第8章 廣域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

1、v8.1 廣域網(wǎng)的構(gòu)成及參考模型廣域網(wǎng)的構(gòu)成及參考模型 v8.2 廣域網(wǎng)的路由廣域網(wǎng)的路由 v8.3 廣域網(wǎng)技術廣域網(wǎng)技術 v8.4 接入網(wǎng)技術接入網(wǎng)技術 8.1.1 廣域網(wǎng)構(gòu)成 狹義的廣域網(wǎng)由一些節(jié)點交換機以及連接這些交換機的鏈路組成。節(jié)點交換機執(zhí)行將分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能。 廣義的廣域網(wǎng)一般由端系統(tǒng)（end system）和通信子網(wǎng)（communication subnet）構(gòu)成。廣域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的特點：是由點對點連接構(gòu)成的是一種不規(guī)則的網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。為了解決廣域網(wǎng)中不同端系統(tǒng)之間的通信問題，除了解決點對點的通信外，還要解決一個重要的問題就是路由選擇。 目前，許多廣域網(wǎng)中都使用公共通信網(wǎng)絡作為其通

2、信子網(wǎng)。常用的公共通信網(wǎng)絡:電話交換網(wǎng)PSTN、分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)。它們主要包括2個部分:傳輸線路和交換節(jié)點。分組交換機是廣域網(wǎng)的基本組件之一。分組交換機通過通信線路互相連接起來，就構(gòu)成了廣域網(wǎng)。而通過增加交換機可以擴展廣域網(wǎng)，覆蓋更多的地點和連接更多計算機。圖中所示的分組交換機包括兩種I/O連接： 高速的I/O接口 低速的I/O接口 由分組交換機構(gòu)成的廣域網(wǎng) 8.1.2 廣域網(wǎng)參考模型通信子網(wǎng)工作在OSI模型的低三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層。如圖所示： 8.2.1 廣域網(wǎng)的編址 每種廣域網(wǎng)技術都精確定義了計算機在收發(fā)數(shù)據(jù)時使用的幀格式，并為連到廣域網(wǎng)上的每臺計算機分配了一個

3、物理地址。當發(fā)送幀到另外一臺計算機時，發(fā)送者必須給出目的計算機的地址。 許多廣域網(wǎng)使用層次地址方案（hierarchical addressing scheme），使得轉(zhuǎn)發(fā)效率更高。層次地址把一個地址分成幾部分。最簡單的層次地址方案把一個地址分為兩部分：第一部分表示包交換機，第二部分表示連到 該交換機上的計算機。圖中是十進制地址形式。在實際應用中是用一個二進制數(shù)來表示地址的：二進制數(shù)的一些位表示地址的第一部分，其他位則表示第二部分。由于每個地址用一個二進制數(shù)來表示，用戶和應用程序可將地址看成一個整數(shù)-他們不必知道這個地址是分層的。 8.2.2 廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā) 包交換機不必保存怎樣到達所有

4、可能目的地的完整信息。相反，一個給定的交換機僅包含為使該包最終到達目的地所應發(fā)送的下一站（next hop）的信息。 交換機2的路由表8.3.1 ISDN技術 1. ISDN概述為用戶提供大范圍數(shù)字服務的最早努力之一就是電話公司提出的“綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（Integrated Services Digital Network，ISDN）”。ISDN通過普通的本地環(huán)路向用戶提供數(shù)字語音和數(shù)據(jù)傳輸服務，也就是說，ISDN使用與模擬信號電話系統(tǒng)相同類型的雙絞 銅線。這里所謂的本地環(huán)路即指電話局的變通電話線。ISDN的特點：ISDN提供了不同的業(yè)務，這些業(yè)務是構(gòu)建在OSI前三層的模型上的。它提供了高層次的

5、電信業(yè)務，以及一些附加業(yè)務。鑒于開放數(shù)據(jù)網(wǎng)絡模型，電信業(yè)務屬于 應用層的應用程序。而附加業(yè)務本質(zhì)上提供的是呼叫控制的功能而不是進行通訊，并不是直接符合開放數(shù)據(jù)網(wǎng)絡模型。 ISDN提供的主要功能：進行音頻和數(shù)字化的語音傳輸，以及提供了64kbps的電路交換數(shù)字信道、分組交換虛擬電路和無連接業(yè)務。 電信業(yè)務包括電報、傳真、可視圖文、文字電視廣播傳輸業(yè)務，并且使用特殊的編碼和端對端的協(xié)議。附加業(yè)務中包括呼叫者的身份認證，呼叫轉(zhuǎn)移，呼叫等待和電話呼叫。 2.ISDN的組成在ISDN中，用戶和綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)之間的連線相當于一個數(shù)字比特管道。管道中的比特流可以來自數(shù)字電話機、數(shù)字傳真機或其它終端，并且比特

6、流可以雙向流動。這個管道機制實際上是數(shù)字電話機、數(shù)字傳真機或其它終端產(chǎn)生的信號復用復用用戶與ISDN之間的連線。ISDN的組成 用戶端接設備用戶端接設備 如果擁有較多的電話和終端，用戶設施較多，則需要較大的接入帶寬。 NT1不夠用，需要一個ISDN的專用小交換局（PBX），稱為第二類網(wǎng)絡端接設備（NT2）。3. ISDN的兩種接入速率 ISDN的用戶接口定義為三種信道的組合：B、D和H信道。B信道是64kbps的數(shù)據(jù)信道，傳輸X.25的連接以及X.25業(yè)務（分組交換，虛擬電路）或者永久的數(shù)字點對點線路。D信道提供了16kbps或者 64kbps信道用于傳輸信號發(fā)射信息，以及低速率的包交換業(yè)務。

7、H信道提供了384kbps,1536kbps或者1920kbps信道，它的用途和B 信道相似，不同的是用于高速率的業(yè)務。 ISDN標準指定了基本速率接口（BRI）和主要速率接口（PRI）?；驹L問速率是2B+D，包括兩個完全的B信道和一個D信道。主要訪問速率在歐洲是30B+D而在美國，日本，加拿大是23B+D。ISDN采用時分多路復用時分多路復用技術支持用戶設備接入ISDN網(wǎng)絡。對應于BRI接口，ISDN的幀結(jié)構(gòu)如下： 在這個格式中，BRI=2B+D，其中B1是16位，B2是16位，D是4位。ISDN標準規(guī)定BRI幀的發(fā)送頻率是每秒4000幀。則B的數(shù)據(jù)傳輸率為16*4000=64kbps，D

8、的數(shù)據(jù)傳輸率是4*4000=16kbps。則用戶實際的數(shù)據(jù)傳輸率為64+64+16=144kbps此幀總的數(shù)據(jù)傳輸率為（12+32+4）*4000=192kbps ISDN BRI 幀格式 主要訪問速率（PRI）在歐洲是30B+D而在美國，日本，加拿大是23B+D。根據(jù)BRI的計算方法，可以得出23B+D=23*64（B）+64（D）=1.536Mbps； 23個B信道和一個D信道指出了一個PRI所能包含的最大信道數(shù)。換句話說，一個PRI可以支持多達24個源和目標之間的全雙工傳輸。每個傳輸都從它們的 源收集而來，復復用用到單個通道中（數(shù)字用戶線路），發(fā)送到ISDN局中。 在歐洲，PRI包括了3

9、0個B信道和2個D信道道，總共的容量是2.048Mbps，是E-1線路的容量。 30B+2D=30*64+2*64=2.048Mbps對于更加專業(yè)的傳輸需要，PRI標準也支持其他的信道組合。這些信道組合都是相應的國際或行業(yè)標準所規(guī)范。ISDN的數(shù)據(jù)鏈路層：ISDN的D信道的數(shù)據(jù)鏈路層的是LAPD（鏈路訪問規(guī)程D）；而B信道上的分組交換連接是LAPB（鏈路訪問規(guī)程B）。對于B信道上的電路交換和永久連 接，用戶可以選擇數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，也可以選擇CCITT定義的1.465/v.120協(xié)議。ISDN的網(wǎng)絡層：ISDN的網(wǎng)絡層除了呼叫控制，還進行路由，多路復用，以及擁塞控制等。 8.3.2 SONET/S

10、DH技術隨著人們對帶寬需要不斷地增加，光纖由于具有高帶寬而被人們所看好。在光纖的標準化過程中：美國的ANSI提出了自己的標準：SONET（Synchronour Optical Network，ANSI標準）。歐洲的ITU-T提出了自己的標準SDH（Synchronous Digital Hierarchy，ITU標準）。這兩種技術幾乎完全相同。 1. SONET（Synchronour Optical Network，ANSI標準）現(xiàn)在，SONET的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)可以高達2.488Gbps，并且承諾在將來可以達到13.271Gbps。SONET標準中最重要的特點是網(wǎng)絡是所有的時鐘都和公共的

11、主時鐘保持一致。（為什么？）其簡單的時分復用如下圖所示： SONET的時分復用 SONET的復用通過字節(jié)交叉進行的。如圖所示，如果每個N輸入流有相同的速率，則復用流的速率是NR。 SONET字節(jié)交叉時分解復用 SONET的幀結(jié)構(gòu)和復用方法簡化了通信設備。這種Byte交叉的時分復用使得解復用也非常簡單，如下圖所示，每個通信流可以通過幀中的位置確定。在北美和日本，基本的SONET信號是STS-1（同步傳輸信號1）。它的位速率51.84Mbps，高速率的信號可以復用這個速率。在歐洲，基本的速率是STS-3或者155.52MBps，STS的層次結(jié)構(gòu)叫做SDH或者同步數(shù)字結(jié)構(gòu)，起始速率是155.52Mb

12、ps。 SONET幀結(jié)構(gòu)的主要特征SONET定義的分層結(jié)構(gòu)如圖。這四層結(jié)構(gòu)是路徑，線路，段和光子層。SONET的分層結(jié)構(gòu) 一些網(wǎng)絡設備并不參與某些上層功能。比如，上圖中復用器在線路層工作，而中繼站在段層工作。光子放大器在光子層（直接放大光信號而不是象中繼站一樣先轉(zhuǎn)化 為電信號）工作。從底層到上層，每一層都是在下層提供的業(yè)務上構(gòu)建的。光子層提供某種速率上的光學信號的傳輸；段層為了位流傳輸提供了分段和編碼；線路層提供了線路維護和保護以及STS-1信號的復用；路徑層提供了從業(yè)務（DS-3幀，ATM信元，數(shù)字語音流）到STS-1 SPEs（同步載荷封裝synchronous payload envel

13、ope）的映射。SONET路徑層實現(xiàn)了承載業(yè)務，包括SPE格式端到端的比特流傳輸。 例如：兩個路徑層過程正在交換DS-3幀。（45Mbps DS-e信號屬于目前的電話信號層次）DS-e幀加上POH的開銷，映射成STS-qSPE(同步有效載荷包絡)即用戶數(shù)據(jù)。路徑層將它交給線路層。線路層復用復用路徑層不同的有效載荷（除了STS-1 SPE以外包括DS-3信號），再加上LOH（線路層的頭部）。除了復用，線路頭部還提供了其他的一些功能，比如交換保護。然后段頭部在光子層進行傳輸前進行分段和編碼。最后光子層將位流電信號轉(zhuǎn)換成光信號。 810字節(jié)字節(jié)的STS-1幀組織成9行90列（從左傳輸?shù)接覀?cè)，從上傳到

14、下）的字節(jié)字節(jié)矩陣每個單元是字節(jié)字節(jié)而不是bit。一個幀的延遲是150us，相當于每秒8000幀的速率（這個速率正好符合所有數(shù)字電話系統(tǒng)中使用的脈沖編碼調(diào)制PCM的采樣率）。按照這個采樣率，同步傳輸信號（STS-1）的速率 ：810字節(jié)/幀8000幀/秒=81088000=5184000bps，也就是51.8Mbps。每一幀的前三列保留某用于系統(tǒng)管理信息；其中前3行是段開銷SOH（section overhead），它在每一段的開始和結(jié)束時被生成和檢查的；接下來的6行是線路開銷LOH（line overhead），它是在每條線路開始和結(jié)束時被生成和檢查的。這樣用戶數(shù)據(jù)即SPE是9行*87列（8

15、7988000=50.112Mbps）。 SPE的第一列是路徑開銷POH（path overhead）。SONET的幀 SPE可以從幀內(nèi)的任何一個地方開始。線路開銷的第一行包含了一個指針，它指向SPE的第一個字節(jié)。SONET允許SPE可以從幀內(nèi)任何一個地方開始，甚至可以跨越兩個幀（即教材中所說的“浮動”）。這種能力使得系統(tǒng)非常靈活。例如：當源端正在構(gòu)造SONET空幀的時候，又有一些用戶數(shù)據(jù)或SPE來到了，那么它就可以將這些用戶數(shù)據(jù)插入到當前幀中，而不用等到下一個幀開始。8.3.3 幀中繼FR技術幀中繼FR（Frame Relay）的ITU-T標準于1984年提議，以滿足高容量、高帶寬的WAN提

16、出的要求。起初，幀中繼的最常見的實施速度為56Kbps和2Mbps，但目前在DS-3鏈路上幀中繼的速度可高達45Mbps。幀中繼在虛擬電路（在幀中繼上，稱為虛擬連接）上使用包交換技術，并且可以有交換型（SVC）和永久型（PVC）兩種。 幀中繼的體系結(jié)構(gòu)：所有的幀中繼通信都實現(xiàn)了LAPF核心協(xié)議，該協(xié)議處理的是基本的通信服務。LAPF核心協(xié)議執(zhí)行的任務有幀的格式化和交換、對幀進行度量確保其長度在允 許的長度范圍之內(nèi)、檢查傳輸中的差錯和線路的擁塞狀態(tài)。幀中繼通信可以有選擇地使用LAPF控制協(xié)議，在每個虛擬連接上進行流控制。LAPF控制協(xié)議是從 接收節(jié)點進行管理的。 幀中繼只使用兩個通信層：物理層和

17、幀模式承載服務鏈接訪問協(xié)議（LAPF），分別對應于OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，如下圖所示： 幀中繼在一條電纜介質(zhì)上使用了多個虛擬連接。每個虛擬連接在兩個通信的節(jié)點之前提供一個數(shù)據(jù)路徑。虛擬連接是邏輯連接而不是物理連接。永久性虛擬連接是在1984年作為最初的幀中繼標準的一部分而提出來的。幀中繼的永久性虛擬連接是兩個結(jié)點之間的一條持續(xù)可用的通路。該通路被分配了一個 連接ID，在該通路上發(fā)送的每一個包都必須使用這個ID。一旦連接被定義之后，它將一直保持開通狀態(tài)，所以通信可以在任何時間進行。信號的傳輸是在物理層 進行的，虛擬連接是LAPF層的一部分。在一條單一的電纜上，可以同時支持多個虛擬連接，

18、這些虛擬連接可以到達不同的目的地。交換式虛擬連接傳輸在1993年成為幀中繼標準的一部分。這種虛擬連接需要一個建立傳輸會話的過程。一旦通信結(jié)束，呼叫控制信號將對每個結(jié)點發(fā)出一個命令，要求斷開連接。交換式虛擬連接是為了讓網(wǎng)絡或者T載波提供商可以確定數(shù)據(jù)吞吐率而設計的。它可以根據(jù)應用的需求和當前的網(wǎng)絡流量狀況來進行調(diào)整。在一條點到點的電纜 上，可以支持多個交換式虛擬連接。在幀中繼中，交換式虛擬連接是一種比永久性虛擬連接新的技術。 8.2.4 ATM異步傳輸模式（ATM）是在分組交換技術上發(fā)展起來的一種快速分組交換。它吸取了分組交換高效率和電路交換高速率的優(yōu)點，并且和分組交換、幀中繼一樣都可 以實現(xiàn)對

19、網(wǎng)絡資源的按需分配。我們將這種交換稱為信元交換。ATM由國際電信聯(lián)盟ITU在1991年正式確定為寬帶ISDN（B-ISDN）的傳送方式。值得說明，窄帶ISDN（N-ISDN）采用的交換技術是同步傳輸模式（STM）。而B-ISDN采用的交換技術則是基于異步時分復用的信元交換。 隨著通信網(wǎng)的發(fā)展，人們不斷地提出更新的通信業(yè)務要求，如高清晰度電視（HDTV）、會議電視、可視電話、視頻點播、遠程教育、遠程醫(yī)療、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)取@些多功能化的業(yè)務，現(xiàn)今的任何通信網(wǎng)（包括LAN、MAN、WAN、ISDN、CATV等）都是無法完成的，因為 這些網(wǎng)絡都是面對特定的業(yè)務類型設計的。它們存在許多問題。 對于這些

20、問題，無論從用戶的角度還是從網(wǎng)絡經(jīng)營者的角度，都希望建立一個單一的網(wǎng)絡。這個網(wǎng)絡既能傳送低速信號，也能傳送高速信號；既能適應語音信號所要求的時延特性，又能適應數(shù)據(jù)信號所要求的誤碼特性，進而也能適應圖象和視頻信號所要求的時延和誤碼兩種特性。于是人們提出了寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）。 1.ATM的基本特點如前所述，ATM被作為B-ISDN的傳輸方式。ATM采用類似分組交換中的信息封裝方式，將信息分解、包裝在一個個小的固定長度的信息分組中，從而具有靈活的分配帶寬、高效的復用等特點。這些信息分組 稱為信元（Cell）。同時ATM中采用了電路交換中面向連接的通信方式，保證了信息的順序性，同時通過

21、一定的控制，力圖保證各電路的通信業(yè)務質(zhì)量，以滿 足不同業(yè)務的需求。 在ATM中使用了虛電路概念，即每個信元中都含有虛電路標志，帶有相同標志的信元屬于同一個虛電路，這些信元將得到相同的處理并按先后順序在ATM網(wǎng)絡中傳送。ATM最重要的特點是能適用于一般電路交換和分組交換都不能勝任的高速寬帶信息業(yè)務。它可適應范圍寬廣的可變速率，終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比特流可以是突發(fā)式的，也可以是連續(xù)的。 2. ATM的虛電路和虛路徑ATM采用分組交換中的統(tǒng)計復用，以期達成較高的資源利用率和實現(xiàn)靈活的多速率和變速率的復用。在同一物理傳輸線路上的復用依靠信元中的不同的虛路徑標識 符VPI（Virtual Path Ident

22、ifier）和虛電路標識符VCI（Virtual Channel Identifier）區(qū)分。虛路徑和虛電路都是指一個單向的ATM信元傳輸信道。不過，一條虛路徑中包含有多條虛電路，所有這些虛電路有相同的標識符（即VPI）。同樣，在一條物理鏈路中，可以有許多虛路徑。一條物理鏈路中的虛電路，由其VPI和VCI共同確定。物理鏈路、虛電路和虛路徑的關系可以用下圖表示。 ATM中物理鏈路、虛電路和虛路徑的關系 不同VPI、VCI的信元屬于不同的虛連接（Virtual Connect），有不同的邏輯路由和連接。在復用之后，各路由的信元之間沒有固定的關系。這樣，ATM中就把虛連接分為虛路徑和虛電路兩個層次，

23、其優(yōu)點 在于：通過預定義虛路徑，可以構(gòu)造虛擬專用網(wǎng)VPN，保證在同一個VPN中的數(shù)據(jù)的保密性。 其次，使用虛路徑還可以簡化網(wǎng)絡管理。 用戶和用戶之間、用戶和網(wǎng)絡之間、網(wǎng)絡和網(wǎng)絡之間都可以建立VC，也可以建立VP。應該指出，VCI和VPI只是本地編號，不具有全局的含義。因此，不同VP中的VC可以具有相同的VCI值，不同的物理鏈路上的VP也可以具有相同的 VPI值。虛路徑和虛電路都是單向的，不過在建立連接時，可以同時建立起一對正向和反向的通道，形成一個雙工信道。兩個方向上的VPI和VCI值是不一樣的，其帶 寬也可以是不相同的。 3.ATM參考模型（體系結(jié)構(gòu)）ATM有它自己的參考模型，既不同于OSI，也不同于TCP/IP模型。它包括三層：物理層、ATM層和ATM適配層。另外，用戶還可以在頂上放置任何東西。物理層處理的物理介質(zhì)問題，即電壓、位時序和各種各樣其他的問題。它被設計成與傳輸介質(zhì)無關的。ATM層處理信元和信