重复步骤（2），直到所有的网络结点都在N中为止。

5 3 3 2 2 5 1 3 2 1 6 1 4 5 2 1 D(1) D(2) D(3) D(4) D(5) D(6) 初始化 D(1) 0 2 5 1 ∞ ∞ 从初始化矩阵中找出最小值（0出外），确定路由第一步：1 4 第二步：从1 4 1 2 3 4 5 6 若新路径值小于旧值，则更新；否则保留旧值。

5 3 3 2 2 5 1 3 2 1 6 1 4 5 2 1 D(1) D(2) D(3) D(4) D(5) D(6) 初始化 D(1) 0 2 5 1 ∞ ∞ 0 2 41 2 ∞ 第二步：第三步：从1 4 5 1 2 3 4 5 6 若新路径值小于旧值，则更新；否则保留旧值。

5 3 3 2 2 5 1 3 2 1 6 1 4 5 2 1 D(1) D(2) D(3) D(4) D(5) D(6) 初始化 D(1) 0 2 5 1 ∞ ∞ 0 2 41 2 ∞ 0 2 31 2 ∞ 第二步：第三步： 1 4 5 2 以此类推：得到 1 4 5 2 3 6

5 3 3 2 2 5 1 3 2 1 6 1 4 5 2 1 3 2 2 1 1 6 1 4 5 2 1

分散通信量法： 特征：路由表提供所有可用得后继结点路由基于随机决定策略

A B C 目的站经过概率经过概率经过概率 A M 0.5 L 0.4 N 0.1 B M 0.35 N 0.35 L 0.3 C N 0.65 M 0.25 P 0.1 D N 0.55 P 0.3 M 0.15 E P 0.45 N 0.3 M 0.25 D M N K E P L 1)路由表中给出几个可供采用的输出链路，每条链路赋予一个概率 2）分组到达该结点时，此结点产生一个从0.00到0.99的随机数 3）按此随机数的大小，查表找出相应的输出链路

洪泛法： 特征：路由表提供所有可用得后继结点路选向所有后继结点转发，基于冗余传输优点：网络通信量小时，分组时延为最小。缺点：网络通信量大时，网络易出现拥塞现象。（网络中分组数目会迅速增长）两种限制分组数目的方法： 1）在每个分组首部中设置一个计数器 2）在每个结点建立一个登记表

随机路由 • 工作方式： • 从多个（能到达目的地的）出口中随机选中一个来转发PDU。 • 随机---选择链路、根据信道负载、… • 不需要网络拓扑信息---网络结构无关性 • 每次路径是随机变化的 • 树形，星形网络

二、自适应路由选择1.自适应可以从时间上考虑，即在某个时间根据当时的情况调整路由。二、自适应路由选择1.自适应可以从时间上考虑，即在某个时间根据当时的情况调整路由。 2.自适应也可以从空间上考虑，即在网络的某个局部范围做出应调整路由的决定，或根据某些网络状态状态信息调整路由。现在流行的分布式路由选择策略都是从时间上和空间上进行考虑的。 1.分布式路由选择策略策略算法 : 1、距离向量算法(Distance Vector Routing) 2、链路状态算法

5 3 3 2 2 5 1 3 2 1 6 1 阻塞 4 5 2 1 • 现在，把每条链路旁的数字看作是时延，如①—④的时延是1ms，根据网络假设更新结点1的路由表。 • 由表可知，由于链路的故障原因从结点1至结点3，5，6不是最小的时延。在此不必去看它。 • 重要的是：路由表给出了在结点1的二个向量D1和S1。

5 0 2 5 1 6 8 0 2 3 4 3 3 2 2 3 3 D1 ＝ S1 ＝ 2 3 5 1 1 1 1 4 2 5 6 （a） di1 din si1 sin Di ＝ Si ＝ … … • 对于任一结点i的时延向量和结点向量分别为: Di为结点i的时延向量 dij结点i至结点j的最小时延的当前估值 N为网络中的结点数 Si为结点i的后继结点向量 sij为从结点i至结点j的当前最小时延路由中结点i的后继结点

假定经过了128ms，结点1收到了来自3个相邻结点（结点2，3，4）的时延向量D2，D3，D4，于是进行更新运算，得出了更新后的路由表。假定经过了128ms，结点1收到了来自3个相邻结点（结点2，3，4）的时延向量D2，D3，D4，于是进行更新运算，得出了更新后的路由表。更新的路由表可见，更新后的结点3，5，6的时延最小。

0 2 5 1 6 8 D1旧＝ 0 2 3 1 2 4 2 0 3 2 3 5 3 3 0 2 1 3 1 2 2 0 1 3 D1新＝ D2＝ D3＝ D4 ＝下面我们以结点3 为例；从结点1经不同结点到结点3的时延分别为： ①→② → ③ d12 + d23 = 2 + 3 = 5 ①→ ③ d13 + d33 = 5 + 0 = 5 ①→④→ ③ d14 + d43 = 1 + 2 = 3 这里， d12，d13 ，d14 的数值2，5，1是原先时延向量，而d23，d33 ，d43 的数值3，0，2是刚收到.

因此，对于一个结点1的时延向量的修改： d13=Min[d12+d23 ，d13+d33，d14 + d43] =Min[5，5，3] d13= 3 从结点1出发后的第二个结点应为结点4

集中式路由选择策略：网控中心NCC负责全网状态信息的收集、路由计算及路由选择的实现。集中式路由选择策略：网控中心NCC负责全网状态信息的收集、路由计算及路由选择的实现。优点：1）减轻各结点计算量 2）消除“振荡” 3）起流量控制作用缺点：1）通信量较大 2）NCC出故障，则整个网络失控采取策略：冗余、分级

三、Router 与Bridge 的比较 1.相同点： • 可以连接二个不同的网点； • 二个网点上的工作站都可以直接访问对方的资源。 • 均具有故障隔离功能 • 均可使网上的碰撞机会减少，提高带宽利用率。 2.不同点： • 网桥处于“数据链路层”，路由器处于“网络层”； • 网桥与网络层协议无关，路由与网络协议层相关； • 路由器具有路由选择功能，网桥则无；

四、Router的应用： 1.将多个网络连接在一起（集成作用）将不同地方的二个网点连接在一起，形成二个逻辑网络点。 R2 R3 R1 R4

A C E R D F B 2. 有效隔离交通量，提高网络效量（隔离作用） • 作用： • ①除了数据流量的隔离 • ②同时也可以进行错误的隔离

A C E R D F B 3. 隔绝“广播风暴” 原因：一个网络中的“广播”信号太多会使网络信号碰撞频繁，网络无法正常. 解决：采用路由器连接二个子网，形成二个逻辑网点。

4. 提供“防火墙”技术，增强安全性 为使“Firewall”功能的实现，针对进出网络的数据进行管理，提供数据Data link和Network层的协议管理。 Tcp/IP Custom Filter Tcp/IP Spx/IPx XMS 管理者：通过协议管理 1.可以限制使用者可以连接某些网站 2.可以限制某些IP地址可以/不可以进入，以避免不合法的人员入侵。

6.4 拥塞控制（congestion) 一、拥塞控制的意义 1.网络拥塞产生的原因： ① 当某个结点缓冲区的容量太小时，到达该结点的分组无空间暂存而不得不被丢弃； ② 处理机处理的速率太慢，可能引起网络的拥塞。总之：若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏，这种情况称为（拥塞）即: ∑对资源的需求＞可用资源资源包括网络中的链路容量，交换结点中的缓冲区和处理机等。

拥塞分析： 问题1：某结点缓冲区小，到达该结点的分组因无空间而被丢弃解决：将缓冲区扩大，使所有分组可以暂存但：链路容量和CPU速度未变分组在很长时间内排队未发因超时分组重发拥塞加剧问题2：发送端在未收到确认前，保留分组副本。接收端产生的拥塞导致发送端缓冲区的拥塞。

A λA 初始：链路容量：C 平均速率： λA＝λB＝0.8 整个网络吞吐量：1.6 C=1 B’ B λB 交换结点 C=10 C=1 C=1 A’ 当主机A和B到交换结点的两条链路都饱和时（ λA＝1 λB＝10），结点缓冲区有限，导致主机A或B到交换结点的分组被丢弃。主机B到交换结点的分组到达率是主机A到交换结点的分组到达率的10倍，因此主机B和A，其占有输入缓冲区的机会为10:1。最终从交换结点输出到主机B’的数据率不超过1，按上述10:1关系，最终从交换结点输出到主机A’的数据率不超过0.1。整个网络吞吐量：1.1

拥塞控制和流量控制区别： 拥塞控制：全局性流量控制：局部的，给定的发送端和接收端之间的点对点通信量

2. 拥塞与流量控制的关系 ① 理想的流量控制 ②实际测量控制 ③无流量控制死锁输入负载拥塞 0 轻度拥塞 ①具有理想拥塞控制的网络，在吞吐量饱和之前，网络吞吐量应等于网络负载，故吞吐量曲线是45°的斜线。但当网络负载超过某一限度时，由于网络资源受限，吞吐量不再增长，即吞吐量达到饱和。虽然如此，在这种理想的拥塞控制作用下，网络的吞吐量仍能维持在量大值。 ②实际网络的情况： a.网络负载的增大网络吞吐量逐渐减小。 b.网络进入了轻度拥塞的状态，这时的吞吐量明显地小于理想的吞吐量。 c.网络拥塞状态，当网络负载达到某一数值时，吞吐量随负载的增大而下降，直到死锁（deadlock）。

拥塞控制的关键： 1）关键：合理、动态分配资源 2）应具备的功能： a) 防止网络因过载而导致吞吐率下降和时延增加 b)防止死锁

第六章 广域网