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计算机网络 - 南京信息工程大学


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第6章 广 域 网
6.1 广域网的基本概念 6.2 广域网中的分组转发机制



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6.3 X.25分组交换网
6.4 帧中继FR
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6.5 综合业务数字网ISDN


6.6 异步传递方式ATM




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6.1 广域网的基本概念
6.1.1 广域网的构成
广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的 链路组成。通常一个结点交换机往往与多个结点交换 机相连。在广域网中的一个重要问题就是分组的转发 机制。 图6-1表示相距较远的局域网通过路由器与广域网 相连,组成了一个覆盖范围很广的互联网。 广域网并没有严格的定义。通常是指覆盖范围很 广(远远超过一个城市的范围)的长距离网络,一般都 是由电信公司所拥有。



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6.1.2 数据报和虚电路
网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有

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两大类,即无连接的网络服务和面向连接的网络服务。


这两种服务的具体实现就是通常所谓的数据报服务和

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虚电路服务。









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图6-2中分别画出了网络提供数据报服务和提供虚 电路服务的特点。

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看网络提供虚电路服务的情况。先设图6-2(b)中主
机H1要和主机H5通信。 在图6-2(b)中,我们设寻找到的路由是A→B→E。 广











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表6-1归纳了虚电路服务与数据报服务的主要区别。
表 6-1 对比的方面 思路 连接的建立 目的站地址 路由选择 当结点出故障时 分组的顺序 虚电路服务与数据报服务的对比 虚电路服务 可靠通信应当由网络来保证 必须有 仅在连接建立阶段使用,每 个分组使用短的虚电路号 在虚电路建立时进行,所有 分组均按同一路由 所有通过出故障的结点的虚 电路均不能工作 总是按发送顺序到达目的站 由分组交换网负责 数据报服务 可靠通信应当由用户主机来保证 不要 每个分组都有目的站的全地址 每个分组独立选择路由



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出故障的结点可能会 丢失分组, 一些路由可能会发生变化 域 到达目的站时不一定按发送顺序 由用户主机负责

端到端的差错处 理和流量控制



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6.2 广域网中的分组转发机制
分组交换网的分组转发是基于查表的。 转发就是在交换结点收到分组时,检查其目的地 址,然后用查找转发表(forwarding table)的方法,找 出应从结点的哪一个接口将该分组发送出去。 路由选择则是构造路由表 (routing table)① 的过程。 路由表是用路由选择算法得到的,而转发表则是根据 路由表得出的。



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6.2.1 在结点交换机中查找转发表
1.层次结构的地址结构



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为了减少查找转发表所花费的时间,在广域网中一 章 般都采用层次结构的地址(hierarchical addressing)。




最简单的层次结构地址就是把一个用二进制数表示 的主机地址划分为前后两部分。前一部分的二进制数表 广 示该主机所连接的分组交换机的编号,是第一层地址, 域 而后一部分的二进制数表示所连接的分组交换机的端口 号,或主机的编号,是第二层地址,如图6-3所示。 网





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如图6-4所示有三个交换机,其编号分别为1、2和

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3。

每个主机也按接入的交换机和低速端口进行编号。

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采用两个层次的编址方案可使转发分组时只使用 转发表中没有源站地址这一项。这是因为路由选 第

择中的下一跳只取决于数据报中的目的站地址,而与
源站地址无关。这是一个很重要的概念,应记住。

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2.按照目的站的交换机号确定下一跳
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第一部分地址,即在进行路由选择时,只根据主机地
址中的交换机号。




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6.2.2 路由表的简化
广域网的路由问题就是要解决分组在各交换机中
应如何进行转发。在专门研究广域网的路由问题时, 可用图论中的“图(graph)”来表示整个广域网,用 “结点”表示广域网上的结点交换机,用连接结点与 结点的“边”表示广域网中的链路。 图6-5左边是一个具有4个结点交换机的例子,而 右边则是对应的图。



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使用了默认路由的简化转发表如图6-7所示。 根据图6-5所示的图,可得出每一个结点中的转发 表,如图6-6所示。 广

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6.3 X.25分组交换网
X.25所讨论的都是以面向连接的虚电路服务为基



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础。这一概念如图6-8所示。

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图6-9表示X.25接口的3个层次。最下面是物理层, 第

接口标准是X.21建议书。第二层是数据链路层,接口
标准是平衡型链路接入规程LAPB,它就是第3章介绍 的HDLC的一个子集。第三层是分组层(不叫网络层), 在这一层上,在DTE与DCE之间可建立多条逻辑信道 (0~4095号)。从第一层到第三层,数据传送的单位分 别是“比特”、“帧”和“分组”。

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当利用现有的一些X.25网来支持因特网的服务时, 章 X.25网就表现为数据链路层的链路。图6-10说明了这 一情况。 广











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6.4 帧中继FR
6.4.1 帧中继概述
帧中继就是一种减少结点处理时间的技术。帧中 继的原理很简单。当帧中继交换机收到一个帧的首部 时,只要一查出帧的目的地址就立即开始转发该帧。 因此在帧中继网络中,一个帧的处理时间比X.25网约 减少一个数量级。这种传输数据的帧中继方式也称为 X.25的流水线方式。



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仅当帧中继网络本身的误比特率非常低时,帧中 第 继技术才是可行的。 像上面这样一面接收帧就一面转发此帧,就称为 快速分组交换(fast packet switching)。帧中继的帧长是

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可变的。还有一种叫做信元中继(Cell Relay)的快速分
组交换,它采用固定帧长,每一个帧叫做一个信元。 图6-11(a)和(b)分别是一般分组交换网络和帧中继 这两种方式从层次上来看的对比。 广











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图6-12比较了两种情况下从源站到目的站 传送一帧在网络的各链路上所要传送的信息。



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教 图 6-12 一般分组交换网的存储转发方式与帧中继方式的对比









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图6-14进一步给出了帧中继服务的几个主 6


要组成部分。
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用户通过帧中继用户接入电路(user access circuit)

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连接到帧中继网络。 UNI有两个端口。在用户的一侧叫做用户接入端 口(user access port),而在帧中继网络一侧的叫做网络 广 章




接入端口(network access port)。




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帧中继的主要优点: 第

(1)减少了网络互连的代价。
(2)网络的复杂性减少但性能却提高了。 (3)由于使用了国际标准,增加了互操作性。 (4)协议的独立性。

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6.4.2 帧中继的体系结构和帧格式
帧中继只用到了Q.922中的下列核心功能:
(1)帧定界、对齐和透明性; (2)用地址字段实现帧复用和分用;



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(3)对帧进行检查,保证在0比特插入前和抽出 后的帧长是整数倍的字节;
(4)对帧进行检查,以保证其长度不超长或过短;

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(5)检测传输差错;
(6)拥塞控制。




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帧中继提供面向连接的数据链路层服务,具有下 第

列特点:
(1)保持网络入口处和出口处所传输的帧的顺序; (2)保证不交付重复帧; (3)帧丢失率很少。

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图6-15画的是帧中继的帧格式,它是由最小功能 (minimum-function)的LAPF协议即LAPF核心协议

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(core protocol)所定义的。
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各字段的作用。 (1)标志字段:它是一个和PPP帧格式的标志字 段一样的独特的01111110的比特序列,用于指示一个 帧的起始和结束。 (2)信息字段:它是长度可变的用户数据。如果 用户要选择实现附加的端到端的数据链路控制功能, 那么可以在信息字段中再放入一个数据链路帧。特别 是,用户通常的选择是使用完全的LAPF协议(full LAPF protocol),也就是LAPF控制协议(control protocol), 以便完成在LAPF核心功能之上的一些功能。 (3)帧检验序列字段:它包括2字节的循环冗余 检验。 (4)地址字段:地址字段一般为2字节,但也可 扩展为3或4字节。



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地址字段中的几个重要部分是: 第

· 数据链路连接标识符
· 前向显式拥塞通知 · 反向显式拥塞通知 · 丢弃指示 应当注意:数据链路连接标识符DLCI只具有本地 意义。

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6.4.3 帧中继的拥塞控制
1.帧中继的拥塞控制方法
帧中继使用的拥塞控制方法有以下三种: (1)丢弃策略。 (2)拥塞避免。 (3)拥塞恢复。



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2.承诺的信息速率
· 若数据率小于CIR,在一般情况下传输是有保证 的。 · 若数据率大于CIR但小于所设定的最高速率,则 在可能的情况下进行传送。 · 若数据率大于所设定的最高速率,则立即丢弃。



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3.利用显式信令避免拥塞 4.利用隐式信令进行拥塞恢复
当网络丢弃帧时就产生了隐式信令(implicit signaling)。

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6.5 综合业务数字网ISDN
6.5.1 窄带综合业务数字网N-ISDN
共路信令主要用于:



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(1)呼叫建立、路由选择和呼叫释放;
(2)内部数据库访问; 广




(3)网络运行与支持;
(4)计费。




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ISDN最基本的概念就是在用户和ISDN之间的连线 第 相当于一个数字比特管道。管道中的双向比特流可来 自数字电话机或数字传真机等其他终端。这种数字比 6 特管道用时分复用方式可支持多个独立通路 (channel)。 ISDN定义了一些标准化的通路,都各用一个英文 字母表示。其中最常见的是B通路(64 kbit/s的数字 PCM话音或数据通路)和D通路(16 bit/s或64 kbit/s用作 带外信令的数字通路)。 (1)基本速率 (2)一次群速率 章

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ITU-T将ISDN提供的业务分为基本业务和补充业 第 务。基本业务又分为以下两种: 6 (1)承载业务(Bearer Service) (2)用户终端业务(Teleservice) 近几年来因特网的用户急剧增长,使得N-ISDN又 章 找到了一些市场。用户可以使用一条B通路上网,而 用另一条B通路打电话。或者用整个基本速率共144 kbit/s的数字链路接入到因特网。这就是电信部门宣传 广 的“一线通”,它的一个很大的好处就是使只拥有一 域 条电话线的用户在上网的同时,还能够接打电话,并 且上网的速率比使用56 kbit/s调制解调器的效果还要好 网 些。




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6.5.2 宽带综合业务数字网B-ISDN
宽带综合业务数字网B-ISDN也是企图将各种业务,



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章 如话音、数据、图像以及活动图像都综合在一个网络 中传送和交换。 广







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B-ISDN与N-ISDN相比,具有以下的一些重大区 别:



(1)N-ISDN使用的是电路交换,它只是在传送 信令的D通路使用分组交换。B-ISDN则使用一种快速 分组交换,称为异步传递方式ATM。

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(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(铜线)。但在B-ISDN中,其用 广 户环路和干线都采用光缆(但短距离也可使用双绞线)。
(3)N-ISDN各通路的比特率是预先设置的。 (4)N-ISDN无法传送高速图像,但B-ISDN可以 传送。







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6.6 异步传递方式ATM
6.6.1 ATM的基本概念



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异步传递方式ATM (Asynchronous Transfer Mode) 章 就是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向 连接的快速分组交换技术,它采用定长分组,能够较 广 好地对宽带信息进行交换。 同步传递方式STM (Synchronous Transfer Mode) 域 是使各个终端之间有称之为帧参考的一个共同时间参 考。 网


ATM的主要优点如下: 第

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(1)选择固定长度的短信元作为信息传输的单位, 有利于宽带高速交换。 (2)能支持不同速率的各种业务。 (3)所有信息在最低层是以面向连接的方式传送, 以保持电路交换适合于传送实时性很强的业务的优点。 (4)ATM使用光纤信道传输。

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ATM的一个明显缺点就是信元首部的开销太大。







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6.6.2 ATM的协议参考模型

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ATM的协议参考模型(图6-16)。

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ATM的协议参考模型共有三层,大体上与OSI的 最低两层相当(但无法严格与OSI的层次相对应)。



1.物理层
物理层又分为两个子层。靠下面的是物理媒体相 关(Physical Medium Dependent)子层,即PMD子层。 PMD 子 层 的 上 面 是 传 输 汇 聚 (Transmission Convergence)子层,即TC子层。 (1)PMD子层 (2)TC子层 图6-17给出了一个例子,说明ATM的信元流是怎 样装入到一个STM-1帧(STM-1的速率就是OC-3的速率) 中。

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2.ATM层
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图6-18表示了使用VPI和VCI来标识VP和VC的方 法。 ATM层的功能是: (1)信元的复用与分用; (2)信元的VPI/VCI转换(就是将一个入信元的 VPI/VCI转换成新的数值); (3)信元首部的产生与提取; (4)一般的流量控制。



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3.ATM适配层






ATM适配层记为AAL (ATM Adaptation Layer),其 6 作用是增强ATM层所提供的服务,并向上面高层提供各 种不同的服务。 章 ITU-T的I.362规定了AAL向上提供的服务是: (1)将用户的应用数据单元ADU划分为信元或将 广 信元重装成为应用数据单元ADU; (2)对比特差错进行监控和处理; 域 (3)处理丢失和错误交付的信元; (4)流量控制和定时控制。 网

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ITU-T 规 定 了 ATM 网 络 可 向 用 户 提 供 四 种 类 别 第

(class)的服务,从A类到D类。服务类别的划分是根据:
比特率是固定的还是可变的;源站和目的站的定时是 否需要同步;是面向连接还是无连接。 表6-2是这4个类别服务的比较。

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表 6-2 服务类别(class) A类 AAL1, AAL5 恒定

ATM 网络向用户提供的四种服务 B类 AAL2, AAL5 C类 AAL3/4, AAL5 可变 需要 面向连接 64 kbit/s 话音 变比特率图像 面向连接数据 不需要 无连接 无连接数据 D类

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机 AAL 类型(type) 网 络
比特率 是否需要同步 连接方式 应用举例

AAL3/4, AAL5

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AAL层又划分为两个子层: 第

(1)汇聚子层CS (Convergence Sublayer)

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( 2 ) 拆 装 子 层 SAR (Segmentation And 章

Reassembly
以上所述可归纳为图6-19所示的砂漏模型(即样子 是上下宽、中间窄的砂漏)。 广











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6.6.3 ATM的信元结构
图6-20为ATM信元的格式。

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ATM信元首部中各字段的作用。 (1)类属流量控制GFC (Generic Flow Control): 4 bit字段,通常置为0。 (2)VPI/VCI:即路由字段。 (3)有效载荷类型PT (Payload Type)3 bit字段, 用来区分该信元是用户信息或非用户信息。此字段又 称为有效载荷类型指示PTI (I表示Indicator)。 (4)信元丢失优先级CLP (Cell Loss Priority):16 bit字段,指示信元的丢失优先级。网络还可能将违反 通信量合约(contract)的信元的CLP从0改为1,这个过 程称为“打标记”(tagging)。 (5)首部差错控制HEC (Header Error Control): 8 bit字段,提供覆盖信元首部所有字段(但不包括有效 载荷部分)的差错控制。



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6.6.4 ATM的逻辑连接机制
在ATM中使用的虚通路是一种逻辑连接,它和
X.25中的虚电路或帧中继中的数据链路连接相似。虚



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通路是ATM网络中的一个基本交换单元。
在下面图6-21的例子中,我们设从端点A到端点B 经过ATM交换机X, Y和Z。 广











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电话交换机采用了交叉连接交换机(crossconnect switch)对群路进行交换。

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一个虚通道包括许多个虚通路,而每一个虚通道


具有一个惟一的虚通道标识符VPI。

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