第 6 章广域网

第6章广域网

6.1 局域网、城域网和广域网 • 按网络覆盖的地理范围进行分类：局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）。 • 局域网技术的主要限制是规模：一个局域网际不能拥有任意多的计算机，也不能让计算机连接到任意距离的站点上。 • 广域网技术用来构成能跨越任意远的距离，连接任意多台计算机的网络，并且是可扩展的。 • 城域网介于两者之间。

6.2 交换技术 为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。

6.2.1 线路交换基本原理 • 线路交换：是通过在通信的两个端点之间建立一条专用通信路径来实现的，这条通信路径由通信子网中节点之间的线路顺序相连构成，并且该路径上的每条线路占用一个信道。 • 线路交换通信过程分三个阶段： 1、线路建立：建立端到端的线路。 2、信息传输：端点间通过线路进行通信。 3、线路释放：拆除独占的线路，此次通信结束。

6.2.1 线路交换基本原理

6.2.1 线路交换基本原理 • 线路交换方式的优点：在建立了连接后，网络对于用户实际上是透明的，用户可以用固定的数据传输率来传输数据，除了在通过传输线路时的传输延时外，不会有别的延时，因而适合于交互式会话类通信。 • 线路交换方式的缺点：在连接期间，分配给该连接的信道容量是专用的，若没有数据传输，信道便是空闲的，网络传输效率低；网络节点不具有存储数据的能力，无法平滑通信流量，不适合突发性较强的实时通信。

公用电话交换网

6.2.2 线路交换内部机制 • 交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。) • 线路交换的核心设备是交换机，其完成线路建立、维护连接、拆除连接的任务。

数字交换技术的分类 • 1、空分交换：一个空分交换中的一条信号通路与其他的信号通路是物理上独立的。每个连接要求建立一条通过交换机的物理路径，并在两端点传输信号期间独占这条路径。（金属交叉网格或半导体逻辑门）

数字交换技术的分类 • 2、时分交换：每条输入线路的信号被看成数字位流，交换机将所有的输入流复用到一条内部公共传输路径上，然后再从内部公共数字位流中分离出信号，将信号路由到特定的输出线路上去。

报文交换 报文交换整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。缺点： 1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。 2）大报文造成存储转发的延时过长； 3）出错后整个报文全部重发。

6.3.1 分组交换的基本原理 8.3.1 分组交换的基本原理 • 分组交换（包交换）：将报文划分为若干个较短的数据块，每个数据块加上控制信息，形成分组，分组流采用存储转发传送。（传递－缓存－路由－排队－传送）

分组交换的优点 优点： 1）分组交换提高了线路利用率； 2）分组交换可以进行数据速率转换； 3）在通信负荷很大的情况下，分组一般不出现拥塞； 4）分组交换支持传输优先级； 5）各分组可走不同路径，传输可靠性较高； 6）某分组出错可只重发该分组，传输效率高。

分组交换的缺点 缺点： 1）分组每经过一个交换节点都会产生一定的传输延迟（延迟与分组进入节点内部缓存的时间、节点处理分组的能力以及分组排队等候处理时间有关）； 2）分组可能长短不一，可能经过不同的路由，传输延迟不同，产生抖动现象，不适于实时应用； 3）为了在网络中给分组选择路由，分组中加入了额外的信息（目的站点地址、顺序信息等），降低了通信容量； 4）分组交换中的每个节点需要更多地参与信息转换的处理。

三种交换方式的事件顺序

6.3.2 两种分组交换方式 • 1、数据报方式：每个分组都含有目的地址，可以在网络中独立传送。具有相同目的地址的分组可以不遵循相同的路径，并且这些分组可以无序地到达出口节点或目的站点。

6.3.2 两种分组交换方式 • 2、虚电路方式：在发送任何分组之前，必须建立一条预定的路由（虚电路，非独占），两个通信站点之间所有分组都将沿这条路由传递。节点不需要为每个分组进行路由选择，而只需为每个连接进行路由选择。

项目数据报虚电路建立连接不需要需要寻址方式每个分组都有源端和目的端的全地址在连接建立阶段使用目的端地址，分组使用短的虚电路号路由选择每个分组独立选择路由在虚电路建立时进行，所有分组均按同一路由结点失败的影响出故障的路由器可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化所有经过出故障的路由器的虚电路均不能工作分组的顺序不一定按发送顺序到达目的站总是按发送顺序到达目的站拥塞控制难如果有足够的缓冲区分配给已经建立的每一条虚电路，则容易控制数据报和虚电路比较

计算机网络 第15章网络服务模式与性能交换方式呼叫建立通信路径独占“铜”通路交换方式每个分组走同一通路电路交换是物理链路是直接是分组交换(数据报) 否没有链路否存储转发否虚电路是逻辑链路否存储转发是电路交换、数据报和虚电路比较

虚电路的主要优点 • 网络可以提供与虚电路有关的服务，包括顺序性和差错控制。 • 分组传递延迟较小，因为分组不必在每个节点上都进行路由选择。 • 大多数分组交换网采用虚电路方式，如： x.25 ATM 帧中继

数据报的主要优点 • 避免了呼叫建立状态。 • 数据报技术较为灵活，可较好地解决拥塞问题。 • 数据报传递更加可靠。一个节点失效，分组可以找到替代路由。 • （ARPANET）

6.3.3 路由选择 • 理想的路由算法应具有如下的一些特点： 1、算法必须是正确的。 2、算法在计算上简单。 3、算法应能适应通信量和同络拓扑的变化，也就是说有自适应性。“健壮性”（robustness）。 4、算法应具有稳定性。当通信量和网络拓扑发生变化时，路由算法应收敛于一个可以接受的解，而不应产生过多的振荡。所谓振荡，就是指由算法得出的路由是在一些路由之间来回不停地变化。 5、算法应是公平的。 6、算法应是最佳的。这里的“最佳”是指以最低的费用来实现路由算法。特别注意，在研究路由选择时，“费用”并不一定指“钱”。

路由选择算法 • 非自适应路由选择 • 最短路由选择 • 固定路由选择 • 自适应路由选择 • 分布式路由选择 • 链路状态路由选择

最短路由选择 • 基本思想：根据网络实际情况，计算出通信子网每一条中继段的费用。为了选择一对节点之间的路由，算法要在图中找出两个顶点之间费用最少的路径，即最短路径。求最短路径可用Dijkstra算法。

最短路由选择算法举例 • Dijkstra算法： 1、初始化：设N表示网络节点的集合，先令N={A}，对所有不在N中的节点v，写出： D(v)=L(A,v),若节点v与节点A直接相连 D(v)=, 若节点v与节点A不直接相连 2、寻找一个不在N中的节点w，其D(w)值为最小，把w加入到N中，然后对所有不在N中的节点，用D(v)=min{D(v),D(w)+L(w,v)}去更新原有的D(v)。 3、重复步骤2，直到所有的网络节点都在N中为止。

最短路由选择算法举例 5 3 B C 2 5 2 1 F A 3 1 2 D E 1

Dijkatra算法计算结果 源点A到所有结点的最短路径 A的路由表 5 3 B C  2 5 A 1 2  B 2 1 F D 1 A 3 1 E 2 1 2 D E C F 1 A节点的最短路径树

固定路由选择 • 由网络管理员设置路由表 • 简单、有效，适于结构简单的网络 • 不适于拓扑结构和传输流量经常改变的复杂网络

固定路由选择举例 Rc路由表网络B Rb c2 网络A Ra c3 Ra路由表网络B Rb a2 网络C Rc a3 网络C c1 c3 Rc a3 c2 b2 a1 Ra b1 a2 b3 Rb 网络A 网络B Rb路由表网络A Ra b3 网络C Rc b2

链路发生故障 Rc路由表网络B Rb c2 网络A Ra c3 Ra路由表网络B Rb a2 网络C Rc a3 网络C ? c1 c3 Rc a3 c2 b2 a1 Ra b1 a2 b3 Rb 网络A 网络B Rb路由表网络A Ra b3 网络C Rc b2 ?

解决办法：人工修改 不适于网络变化！ Rc路由表网络B Rb c2 网络A Ra c3 Ra路由表网络B Rc a3 网络C Rc a3 网络C ！ c1 c3 Rc a3 c2 b2 a1 Ra b1 a2 b3 Rb 网络A 网络B Rb路由表网络A Rc b2 网络C Rc b2 ！

距离向量路由选择算法（分布式路由选择） • 周期性地相互传递信息 • 每个路由器向与它相邻的站点发送一个包含它到所有其他路由器的距离的向量（最短路径或最小代价） • 维护各自的路由表 • 路由器根据邻居发送的距离—向量的动态信息启动算法，更新路由表 D A 路由表 B 路由表 C 路由表 C A B

距离向量路由选择算法举例

距离向量法的计算举例 1 B C 7 8 2 A • 计算从E经相邻站点A、B和D到达信宿A、B、C和D的最小代价D (destination,neighbor) • 得从 E 到达信宿的最佳路径（最小代价）路由表 1 E D 2 最小代价D (des,nei) E的路由表 E A B D 从经经经 1 15 5 A 到 8 8 5 B 到 6 9 4 C 到 4 13 2 D 到来自A 来自B 来自D

链路状态路由选择（Link State routing）算法的基本概念 • 每个路由器周期性地收集和发送信息 • 主动测试其到所有邻居的链接状态（度量值） • 向所有的路由器发送（广播）自己拥有的状态信息 • 得到一个全网的、动态的逻辑链路状态（L-S）图 • 每个路由器刷新自己的路由表 • 当L-S变化时，用最短路径优先(SPF)算法重新计算本地路由 D C A ______________________________ _______________ _______________ _______________ _______________ 路由表 SPF 算法 B L-S包拓扑数据库（L-S图） SPF树

L-S法的计算举例 Dijkatra最短路径算法 • 计算加权无向图（即L-S图）中两个结点之间的最短路径 • 对每结点赋以标注{D(v),NP(v)} • 其中 • 自变量v：无向图中的结点 • 函数D(v)：到目前为止，从源点到结点v的最短路径（边长之和） • 函数NP(v)：沿源点到结点v的最短路径中与V相邻的前一结点 5 3 B C 2 5 2 1 F A 3 1 2 D E 1

Dijkatra算法计算结果 源点A到所有结点的最短路径 L-S图 5 3 B C A 1 2  2 5 B D 1  2 1 F A 3 E 1 2 1 2 C F SPF树 D E 1

L-S建立路由表的初始过程 C A B 10.0.0.0 20.0.0.0 30.0.0.0 40.0.0.0 a0 a1 b0 b1 c0 c1

L-S网络发现过程剖析 C发现直连网络30.0.0.0和40.0.0.0 • 构造包含发现信息的L-S报文(LSP)向全网广播 • 接收全网的其他路由器发来的L-S报文 • 根据收集的信息建立拓扑数据库 • 启动SPF算法以C为源点计算SPF树 • 建立到达所有信宿的路由表（端口和代价） 30.0.0.0 40.0.0.0 A B C c0 c1 LSP

（1）发现拓扑变化 Net X Down LSP C • 发现网络X不可达 • 构造LSP • 向全网广播 B A F  Net X • 发现网络X不可达 • 构造LSP • 向全网广播 E D Net X Down LSP

（2）修改拓扑数据库 C B A F  Net X 全网具有相同的L-S逻辑图。 E D

（3）各自重新计算SPF树 5 C B 3 2 F 5 3 2 1 A  1 2 Net X 1 D E

（4）修改各自的路由表 路由表路由表 C B A a0 2 F a1 2 根据各自计算的SPF树刷新路由表 a2 1  路由表 Net X 路由表路由表 Net Y E D

6.3.4 拥塞控制 • 正常情况下输入到通信子网的分组越多，输出到目的端的分组也越多。 • 当发送到子网的分组数量多到某个程度，性能急剧下降，子网几乎不能传递多少分组到达目的端，称为拥塞现象。 • 引起拥塞的原因很多，节点处理速度太慢，输出速率跟不上输入速率都可能引起拥塞。 • 拥塞现象可能会恶性循环。接收节点没有空闲的缓冲区而丢弃后来的分组，发送节点在超时后就需重发分组，因而发送节点缓冲也被未应答的分组占用。

拥塞控制的策略 • 1、缓冲区预分配（预约）法 • 如果子网内部采用虚电路，在建立一条虚电路时，发送“呼叫请求”经过子网的中间节点，在中间节点中预约一定数目的缓冲空间。当这个分组到达目的端时，除为后续数据通信确定了必须遵循的路由外，还预约了足够的通信资源，从而避免了拥塞现象。 • 为了节约缓冲区，可以对缓冲区的预约分配加以限制。

拥塞控制的策略 • 2、分组丢弃法 • 如果一个分组到来时，节点没有地方存放那就丢弃它。 • 不加分析地丢弃所有的分组，不是一个聪明的方法，哪个分组应该丢弃可能取决于所运行的应用程序。 • 为确定某个分组是否允许丢弃，应用程序可在其分组上标上优先级。当分组不得不丢弃时，节点将首先丢弃低优先级的分组。

拥塞控制的策略 • 3、许可证控制法 • 子网中有若干个流动的许可证，获得许可证的节点先使许可证失效，才可以发送分组。分组出子网后，该节点产生新的许可证给其它节点传分组。 • 这种方法保证子网中许可证的数目永远不会超过最初预置的数量。 • 存在的问题： • 这种方法虽然能保证子网范围内不会产生拥塞现象，但并没有保证某一个节点不会被过多的分组堵塞。 • 许可证分散与集中管理的矛盾。 • 由于某种原因破坏了许可证，网络传输的能力就被永远降低了。

6.4 分组交换网接口标准－X.25标准 • X.25是历史最悠久的广域数据传输协议，由ITU-T定义的面向连接的接口，支持交换式虚电路和永久式虚电路。 • X.25协议将分组路由到离目标地址最近的广域网边界处，在该边界处，X.25协议递送分组至LAN协议所处的路由域内。 X.25网络连接

X.25的分层 • X.25的三层结构基本与OSI七层模型中的下三层对应。 • 物理层用于定义数据终端设备和X.25网络之间的物理和电子的接口。 • 链路层描述了X.25支持的数据传输类型和帧结构。 • 分组层建立起一个贯穿分组交换网路的可靠虚拟连接，主要用于处理寻址、流量控制、递交确认和其他一些相关的问题。

X.25的流量控制 • X.25主要采用滑动窗口法作为流量控制的基础。 • X.25通过提供设置窗口的尺寸和一些控制分组来控制发送方发送分组的速度，进而达到控制数据流量的目的。控制分组有RR分组（接收准备好）、RNR分组（接收未准备好）和REJ分组（拒绝接收）。

第 6 章 广域网