《计算机网络原理》第六章 广域网技术

6.1 广域网概述

一个典型的广域网

6.1.1 广域网与网络层

网络层

• ISO定义
  • 网络层为一个网络连接的两个传送实体间，交换网络服务数据单元，提供功能和规程的方法，它使传送实体独立于路由选择和交换的方式。
• 网络层是处理端到端传输的最低层
• 网络层要解决的关键问题是了解通信子网的拓扑结构，选择路由

网络层提供的服务

• 网络服务设计目标
  • 服务与通信子网技术无关
  • 通信子网的数量、类型或拓扑结构对于传输层来说是隐蔽的
  • 传输层所获得的网络地址应该采用统一编号，即使跨越了多个LAN和WAN
• 网络层设****计的焦点是
  • 应该提供面向连接的服务还是无连接服务
    • 本质是将复杂的差错控制和流量控制放到何处的问题。
      

6.1.2 数据报与虚电路

• 面向连接的服务
  • 传统电信观点
    • 通信子网应该提供可靠的、面向连接的服务，将复杂的功能放在网络层（通信子网）
• 无连接服务
  • Internet观点
    • 通信子网无论怎么设计都是不可靠的，因此网络层只需提供无连接服务，而将复杂的功能放在传输层。
• 虚电路服务
  • 提供面向连接的服务。
  • 要先发送虚呼叫分组，一方面通知目的主机要求建立连接，另一方面寻找一条合适的路由。
  • 若呼叫目的主机同意通信，则发应答，然后双方使用虚呼叫时建立的虚电路进行数据交换。
  • 通信结束后，释放虚电路。
• 数据报服务
  • 提供无连接的服务
  • 主机有数据可随时发送
  • 每个分组携带完整的目的地址，独立进行路由选择
• 数据电路、逻辑信道和虚电路
  • 
  • 
  • 
  • 
• 虚电路和数据报比较
  • 
    

6.2 路由算法

6.2.1 路由基础

• 路由算法是网络层软件的一部分
  • 子网采用数据报方式，每个包都要做路由选择
  • 子网采用虚电路方式，只需要在建立连接时做一次路由
• 路由算法应具有的特性
  • 正确性
  • 简单性
  • 健壮性
  • 稳定性
  • 公平性
  • 最优性
• 路由算法的分类
  • 按转发方式和数据副本数量划分
    • 全路由算法
      • 如洪泛算法，按照所有路径广播转发
    • 多路路由算法
      • 如选择洪泛算法，向所有接近目的节点的路径转发
    • 单路路由算法
      • 向目的节点沿着唯一的路径转发
  • 按健壮性和简单性划分
    • 非自适应算法，静态路由算法
      • 不能根据网络流量和拓扑结构的变化更新路由表
      • 使用静态路由表，也成为了固定式路由选择算法
      • 特点
        • 简单、开销小、灵活性差
      • 代表算法
        • 基于流量的路由算法等。
    • 自适应算法，动态路由算法
      • 可根据网络流量和拓扑结构的变化更新路由表
      • 特点
        • 开销大、健壮性和灵活性好
      • 代表算法
        • 距离向量路由算法，链路状态路由算法
      • 工作过程
        • 测量（获取）有关路由选择的网络参数
          • 如何测量，选取什么网络参数
        • 将路由信息传送到适当的网络结点
          • 传送给谁？如何传送？传送什么信息？
          • 根据信息汇总时数据传送的方式不同可分为：**孤立式，集中式，分布式 **
        • 计算和更新路由表
          • 更新路由表的算法
        • 根据新路由表执行分组的转发
• 路由器的基本结构
  • 
• 路由器常用的交换方法
  • 
    

6.2.2 距离向量路由算法

• 距离向量路由算法
  • 属于动态路由算法，也称Bellman-Ford路由算法或FOrd-Fulkerson算法，最初用于ARPANET，被RIP协议所采用。
  • 基本思想
    • 每个路由器维护一张路由表，表中给出了到每个目的地的已知最佳距离和线路，并通过与相邻路由器交换距离信息来更新表
    • 以子网中其他路由器为表的索引，表项包括两部分：到达目的结点的最佳输出线路和到达目的结点所需时间或距离
    • 每隔一段时间，路由器向所有邻居结点发送他到每个目的结点的距离表，同时它也接受每个邻居结点发来的距离表
    • 邻居结点X发来的表中，X到路由器i的距离为Xi，本路由器到X的距离为m，则路由器经过X到i的距离为Xi + m。根据不同邻居发来的信息，计算Xi + m，并取最小值，更新本路由器的路由表；
    • 
    • 注意：本路由器中的老路由表在计算中不被使用。
• 无限计算问题
  • 算法的缺陷：对好消息反应迅速，对坏消息反应迟钝
  • 
  • 可以通过以下方法解决无限计算问题
    • 水平分割
    • 定义一个最大值
    • 挂起几乎起
    • 触发式更新
      

6.2.3 链路状态路由选择算法

• 距离向量路由算法的主要问题
  • 选择路由时，没有考虑线路带宽等因素
  • 路由收敛速度慢
• 实用协议
  • OSPF、IS-IS
• 链路状态路由算法
  • 发现邻居结点，并学习它们的网络地址
    • 路由器启动后，通过发送HELLO包发现邻居结点；
    • 两个或多个路由器连在一个LAN时，引入人工结点；
  • 测量到每个邻居结点的延迟或开销
    • 一种直接的方法是：发送一个要对方立即响应的ECHO包，来回时间除以2即为延迟。
  • 将所有学习到的内容封装成一个链路状态包
    • 包以发送方的标识符开头，后面是序号、年龄和一个邻居结点列表；
    • 列表中对应每个邻居结点，都有发送方到它们的延迟或开销。
    • 链路状态包定期创建或发生重大事件时创建。
  • 将链路状态包广播发送给所有其它路由器
    • 基本思想：洪泛链路状态包
      • 为控制洪泛，每个包包含一个序号，每次发送新包时加1。路由器记录信息对（源路由器，序号），当一个链路状态包到达时，若是新的，则分发；若是重复的，则丢弃；若序号比路由器记录中的最大序号小，则认为过时而丢弃；
  • 计算到每个其它路由器的最短路径
    • 根据Dijkstra算法计算最短路径；
  • 问题：序号循环使用；路由器崩溃后，序号重置；序号出错
    • 解决：
      • 使用32位序号
      • 增加年龄（age）域，每秒钟年龄减1，为零则丢弃
      • 链路状态包到达后，延迟一段时间，并与其它已到达的来自同一路由器的链路状态包比较序号，丢弃重复包，保留新包
      • 链路状态包需要应答；
        

6.2.4 路由器

• 网络规模增长带来的问题
  • 路由器中的路由表增大
  • 路由器为选择路由而占用的内存、CPU时间和网络带宽增大
• 分层路由
  • 分而治之的思想
  • 根据需要，将路由器分成区域（regions）、聚类（clusters）、区（zones）和组（groups）
  • Fig. 6-6，路由表由17项减为7项
• 分层路由带来的问题
  • 路由表中的路由不一定是最优路由
  • 
    

6.2.5 组播路由和广播路由

• 广播路由
  • 广播路由用于解决一对所有发送时的路由问题
  • 常用的发送方法有以下两种
    • 
• 广播路由算法
  • 常用的方法
    • 无控制的洪泛算法
    • 受控的洪泛算法
  • 常用的广播控制策略策略
    • 采用序号来控制洪泛
    • 逆向路径转发，也被称为反向路径转发
    • 生成树广播
• 组播路由
  • 组播路由用于解决一对多发送时的路由问题
  • 组播数据转发的原理如下：
    • 
• 移动主机路由
  • 移动主机路由简单的说就是为了满足移动结点在移动中保持其连接性而设计的，它能使主机在切换链路后保持正常通信。
  • 
    

6.3 拥塞控制

6.3.1 拥塞产生的原因

拥塞及拥塞控制

• 拥塞
  • 在网络上有太多的包时，性能会下降，这种情况称为拥塞
• 拥塞产生的原因
  • 多个输入对应一个输出
  • 慢速处理器
  • 低带宽线路
• 解决办法
  • 解决需求和能力的矛盾
  • 针对某个因素的解决方案，只能对提高网络性能起到一点好处，甚至可能仅仅是转移了影响性能的瓶颈；
  • 需要全面考虑各个因素。
  • 
• 拥塞的发现
  • 缺乏缓冲区造成的丢包率
  • 平均队列长度
  • 超时重传的包的数目
  • 平均包延迟
  • 包延迟变化（Jitter）
• 拥塞的监视点
  • 源节点
  • 中间路由器
• 拥塞控制和流量控制的差别
  • 拥塞控制
    • 需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量，是一个全局性问题，设计主机、路由器等很多因素。
  • 流量控制
    • 与点到点的通信量有关，主要解决快速发送方与慢速接收方的问题，是局部问题。
    • 一般都是基于反馈控制的。
  • 流量控制的层次
    • 
      

6.3.2 常用的拥塞控制方法

• 拥塞控制的基本原理
  • 根据控制论，控制方法分为两类
    • 开环控制
      • 通过好的设计来解决问题，避免拥塞发生
      • 拥塞控制时，不考虑网络当前状态；
    • 闭环控制
      • 基于反馈机制
      • 工作过程
        • 监控系统，发现何时何地发生拥塞
        • 把发生拥塞的消息传给能采取动作的站点
        • 调整系统操作，解决问题。
  • 根据算法的实现位置
    • 链路算法
    • 源算法
• 拥塞控制的常用算法
  • 漏桶算法和令牌桶算法
    • 基本思想
      • 造成拥塞的主要原因是网络流量通常是突发性的
      • 强迫包以一种可预测的速率发送
      • 在ATM网中广泛使用
    • 漏桶算法
      • 将用户发出的不平滑的数据包流转变成网络中平滑的数据包流
      • 可用于固定包长的协议，如ATM
      • 也可用于可变包长的协议，如IP，使用字节计数
      • 无论负载突发性如何，漏桶算法强迫输出按平均速率进行，不灵活。
    • 令牌桶算法
      • 漏桶算法不够灵活，因此加入令牌机制
      • 基本思想
        • 漏桶存放令牌，每T秒产生一个令牌，令牌累积到超过漏桶上界时就不再增加。
        • 包传输之前必须获得一个令牌，传输之后删除该令牌；
    • 漏桶算法和令牌桶算法的区别
      • 流量整形策略不同：
        • 漏桶算法不允许空闲主机积累发送权，以便以后发送大的突发数据；
        • 令牌桶算法允许，最大为桶的大小。
      • 漏桶中存放的是数据包，桶满了丢弃数据包；
      • 令牌桶中存放的是令牌，桶满了丢弃令牌，不丢弃数据包
  • 抑制分组
    • 
  • 负载丢弃
    • 上述算法都不能消除拥塞时，路由器只得将包丢弃
    • 针对不同服务，可采取不同的丢弃策略
      • 文件传输，优先丢弃新包，wine策略
      • 多媒体服务，优先丢弃旧包，milk策略；
    • 早期丢弃包，会减少拥塞发生的概率，以提高网络性能
  • 其他拥塞控制算法
    • AQM和RED算法
    • 基于QoS的拥塞控制
      

6.4 网络互连

6.4.1 网络互连的基本要求

互联网：两个或多个网络构成互联网。
多种不同网络（协议）存在的原因：

• 历史原因：不同公司的网络产品大量使用
• 价格原因：网络公司产品低，更多的人有权决定使用何种网络
• 技术原因：不同网络采用不同技术、不同硬件、不同协议

网络互联需解决的问题

• 相同的通信协议，不但原则上相同，而且细节也要相同。
• 统一的寻址方式。
• 一致的分组或信息帧的长度。
• 广域网互连时，各个网络可能采用不同的流量控制方法，或选择不同的流量控制参数，互连时必须进行适配。
• 必须研究网间的延迟，以保证分组的可靠性传送，并且不超过规定的时延。
• 在跨越网络时，要进行网间传送费用的计算。
• 当有多个网络互连时，还必须解决网际间的路由选择。

网络互联的分类

• 广域网与广域网的互连(如两个X.25网络的互连)
• 广域网和局域网的互连(如Ethernet和ATM的互连)
• 局域网和局域网的互连(如无线局域网与Ethernet的互连)
• 两个局域网通过广域网的互连(如两个Ethernet通过Internet的互连)

ISO/OSI网络互联过程及网关结构

• 
  

6.4.2 网络互连设备

• 中继器
  • 物理层设备，在电缆段之间拷贝比特
  • 对弱信号进行放大或再生，以便延长传输距离。
• 网桥
  • 数据链路层设备，在局域网之间存储转发帧
  • 网桥可以改变帧格式。
• 路由器
  • 网络层设备，在网络之间存储转发包
  • 必要时，做网络层协议转换。
• 网关
  • 传输网关（transport gateway）
  • 应用网关（application gateway）

网桥的基本特征

• 网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络
• 网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互联的网络之间的通信
• 用网桥互联的网络要求在数据链路层以上采用相同的协议
• 网桥可以分隔两个网络的广播通信量，有利于改善网络的性能和安全性。

网络层互联

• 网络层的互联设备是路由器Router
• 网络层互联主要解决的问题是路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术
• 如果网络层协议相同，互联主要解决路由选择的问题
• 如果网络层协议不同，则需要使用多协议路由器（Multiprotocol Router)
• 用路由器实现网络层互联时，网络层及以下各层协议可以相同也可以不同。

多协议路由器

• 当互联局域网的高层采用不同的协议时，如一种是TCP/IP，另一种是IPX/SPX，就需要使用多协议路由器来连接
• 多协议路由器除了具有处理不同协议分组的能力，还具有对这两种类型分组的路由选择与分组转发能力
• 多协议路由器同时要为不同类型的协议建立和维护不同的路由表。

路由器与网桥
常用路由器实现LAN互联，与网桥实现LAN互联区别

• 路由器互连的LAN网络层协议可不同
• 路由器将多个LAN的广播通信量相互隔离开
• 路由器转发效率低于网桥转发数据的效率
• 路由器可完成LAN与WAN的互联。

高层互联

• 传输层及以上各层协议不同的互联属于高层互联
• 高层协议互联的设备是网关（Gateway）
• 高层互联使用的网关很多是应用层网关，简称应用网关（Application Gateway)
• 如果使用应用网关来实现两个网络的高层互联，允许两个网络的应用层及以下各层的网络协议不同。

服务质量

• 典型网络应用的特征及其对服务质量的要求
• 

常见的QoS服务模型

• 尽力而为服务模型
• 综合服务模型
  • 综合服务模型IntServ，这个模型解释了如何在主机和路由器中进行资源预留以及对相关的 QoS 参数进行控制。综合服务模型的核心是采用信令，即资源预留协议（Resource Reservation Protocol，RSVP）。
    • RSVP在数据传输之前先根据应用的要求和网络实际情况按**流（flow）**预留资源，在传输过程中对每个流进行实时监控
  • 
• 区分服务模型
  • DiffServ体系模型的核心思想是：在网络边界将数据流按QoS要求进行简单分类，不同的类在内部节点的每次转发中实现不同的转发特性。
    -
    

6.5 互联网接入技术

6.5.1 电信网接入技术

6.5.2 HFC及有线电视宽带接入

6.5.3 以太网接入

6.5.4 无线接入

6.5.5 电力线接入

6.6 广域网实例

6.6.1 X.25 分组交换网

6.6.2 帧中继

帧中继利用数字系统的低误码率和高传输速率的特点，为用户提供质量更高的快速分组交换服务。

帧中继格式

• 在帧中继中，信息以格式简单、长度可变的帧的格式进行传输；其帧格式由Q.922建议的附录A定义。
• 

帧中继的工作原理

• 

6.6.3 ATM

ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）是由国际电信联盟ITU-T制定的标准。

• ATM采用虚电路交换方式，但定义了两种类型的虚连接，即虚路径连接（VPC：Virtual Path Connection）和虚通道连接（VCC：Virtual Channel Connection）。
• 因此连接标识实际上是由两个不同的部分组成：虚路径标识(VPI)和虚通道标识(VCI)
• 
• VP交换
• 
• VC交换
• 

ATM中的信元

ATM参考模型

问答题

依据网络层是否提供网络连接，网络层向传输层提供的服务有哪两类？

数据报和虚电路。

试比较虚电路方式和数据报方式在实现，适用场合等方面的异同点。

网络层提供的服务和通信子网内部的工作方式有什么关系？

• 端点之间的通信是依靠通信子网中的节点间的通信来实现的
• 在 OSI 模型中，网络层是网络节点中的最高层，所以网络层将体现通信子网向端系统所提供的网络服务。
• 在分组交换方式中，通信子网向端系统提供虚电路和数据报两种网络服务，而通信子网内部的操作也有虚电路和数据报两种方式。
  

按照健壮性和简单性划分，路由算法分为哪两类，并说明这两类路由选择算法在工作方式，性能等方面的差异

• 在单路路由选择算法中：按照健壮性和简单性可分为自适应式和非自适应式算法。
  • 非自适应式算法不能依据当前实际（实测或估测）通信量和拓扑变化来动态调整路由，而只能按照原先设计好的固定路由传送，因此一般被称为固定式或者静态路由选择算法
  • 自适应算法能够根据网络中通信量和拓扑的变化动态调整路由，但实现时难度大、开销多。
• 在网络规模较小时，为了降低网络开销，可采用非自适应式路由选择算法
• 在网络规模比较大的情况下，为保证网络数据的可靠转发，多采用自适应式路由选择算法。
  

网络中的流量控制有哪些层次?各用什么方法或由哪个实体来实现?

• 主机一主机之间的流量控制一般要由传输层协议来实现。
• 在通信子网内，源节点和目的节点之间的流量控制由网络层协议实现，而相邻节点间的流量控制主要由数据链路层实现。
• 主机和源节点间的接口，既是物理上的界面，也是传输层和网络层的接口，也称为网络访问流量控制，可由数据链路层或网络层实现。
• 它和网络拥塞控制关系密切。各层流量控制的原则，都是发送者发送的信息流量不能超过接收者的接收能力，并尽可能在较高的效率下运行。
  

拥塞控制和流量控制有什么关系和不同点?

• 拥塞控制与流量控制是两个完全不同的概念。
• 拥塞控制需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量，是一个全局性问题，涉及主机、路由器等很多因素；
• 而流量控制与点到点的通信量有关，主要解决快速发送方与慢速接收方的问题，是局部问题，一般都是基于反馈进行控制的。
  

拥塞控制算法是否能从根本上杜绝拥塞的产生，为什么？

可以，例如漏桶算法，严格限制入网分组数。

简述几种主要的网络互联设备的区别。

• 中继器：物理层设备，在电缆段之间拷贝比特；对弱信号进行放大或再生，以便延长传输距离。
• 网桥：数据链路层设备，在局域网之间存储转发帧；网桥可以改变帧格式。
• 路由器：网络层设备，在网络之间存储转发包；必要时，做网络层协议转换。
• 网关：完成高层协议转换。
  

路由器和网桥都在实现局域网互联方面有何区别？

• 路由器实现 LAN 互联，与网桥实现 LAN 互联区别：
• 路由器互连的 LAN 网络层协议可不同；
• 路由器将多个 LAN 的广播通信量相互隔离开；
• 路由器转发效率低于网桥转发数据的效率；
• 路由器可完成** LAN 与 WAN **的互联。
  

综合服务是如何通过 RSVP 协议来提供了服务质量的保证？

• RSVP 在数据传输之前先根据应用的要求和网络实际情况按流（flow）预留资源，在传输过程中对每个流进行实时监控。
• 这样的手段可以实现综合服务模型中有保证的服务（对应于有固定延迟和丢失率的服务，即 Guaranteed QoS）和受控服务（对应于对延迟和丢失率有一定要求的服务，即 Controlled QoS）。
  

DiffServ 区分服务的核心思想是什么？PHB 有哪几种类型？各自的特点的是什么？

DiffServ 体系使得 ISP 能够提供给每个用户不同等级和质量的服务。
IETF 目前已经定义的三种基本的 PHB 有：

• 加速型转发（Expedited Forwarding，EF）：可使时延和时延抖动最小并且可以提供最高级的综合 QoS
• 确保型转发（Assured Forwarding，AF）：超过流量规划值的数据流，不会按照未超过规划值时那么高的概率传送。这意味着它可以被降级，但是不会被丢弃。
• 缺省型转发 BE：相当于传统的极力而为调度转发行为的 PHB。
  

ATM 采用固定长度的信元，与传统的分组交换网中采用的可变长度的分组相比有何优势，又有何弊端？

• 优点
  • 可以使用硬件实现转发，转发效率高
• 缺点
  • 不灵活，信道利用率低。

上一章：《计算机网络原理》第五章 局域网技术

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