1、第第7章章 广域网广域网网络互联网络互联7.1广域网的基本概念广域网的基本概念7.2广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制7.3拥塞控制拥塞控制7.47.1网络互联网络互联7.1.1网络互联的目的网络互联的目的l 无论在无论在OSI环境或环境或Internet场合下，都存在着许多不场合下，都存在着许多不同的自治的网络实体，它们使用着不同的协议。如何同的自治的网络实体，它们使用着不同的协议。如何使处于不同网络上的用户之间能互通信息，或让一个使处于不同网络上的用户之间能互通信息，或让一个网络上的用户共享另一网络的资源，这就需要把这些网络上的用户共享另一网络的资源，这就需要把这些运行着不同协议
2、的自治网络相互连接起来。这就是网运行着不同协议的自治网络相互连接起来。这就是网络互联的目的。络互联的目的。l网络互联给整个网络系统带来的益处有网络互联给整个网络系统带来的益处有（1）提高系统的可靠性。）提高系统的可靠性。（2）改进系统的性能。）改进系统的性能。（3）增强系统的保密性。）增强系统的保密性。（4）组网方便。）组网方便。（5）增加地理覆盖范围。）增加地理覆盖范围。7.1.2 网络互联的要求网络互联的要求 l简单地说，网络互联应达到以下四点要求：简单地说，网络互联应达到以下四点要求：（1）提供网络之间的通信设施，最简单的是提供通信的）提供网络之间的通信设施，最简单的是提供通信的路径及其
3、控制规程，加上相当于路径及其控制规程，加上相当于OSI/RM物理层和数据物理层和数据链路层的内容。链路层的内容。（2）提供不同网络上用户之间的路由选择。）提供不同网络上用户之间的路由选择。（3）提供计费服务，以便记录对各个网络及设施的使用）提供计费服务，以便记录对各个网络及设施的使用情况。情况。（4）在不改变被互联的网络体系结构的情况下提供各种）在不改变被互联的网络体系结构的情况下提供各种必需的服务。也许，这正是网络互联的困难之所在。必需的服务。也许，这正是网络互联的困难之所在。l为了完成网络互联以屏蔽底层网络的细节，可以在不为了完成网络互联以屏蔽底层网络的细节，可以在不同的层次上完成异构网络
4、的互联。总体来说，有两种同的层次上完成异构网络的互联。总体来说，有两种方式可实现网络互联：一种是利用应用程序，即应用方式可实现网络互联：一种是利用应用程序，即应用级互联；另一种是利用操作系统，即网络级互联。级互联；另一种是利用操作系统，即网络级互联。（1）应用级互联）应用级互联 早期的异构网络互联是通过应用程序完成的。用协议早期的异构网络互联是通过应用程序完成的。用协议转换的观点来说，在这种互联网中，除了应用层协议转换的观点来说，在这种互联网中，除了应用层协议外，其它各层协议都不相同。外，其它各层协议都不相同。缺点缺点 ：首先，在网络系统中增加新的功能意味着要为首先，在网络系统中增加新的功能意
5、味着要为网络中的每台机器编写新的应用程序；网络中的每台机器编写新的应用程序；第二，增加新的硬件意味着要修改旧的应用第二，增加新的硬件意味着要修改旧的应用程序；程序；第三，每个应用程序都必须处理本机与网络第三，每个应用程序都必须处理本机与网络连接的细节，导致代码重复。上述这些问题的连接的细节，导致代码重复。上述这些问题的根源在于应用程序必须直接面对物理网络硬件。根源在于应用程序必须直接面对物理网络硬件。应用级互联还有以下弊端：第一，当互联网络应用级互联还有以下弊端：第一，当互联网络达到一定规模时，要为所有机器编写应用程序达到一定规模时，要为所有机器编写应用程序几乎是不可能的；第二，由于采用点到点
6、的存几乎是不可能的；第二，由于采用点到点的存储转发通信方式，当网络中的某个中间结点的储转发通信方式，当网络中的某个中间结点的应用程序出错时，发送方和接收方既无法不知应用程序出错时，发送方和接收方既无法不知道也无法控制。随着网络互联技术的发展，应道也无法控制。随着网络互联技术的发展，应用级互联技术已很少使用。用级互联技术已很少使用。（2）网络级互联）网络级互联 网络级互联提供一种机制，实时地把用户数据网络级互联提供一种机制，实时地把用户数据分组从源端发送到目的端。在网络级互联中，分组从源端发送到目的端。在网络级互联中，用户（应用程序）直接感受到的是互联网所提用户（应用程序）直接感受到的是互联网所
7、提供的分组交换服务，而不是网络连接。也就是供的分组交换服务，而不是网络连接。也就是说，网络级互联通过分组交换机制将底层物理说，网络级互联通过分组交换机制将底层物理网络硬件细节隐藏起来，避免了应用级互联的网络硬件细节隐藏起来，避免了应用级互联的种种弊端。种种弊端。网络级互联的优点在于：网络级互联的优点在于：第一，这种互联技术直接映射到底层网络硬件，因此第一，这种互联技术直接映射到底层网络硬件，因此十分高效。十分高效。第二，网络级互联把数据包传递功能从应用程序中分第二，网络级互联把数据包传递功能从应用程序中分离出来，允许网络中的每台机器只需要处理与数据包离出来，允许网络中的每台机器只需要处理与数据
8、包传递有关的操作即可；传递有关的操作即可；第三，网络级互联使得整个互联网络的系统更加灵活；第三，网络级互联使得整个互联网络的系统更加灵活；第四，网络互联模式允许网络管理人员通过修改或增第四，网络互联模式允许网络管理人员通过修改或增加某些网络软件就能在互联网中加入新的网络技术，加某些网络软件就能在互联网中加入新的网络技术，而对应用程序而言并不需要做任何改变。而对应用程序而言并不需要做任何改变。网络级互联的目标是建立一个统一、协作、提网络级互联的目标是建立一个统一、协作、提供统一服务的通信系统。具体方法就是在底层供统一服务的通信系统。具体方法就是在底层网络技术与应用程序之间增加一个中间层软件，网络
9、技术与应用程序之间增加一个中间层软件，以便抽象和屏蔽底层物理网络的硬件细节，向以便抽象和屏蔽底层物理网络的硬件细节，向用户提供通用的网络服务。用户提供通用的网络服务。7.1.3、网络互联的形式、网络互联的形式 把一组物理网络互联起来，然后在所有相连的计算机把一组物理网络互联起来，然后在所有相连的计算机中运行的软件提供通用服务。连接各种物理网络的最中运行的软件提供通用服务。连接各种物理网络的最终系统被称为互联网络（终系统被称为互联网络（internetwork）或互联网）或互联网（internet）。）。网络互联的形式有：网络互联的形式有：1、用路由器连接物理网、用路由器连接物理网图7-1 用路
10、由器连接的两个物理网络2、互联网体系结构、互联网体系结构 图7-2 由三个路由器连接四个物理网形成的互联网 3、实现通用服务、实现通用服务 网络互联的目标是实现异构网络的通用服务。为了网络互联的目标是实现异构网络的通用服务。为了给互联网中的所有计算机提供通用服务，路由器必须给互联网中的所有计算机提供通用服务，路由器必须能将一个网络中源计算机发出的信息转发到另一个网能将一个网络中源计算机发出的信息转发到另一个网络中的目标计算机。这一任务是很复杂的，因为网络络中的目标计算机。这一任务是很复杂的，因为网络使用的帧格式和编址方案不同。这样，为了实现通用使用的帧格式和编址方案不同。这样，为了实现通用服务
11、，在计算机和路由器上都需要协议软件。服务，在计算机和路由器上都需要协议软件。4、虚拟网络、虚拟网络 互联网是一个虚拟网络（互联网是一个虚拟网络（Virtual Network）系统，因）系统，因为这一通信系统是一个抽象。也就是说，虽然硬件和为这一通信系统是一个抽象。也就是说，虽然硬件和软件联合提供了一个单一网络的错觉，但这一网络并软件联合提供了一个单一网络的错觉，但这一网络并不存在。不存在。7.2.1 广域网的构成广域网的构成l广域网（广域网（Wide Area Network）是在一个广泛地理范围内所建立）是在一个广泛地理范围内所建立的计算机通信网，简称的计算机通信网，简称WAN，其范围可以
12、超越城市和国家以至全，其范围可以超越城市和国家以至全球，因而对通信的要求及复杂性都比较高。球，因而对通信的要求及复杂性都比较高。7.2 广域网的基本概念广域网的基本概念 广域网由一些广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。的链路组成。通常一个结点交换机往往与多个结点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交换机相连。在广域网中的一个重要问题就是分组分组的转发机制的转发机制。图7-3 由局域网和广域网组成互联网 WAN WAN的目的是为了让分布较远的各局域网互连，的目的是为了让分布较远的各局域网互连，所以它的结构又分为所以它
13、的结构又分为末端系统（末端系统（End SystemEnd System，两端的，两端的用户集合）用户集合）和和通信系统（中间链路）通信系统（中间链路）两部分。通信系两部分。通信系统是广域网的关键，它主要有以下几种：统是广域网的关键，它主要有以下几种：（1）公共电话网：）公共电话网：PSTN，使用电路交换技术，使用电路交换技术（2）综合业务数字网：）综合业务数字网：ISDN拨号连接方式拨号连接方式（3）专线：）专线：DDN，点到点的连接方式，点到点的连接方式（4）X.25网网（5）帧中继）帧中继（6）异步传输模式）异步传输模式 1）PSTN（Public Switched Telephone
14、Network）旧式电话系统，即我们日常生活中常用的电话网。旧式电话系统，即我们日常生活中常用的电话网。这种系统使用这种系统使用模拟模拟技术为基础的电路交换网络。技术为基础的电路交换网络。优点：易于建立，分布广泛。优点：易于建立，分布广泛。缺点：线路利用率低。缺点：线路利用率低。广域网通信技术广域网通信技术广域网通信技术广域网通信技术2）ISDN(Integrated Service Digital Network)是一种是一种全数字化全数字化电路，典型电路交换网络。它通过普通的铜电路，典型电路交换网络。它通过普通的铜线，以更高的速率和质量传输语音和数据。线，以更高的速率和质量传输语音和数据。
15、ISDN bri(基本速率接口基本速率接口)由两个由两个B通道，通道，D通道组成：通道组成：B 传输信道传输信道 如两个信道捆绑在一起速度可达如两个信道捆绑在一起速度可达128KBps；D 数据信道数据信道 传输控制信号传输控制信号3）专线（Leased Line、DDN）利用数字信道传输数据信号的数据传输网。利用数字信道传输数据信号的数据传输网。租用线路是电信公司为某一机构建造的永久性的通信租用线路是电信公司为某一机构建造的永久性的通信电路。电路。优点：有较好的保障、带宽恒定。优点：有较好的保障、带宽恒定。缺点：租用费用高，绝非一般人用户所能承受。缺点：租用费用高，绝非一般人用户所能承受。4
16、）X.25 分组交换体系结构，用于广域网连接，是以虚电路建立连接的。市与市之间连线以CHINAPAC实现，就是以X.25为基础，可满足不同速率，不同型号终端之间的通信。l5、帧中继（帧中继（Frame Relay）在在x.25基础上发展而来的较新的一种技术。基础上发展而来的较新的一种技术。是一种是一种快速分组交换复用快速分组交换复用技术，基于技术，基于虚电路虚电路连接。连接。是在是在OSI第二层上用简化的方法传送和交换数据单第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术。元的一种技术。速率：速率：64K-45Mbps 拥有一套拥塞控制和检错的管理方式。拥有一套拥塞控制和检错的管理方式。6、A
17、TM(Asynchronous Transfer Mode)是以是以信元信元为基础的一种为基础的一种分组复用分组复用技术，它为多种业务技术，它为多种业务设计的通用的设计的通用的面向连接面向连接的传输模式，它具有高速数据的传输模式，它具有高速数据传输率和支持许多类型的通信。传输率和支持许多类型的通信。ATM的最大优势是与光纤连用。的最大优势是与光纤连用。注意注意：广域网和局域网都是互联网的重要组成构件。尽管它们的价格和作用距离相差很远，但从互联网的角度来看，它们都是平等的l网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类，即类，即无连接的网络服务无连
18、接的网络服务和和面向连接面向连接的网络服务。这的网络服务。这两种服务的具体实现就是通常所谓的两种服务的具体实现就是通常所谓的数据报服务数据报服务和和虚虚电路服务电路服务。7.2.2 数据报和虚电路数据报和虚电路提供数据报服务的特点提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网2 1 3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组路径可能变化网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。提供数据报服务的特点提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就
19、是没有质量保证的服务。提供虚电路服务的特点提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1 要和 H5 通信虚电路H1 向 H5 发送的所有分组都沿此虚电路传送。提供虚电路服务的特点提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。提供虚电路服务的特点提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网（a）数据报服务 （b）虚电路服务数据报与虚电路服务的比较数据报与虚电路服务的比较6-1虚虚电电路路服服务务与与数数据据报报服服务务的的对对比比对对比比的的方方面面虚虚电电路路服服务务数
20、数据据报报服服务务思思路路可可靠靠通通信信应应当当由由网网络络来来保保证证可可靠靠通通信信应应当当由由用用户户主主机机来来保保证证连连接接的的建建立立必必须须有有不不要要目目的的站站地地址址仅仅在在连连接接建建立立阶阶段段使使用用，每每个个分分组组使使用用短短的的虚虚电电路路号号每每个个分分组组都都有有目目的的站站的的全全地地址址路路由由选选择择在在虚虚电电路路建建立立时时进进行行，所所有有分分组组均均按按同同一一路路由由每每个个分分组组独独立立选选择择路路由由当当结结点点出出故故障障时时所所有有通通过过出出故故障障的的结结点点的的虚虚电电路路均均不不能能工工作作出出故故障障的的结结点点可可能
21、能会会 丢丢失失分分组组，一一些些路路由由可可能能会会发发生生变变化化分分组组的的顺顺序序总总是是按按发发送送顺顺序序到到达达目目的的站站到到达达目目的的站站时时不不一一定定按按发发送送顺顺序序端端到到端端的的差差错错处处理理和和流流量量控控制制由由分分组组交交换换网网负负责责由由用用户户主主机机负负责责虚电路服务与数据报服务的主要区别虚电路服务与数据报服务的主要区别7.3 广域网中的分组转发机制广域网中的分组转发机制l“转发转发”(forwarding)和和“路由选择路由选择”(routing)这两个名这两个名词的使用在过去有些混乱。现在的文献倾向于将它们区分词的使用在过去有些混乱。现在的文
22、献倾向于将它们区分开来。开来。l转发是当交换结点收到分组后，根据其目的地址查找转发是当交换结点收到分组后，根据其目的地址查找转发转发表表(forwarding table)，并找出应从结点的哪一个接口将，并找出应从结点的哪一个接口将该分组发送出去。该分组发送出去。l路由选择是构造路由选择是构造路由表路由表(routing table)的过程。的过程。l路由表是根据一定的路由选择算法得到的，而转发表又是路由表是根据一定的路由选择算法得到的，而转发表又是根据路由表构造出的。根据路由表构造出的。最简单的层次结构地址举例最简单的层次结构地址举例 l用二进制数表示的主机地址划分为前后两部分。用二进制数表
23、示的主机地址划分为前后两部分。l前一部分的二进制数表示该主机所连接的分组交换机的前一部分的二进制数表示该主机所连接的分组交换机的编号。编号。l后一部分的二进制数表示所连接的分组交换机的端口号，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。或主机的编号。所连接的交换机的编号所连接的交换机端口的编号计算机在广域网中的地址2,1 2,2456745674 5 6 7交换机1交换机 2交换机31,11,33,23,3每个交换机都有两组端口。一组是和本地主机相连的低速端口，另一组是和其他交换机相连的高速端口。1231231 2 32,1 2,245674567交换机 2交换机31,13
24、,23,3每个主机地址中后面的数字是指该交换机的低速端口主机地址3,2是指连接在交换机 3 的 2 号低速端口交换机11,3主机地址1,3是指连接在交换机 1 的 3 号低速端口1231234 5 6 71 2 32,1 2,245674567交换机 2交换机31,13,23,3这里给出结点交换机 2 中的转发表作为例子 例如，一个欲发往主机3,2的分组到达了交换机 2。交换机11,3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1,1 交换机1 1,3 交换机1 3,2 交换机3 3,3 交换机3 2,1 直接 2,2 直接这时应查找交换机 2 的转发表，找目的站为3,2的项目。4 5 6 71 2
25、31231232,1 2,212341234交换机 2交换机31,13,23,3目的站是3,2吗？交换机11,3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1,1 交换机1 1,3 交换机1 3,2 交换机3 3,3 交换机3 2,1 直接 2,2 直接查找转发表中的下一个项目。否1231234 5 6 71 2 32,1 2,212341234交换机 2交换机31,13,23,3目的站是3,2吗？交换机11,3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1,1 交换机1 1,3 交换机1 3,2 交换机3 3,3 交换机3 2,1 直接 2,2 直接查找转发表中的下一个项目。否1231234 5 6 71
26、2 32,1 2,212341234交换机 2交换机31,13,23,3目的站是3,2吗？交换机11,3交换机 2 的转发表目的站 下一跳 1,1 交换机1 1,3 交换机1 3,2 交换机3 3,3 交换机3 2,1 直接 2,2 直接根据转发表指出的下一跳把分组转发到交换机 3。是1231234 5 6 71 2 3图的应用图的应用l可用图论中的可用图论中的“图图(graph)”来表示整个广域来表示整个广域网。网。l用用“结点结点”表示广域网上的结点交换机，用表示广域网上的结点交换机，用连接结点与结点的连接结点与结点的“边边”表示广域网中的链表示广域网中的链路。路。l连接在结点交换机上的主
27、机与分组转发无关，连接在结点交换机上的主机与分组转发无关，因此在图中可以不画上。因此在图中可以不画上。用图表示广域网的例子用图表示广域网的例子 12341结点边243每一个结点的转发表每一个结点的转发表 1243目的站 下一跳1 直接2 33 34 3结点 1 的转发表1243目的站 下一跳1 32 直接3 34 4结点 2 的转发表目的站 下一跳 1 直接默认 3目的站 下一跳 2 直接 4 4默认 3l练习：练习：把结点把结点3、4的转发表画出来的转发表画出来7.4 拥塞控制拥塞控制 拥塞现象是指到达通信子网中某一部分数量过拥塞现象是指到达通信子网中某一部分数量过多，使得该部分网络来不及处
28、理，以致引起这多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降，严重时甚至会导部分乃至整个网络性能下降，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。7.4.1 拥塞控制的意义拥塞控制的意义 计算机网络中的链路容量、结点交换中的缓冲区和处计算机网络中的链路容量、结点交换中的缓冲区和处理机等，都是网络的资源。在某段时间，如果对网络理机等，都是网络的资源。在某段时间，如果对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的能力，网中某一资源的需求超过了该资源所能提供的能力，网络的性能就要变坏。这种情况就叫做拥塞。络的性能就要变坏。这种情况就叫
29、做拥塞。l网络拥塞往往是由许多因素引起的网络拥塞往往是由许多因素引起的 l拥塞常常使网络趋于恶化。拥塞常常使网络趋于恶化。l解决拥塞控制需要付出一定代价。解决拥塞控制需要付出一定代价。l网络的吞吐量与通信子网负荷（即通信子网中正在传网络的吞吐量与通信子网负荷（即通信子网中正在传输的分组数）有着密切的关系输的分组数）有着密切的关系 。图7-8 网络负载与吞吐量对拥塞的影响吞吐量网络负载轻度拥塞拥塞理想的拥塞控制实际的拥塞控制无拥塞控制死锁 加上合适的拥塞控制后，网络就不易出现拥塞现加上合适的拥塞控制后，网络就不易出现拥塞现象和死锁。即当网络负载较小时，有拥塞控制的吞吐象和死锁。即当网络负载较小时
30、，有拥塞控制的吞吐量反而比无拥塞控制时要小。量反而比无拥塞控制时要小。7.4.2 拥塞控制的一般原理拥塞控制的一般原理从原理上讲，寻找拥塞控制的方案无非是寻找使不等式：从原理上讲，寻找拥塞控制的方案无非是寻找使不等式：对资源的需求对资源的需求可用资源可用资源不再成立的条件不再成立的条件。解决的方法就是两个：增加资源和减小负载。解决的方法就是两个：增加资源和减小负载。拥塞控制有开环和闭环两种方法。开环方法是通拥塞控制有开环和闭环两种方法。开环方法是通过对系统进行精心设计来确保拥塞不会出现，闭环方过对系统进行精心设计来确保拥塞不会出现，闭环方法则建立在反馈环路的基础上，它通过实时的监测并法则建立在
31、反馈环路的基础上，它通过实时的监测并在拥塞出现时采取积极的应对措施来减少拥塞。以下在拥塞出现时采取积极的应对措施来减少拥塞。以下介绍的拥塞控制措施均属于闭环方法，且都是采用了介绍的拥塞控制措施均属于闭环方法，且都是采用了控制负载的方法。控制负载的方法。（1）接纳控制）接纳控制（2）警告比特）警告比特（3）抑制分组）抑制分组（4）逐跳抑制分组）逐跳抑制分组（5）负载丢弃）负载丢弃 7.4.3 拥塞控制与流量控制的区别拥塞控制与流量控制的区别拥塞控制和流量控制关系密切，但也存在差别：拥塞控制和流量控制关系密切，但也存在差别：（1）拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承）拥塞控制所要做的都有一
32、个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有主机，所有的路由器，以及与降低网络传输性及到所有主机，所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。能有关的所有因素。2）流量控制往往在给定的发送端和接收端之间的点对点）流量控制往往在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量。流量控制所要做的就是使发送端发送数据的速通信量。流量控制所要做的就是使发送端发送数据的速率不能使接收端来不及接收。流量控制几乎总是存在着率不能使接收端来不及接收。流量控制几乎总是存在着从接收端到发送端的某种直接反馈，使发送端知道接收从接收端到发送端的某种直接反馈，使发送端知道接收端是处于怎样的状况端是处于怎样的状况 Thanks！
