山东省高等教育特色课程 《计算机网络》 第八讲 广域网技术 潍坊学院

本讲主要内容 广域网的基本概念 广域网的四种实例 X.25分组交换网 帧中继FR 综合业务数字网ISDN 异步传输模式ATM

本讲重点、难点 重点：广域网的基本概念、ATM的基本概念、ATM交换机 难点：在结点交换机中如何查找转发表、ATM中虚电路、虚通路区分

6.1 广域网的基本概念 6.1.1广域网的构成 区分局域网技术和广域网技术的关键是网络的规模。 6.1 广域网的基本概念 6.1.1广域网的构成 区分局域网技术和广域网技术的关键是网络的规模。 当主机之间的距离较远时，局域网就无法完成主机之间的通信任务，这时就需要另一种结构的网络，即广域网。 广域网一般作为远程通信网出现。

由局域网和广域网组成互联网 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 互联网 结点交换机 局域网 广域网

广域网构成示意图 广域网由许多节点交换机以及连接这些交换机的链路组成，各台计算机连接到交换机上，节点之间的连接方式是点到点方式。一组交换机相互连接构成广域网。

结点交换机（ packet switch） 广域网中基本的电子交换机称为结点交换机

6.1.2广域网的分组转发机制 1.存储转发 局域网中，在一个给定时间内只允许一对计算机交换帧，而在广域网中，分组往往经过许多的结点交换机的存储转发（store and forward）才能到达目的地。 为完成存储转发功能，结点交换机必须在存储器中对分组进行缓冲。存储操作是在分组到达时执行，结点交换机的输入/输出硬件把一个分组副本放在存储器中并通知处理器,然后进行转发（forward）操作。 如果有许多分组都必须送到同一输出设备，结点交换机能将分组一直存储在存储器中直到该输出设备空出。

2.广域网的物理编址 局域网采用了平面地址结构，对不需要进行路由选择的局域网这种结构非常方便。然而在广域网中，分组往往经过许多结点交换机的存储转发才到达目的地。 广域网使用层次地址方案，使得转发效率更高。层次地址把一个地址分成几部分。最简单的层次地址方案把一个地址分为两部分：第一部分表示结点交换机，第二部分表示连到该交换机上的计算机。

广域网的二级编址 [交换机号,端口号]

3.广域网中的路由 为使广域网能正确地运行，内、外部交换机都必须有一张路由表，并且都能转发结点。 路由表中的数据必须符合以下条件： （1） 完整的路由。每个交换机的路由表必须含有所有可能到达目的地的下一站。 （2） 路由优化。对于一个给定的目的地而言，交换机路由表中下一站的值必须是指向目的地的最短路径。

广域网图例 结点 边 1 2 1 2 3 4 3 4

路由表示例 目的地 下一站 1 - (2,3) (3,2) (4,2) 2 (1,3) (3,3) (4,4) 3 4 (2,4) (3,4) 站点1 站点2 站点3 站点4

6.2 X.25分组交换网 分组交换是一种在距离相隔较远的工作站点之间进行大容量数据传输的有效方法,结合电路交换和报文交换的优点,将报文分成较小的分组存储、转发，动态分配线路带宽，优点是出错少，线路利用率高。有数据报和虚电路两种方式。 CCITT在70年代开发了X.25，以便在公用分组交换网络和它们的客户之间提供接口。X.25描述了将一个分组终端连接到一个分组网络上所需要做的工作。 通过虚电路方式，它能负责维护一个通过单一物理连接的多用户会话，每个用户会话被分配了一个逻辑信道，这是X.25的一个很强的功能。

X.25 规定了 DTE-DCE 的接口 X.25 公用分组交换网 X.25 接口 虚电路 DTE DCE X.25 接口 VC1 VC2

X.25接口的3个层次。

虚电路 X.25是面向连接的，支持交换式虚电路和永久式虚电路。 交换式虚电路（switched virtual circuit）在一台计算机向网络发送分组要求与远程计算机通话时建立。一旦建立好连接，分组就可以在上面发送，通常按次序到达。X.25提供流量控制，以避免快速发送方淹没低速或繁忙的接收方。 永久式虚电路（permanent virtual circuit）在用法上和前者相同，但是它根据提前和运载方达成的协议建立连接，它一直存在，不需要在使用时设置，它与租用线路相似。

X.25 网退出了历史舞台 到了 20 世纪 90 年代，通信主干线路已大量使用光纤技术，数据传输质量大大提高使得误码率降低好几个数量级，而 X.25 十分复杂的数据链路层协议和分组层协议已成为多余的。 PC 机的价格急剧下降使得无硬盘的哑终端退出了通信市场。这正好符合因特网当初的设计思想：网络应尽量简单而智能应尽可能放在网络以外的用户端。

6.3 帧中继FR 帧中继是继X.25后发展起来的数据通信方式。

帧中继和传统的X.25分组交换服务之间的主要差别： 呼叫控制信令在不同于用户数据的一条单独的逻辑连接上运载。因此，中间结点不需要在每条连接的基础上维持状态表或处理与呼叫控制有关的消息。 逻辑连接的多路复用和交换发生在第二层。而不是第三层，这样就免除了一个处理层次。 没有站段到站段的流量控制和差错控制。端到端的流量控制和差错控制由高层负责。

帧中继是一种简单的面向连接的虚电路分组服务 帧中继既提供永久虚电路（PVC），又提供交换虚电路（SVC）。 帧中继是一种广域网技术，也是一种快速操作技术。X.25运行在64kb/s以下的速率，但帧中继现在可以达到T1/E1（1.544M/2.048Mb/s)的速率，甚至更高。

帧中继提供虚电路服务 帧中继网 虚电路像一条专用电路 用户看不见帧中继网络内的帧中继交换机 帧中继网 帧中继交换机 路由器 路由器 局域网 帧中继中的虚电路示意图

帧中继的应用 帧中继既可作为公用网络的接口，也可作为专用网络的接口。 帧中继的常见应用： （1）局域网的互连。 （2）语音传输。 （3）文件传输。

6.4 综合业务数字网ISDN 6.4.1 ISDN的概述 ISDN是由CCITT和各国标准化组织开发的一组标准，其目的就是应用单一网络向公众提供不同的业务。 1984年10月CCITT推荐的CCITT ISDN标准中给出了一个定义：“ISDN是由综合数字电话网发展起来的一个网络，它提供端到端的数字连接以支持广泛的服务，包括声音的和非声音的，用户的访问是通过少量多用途用户网络接口标准实现的”。

1. ISDN系统体系结构 (a)家庭或小型商务用 (b)大型商务应用 NT1——网络终端设备，连接ISDN终端 NT2——用户交换机PBX，连接ISDN终端和其它设备，非ISDN终端如模拟电话等通过终端适配器接入

2.ISDN接口 ISDN比特管道支持由时分多路复用分隔的多个信道，共有7种标准化的信道： A——4khz模拟电话信道 B——64kb/s数字PCM信道，用于话音或数字 C——8kb/s 或16kb/s数字信道，用于传输低速数据 D——16kb/s数字信道，用于段外信令（用户接入信令 E——64kb/s数字信道，用于ISDN内部信令 H——384kb/s，1536kb/s或1920kb/s数字信道，用于图像、视频会议、快速传真等

标准化的信道组合 （1）基本速率接口2B+D（BRI） BRI包括两个传输声音和数据的64kbps通道（B通道）和一个传输控制信号和数据的16 kbps分组交换数据通道（D通道）。BRI用于小容量系统，如声音/数据工作站。（速率：144kbps) （2）一次群速率接口23B+D或30B+D（PRI） PRI包括23个B通道和1个64 kbps的D通道，或30个B通道和1个D通道，接口速率达1.544Mbps或2.048Mbps。PRI用于大容量系统，如国家范围的ISDN。 （3）混合速率接口：1A+1C 因为ISDN如此集中于64kb/s信道，所以我们称之为N-ISDN（窄带ISDN），以便和后面讨论的宽带ISDN（ATM）相对比。

3.ISDN的主要特点： 建立数字比特管道的概念，管道采用分时复用的方式来支持多个独立的信道。 可同时提供多个信道、多种业务，包括声音、图形、图像、文本等。 一对线可同时接入多个终端并能同时通信（一线通）。 支持端到端的透明连接，即只要有号码即可。 可以实现封装用户组，组内成员只能内部通话。 局限性：所有业务是建立在一个传统64kbps信道上的。

6.4.2 B-ISDN B-ISDN基本上是一个数字虚电路，以155Mbps的速率把固定大小的分组（信元）从源端传送到目的端。起点基于ATM技术。 B-ISDN与N-ISDN的区别： 传输技术 用户环路介质 比特率 传输能力 N-ISDN 电路交换 双绞线 预先设置，如B 64k 无法传输高速图像 B-ISDN 快速分组交换ATM 光缆 只受用户到网络接口的物理比特率的限制 可以传送

6.5 异步传输模式ATM 6.5.1 ATM概述 ATM 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，吸取了分组交换的高效率和电路交换高速度的优点。 ATM 采用定长分组作为传输和交换的单位。这种定长分组叫做信元(cell)。 ATM克服了其他传送方式的缺点，能够适应任何类型的业务，不论速度高低、突发性大小、实时性要求和质量要求如何，都能提供满意的服务。

ATM的一般接入方式

6.5.2 ATM协议参考模型

1.物理层 物理层在ATM 设备间提供ATM 信元传输通道。它分成物理媒体子层PM（ Physical Media Sub layer）和传输会聚子层TC（Transmission Sub layer）。 PM 子层负责在物理媒体上正确传输和接收比特流。相当于OSI的物理层。 TC 子层实现信元流和比特流的转换。相当于OSI的数据链路层。

2.ATM层 ATM 层提供与业务类型无关的统一的信元传送功能。 ATM 层具有网络层协议的功能:端到端虚电路连接交换、路由选择等。

VCI 与 VPI（VPI 包含 VCI） ATM 连接用信元首部中的两级标号来识别。 虚通路标识 VCI (Virtual Channel Identifier) 虚通道标识符 VPI (Virtual Path Identifier) 虚通道 VPx 传输链路 VCx VCy VCz 虚通路 VPy VPz

ATM层的功能 利用VP和VC进行信元交换 信元的复用与解复用 信头的生成与删除 一般流控

3.ATM适配层 ATM适配层记为AAL（ATM Adaptation Layer ），其作用是增强ATM层所提供的服务，并向上层提供各种不同的服务。 AAL向上提供的服务： 用户的应用数据单元ADU划分信元，或将信元重装成ADU 对比特差错进行监控和处理 处理丢失和错误交付的信元 流控和定时控制

ATM网络向用户提供的四种服务 服务类别class） A类 B类 C类 D类 AAL类型（type） AAL1，AAL5 AAL2，AAL5 比特率 恒定 可变 是否需要同步 需要 不需要 连接方式 面向连接 无连接 应用举例 64kb/s话音 变比特率图像 面向连接的数据 无连接数据

ATM子层 为了方便，AAL层分成两个子层： 拆装子层SAR：下层在发送方将高层信息拆成一个虚连接上的连续信元，在接收方将一个虚连接上的连续信元组装成数据单并交给高层 会聚子层CS：上层依据业务质量要求，控制信元的延时抖动，进行差错控制和流控

4.高层 提供高层用户数据传送控制和网络管理功能

6.5.3 ATM的信元格式 信元实际上就是分组，只是为了区别于X.25的分组，才将ATM的信息单元叫作信元。ATM的信元具有固定的长度，即总是53个字节。其中5个字节是信头（Header），48个字节是信息段。 在ATM层，有两个接口是非常重要的，即用户-网络接口UNI和网络-网络接口NNI。前者定义了主机和ATM网络之间的边界（在很多情况下是在客户和载体之间），后者应用于两台ATM交换机（ATM意义上的路由器）之间。

ATM头部格式 (a)UNI中的ATM头部；(b)NNI中的ATM头部

6.5.4 ATM交换机 1.ATM基本排队原理 ATM交换有两条根本点：信元交换和各虚连接间的统计复用。 信元交换将ATM信元通过各种形式的交换媒体，从一个VP/VC交换到另一个VP/VC上。 统计复用表现在各虚连接的信元竞争传送信元的交换介质等交换资源，为解决信元对这些资源的竞争，必须对信元进行排队，在时间上将各信元分开，借用电路交换的思想，可以认为统计复用在交换中体现为时分交换，并通过排队机制实现。

ATM排队机制 基本排队机制有三种:输入排队、输出排队和中央排队。三种方式的优缺点如下： 实际应用中是三种方式的综合。 缺点 优点 输入排队 有信头阻塞、交换机的负荷达不到60% 对存储器要求低 输出排队 存储器利用率低，平均队长要求长 介于两者之间 中央排队 存储器速率要求高，存储器管理复杂 效率高 实际应用中是三种方式的综合。

2、ATM交换机构 为了实现大容量的交换，也为了增加ATM交换机的可扩展性，构造小容量的基本交换单元，再将这些交换单元按一定的结构构造成ATM交换机构 ATM交换机构分类方法不一，有一种分法：时分交换和空分交换，时分交换包括共享总线、共享环和共享存储器结构，空分交换全互联网和多级互联网。

3、ATM交换机 ATM信元交换机的通用模型如图所示。它有一些输入线路和一些输出线路，通常在数量上相等（因为线路是双向的）。在每一周期从每一输入线路取得一个信元（如果有的话）。通过内部的交换结构,并且逐步在适当的输出线路上传送。

4、ATM交换机的分类 在公用网中，有接入交换机、节点交换机和交叉交换设备。 在ATM专用网中，有专用交换机、ATM局域网交换机。

小结 本章主要介绍常用的广域网技术，本章不是本课程的重点内容，要求了解基本概念和基本原理。 广域网的基本概念 定义 构成 路由 广域网的四种实例 了解：X.25分组交换网 了解：帧中继FR 了解：综合业务数字网ISDN 重点掌握：ATM的概念、参考模型、ATM交换机工作原理和分类

下讲概要 下一讲主要介绍网络层在网络互联中所起的作用、虚电路与数据报传输方式、IP地址的表示方法与分类等方面的知识。

作业 教材 6.2 6.7