第五单元网络互联与广域网技术

1. 第五单元网络互联与广域网技术 • 本次课的任务 • 认识广域网 • 了解广域网的组建 • 了解接入网技术与应用 • 相关支撑知识 • 广域网的概念 • 路由器的功能 • 路由选择 • 拥塞控制的基本思想

2. 5.1网络互联与广域网 • 广域网的基本概念 • 广域网英文为Wide Area Networks，缩写WAN。 • 计算机广域网是地理分布范围在几十千米至几千千米，可以连接不同城市、不同国家、遍布全球的计算机通信网络。

3. 1.广域网的构成 • 广域网由一些节点交换机以及连接这些交换机的链路组成。 • 节点交换机执行将分组存储转发的功能。节点之间都是点到点连接，但为了提高网络的可靠性，通常一个交换机往往与多个节点交换机相连。 • 节点交换机是公用通信网网络的核心部件，能将某一端口来的信号转发到相应的输出端口上。

4. 通信链路、节点交换机组成的广域网与局域网互连通信链路、节点交换机组成的广域网与局域网互连

5. 2.广域网所提供的服务 • 所提供的服务可以有两大类： （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。 • 数据报服务（Datagram）：特点是:主机只要想发送数据就随时可发送，每个分组独立地选择路由。 • 虚电路服务（Virtual circuit）：通信前主机要先发起一个虚呼叫（Virtual Call），即发送一个特定格式的呼叫分组到目的主机，要求进行通信，同时寻找一条合适的路由。

6. 图5-2 数据报传送与虚电路传送

7. 5.1.2 网络互连的基本概念 • 网络互连的定义：互连网络是指将分布在不同地理位置的网络、设备连接起来，以构成更大规模的网络，最大程度地实现网络资源的共享。 • 网络互连的目的：实现更大范围的资源共享与信息交流。

8. 网络互连的类型 • 局域网---局域网互连 • 同构网互连：具有相同协议的局域网互连； • 异构网互连：不同协议的局域网互连。 • 局域网---广域网互连 • 将局域网接入Internet有很多种方法，如采用ISDN(或普通电话拨号)+代理服务器软件Wingate或网关服务器软件Sygate、DDN专线及ADSL等。 • 局域网---广域网---局域网互连 • 广域网---广域网互连 • 如帧中继与X.25网、DDN均为广域网，它们之间的互连属于广域网的互连。

9. 网络互连的层次 • 从ISO/OSI的分层观点来划分： • 物理层：中继器 位信号 • 数据链路层：网桥 帧 • 网络层：路由器 分组（包） • 高层：网关 高层接口

10. 网络互连设备的工作原理 • 中继器：延伸、区分网段 • 网 桥：网络互连、协议转换 • 交换机：比路由器低一层次的协议转换 • 路由器：更高层的协议转换、转发 • 网 关：比路由器更高层次的协议转换

11. 5.2 用路由器互连网络 • 路由器是网络连接时必不可少的互连设备，它工作在OSI模型的网络层，其主要功能是根据数据分组的目的地址进行转发和拥塞控制，减少数据传输的盲目性和平衡网络流量，改善网络性能。 • 路由器：实现路由选择功能的通信设备。 • 路由器的功能： • 数据转发和拥塞控制 • 减少数据传输的盲目性和平衡网络流量 • 改善网络性能

12. 2. 静态路由和动态路由 • 路由器的路由可以分为静态路由和动态路由两类。静态路由是通过人工设定的，而动态路由是路由器自己学习得到的。选择路由有路由表，静态(static)路由表为事先设置固定不变的路径表；动态(dynamic)路由表是根据网络拓扑、负载的改变等情况自动调整的路径表。

13. ⑴ 静态路由 • 静态路由是由人工建立和管理的 • 静态路由不会自动发生变化 • 静态路由必须手工更新以反映互联网拓扑结构或连接方式变化 1.优势 • 安全可靠、简单直观，避免了动态路由选择的开销 2.适用环境 • 不太复杂的互联网结构 3.劣势 • 不适用于复杂的互联网结构，建立和维护工作量大，容易出现路由环 • 互联网出现故障，静态路由不会自动做出更改

14. ⑵ 动态路由 1.动态路由可以通过自身学习，自动修改和刷新路由表 2.动态路由要求路由器之间不断地交换路由信息 3.优势：更多的自主性和灵活性 4.适用环境：拓扑结构复杂、网络规模庞大的互联网 • 自动排除错误路径 • 自动选择性能更优的路径 5.动态路由的劣势 • 交换路由信息需要占用网络的带宽 • 路由表的动态修改和刷新需要占用路由器的内存和CPU处理时间，消耗路由器的资源 • 为了使用动态路由，互连网络中的路由器必须运行相同的路由选择协议，执行相同的路由选择算法。目前，应用最广泛的路由选择协议有两种，一种叫做路由信息协议(RIP，routing information protocol)，另一种叫做开放式最短路径优先协议(OSPF，open shortest path first)。RIP利用向量-距离算法，而OSPF则使用链路-状态算法。

15. 度量值 • 跳数 （Hop Count） • 数据包抵达目的地所必须经过的路由器之间的链路数 • 滴嗒 （Tick） • 在链路上用IBM PC时钟计算的延时（大约为55ms） • 开销 （Cost） • 是一个基于带宽费用或其它因素计算出来的值，通常由网络管理员指定 • 带宽 （Bandwidth） • 是网络信号可使用的最高频率与最低频率之差。

16. 度量值 • 延时 （Delay） • 负载 （Loading） • 网络资源（如路由器、链路等）的繁忙程度 • 可靠性 （Reliability） • 指每一个网络链接的可靠性 • 最大传输单元（MTU） • 特定接口可以处理的最大分组大小

17. 5.2.2路由选择机制 1.路由表的构成 • 路由即路径选择，涉及为源到目标的分组选择一条最佳的传输路径。－－何去何从 • 广域网在给接入到网络的每一台计算机进行编址时，采用“层次结构的编址方案”。 • 最简单的层次编址方案就是把一个地址分成前后两部分。前一部分表示分组交换机，后一部分表示端口号。结点交换机的一个重要作用就是提供一个路由表，供转发分组时使用。路由表中没有源站地址。

18. 图5.3广域网地址与交换机中路由表

19. 1.路由表的构成 • 图5.3中交换机SW2的路由表还可以简化，只要知道目的站所连的结点交换机，就可将数据报转发到相应交换机上，而不管计算机的编号，这样，交换机SW2的路由表可以简化为：

20. 1.路由表的构成 • 在专门研究广域网的路由问题时，可用图论中的“图”来表示整个广域网。用结点表示广域网上的结点交换机，用结点之间的连线表示广域网中的链路。在路由表中默认路由的目的站记为符号“*”。图5-4(a)所表示的广域网用结点图形简化后对应图中(b)所示。 图5-4 用图表示的广域网(a)结点交换机与通信链路、(b)简化图表示

21. 1.路由表的构成 • 根据图5-4中(b)所示的简化图，可以容易地写出各个结点的路由表如下： • “—”表示本站 表5-2 各个结点的路由表

22. 表5-3 各个结点路由表的简化 1.路由表的构成 • 表5-2中的路由表还可以简化，某一结点路由表中，有两个及以上的目的站经过相同的下一站时，就可以简化记录，用“＊”表示到达同一“下一站”的所有目的站。如表5-2中结点1的路由表，到达目的站2、3、4的数据分组都要经过结点3转发，所以，结点3就是结点1路由表中的“默认路由”，当目的地址在表中找不到时，就转发到默认路由上去。同理可理解结点2、结点3、结点4各自路由表中的“默认路由”。见表5-3内容所示。“＊”为默认路由

23. 理想的路由算法 理想的路由算法应具备的条件： • 算法必须是正确的和完整的。 • 算法在计算上应简单稳定。 • 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化。 • 算法应使传输费用最小。 • 算法应是最佳的。

24. 路由算法的分类 • 从路由算法能否随网络的通信量或拓扑自适应的进行调整变化来划分，分为：静态路由算法（非自适应路由选择策略）和动态路由算法（自适应路由选择策略）。

25. 2.静态路由选择方法 • 静态路由选择方法的特点是简单和开销小，但不能及时适应网络状态的变化。 • 静态路由选择主要算法： • 固定路由算法 • 分散通信量法 • 散射法（洪泛法） • 随机走动法

26. 2.静态路由选择方法 • 固定路由法的关键是计算出给定网络中任意两个结点之间的最短通路。它在每一个结点上保持一张路由表，表上标明对每一个目的地址应走哪条链路进行转发。这些表在整个系统进行配置时生成，并且在一段时间保持固定不变。 • 分散通信量法是事先在每个结点的内存中设置一个路由表，但此路由表中给出几个可供采用的输出链路，并且对每条链路赋予一个概率。当一个分组到达该结点时，此结点即产生一个从0.00到0.99的随机数，然后按此随机数的大小，查表找出相应的输出链路。它比固定路由法更能平衡网内的通信量，从而减小平均分组时延。 • 散射法（洪泛法）是当某个结点收到一个不是发给它的分组时，就向所有与此结点相连的链路转发出去。这种方法很少采用，但它具有较好的稳健性。 • 随机走动法的特点是分组到达某个结点时随机选择一条链路为转发的路由。在网络运行中可自动绕开故障。

27. 3.动态路由选择策略 • 动态路由选择策略的特点是能较好的适应网络的变化，但实现相对比较复杂。 • 动态路由选择主要算法： • 分布式路由选择策略 • 集中式路由选择策略 • 混合式路由选择策略

28. 3.动态路由选择策略 • 分布式路由选择策略是每个结点周期性地从相邻的结点获得网络状态信息，调整本结点的路由表，同时也将本结点的路由状态周期性地通知周围各结点，以使这些结点不断地根据网络新的状态更新其路由选择决定。 • 集中式路由选择策略是由网控中心NNC负责全网状态信息的收集、路由计算以及路由选择。它的优点是各个结点不需要进行路由选择计算，较容易得到更精确的路由最优化，但它开销较大且可靠性差。 • 混合式路由选择策略是综合多种路由选择策略，它是一种较为实用的路由选择策略。

29. 4.拥塞控制 • 当通信子网中的某一部分有太多的数据分组时，会导致网络性能的下降。这种现象称为网络中的拥塞。 • 拥塞会引起网络分组的丢失，在严重的情况下，会导致网络运行的瘫痪。 • 产生拥塞的原因是多样的： • 线路的带宽太小 • 网络上的流量不平衡 • 通信子网中的设备如路由器的CPU性能不够

30. 4.2.4拥塞控制 （1）解决拥塞的思路 • 拥塞控制用于确保通信子网能运送所有待传送的数据，是一个全局性的问题。 －－涉及所有主机、路由器，并与路由器的存储转发能力和其他影响通信子网负荷的因素有关。 • 流量控制只涉及发送者和接收者之间的点到点通信流量。其任务是确保一个快速的发送者不要以高于接收者所能承受的速率发送数据。 • （2）拥塞与死锁 • 死锁：拥塞的极端、导致网络失效的现象。 • 死锁分类： • 直接死锁：通信双方相互占用对方所需要的资源，导致死锁。 • 重装死锁：由中间路由器缓冲拥塞而引起的死锁。

31. （3）拥塞控制的一般原理 • 解决方案分为两类:一类是开环，一类是闭环。 • 开环控制工具的功能包括决定何时接受新的通信，何时丢弃分组，以及丢弃哪些分组，还包括在网络的不同点作计划表。所有这些的共同之处在于，它们在做出决定时并不考虑当前网络的状况。 • 与之相比较，闭环的解决方案是建立在反馈环路的概念之上的。当用于拥塞控制时，这种方法有3个部分： • 监视系统，检测何时何地发生了拥塞。 • 将此信息传送到可能采取行动的地方。 • 调整系统操作以更正问题。

32. 5.4 接入网技术与应用 5.5.1 接入网技术的发展 1. 接入网的概念 • 解决最终用户接入地区性网络的技术就是接入网技术。 2. 接入网技术的发展 • 目前，可以作为用户接入网的主要有三类：电信通信网、计算机网络与广播电视网。

33. 3. 主要的接入方式 • 从技术角度看，接入网的接入方式主要分为5类 • 地面有线通信系统(铜缆用户网、光缆用户网) • 无线通信、移动通信网 • 卫星通信网(同步卫星与低轨道卫星) • 有线电视网 • 地面广播电视网

34. 5.5.2 接入Internet方式 • 接入互连网络的具体方式有多种，例如普通拨号、ADSL、ISDN、有线电视、DDN、帧中继和ATM等。

35. 1. PSTN与Modem接入 • 公众电话网络(PSTN)是目前普及程度最高、成本最低的公用通讯网络，它在网络互连中也有广泛的应用。尽管现在已经有许多速度更快、性能更好的接入技术，如后面将要介绍的ISDN、ASDL和Cable Modem等，但使用Modem接入仍然是接入Internet的一种选择。如图所示为Modem接入方式。

36. 2. ISDN的接入方式 • 综合业务数字网ISDN （Integrated Service Digital Network ）将多种业务集成在一个网内，为用户提供经济有效的数字化综合服务，包括电话、传真、可视图文及数据通信等。ISDN使用单一入网接口，利用此接口可实现多个终端(ISDN电话、终端等)同时进行数字通信连接。 • ISDN的优越性 • ① 综合的通信业务 • ② 高速度的数据传输 • ③ 高质量的数据传输 • ④ 标准化的用户接口 • ⑤ 使用灵活方便

37. 3. xDSL技术 • DSL是数字用户环路(Digital Subscriber Line)的简称，是以铜质电话双绞线为传输介质的点对点传输技术。DSL利用软件和电子技术结合，使用在电话系统中没有被利用的高频信号传输数据以弥补铜线传输的一些缺陷。 • ⑴ xDSL的特点 • ① xDSL支持工业标准 • ② xDSL是一种Modem • ③ 对称与非对称之分

38. 图5-13 ADSL的典型连接结构

39. 4. Cable Modem接入 • Cable Modem是电缆调制解调器的英文名，简称CM。Cable Modem是允许高速的数据经由有线电视网络接入Internet的一种设置。前面讨论的Modem是通过电话线上Internet，而电缆调制解调器是在有线电视网络上用来上Internet的设备，它是串接在用户家的有线电视电缆插座和上网设备之间的，而通过有线电视网络与之相连的另一端是在有线电视台(称为头端：Head-End)。Cable Modem理论上可以达到3Mbps到40Mbps的下行速率和128kbps到10Mbps的上行速率。

40. ⑴ Cable Modem的优点 • 与56K Modem、ISDN及ADSL接入方式相比，Cable Modem接入具有以下的优点： • ① 连接速率快。在目前应用的所有接入方式中，Cable Modem是最快的一种。 • ② 成本低廉。Cable Modem利用已有的有线电视(CATV)网络，无须更换全部网络设备。 • ③ 提供了非对称的专线连接。Cable Modem采用了与ADSL类似的非对称传输模式，提供了最高为40Mbps的下行速率和最高为l0Mbps的上行速率。Cable Modem和ADSL一样是一直在线的，用户无需拨号上网，也不用担心遇到忙音，只要一打开计算机就会通过Cable Modem自动建立与Internet的高速连接。 • ④ 不受连接距离的限制。用户所在地和有线电视中心局之间的同轴电缆能够按照用户的需要延伸，不受连接距离的限制，而ADSL等接入方式却不同。

41. ⑵ Cable Modem的标准 • 第1代Cable Modem没有统一的企业标准，技术指标由各生产厂商自行确定，这显然不利于技术的发展和推广。 • 1997年3月，有线电视工业标准组织(Multimedia Cable Network System Partners Ltd，MCNS)颁布了关于通过有线电视网络高速传输数据的具体工业标准DOCSIS(Data Over Cable System Interface Specification)，该标准包括Cable Modem到用户前端设备接口技术、Cable Modem终端系统到网络端接口技术、Cable Modem电话线回叫接口技术等技术规范。DOCSIS标准的制定，被称之为Cable Modem的第2代标准。参加该标准制定的有Cisco、Motorola和3COM等世界知名的公司。 • IEEE在DOCSIS标准出台后才开始制定IEEE 802.14标准(电缆电视媒体访问控制和物理协议)。该标准是继DOCSIS后关于Cable Modem的又一标准。不过两者在关键技术上基本是相同的，在Cable Modem与PC机接口规范上两者均选用了10Base-T以太网连接

42. ⑶ Cable Modem的安装 • Cable Modem在有线电视台前端有一个重要组成部分Cable Modem端接收系统(CMTS)，CMTS端接收来自用户端的信号，并把这些信息汇集到有线电视台前端的设备上输出。 • Cable Modem在用户端的安装比较简单，只需要把计算机、电视机按连接要求接入Cable Modem即可，计算机一般通过网卡与Cable Modem相连。如果使用的是USB接口Cable Modem或内置的Cable Modem卡，计算机中还不需要安装网卡。

43. 5. 机顶盒接入 • 机顶盒(Set Top Box)的概念是比较宽泛的。从广义上说，所有与电视机连接的网络终端设备都可称为机顶盒，从狭义上说，我们可以将模拟设备排除在外，按主要功能将机顶盒分为上网机顶盒、数字卫星综合接收解码器、数字地面机顶盒，以及有线电视数字机顶盒，这些设备具有很好的网络功能，因此也成为信息家电的代表。 • 机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如数字电视广播接收、电子节目指南(EPG)、准视频点播(NVOD)、按次付费观看(PPV)、软件在线升级、数据广播、Internet接入、电子邮件、IP电话和视频点播等。

44. ⑴ 上网机顶盒 ⑵ 数字卫星机顶盒 • 数字卫星机顶盒的主要功能是接收数字电视广播，同时也支持数据广播、图文电视等应用。但由于它的传输平台是卫星信道，支持交互式应用比较困难。目前，数字卫星机顶盒基本采用DYB-S标准，国内外都有商用产品。 ⑶ 数字地面机顶盒 • 数字地面机顶盒的功能与数字卫星机顶盒类似，所不同的只是传输介质是地面广播信道而不是卫星信道。该类机顶盒所使用频率与有线电视频率相同，但是由于这种无线信道的情况比有线电视网络复杂得多，所以它的信息传输技术与数字有线电视机顶盒相比也有较大差别。 ⑷ 数字有线电视机顶盒 • 数字有线电视机顶盒的基本原理与数字卫星机顶盒、数字地面机顶盒相同，它利用有线电视广播网，来实现信号传输。但由于有线电视网络较好的传输质量以及电缆调制解调器技术的成熟，使得该类机顶盒可以实现各种交互式应用，并被业者广泛看好。

45. 6. DDN • 数字数据网(Digital Data Network DDN)是利用数字信道传输数据信号的数据传输网，为用户提供一个高质量、高带宽的数字传输通道，它由数字通道、DDN节点、网管控制和用户环路组成，由DDN提供的业务又称数字数据业务(DDS)。它的主要作用是向用户提供永久性和半永久性连接的数字数据传输信道，既可用于计算机之间的通信，也可用于传送数字化传真，数字话音，数字图像信号或其他数字化信号。永久性连接的数字数据传输信道是指用户间建立固定连接，传输速率不变的独占带宽电路。半永久性连接的数字数据传输信道对用户来说是非交换性的。但用户可提出申请，由网络管理人员对其提出的传输速率、传输数据的目的地和传输路由进行修改。网络经营者向广大用户提供了灵活方便的数字电路承租业务，供各行业构成自己的专用网

46. DDN专线的主要特点是： • ⑴ 传输质量高，信道利用率高 • ⑵ 传输速率高，网络时延小 • ⑶ 数据信息传输透明度高 • ⑷ 适用于数据信息流量大的场合。 • ⑸ 网络运行管理简便，对数据终端的数据传输速率没有特殊要求。

47. 7. 帧中继技术 • 帧中继技术是在分组交换技术充分发展，数字与光纤传输线路逐渐代替已有的模拟线路，用户终端日益智能化的条件下诞生并发展起来的。帧中继是一种简单的面向连接的分组电路，是基于开放系统互连模型的数据链路层，此项技术的开发既可满足局域网互连所需的大容量的传送，也可满足用户对数据传输延时小的要求。其具有吞吐量大、时延小、适合突发性业务等特点，能充分利用网络资源。 • 8. ATM • ATM(异步传送模式)是一种传递模式，在这一模式中，信息被组成固定长度的信元在电信网中进行复用、交换、传输。它综合了电路交换和分组交换的优点，可传送任意速率的宽带信号，可传输话音、数据、图像和视频业务。

48. 作业 • 书面作业：Internet的接入方式有哪些？ • 上网调查： • 目前主流路由器厂家生产的路由器系列以及它们的适用场合与价格。 • 主流宽带路由器有哪些，特点与价钱 • 本地电信或运营商提供多少种Internet接入技术，它们的适用群体和价钱。