第章广域网技术.docx
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第章广域网技术
第5章广域网技术
广域网(WAN,WideAreaNetwork)也称远程网。
通常跨接很大的物理范围,所覆盖的范
围从几十公里到几千公里,它能连接多个城市或国家,或横跨几个洲并能提供远距离通信,
形成国际性的远程网络。
广域网的通信子网主要使用分组交换技术。
广域网的通信子网可以
利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网,它将分布在不同地区的局域网或计算
机系统互连起来,达到资源共享的目的。
本章首先介绍广域网的概念及其特点,主要是常用的广域网技术,包括:
数字数据网
(DDN)、帧中继网络、DSL、异步传输模式(ATM)等技术。
然后着重讲解近年来非常普及的
NAT、VPN、广域网优化等技术。
本章的学习目标:
●了解广域网的基本概念和特点
●了解广域网接口及其接入方式
●了解数字数据网(DDN)、帧中继网络、ATM技术等广域网接入技术
●了解VPN的概念和特点
●学习NAT的配置
●了解DSL技术
5.1广域网基本概念
5.1.1计算机网络的分类
虽然网络类型的划分标准各种各样,但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络
划分标准。
按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和互联网4种。
局域网一般来说只能是一个较小区域内,城域网是不同地区的网络互联,不过在此要说明的
一点就是这里的网络划分并没有严格意义上地理范围的区分,只能是一个定性的概念。
下面
简要介绍这几种计算机网络。
1.局域网(LocalAreaNetwork;LAN)
通常所见的LAN就是指局域网,这是最常见、应用最广的一种网络。
现在局域网随着
整个计算机网络技术的发展和提高得到充分的应用和普及,几乎每个单位都有自己的局域网,
有的甚至家庭中都有自己的小型局域网。
很明显,所谓局域网,那就是在局部地区范围内的
.176.计算机网络实用技术
网络,它所覆盖的地区范围较小。
局域网在计算机数量配置上没有太多的限制,少的可以只
有两台,多的可达几百台。
一般来说在企业局域网中,工作站的数量在几十到200台次左右。
在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几M至10公里以内。
广播式LAN常见的拓扑结构有总线状、环状等。
局域网的特点是组建方便、使用灵活。
随着信息化的不断发展,为了更好地发挥网络的作用,局域网也可以连接到广域网或者公用
网上。
用户可以使用Internet提供商提供的许多资源。
2.城域网(MetropolitanAreaNetwork;MAN)
这种网络一般来说是在一个城市,但不在同一地理小区范围内的计算机互联。
这种网络
的连接距离可以在10~100公里,它采用的是IEEE802.6标准。
MAN与LAN相比扩展的距
离更长,连接的计算机数量更多,在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。
在一个大型城
市或都市地区,一个MAN网络通常连接着多个LAN网。
如连接政府机构的LAN、医院的
LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等等。
由于光纤连接的引入,使MAN中高速的LAN
互连成为可能。
城域网多采用ATM技术做骨干网。
ATM是一个用于数据、语音、视频以及多媒体应用
程序的高速网络传输方法。
ATM包括一个接口和一个协议,该协议能够在一个常规的传输
信道上,在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。
ATM也包括硬件、软件以及与ATM
协议标准一致的介质。
ATM提供一个可伸缩的主干基础设施,以便能够适应不同规模、速
度以及寻址技术的网络。
ATM的最大缺点就是成本太高,所以一般在政府城域网中应用,
如邮政、银行、医院等。
3.广域网(WideAreaNetwork;WAN)
这种网络也称为远程网,所覆盖的范围比城域网(MAN)更广,它一般是在不同城市之间
的LAN或者MAN网络互联,地理范围可从几百公里到几千公里。
因为距离较远,信息衰减
比较严重,所以这种网络一般是要租用专线,通过IMP(接口信息处理)协议和线路连接起来,
构成网状结构,解决循径问题。
从计算机网络各组成部件的功能来看,各部件主要完成两种功能,即网络通信和资源共
享。
把计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合称为网络的通信子网,而把网
络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合称为资源子网。
在广域网中,通信子网由一些专用的通信处理机(即节点交换机)及其运行的软件、集中
器等设备和连接这些节点的通信链路组成。
资源子网由上网的所有主机及其外部设备组成。
4.互联网(Internet)
互联网因其英文单词Internet的谐音,又称为“因特网”。
在互联网应用如此发展的今
天,它已是人们每天都要打交道的一种网络,无论从地理范围,还是从网络规模来讲它都是
最大的一种网络,就是人们常说的Web、WWW和万维网等多种叫法。
从地理范围来说,它
可以是全球计算机的互联,这种网络的最大的特点就是不定性,整个网络的计算机每时每刻
随着人们网络的接入在不断地变化。
当用户连在互联网上的时候,用户的计算机可以算是互
第5章广域网技术.177.
联网的一部分,但一旦当用户断开互联网的连接时,用户的计算机就不属于互联网了。
但它
的优点也是非常明显的,就是信息量大,传播广,无论身处何地,只要联上互联网就可以对
任何可以联网的用户发出自己的信函和广告。
因为这种网络的复杂性,所以这种网络实现的
技术也是非常复杂的。
5.1.2广域网概述
近年来,计算机通信网的重要组成部分——广域网(WAN)得到了很大的发展。
20世纪
80年代以来,ISO公布了OSI参考模型,提供了计算机网络通信协议的结构和标准层次划分,
使得异种计算机的互联网络有了一个公认的协议准则;另外,微机的高速发展,促进了LAN
的标准化、产品化,使它成为WAN的一个可靠的基本组成部分。
WAN不仅在地理范围上
超越城市、省界、国界、洲界形成世界范围的计算机互联网络,而且在各种远程通信手段上
有许多大的变化,如除了原有的电话网外,已有分组数据交换网、数字数据网、帧中继网以
及集话音、图像、数据等为一体的ISDN网、数字卫星网VSAT(verySmallApertureTerminal)
和无线分组数据通信网等;同时WAN在技术上也有许多突破,如互联设备的快速发展,多
路复用技术和交换技术的发展,特别是ATM交换技术的日臻成熟,为广域网解决传输带宽
这个瓶颈问题展现了美好的前景。
1.广域网的概念
广域网是将地理位置上相距较远的多个计算机系统,通过通信线路按照网络协议连接起
来,实现计算机之间相互通信的计算机系统的集合。
广域网由交换机、路由器、网关、调制解调器等多种数据交换设备、数据连接设备构成。
具有技术复杂性强、管理复杂、类型多样化、连接多样化、结构多样化、协议多样化、应用
多样化的特点。
2.广域网与局域网的比较
广域网是由多个局域网相互连接而成的。
局域网可以利用各种网间互联设备,如中继器、
网桥、路由器等,构成复杂的网络,并扩展成广域网。
局域网与广域网不同之处如下所示。
(1)作用范围
局域网的网络通常分布在一座办公大楼、实验室或者宿舍大楼中,为一个部门所有,涉
及范围一般在几公里以内。
广域网的网络分布通常在一个地区、一个国家甚至全球的范围。
(2)结构
局域网的结构简单,局域网中计算机数量少,一般是规则的结构,可控性、可管理性以
及安全性都比较好。
广域网由众多异构、不同协议的局域网连接而成,包括众多各种类型的
计算机,以及上面运行的种类繁多的业务。
因此广域网的结构往往是不规则的,且管理和控
制复杂,安全性也比较难于保证。
.178.计算机网络实用技术
(3)通信方式
局域网多数采用广播式的通信方式,采用数字基带传输。
广域网通常采用分组点到点
的通信方式,无论是在电话线传输、借助卫星的微波通信以及光纤通信采用的都是模拟传
输方式。
(4)通信管理
局域网信息传输的时延小、抖动也小,传输的带宽比较宽,线路的稳定性比较好,因此
通信管理比较简单。
在广域网中,由于传输的时延大、抖动大,线路稳定性比较差,同时,
通信设备多种多样,通信协议也种类繁多,因此通信管理非常复杂。
(5)通信速率
局域网的信息传输速率比较高,一般能达到100Mbps、1000Mbps,甚至能够达到万兆。
传输误码率比较低。
而在广域网中,传输的带宽与多种因素相关。
同时,由于经过了多个中
间链路和中间节点,传输的误码率也比局域网高。
(6)工作层次
广域网是由结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。
结点交换机执行分组存储转发
的功能。
结点之间都是点到点的连接。
从层次上看,局域网和广域网主要区别是:
局域网使
用的协议主要在数据链路层,广域网技术主要体现在OSI参考模型的下3层:
物理层、数据
链路层和网络层,重点在于网络层。
3.广域网的类型
广域网能够连接距离较远的节点。
建立广域网的方法有很多种,如果以此对广域网来进
行分类,广域网可以被划分为:
电路交换网、分组交换网和专用线路网等。
(1)电路交换网
电路交换网是面向连接的网络,在数据需要发送的时候,发送设备和接收设备之间必须
建立并保持一个连接,等到用户发送完数据后中断连接。
电路交换网只有在每个通话过程中
建立一个专用信道。
它有模拟和数字的电路交换服务。
典型的电路交换网是电话拨号网和
ISDN网。
(2)分组交换网
分组交换网使用无连接的服务,系统中任意两个节点之间被建立起来的是虚电路。
信息
以分组的形式沿着虚电路从发送设备传输到接收设备。
大多数现代的网络都是分组交换网,
例如X.25网、帧中继网等。
(3)专用线路网
专用线路网是指两个节点之间建立一个安全永久的信道。
专用线路网不需要经过任何
建立或拨号进行连接,它是点到点连接的网络。
典型的专用线路网采用专用模拟线路、E1
线路等。
第5章广域网技术.179.
5.1.3广域网相关技术
彼此通信的多个设备构成了数据通信网。
通信网可以分为交换网络和广播网络,在交换
网络中又分为电路交换网络和分组交换网络(包括帧中继和ATM);而在广播网络中包括总线
网络、环形网络和星形网络。
由于广域网中的用户数量巨大,而且需要双向的交互,如果采
用广播网会产生广播“风暴”,导致网络失效。
因此在广域网中主要采用的是交换网络。
与数据广域网相关的技术问题主要介绍以下3个。
(1)路由选择:
由于源和目的站不是直接连接的,因此网络必须将分组从一个节点选择
路由传输到另一个节点,最后通过整个网络。
(2)分组交换:
路由选择确定了输出端口和下一个节点后,必须使用交换技术将分组从
输入端口传送到输出端口,实现输送比特通过网络节点。
(3)拥塞控制:
进入网络的通信量必须与网络的传输量相协调,以获得有效、稳定、良
好的性能。
1.分组交换简介
分组交换技术是在计算机技术发展到一定程度,人们除了打电话直接沟通,通过计算机
和终端实现计算机与计算机之间的通信,在传输线路质量不高、网络技术手段还较单一的情
况下,应运而生的一种交换技术。
分组交换也称包交换,它是将用户传送的数据划分成一定的长度,每个部分叫做一个分
组。
在每个分组的前面加上一个分组头,用以指明该分组发往何地址,然后由交换机根据每
个分组的地址标志,将它们转发至目的地,这一过程称为分组交换。
进行分组交换的通信网
称为分组交换网。
从交换技术的发展历史看,数据交换经历了电路交换、报文交换、分组交
换和综合业务数字交换的发展过程。
分组交换方式不是以电路连接为目的,而是以信息分发为目的。
分组交换机将用户要传
送的数据按一定长度分割成若干个数据段,这些数据段叫做“分组”(或称包)。
传输过程中,
需在每个分组前加上控制信息和地址标识(即分组头),然后在网络中以“存储——转发”的
方式进行传送。
到了目的地,交换机将分组头去掉,将分割的数据段按顺序装好,还原成发
端的文件交给收端用户,这一过程称为分组交换。
这一过程类似于平常的邮寄信件,人们把
写好的信用信封包装起来,然后在信封上写上接收人的地址和姓名,就相当于分组头中的路
由控制信息;信封好后投入邮筒,由邮局进行分拣,发往不同的地点,最后送到接收人的手
中;接收人打开信件阅读,如同分组中的拆包。
这整个过程如同分组交换过程,只不过分组
交换为了把信息准确、可靠、高速地传到对方,技术上要复杂得多。
此外,还要加上地址域
和控制域,用以表示这段信息的类型和送往何方,再加上错误校验位以检验传送过程中发生
的错误。
分组交换的任务是,从各个入端读入数据分组,根据它们上面的地址域和控制域,
来把它们分发到各个出端上。
形象地说,电路是一种“粗放”和“宏观”的交换方式,只管电路而不管电路上传送的
信息。
相形之下,分组交换比较“精微”和“细致”,它对传送的信息进行管理。
.180.计算机网络实用技术
2.分组交换的基本原理
分组交换的基本原理是采用“存储——转发”技术,从源站发送报文时,将报文划分成
有固定格式的分组(Packet),把目的地址添加在分组中,然后网络中的交换机将源站的分组接
收后暂时存储在存储器中,再根据提供的目的地址,不断通过网络中的其他交换机选择空闲
的路径转发,最后送到目的地址。
这样就解决了不同类型用户之间的通信,并且不需要像电
路交换那样在传输过程中长时间建立一条物理通路,而可以在同一条线路上以分组为单位进
行多路复用,所以大大提高了线路的利用率。
分组交换有两种方式。
(1)数据报方式:
在这种方式中,每个分组按一定格式附加源与目的地址、分组编号、
分组起始、结束标志、差错校验等信息,以分组形式在网络中传输。
网络只是尽力地将分组
交付给目的主机,但不保证所传送的分组不丢失,也不保证分组能够按发送的顺序到达接收
端。
所以网络提供的服务是不可靠的,也不保证服务质量。
数据报方式一般适用于较短的单个分组的报文。
其优点是传输延时小,当某节点发生故
障时不会影响后续分组的传输。
缺点是每个分组附加的控制信息多,增加了传输信息的长度
和处理时间,增大了额外开销。
(2)虚电路方式:
它与数据报方式的区别主要是在信息交换之前,需要在发送端和接收
端之间先建立一个逻辑连接,然后才开始传送分组,所有分组沿相同的路径进行交换转发,
通信结束后再拆除该逻辑连接。
网络保证所传送的分组按发送的顺序到达接收端。
所以网络
提供的服务是可靠的,也保证服务质量。
这种方式对信息传输频率高、每次传输量小的用户不太适用,但由于每个分组头只需标
出虚电路标识符和序号,所以分组头开销小,适用长报文传送。
3.分组交换的优缺点
分组交换网与电路交换网相比有许多优点。
(1)线路利用率高:
分组交换以虚电路的形式进行信道的多路复用,实现资源共享,可
在一条物理线路上提供多条逻辑信道,极大地提高线路的利用率。
使传输费用明显下降。
(2)不同种类的终端可以相互通信:
分组网以X.25协议向用户提供标准接口,数据以分
组为单位在网络内存储转发,使不同速率终端,不同协议的设备经网络提供的协议变换功能
后实现互相通信。
(3)排队制:
当电路交换网络上负载很大时,一些呼叫就被阻塞了。
在分组交换网络上,
分组仍然被接受,只是其交付时延会增加。
(4)信息传输可靠性高:
在网络中每个分组进行传输时,在节点交换机之间采用差错校
验与重发的功能,因而在网中传送的误码率大大降低。
而且在网内发生故障时,网络中的路
由机制会使分组自动地选择一条新的路由避开故障点,不会造成通信中断。
(5)支持优先级:
在使用优先级时,如果一个结点有大量的分组在排队等待传送,它可
以先传送高优先级的分组。
这些分组因此将比低优先级的分组经历更少的时延。
(6)分组多路通信:
由于每个分组都包含有控制信息,所以分组型终端可以同时与多个
第5章广域网技术.181.
用户终端进行通信,可把同一信息发送到不同用户。
(7)计费与传输距离无关:
网络计费按时长、信息量计费,与传输距离无关,特别适合
那些非实时性,而通信量不大的用户。
分组交换网与电路交换网相比也有一些缺点。
(1)时延:
一个分组通过一个分组交换网结点时会产生时延,而在电路交换网中则不存
在这种时延。
(2)时延抖动:
因为一个给定的源站和目的站之间的各分组可能具有不同的长度,可以
走不同的路径,也可以在沿途的交换机中经历不同的时延,所以分组的总时延就可能变化很
大。
这种现象被称为抖动。
抖动对一些应用来讲是不希望有的(例如,电话话音和实时图像等
实时应用中)。
(3)额外开销大:
要将分组通过网络传送,包括目的地址在内的额外开销信息和分组排
序信息必须加在每一个分组里。
这些信息降低了可用来运输用户数据的通信容量。
在电路交
换中,一旦电路建立,这些开销就不再需要
另外,分组交换网络是一个分布的分组交换结点的集合,在理想情况下,所有的分组交
换结点应该总是了解整个网络的状态。
但是,不幸的是,因为结点是分布的,在网络一部分
状态的改变与网络其他部分得知这个改变之间总是有一个时延。
此外,传递状态信息需要一
定的费用,因此一个分组交换网络从来不会“完全理想”地运行。
4.路由选择的基本概念
分组交换网络是由众多节点通过通信链路连接成一个任意的网格形状。
当分组从一个主
机传输到另一个主机时,可以通过很多条路径传输。
在这些可能的路径中如何选择一条最佳
的路径(跳数最小、端到端的延时最小或者最大可用带宽)?
路由算法的目的就是根据所定义
的最佳路径含义来确定出网络上两个主机之间的最佳路径。
为了实现路由的选择,路由算法必须随时了解网络状态的以下信息。
(l)路由器必须确定它是否激活了对该协议组的支持。
(2)路由器必须知道目的地网络。
(3)路由器必须知道哪个外出接口是到达目的地的最佳路径。
那么该如何得到到达目的地的最佳路径呢?
在计算机网络中,是由通过路由算法进行度
量值计算来决定到达目的地的最佳路径。
小度量值代表优选的路径;如果两条或更多路径都
有一个相同的小度量值,那么所有这些路径将被平等地分享。
通过多条路径分流数据流量被
称为到目的地的负载均衡。
一个好的路由算法通常要具备以下的条件。
(1)迅速而准确的传递分组:
如果目的主机存在,它必须能够找到通往目的地的路由,
而且路由搜索时间不能过长。
(2)能适应由于节点或链路故障而引起的网络拓扑结构的变化:
在实际网络中,设备和
传输链路都随时可能出现故障。
因此路由算法必须能够适应这种情况,在设备和链路出现故
障的时候,可以自动地重新选择路由。
(3)能适应源和目的主机之间的业务负荷的变化:
业务负荷在网络中是动态变化的。
路
由算法应该能够根据当前业务负载情况来动态地调整路由。
.182.计算机网络实用技术
(4)能使分组避开暂时拥塞的链路:
路由算法应该使分组尽量避开拥塞严重的链路,最
好还能平衡每段链路的负荷。
(5)能确定网络的连通性:
为了寻找最优路由,路由算法必须知道网络的连通性和各个
节点的可达性。
(6)低开销:
通常路由算法需要各个节点之间交换控制信息来得到整个网络的连通性等
信息。
在路由算法中应该使这些控制信息的开销尽量小。
5.路由算法的分类
路由算法是网络层软件的一部分,它负责确定一个进来的分组应该被传送到哪一条输出
线路上。
如果子网内部使用了数据报,那么路由器必须针对每一个到达的数据分组重新选择
路径,因为从上一次选择了路径之后,最佳的路径可能已经改变了。
如果子网内部使用了虚
电路,那么只有当一个新的虚电路被建立起来的时候,才需要确定路由路径。
因此,数据分
组只要沿着已经建立的路径向前传递就行了。
无论是针对每个分组独立地选择路由路径,还
是只有建立新连接的时候才选择路由路径,一个路由算法应具备的特性有:
正确性、简单性、
健壮性、稳定性、公平性和最优性。
路由算法可以分为:
非自适应的和自适应的。
非自适应算法不会根据当前测量或者估计
的流量和拓扑结构来调整它们的路由决策,这个过程也称为静态路由。
相反,自适应算法则
会改变它们的路由决策,以反映出拓扑结构的变化,通常也会反映出流量的变化情况,这个
过程称为动态路由。
(1)静态路由算法:
在静态路由算法中,首先要根据网络的拓扑结构确定路径,然后将
这些路径填入路由表中,并且在相当长的时间内这些路径保持不变。
这种路由算法适合于网
络拓扑结构比较稳定而且网络规模比较小的网络中。
当网络比较大的时候,静态路由算法就
不太适用了,因为它不能根据网络的故障和负载的变化来做出快速反应。
(2)动态路由算法:
在动态路由算法中,每个路由器通过与其邻居的通信,不断学习网
络的状态。
因此网络的拓扑结构变化可以最终传播到整个网络中的所有路由器。
根据这些收
集到的信息,每个路由器都可以计算出到达目的主机的最佳路径。
但是这种算法增加了路由
器的复杂性,并且增大了选路时延。
在所有的分组交换网络中都使用了某些自适应性路由选
择技术。
这就是说,路由选择的决定将随着网络情况的变化而变化。
在自适应性路由选择技
术中,影响路由选择的主要因素有以下两个方面。
当一个结点或结点间链路出故障时,它就
不能再被用作路径的一部分;当网络的某一部分出现严重的拥塞时,这时应使分组选择绕开
拥塞区而不是通过拥塞区的路径。
路由算法根据控制方式还可以分为集中路由算法和分布式路由算法。
(1)集中路由算法:
在集中式路由算法中,所有可选择的路由都由一个网控中心算出,
并且由网控中心将这些信息加载到各个路由器中。
这种算法只适用于小规模的网络。
(2)分布式路由算法:
在分布式路由算法中,每个路由器自己进行各自的路由计算。
并
且通过路由消息的交换来互相配合。
这种算法可以适应大规模的网络,但是容易产生一些不
一致的路由结果。
而这些不同路由器计算的不同路由结果可能会导致路由环路的产生。
路由可以是对每个分组进行单独选路或者在建立连接的时候确定路由。
对于虚电路分组
第5章广域网技术.183.
交换,路由也就是虚电路是在连接建立期间确定的。
一旦虚电路建立好之后,属于该虚电路
的所有分组都将沿着这个虚电路传输。
这样的传输效率比较高,但是对于故障和拥塞处理的
反应能力比较慢。
对于数据报的分组交换,不必事先建立连接,每个分组的路由必须单独确
定。
这种方式的传输效率比较低,但是对于故障和拥塞避免的能力比较强。
6.典型路由选择算法
在路由选择算法中,需要以某种尺度来衡量路径的“长度”。
这些尺度可以是跳、成本、
延时或者可用带宽。
为了得到这些尺度值,路由器必须相互交换信息来协调工作。
可以利用
距离矢量和链路状态这两种算法来获得这些信息。
(1)距离矢量路由算法:
这种算法要求相邻路由器之间交换路由表中的信息。
这些信息
说明到目的地的距离矢量。
当相邻路由器交换了这些信息后,就可以寻找最优的路由。
这种
算法可以逐渐地与网络拓扑的变化相适配。
(2)链路状态路由算法:
在这种算法中,每个路由器对连接它和相邻路由器的链路状态
信息进行扩散,使每个路由器都可以得到整个网络的拓扑图。
并根据这个拓扑图来计算最优
路由。
目前最广泛使用的路由选择算法有Bellman-Ford算法和Dijkstra算法,还包括扩散法、
偏差路由算法和源路由算法。
(1)Bellman-Ford算法:
这种算法的原理是A和B之间最短路径上的节点到A节点和
B节点的路径也是最短的。
这种算法容易分布实现
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