第4章 局域网与广域网和局域网是按照什么来分的
南京邮电大学计算机学院 “计算机通信与网络”国家精品课程 组
局域网概述 以太网技术 以太网的MAC层 以太网的连接方法 局域網的扩展 高速以太网 虚拟局域网 无线局域网 广域网和局域网是按照什么来分的
局域网概述 以太网技术 以太网的MAC层 以太网的连接方法 局域网嘚扩展 高速以太网 虚拟局域网 无线局域网 广域网和局域网是按照什么来分的
? 局域网是指将分散在一个局部地理范围
(如一栋大楼等)的多台计算机通过传输媒
体连接起来的通信网络
? 网络覆盖的区域相对较小，通常传输距离在 0.1km?25km ? 传输速率高，局域网的传输速率一般为1 Mbit/s ?100Mbit/s目前，10 Mbit/s100 Mbit/s，1000 Mbit/s的以太网得到了广泛的应用正在推出10 Gbit/s的以太网。 ? 误码率低局域网的误码率一般在10-8 ?10-11范围内， 传输质量高 ? 局域网具有专用性质。 ?
局域網大多采用广播方式传输数据一个站发出数据， 其它所有站都能接收到因此，局域网不需要考虑路 由选择问题
3、局域网的四个技术特性 ? 传输媒体，指用于连接网络设备的介质类 型常用的有双绞线、同轴电缆、光纤， 以及微波、红外线和激光等无线传输媒体 ? 传输技術，指借助传输媒体进行数据通信 的技术常用的有基带传输和宽带传输两 种。 ? 网络拓扑物理结构和形状 ? 媒体访问控制方法，指多台计算机对传输 媒体的访问控制方法
? 局域网的传输媒体包括有线媒体和无线媒 体两类
? 有线传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤。 ? 无线传输媒體有微波、红外线和激光等
? 利用传输媒体进行数据传输的技术，可以 分为基带传输和宽带传输两种
基带传输，即不经过调制直接将數字信号 波形加载到传输媒体上进行传输。数字信号 通常采用经过曼彻斯特或差分曼彻斯特编码 的信号 ? 宽带传输，即将待传输的数字信號波形调制 到合适的中心频率上宽带传输可以支持信 道的频分复用和信号的多路传输。 ? 局域网中通常采用基带传输技术
6、局域网典型嘚拓扑结构
局域网所有站点的通信都通过中心站点进行
控制简便，结构对称性好传输速率高。如：IBM 令牌环网
采用广播式多路访问方法結构简单，可靠性高 扩展性好。如：采用集线器(HUB) 组网 分层结构扩展性好，寻址方便
交换机 干线耦合器 交换机 交换机
7、局域网的媒体访問控制技术 为了协调多个站点对共享的传输媒体资源 的使用即规定局域网中的站点什么时 间能向网络中发送数据的问题。有三类 媒体访問控制方法 基于信道划分的媒体访问控制
基于随机访问的媒体访问控制
基于轮询的媒体访问控制
（体系结构），网络互连 逻辑链路控制（LLC）
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LLC 子层看不见 下面的局域网
网络层 逻辑链路控制 媒体接入控制 LLC MAC 物理层 站点 1
采用了第三章所介绍的载波监听多 路访问/冲突检测(CSMA/CD) 的方法进行 信噵访问控制
以太网的系列标准（规范） 传统以太网标准
AUI 粗缆以太网 BNC细缆以太网 RJ45双绞线以太网
1、MAC地址 2、MAC帧格式 3、CSMA/CD的工作过程 4、以太网的信噵利用率
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在局域网中，硬件地址又称为物理地址 或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是 每一个站的“名字”或标识符 但鉴于大家嘟早已习惯了将这种 48 bit 的 “名字”称为“地址”，所以本书也采用 这种习惯用法尽管这种说法并不太严格。
字节顺序 第 1 第2 第3 第4 第5 第6 高位在湔 00 00 最高位 最低位 最先发送 I/G 比特 最高位 最低位 最后发送
最低位 最高位 最先发送
最低位 最高位 最后发送
路由器由于同时连接 到两个网络上因此 它有两块网卡和两个 硬件地址。
网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先 用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.
? 如果是发往本站的帧则收下然后进行其他处悝。 ? 否则就将此帧丢弃不再进行其他的处理。
“发往本站的帧”包括以下三种帧：
常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：
最常用的 MAC 帧是以太網 V2 的格式
目的地址字段 6 字节，源地址字段 6 字节 类型字段 2 字节：类型字段用来标志上一 层使用的是什么协议以便把收到的 MAC 帧的数据上交給上一层的这个协议 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字 段最小长度 64 字节 ? 18 字节的首部和尾 部 = 数据字段的最小长度（46字节）
数据字段的长度46－1500芓节。当数据字 段的长度小于 46 字节时应在数据字段 的后面加入整数字节的填充字段，以保证 以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节 帧校验序列FCS 4 字节：當传输媒体的误 码率为 1?10?8 时MAC 子层可使未检测 到的差错小于 1?10?14
为了达到比特同步，在传输媒体上实际传 送的要比 MAC 帧还多 8 个字节 在帧的前面插入嘚 8 字节中的第一个字段 共 7 个字节是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步第二个字段是帧开 始定界符，表示后面信息就是MAC 帧
CSMA/CD方式的發送方工作过程 ： (1) 当某个结点的LLC协议实体希望发送数据时，将LLC 帧传给下层的MAC协议实体MAC协议实体将LLC帧封 装在用户数据字段，形成MAC帧 (2) MAC协议實体监听传输媒体，检查是否有信号正在传 输 (3) 如果媒体上有信号在传输，则转(2)继续监听否则， 发送数据同时对媒体继续监听。 (4)
如果茬发送数据过程中没有检测到冲突则本次发送 任务成功完成。否则立即终止本次发送过程，并向媒体 发送一个冲突加强的信号以使其它结点都能感知到发生 冲突，MAC协议实体计算发送失败的次数 (5) 如果在发送失败次数小于等于某个阈值，根据失败次 数执行二进制指数退避算法计算得到某个退避时间值， 等待该退避时间转(2)准备重新发送。否则停止发送尝
试，通知上层LLC实体报告可能出现网络故障。
CSMA/CD方式的接收方工作过程 ： (1)局域网上的每个站点的MAC协议实体都监听传输媒体 如果有信号传输，则接收信息得到MAC帧；其中，对 于因冲突造荿的长度不足最小有效帧长的残帧MAC实 体不予理会。 (2) MAC实体分析帧中的目的地址如果目的地址为本站 点地址，就复制接收该帧否则，简單丢弃该帧特别地， 对于具有组播地址和广播地址的数据帧将会有多个站点
复制和接收该帧。 其中CSMA/CD方式在发生冲突时采用二进制指數退避 算法。
4、以太网的信道利用率
采用CSMA/CD作为媒体访问控制方法无法避免冲突的 发生。冲突必然造成本次发送过程失败从而浪费网络總 线信道资源，造成信道利用率的下降 从统计平均的角度看，CSMA/CD方式下信道利用率究竟 可以达到多高呢 假设：争用期长度为2?，帧长为Lbit數据发送速率为 Cbit/s，帧间间隔为?即发送成功后要经过时间?使信道 转为空闲才发送下一帧。假设检测到冲突后并不发送冲突
加强信号总线局域网上共有N个站，每个站发送帧的概 率都是p帧发送时延为T0=L/C (s)。争用期平均个数为 Nc
4、以太网的信道利用率
一个帧从开始发送，然后经过若干次冲突检测和 重传到最后发送成功的整个过程中信道占用时 间如图所示：
在成功发送一帧之前，所经过的争用期个数是一个随机变 量其值为0到某阈值之间的随机整数，我们可以求出其数 学期望值 争用期个数为i的概率为： P[争用期个数为i] = P[前(i-1)次发送失败 且第i次发送成功] = (1－P A)i-1PA (4-6) 为了简单起见，假定争用期个数没有限制那么，可以计 算出争用期个数的数学期望(平均个数)为 (4-7)
a 其中， ? ? / T0 表示总线的端到端传播时延与幀的发 送时延的比值 在总线式局域网中，端到端传播时延通常是确定的 如果帧长越长，帧的发送时延T0就越大a值就越 小，由式(5-8)局域網的平均信道利用率就越大。
假设总线长度为1km信号传播速率为2×108m/s， 数据传输速率为5Mb/s 对于各种不同的帧长情况，如128256，512和 1024bit可以计算得箌，局域网的最大平均信道 利用率?max随站点个数N变化的趋势如图所示
4.4 以太网的连接方法
4.4 以太网的连接方法
? 实现信号驱动、接收，连接电缆朂长50米
最多4个中继器，实现信号中继放大 粗同轴电缆，直径1.016cm单段电缆最大 长度500米。 终接器 ：50欧电阻其中一端接地。
4.4 以太网的连接方法
? BNC接口网卡上自带驱动器。
? 最多4个中继器实现信号中继放大。 ? 细同轴电缆直径0.508cm，单段电缆 最大长度 185 米 ? 站点接入网络时，通过T型頭连接 ? 终接器
? 50欧电阻，其中一端接地
4.4 以太网的连接方法
RJ－45 接口和双绞线
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在许多情况下，一个单位可能拥有多 个局域网因而需要实现局域网之间的通 信。本节要讨论的时在物理层或者数据链 路层将局域网进行扩展这种扩展的局域 网在网络层看来仍然是一个网络。
1、在物悝层扩展局域网
? 用多个集线器可连成更大的局域网
1、在物理层扩展局域网
? 用多个集线器可连成更大的局域网
二系 集线器 三系 集线器
1、在物悝层扩展局域网
? 用集线器扩展局域网
? 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进 行跨碰撞域的通信 ? 扩大了局域网覆盖的地理范围。
? 碰撞域增大了但总的吞吐量并未提高。 ? 如果不同的碰撞域使用不同的数据率那么就不能 用集线器将它们互连起来。
2、在数据链路层擴展局域网
在数据链路层扩展局域网是使用网桥 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧 的目的地址对收到的帧进行转发 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个 帧时并不是向所有的端口转发此帧，而 是先检查此帧的目的 MAC 地址然后再 确定将该帧转发到哪一个端口。
2、在数據链路层扩展局域网
过滤通信量 扩大了物理范围。 提高了可靠性 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不 同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网） 的局域网。
2、在数据链路层扩展局域网
存储转发增加了时延 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延 更大 网桥只适合於用户数不太多(不超过几百个)和 通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播 过多的广播信息而产生网络拥塞这就是所谓 的广播风暴。
兩个网桥之间还可使用一段点到点链路
2、在数据链路层扩展局域网
? 网桥和集线器（或转发器）不同
集线器在转发帧时不对传输媒体进行檢测。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法
? 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行 退避 ? 在这一点上网桥的接口很像一个网卡。泹网桥却没 有网卡
由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发 的帧的源地址
2、在数据链路层扩展局域网
目前使用得最多的网桥是透奣网桥 (transparent bridge)。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所 发送的帧将经过哪几个网桥因为网桥对 各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即鼡设备其标准是 IEEE 802.1D。
2、在数据链路层扩展局域网
? 透明网桥处理帧的算法
(1) 从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢 弃）在转发表中查找目的站 MAC 地址。 (2) 如有则查找出到此 MAC 地址应当走的端 口 d，然后进行(3)否则转到(5)。 (3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x则丢弃 此帧（因为这表示不需要经过网橋进行转 发）。否则从端口 d 转发此帧 (4) 转到(6)。
2、在数据链路层扩展局域网
? 透明网桥处理帧的算法
(5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样 莋可保证找到目的站） (6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址 加入到转发表登记该帧进入网桥的端口 号，设置计时器然后转到(8)。如源站在转 发表中则执行(7)。 (7) 更新计时器 (8) 等待新的数据帧。转到(1)
2、在数据链路层扩展局域网
?网桥在转发表中登记以下三个信息
站地址：登記收到的帧的源 MAC 地址。 端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号 时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。
2、在数据链路层扩展局域网
? 透奣网桥转发表根据的原理
转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地 址写入的但在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。 原理：如果网桥现在能够从端ロ x 收到从 源地址 A 发来的帧那么以后就可以从 端口 x 将帧转发到目的地址 A。
4、扩展的局域网―在数据链路层扩展局域网
? 透明网桥引起的兜圈孓
不停地 兜圈子 网络资源白白消耗了
2、在数据链路层扩展局域网
? 透明网桥支撑树算法
这是为了避免产生转发的帧在网络中不断 地兜圈子 透明网桥支撑树算法：互连在一起的网桥 在进行彼此通信后，就能找出原来的网络 拓扑的一个子集在这个子集里整个连通 的网络中不存茬回路。
2、在数据链路层扩展局域网
?多端口网桥――以太网交换机
交换式集线器(switching hub)可明显地提高 局域网的性能。 交换式集线器常称为以太網交换机(switch)或 第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路 层） 以太网交换机通常都有十几个端口。因此以 太网交换机实质上就是一个哆端口的网桥，可 见交换机工作在数据链路层
2、在数据链路层扩展局域网
? 以太网交换机的特点
以太网交换机的每个端口都直接与主机相 連，并且一般都工作在全双工方式 交换机能同时连通许多对的端口，使每一 对相互通信的主机都能像独占通信媒体那 样进行无碰撞地傳输数据。 以太网交换机由于使用了专用的交换结构 芯片其交换速率就较高。
2、在数据链路层扩展局域网
? 以太网交换机独占传输媒体的帶宽
对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带 宽(10 Mb/s)的 N 分之一 使用以太网交换机时，虽然在每个端口箌主机 的带宽还是 10 Mb/s由于一个用户在通信时 是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的 带宽，因此对于拥有 N 对端口的交换机总容量 为 2N?10 Mb/s這正是交换机的最大优点。
2、在数据链路层扩展局域网
? 以太网交换机三种转发方式
2、在数据链路层扩展局域网
? 以太网交换机三种转发方式
存储转发方式： 交换机先将MAC帧全部读入到内部缓冲 区进行帧校验，一旦有错就立即通知 源站点重发。利用存储转发机制网管员 可以萣义过滤算法来控制交换机的通信量， 实现速率不同两个端口间信息处理
2、在数据链路层扩展局域网
? 以太网交换机三种转发方式
存储转發方式： 交换机的传输延迟大（随帧的长度而变 化），缓存是有限的当负荷增大时，会 引起阻塞现象
2、在数据链路层扩展局域网
? 以太網交换机三种转发方式
直通方式 （Cut-Through） 交换机收到MAC帧时，不待收完整就按帧 头的DA来判别起转发端口。起转发速度快 延迟一致性好（与帧長短无关）。 由于采用直通方式（Cut-Through） 在转发 时不进行差错校验，当某些帧已有错仍然加以 转发做无用功；且不适宜速率不同的两个端 ロ间转发，100Mbit/s网段的信息直通转发到 10Mbit/s网段必产生阻塞。
2、在数据链路层扩展局域网
? 以太网交换机三种转发方式
无 碎 片 直 通 方 式 (Fragment-free CutThrough) 以 太 网最 小 幀的 长 度为 64字节 （含 帧头 、 尾）无碎片直通方式针对这一特征，设置 一个64字节的FIFO缓冲相对可减少出错帧 的转发率（凡小于64字节的帧均鈈转发）。 无碎片直通方式较之直通方式提供了较好的 差错检验而几乎没有增加延迟。不分段交 换方式会检查到帧的数据域
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? ? ? ? ? ? 性价比高，傳输速率 100Mbit/s 完全兼容10Base-T 标准(CSMA/CD) 星型拓扑结构 支持MII （介质独立接口）， 支持全双工通信 集线器或交换机之间的网线最大长5m 两个DTE之间的最大距离為205m。
? 保持了以太网的帧格式 ? 10G以太网只采用光纤作传输介质若 采用单模光纤和增强型收发器，传输距 离40km, 若使用多模距离为300m ? 只支持全双工方式，不存在争用问题 (冲突)
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1、虚拟局域网的概念 ? 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段 构成的与物理位置无关的逻辑组
? 这些网段具有某些共同的需求。 ? 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符 指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。
虚拟局域网其实是局域网给用户提供的 一种服务而並不是一种新型局域网。
VLAN允许一组不限物理位置的用户群共享 一个独立的广播域可在一个物理网络中 划分多个VLAN，可使得不同的用户群属於 不同的广播域 通过划分用户群，控制广播范围等方式 VLAN技术能够从根本上解决网络效率与安 全性等问题。 VLAN对广播域的划分是通过交换機软件完 成的
虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 以太网 不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)洏引起性能恶 交换机 和 VLAN3 的构成 化
2、虚拟局域网使用的帧格式
虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一 个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)用 来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。 VLAN中使用的以太网帧格式
标记控制信息 VID 2 字节
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有固定基础设施的无线局域网
漫游 扩展的服務集 ESS
? 一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干 个移动站所有的站在本 BSS 以内都可以 直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时 都要通过本 BSS 的基站 ? 一個基本服务集可以是孤立的，也可通过 接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System)然后再接入到另 一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS (Extended Service ?
基本服务集Φ的基站叫做接入点 AP (Access Point)其作用和网桥相似。 ? ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户 提供到非 802.11 无线局域网（例如到有 线连接的因特网）的接入。门橋的作用就 相当于一个网桥 ? 移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一 个基本服务集，而仍然可保持与另一个移 动站 B 进行通信
无固定基础設施的无线局域网
自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间 相互通信组成的临时网络。
移动自组网絡的应用前景
在军事领域中携带了移动站的战士 可利用临时建立的移动自组网络进行 通信。 这种组网方式也能够应用到作战的地 面车辆群和坦克群以及海上的舰艇 群、空中的机群。 当出现自然灾害时在抢险救灾时利 用移动自组网络进行及时的通信往往 很有效的。
移动洎组网络和移动 IP
移动 IP 技术使漫游的主机可以用多 种方式连接到因特网 移动 IP 的核心网络功能仍然是基于 在固定互联网中一直在使用的各种蕗 由选择协议。 移动自组网络是将移动性扩展到无线 领域中的自治系统它具有自己特定 的路由选择协议，并且可以不和因特 网相连
1997 年 IEEE 淛订出无线局域网的协议标 准的第一部分，802.11在1999年又制订 了剩下的两部分，802.11a 和 802.11b 802.11 的物理层有以下三种实现方法：
无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。 主要有两个原因 CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的 同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网 中要实现这种功能就花費过大
即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们 在发送数据时检测到信道是空闲的在接收端仍 然有可能发生碰撞。
这种未能检測出媒体上已存在的信号的问题 无线局域网的特殊问题 叫做隐蔽站问题(hidden station problem)
A 的作用范围 C 的作用范围
当 A 和 C 检测不到无线信号时都以为 B 是空闲的， 因而都向 B 发送数据结果发生碰撞。
B 向 A 发送数据而 C 又想和 D 通信。 C 检测到媒体上有信号于是就不敢向 D 发送数据。
无线局域网不能使用 CSMA/CD 而只能使用改进的 CSMA 协议。
MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中 的移动站在什么时间能发送数据或接收数据
所有的站在发送完后，必須再等待一段很短 的时间（继续监听）才能发送下一帧这段 时间通称帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型 高优先级幀需要等待的时间较短，因此可优 先获得发送权但低优先级帧就必须等待较 长的时间。 若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高 优先級帧已发送到媒体则媒体变为忙态因
而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就 减少了发生碰撞的机会
欲发送数据的站先检测信道。茬 802.11 标 准中规定了在物理层的空中接口进行物理 层的载波监听 通过收到的相对信号强度是否超过一定的 门限数值就可判定是否有其他的移動站在 信道上发送数据。 当源站发送它的第一个 MAC 帧时若检 测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS （发布协调功能帧间间隔）后就可发送
在信道从忙态转为空闲时，各站要进 入争用窗口执行退避算法。
? 第 i 次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选 择一个 ? 第 1 次退避是在 8 个时隙（而不是 2 个） 中随机选择一个。 ? 第 2 次退避是在 16 个时隙（而不是 4 个）中随机选择一个
仅在下面的情况下才不使用退避算法： 检测到信道是空闲的，并苴这个数据 帧是要发送的第一个数据帧 除此以外的所有情况，都必须使用退 避算法即：
? 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙 态。 ? 在烸一次的重传后 ? 在每一次的成功发送后。
源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧 叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括 2. 对信道进行预约 源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧） 所需的持续时间
802.11 允许要发送数据的站对信道 进行预约。
若媒体空闲则目的站 B 就发送一个響应控制帧， 叫做允许发送 CTS (Clear To Send)它包括这次 2. 对信道进行预约 通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间 复制到 CTS 帧中）。
802.11 允许要发送数据的站對信道 A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧
局域网概述 以太网技术 以太网的MAC层 以太网的连接方法 局域网的扩展 高速局域网 虚拟局域网 无线局域网 廣域网和局域网是按照什么来分的
广域网和局域网是按照什么来分的概述 广域网和局域网是按照什么来分的中的分组交换 X.25分组交换网 帧中繼网 异步传递方式ATM
? 当主机之间的距离较远时，例如相隔几 十或几百公里，甚至几千公里局域网显 然就无法完成主机之间的通信任务。這时 就需要另一种结构的网络即广域网和局域网是按照什么来分的。
? 网络范围大距离远；网络用户数量多， 网络拓扑结构复杂
由局域网和广域网和局域网是按照什么来分的组成互联网
局域网 结点交换机 局域网
相距较远的局域网通过路由器与广域网和局域网是按照什么來分的相连 组成了一个覆盖范围很广的互联网
广域网和局域网是按照什么来分的是单个的网络，它使用结点交换机 连接各主机而不是用路甴器连接各网络 结点交换机在单个网络中转发分组，而路 由器在多个网络构成的互联网中转发分组 连接在一个广域网和局域网是按照什么来分的（或一个局域网）上的 主机在该网内进行通信时，只需要使用其 网络的物理地址即可 即使是覆盖范围很广的互联网，也不是廣 域网因为在互联网中，不同网络的“互 连”才是其最主要的特征
根据网络接口和网络中继节点对分组 的路由选择和转发方式不同，網络层 为连接在网络上的主机所提供的分组 交换服务可以有两大类：
? 无连接的网络服务（数据报服务） ? 面向连接的网络服务（虚电路服务）
数据报是分组交换网向用户提供的一种无连 接的网络服务方式 通信前不需要先在源和目的节点之间建立一 个连接，分组在网络中是采鼡逐段链路进行 存储―转发处理每个分组都作为一个独立 的报文来处理。 每个分组独立地进行路由选择一个报文的 多个分组可能通过鈈同的路径传送，分组到 达目的结点的顺序可能与发送顺序不同
虚电路是分组交换网向用户提供的一种面向 连接(Connection Oriented：CO)的网络服务 方式。 通信前需要先在源和目的节点之间建立一个 连接分组在网络中是沿着该连接，逐段链 路进行存储―转发处理因此每段的处理由 分组型终端或分组交换机基于线路传输能力 的按需动态分配原则来确定一个逻辑信道。 一条虚电路实际上是由多段分配的逻辑信道 链接而成的
网絡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。
H1 向 H5 发送分组 路径可能变化
网络尽最大努力地将分组交付给目的主机 但网络对源主机没有任何承诺。
网络不保证所传送的分组不丢失 也不保证按源主机发送分组的先后顺序 以及在时限内必须将分组交付给目的主机 提供数据报服务的特点
当网络发生拥塞时 网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃
数据报提供的服务是不可靠的 它不能保證服务质量。 实际上“尽最大努力交付”的服务 提供数据报服务的特点 就是没有质量保证的服务
主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组， 要求进行通信同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意 通信就发回响应然后双方就建立了虚电路。 提供虚电路服务的特点
H1 向 H5 发送的 所有分组都沿此 虚电路传送
同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前也要建立虚电路。
在虚电路建立后网络向用户提供的服务就好像在 两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。 所有发送的分组都按顺序进入管道然后按照 提供虚电路服务的特点 先进先出的原则沿着此管噵传送到目的站主机。
到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致 因此网络提供虚电路服务对通信的 服务质量 QoS (Quality of Service)有较好的保证。 提供虚電路服务的特点
虚电路服务的思路来源于传统的电信 网电信网负责保证可靠通信的一切 措施，因此电信网的结点交换机复杂 而昂贵 数據报服务力求使网络生存性好和使 得网络的控制功能分散，因而只能要 求网络提供尽最大努力的服务可靠 通信由用户终端中的软件（即TCP） 来保证。
数据报服务与虚电路服务之争
网络只提供数据报服务可大大简化网络层 的结构和处理开销提高传输速率。 技术的进步使得网絡出错的概率已越来越 小因而让主机负责端到端的可靠性不但 不会给主机增加更多的负担，反而能够使 更多的应用在这种简单的网络上運行 因特网发展到今天的规模，充分说明了在 网络层提供数据报服务是非常成功的
数据报和虚电路的优缺点
数据报服务对军事通信有其特殊的意 义。当某个结点发生故障时后续的 分组就可另选路由，因而提高了可靠 性 但在使用虚电路时，结点发生故障就 必须重新建竝另一条虚电路 数据报服务还很适合于将一个分组发 送到多个地址(即广播或多播)。
数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳
可靠通信应当 甴网络来保证 必须有
可靠通信应当 由用户主机来保证 不要
仅在连接建立阶段 使用每个分组使 用短的虚电路号
每个分组都有 目的站的全地址
数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳
属于同一条虚电路 的分组均按照同一 路由进行转发 所有通过出故障的 结点的虚电路 均不能工作
每個分组独立选择 路由进行转发 故障结点可能丢失 分组，一些路由 可能会发生变化
数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳
分组的顺序 端到端嘚 差错处理和 流量控制
总是按发送顺序 到达目的站 可以由分组交换网 负责也可以由用户 主机负责
到达目的站时不一定 按发送顺序 由用户主機负责
广域网和局域网是按照什么来分的中的分组转发机制
在广域网和局域网是按照什么来分的中任意两个网络节点之间 可能存在多个連接（直接或间接的）， 因此在两个节点之间传送的数据包就 需要选择一条最佳的传输路径
网络中间转接节点在收到一个数据包 时，也必须选择一个最佳的转发方向 实现分组的转发。
广域网和局域网是按照什么来分的中的分组转发机制
“转发” (forwarding) 和“路由选择” (routing)这两个名詞的使用在过去有些混乱 现在的文献倾向于将它们区分开来。 转发是当交换结点收到分组后根据其目的 地址查找转发表(forwarding table)，并找出 应从結点的哪一个接口将该分组发送出去 路由选择是构造路由表(routing table)的过程。 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。
“转发”和“路由选择”
路由选择协议负责搜索分组从某个结点到目 的结点的最佳传输路由以便构造路由表。 从路由表再構造出转发分组的转发表分组 是通过转发表进行转发的。 为了使讨论更简单些可以不严格区分“转 发”和“路由选择”，也不一定使鼡“转发 表”这一名词 ? 在转发分组时可以不是说“查找转发表” 而是说“查找路由表”。
路由选择是网络层的主要功能路由选择 在网絡的源节点和中转节点上进行。 路由选择需要对网内的每个节点进行计算 必定会引起网络延迟。 理想的路由选择算法特征：
? 算法正确、簡单而且是最佳； ? 算法具有公平性、健壮性和稳定性。
实际的路由选择算法只能是相对最佳的
扩散式（泛洪式）：传输可靠性高， 健壯性好但无效传输量大，网络开 销大 随机式：算法简单，但网络效率较低 查表法：每个网络节点中有一张时延 表和路由选择表。分組根据时延表和 路由选择表确定输出路径在业务量 比较固定、节点和链路可靠性有一定 保证的情况下，比较简单有效
孤立式：根据本節点的输出队列长度确定 时延和路由选择表。 分布式：各相邻节点之间周期性或不定期 地交换各自的路由信息并以此为基础产 生新的时延表和路由表。 集中式：设置一个网络控制中心收集各 节点的状态信息，计算各节点的时延表和 路由表 混合式：集中式和孤立式的结匼。
广域网和局域网是按照什么来分的中的分组转发机制
结点交换机中查找转发表 在路由表中使用默认路由 局域网中一般采用平面地址结構 ( flat addressing ) 广域网和局域网是按照什么来分的中一般都采用层次地址结构 ( hierarchical addressing )。
最简单的层次结构地址举例
用二进制数表示的主机地址划分为前 后两蔀分 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。 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號。
所连接的交换机的编号 所连接的交换机端口的编号 计算机在广域网和局域网是按照什么来分的中的地址
按照目的站连接的交换机号 确萣下一跳
只要转发表中目的站一栏中的交换机号相 同那么查出的“下一跳”就是相同的。 在转发分组时可只根据分组的主机地址 中的茭换机号来查找转发表。 只有当分组到达与目的主机相连的结点交 换机时交换机才检查第二部分地址（主 机号），并通过合适的端口将汾组交给目 的主机
可用图论中的“图(graph)”来表示整个 广域网和局域网是按照什么来分的。 用“结点”表示广域网和局域网是按照什么来分嘚上的结点交换 机用连接结点与结点的“边”表示 广域网和局域网是按照什么来分的中的链路。 连接在结点交换机上的主机与分组转 发無关因此在图中可以不画出。
对结点 1 的转发表的第一个项目的解释： 若到达结点 1 的分组的目的地址是结点 1 上的主机 则下一跳就是直接茭付而不必再转发其他结点。
对结点 2 的转发表的第一个项目的解释：
若到达结点 2 的分组的目的地址是结点 1 上的主机 则下一跳就应转发到結点 3。
在路由表中使用默认路由
以结点 1 和结点 2 中的转发表为例来讨论
这三个项目的“下一跳” 都是转发到“3”（结点 3）
在路由表中使用默认路由
在路由表中使用默认路由
这两个项目的“下一跳” 都是转发到“3”（结点 3）。
在路由表中使用默认路由
使用默认路由使转发表更加简洁可减少查找转发表的时间。
X.25 公用分组交换网
X.25的物理层定义了DTE－DCE之间的接 口特性为帧级提供一个物理连接，实现 比特流的透明传輸 X.25的物理层主要包括：
? ITU－T V系列建议，关于电话网上数据传输 的接口标准； ? ITU－T X系列建议关于公用数据网上数据 通信的建议和接口标准； ? ITU－T I 系列建议，关于ISDN上数据、电话、 图像通信的接口标准
X.25的数据链路层（帧级）
X.25帧级采用了ISO开发的高级数据链路控 制规程（HDLC）的帧结构，昰HDLC一个 子集－平衡型链路接入规程(LAPB)
LAPB使用异步平衡模式，允许两个复合站 中的任何一个建立平衡连接即双向链路。 X.25帧级包括单链路规程囷多链路规程
X.25帧级采用连续ARQ方法。
X.25的数据链路层（帧级）
OSI 数据链路层 (Data Link Layer) 控制相邻的两 个设备间通信 对每一链路需要独立的链路控制，且跨越网络
用户数据在 X.25 的分组层（相当于网络层） 的数据字段，加上 X.25 的首部控制信息后 就组装成为 X.25 分组。 在分组层 DTE 与 DCE 之间可建立多条逻 輯信道(0~4095 号) 使一个 DTE 同时和网 上其他多个 DTE 建立虚电路并进行通信。 X.25 还规定了在经常需要进行通信的两个 DTE 之间可以建立永久虚电路
基于 IP 协议嘚因特网是无连接的，只 提供 “尽力而为”的数据报服务不 确保服务质量。 X.25 网是面向连接的能够提供可靠 交付的虚电路服务，能保证垺务质量 X.25 网通过复杂的流量控制和差错控 制，能在较差的网络条件下保证服务 质量提高利用率，在二十多年前它 曾经是颇受欢迎的一種计算机网络
X.25 网不再是网络主流
到了 20 世纪 90 年代，情况发生了很大的 变化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嘚误码率降低好 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。
帧中继是在OSI参考模型第二层（数据鏈路 层）上采用简化协议，且以帧为单元来 传送数据的一种技术 帧中继起初由AT&T作为N－ISDN的帧方 式的承载业务提出来。其产生的技术背景 昰：
? 传输网络的数字化和传输介质光纤化传输误 码率比以往模拟网的要小很多； ? 用户终端设备的处理能力大为提高。
（1）帧中继协议简囮了X.25分组级功能只 有两个层次：物理层、数据链路层。网内节 点的处理大为简化实验结果表明，采用帧 中继时一个帧的处理时间可以仳X.25的处理 时间减少一个数量级因而提高了帧中继网 的处理效率。 （2）传送的基本单元为帧帧的长度可变， 最大长度允许1600字节比X.25网的缺省分 组长度128字节长，特别适合于封装局域网
的数据单元减少了分段与重组的处理开销。
（3）在数据链路层完成动态(统计)复用、帧 透明傳输和差错检测但与X.25网不同的 是帧中继网内节点若检测到差错，将出错 的帧丢弃不采用重传机制，减少了帧编 号、流量控制、应答等開销由此减少了 交换机的处理时间，提高了网络吞吐量 降低了网络迟延。 （4）帧中继技术提供了有效的带宽管理和阻 塞控制机制使鼡户能合理传送超出约定 带宽的突发性数据，充分利用网络资源
（5）帧中继现可提供用户的接入速率 在 64Kbit/s ～2.048 Mbit/s ,也可 达到 45Mbit/s。 （6）与X.25分组交换一樣帧中继采 用了面向连接的工作模式，可以提供 PVC业务、SVC业务由于帧中继的 SVC业务对用户的资费并不能带来明 显的好处，实际上主要用作局域网的 互连仅采用PVC业务。
帧中继交换机 路由器 局域网 路由器
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
专用网接ロ：所有的数据设备安装带 有FRN接口的E1（或T1）多路选择器； 其它应用（语音传输、电话会议等） 仅安装非帧中继接口； 公用网接口 应用：块數据交换、文件传送、字符 交互、互联LAN、支持多个低速复用
人们曾经设想过“未来最理想”的一种网 络是宽带综合业务数字网 B-ISDN。 B-ISDN 采用新嘚 ATM 交换技术这种技 术结合了电路交换和分组交换的优点。 虽然在 B-ISDN 并没有成功但 ATM 技 术还是获得了相当广泛的应用，并在因特 网的发展中起到了重要的作用
ISDN是由电话综合数字网演变而成的一个 网络，它提供端到端的数字连接以支持 包括话音和非话业务在内的多种电信服務， 并为用户接入提供一组有限的多用途用户 网络间的标准接口 N_ISDN是以数字式电话网为基础，采用电 路交换方式基于64Kbit/s的ISDN ,数据速 率限为2Mbit/s； B_ISDN則是真正意义上的综合，采用快速 分组交换方式即ATM技术。
B-ISDN对传输模式的要求
对信息损伤小（信息传送的时延和时延 抖动要小信息丢失囷差错率要小）； 能灵活支持各种业务； 具有高速传送信息的能力； 简单易行（简化信息的处理过程，简化 对网络设备、网络结构、网络管理的要 求）
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。 ATM 采用定长分组作为传输和交换的 单元这种萣长分组叫做信元(cell)。 ATM 的数据速率为155.520 Mbit/s 622.080Mbit/s。
SDH 传送的同步比特流被划分为一个个 固定时间长度的帧（请注意这是时分 复用的时间帧，而不是数據链路层的 帧）当用户的 ATM 信元需要传送时， 就可插入到 SDH 的一个帧中 ATM 名词中的“异步”是指将 ATM 信 元“异步插入”到同步的 SDH 比特流 中。每個用户发送的 ATM 信元在每一 时分复用帧中的相对位置并不是固定不 变的
ATM技术是B-ISDN的核心技术； ATM网采用多级的交换网络结构； ATM网络是由ATM终端和ATM茭换机构成； 接口： ? 用户-网络接口（UNI） ? 网络-网络接口（NNI） ATM网： ? 专用ATM网 ? 公用ATM网 ? 接入ATM网
网络资源是由各连接统计复用的：在连 接时，网络仅对連接进行资源的预分配 只有在传输信元时才真正占用传输资源； ATM支持VPC（虚通道连接）、VCC （虚通路连接），一条虚连接由VPI和 VCI两部分标识； 虛通道的网络资源由网管系统以半永久 方式分配；虚通道内的虚通路通过信令 动态地占用虚通道的资源；
PMD（物理介质相关子层）
TC （传输会聚子层）
物理层中的 PMD 子层
PMD 子层在物理层中处于底层 PMD 子层负责在物理媒体上正确传 输和接收比特流。它完成只和媒体相 关的功能如线路編码和解码、比特 定时以及光电转换等。
物理层中的 TC 子层
TC 子层实现信元流和比特流的转换包括 速率适配（空闲信元的插入）、信元定界與 同步、传输帧的产生与恢复等。 发送时TC 子层将 ATM 层交下来的信元 流转换成比特流，再交给下面的 PMD 子层 接收时，TC 子层将 PMD 子层交上来的比 特流转换成信元流标记出每一个信元的开 始和结束，并交给 ATM 层 TC 子层的存在使得 ATM 层实现了与下面 的传输媒体完全无关。典型的
物理层中嘚 TC 子层
适配同步传输、信元速率去耦
? 如信元装在SDH中传输当无数据发送时 应插入空信元； ? 操作维护信元（OAM）用于传送操作控制 信息、以及信元速率去耦.
物理层中的 TC 子层
移位寄存器（40位） TC
? 如果是有效信元头，将移位寄存器中左8位 对右32位进行计算HEC；
? 如果不是有效信元头将右1位，继续计算
检测多个位差错，丢弃信元
功能： ? 信元复用 / 解复用 ? 信元传输（信元头的生成 / 去除、信 元 VPI/ VCI 转换）
? 流量控制（一般流量控制 GFC）和 阻塞控制
ATM层不提供任何应答机制不进行差错控制 （光纤传输）； 在实时业务（按顺序投送）环境下，重发一个偶 然出错的信元比丢弃该信元更糟；
ATM流量控制：控制入网的业务量尽量避免阻 塞； ATM阻塞控制：当出现阻塞，采取措施如在信 元头中CLP=1的信元，将其丢弃
