广域网技术

主要内容

• 路由选择
• 拥塞控制
• 网络互连
• 广域网实例

6.1基本概念

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。

 

局域网和广域网连接

 

广域网直接连接主机，需要广域网卡

路由器两个网络都使用，局域网和关于网的互联设备，不是直接接主机的，连接网络（网段）；节点交换机（用于连接末端节点）是广域网内部结点

 

广域网和互联网区别

• 互联网尽管覆盖范围很广，但它不是广域网，它是由多个不同网络构成的，“互连”是其主要的特征
• 广域网是单个网络，它使用节点交换机连接各主机而不是用路由器连接各网络
• 节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（或一个局域网）上的主机在该网内进行通信时，只需要使用期网络的物理地址即可

网络层提供的服务

应该提供面向连接的服务还是无连接服务？

• 面向连接服务（虚电路服务）：传统电信的观点，通信子网应该提供可靠的、面向连接的服务，而将复杂的功能放在网络层（通信子网）
• 无连接服务（数据报服务）：Internet的观点，通信子网无论怎么设计均不可靠，网络层只需要提供无连接服务，而将复杂的功能放在传输层
• 二者本质区别：复杂的差错控制和流量控制放在何处（网络层/传输层）的问题；（可靠性放在哪层实现）

面向连接的服务可控性强，容易实现差错控制和流量控制

数据报服务特点

• 随时接受主机发送的分组（即数据报）
• 每个分组独立选择路由（对节点故障的适应性强）
• 尽最大努力交付的服务（Best Effort）
• 对源主机没有成承诺
• 不保证不丢失
• 不保证按发送顺序以及在时限内到达目的主机
• 拥塞时，节点根据情况丢弃分组

 

6.2路由算法

路由算法是网络层软件的一部分

子网提供数据包服务，每个包都要做路由选择；

子网提供虚电路服务，只需要在建立连接时做一次路由选择

路由算法具有的特征

• 正确性（correctness）
• 简单性（simplicity）
• 健壮性（robustness：鲁棒性（意外情况适应））
• 稳定性（stability）
• 公平性（fairness）
• 最优性（optimality）

 

路由算法分类

按转发方式和数据副本数量划分

• 全路路由算法（如洪范算法，按照所有路径广播转发）（不需要路由表，全部转发）
• 多路路由算法（如选择洪范算法，向所有接近目的节点的路径转发）（重复副本转发减少）
• 单路路由算法（如距离矢量算法，向目的的节点沿着为一个的路径转发，一份数据）

健壮性和简单性划分

• 非自适应性算法（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
  特点：简单，开销小；灵活性差。
  典型算法：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
  典型算法：距离向量路由算法，链路状态路由算法等。
  
  

距离向量路由算法无穷计算问题

解决方法：

• 触发式更新
• 水平分割（有方向吗？）
• 最大值
• 挂起计时器

小规模网络，收敛时间决定

 

链路状态路由算法

• 发现邻居节点，并学习他们的网络地址
• 测量到邻居节点的延迟或开销
• 将学到的内容封装成一个链路状态包
• 将链路状态包广播发送给所有路由器（一个节点在一个周期里得到全局的拓扑结构，收敛速度快）
• 计算到每个其他路由器的最短路径

洪范（广播）方式：

状态包包含一个序号，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，则认为过时丢弃。（避免过多重复数据的传输）

 

路由崩溃或序号错误解决方法：

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，与其他到达的来之同一个路由器的链路状态包比较序号，丢弃重复包，保留新包。

 

序号使用32位序号

链路状态包需要应答（保证可靠传输）

 

6.3拥塞控制

拥塞

网络上有太多的包时，性能会急剧下降的现象。

原因

资源需求总和 大于 可用资源

 

拥塞控制和流量控制（主要解决快发慢收问题）

共同点都是通过降低源端发送速率控制

 

拥塞控制方法

• 开环控制
  通过好的设计解决问题，避免拥塞
  拥塞控制时，不考虑当前网络状态
• 闭环控制
  基于反馈机制
  工作过程：1、监控系统，发现何时何地发生拥塞。2、把发生拥塞的信息传给采取动作的站点。3、调整系统操作，解决问题。

 

拥塞控制的实现位置

• 链路算法（相邻上一个节点降低发送）
• 源算法（发送源端降低发送）

 

漏桶算法（开环）

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；
• 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；
• 可用固定包长协议，如ATM；也可用于可变包长的协议，如IP，使用字节计算；
• 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（开环）

漏桶存放令牌，每△T秒产生一个令牌，令牌累计到超过漏桶上界就不在增加。包传输之前必须获取一个令牌，在传输之后删除该令牌。（加入了一定的突发性，更加灵活了）

 

抑制分组（闭环）

每个新包到来，路由器检查输出线路是否处于警戒状态；

若是，则向源主机发送抑制包，包中指出发生拥塞的目的地址。同时将原包打上标记（为了以后不再产生抑制包），正常转发；

源主机收到抑制包后，减少发向特定目的地的流量，并在固定时间间隔内忽略指示同一目的地的抑制包。然后开始监听，若此线路仍然拥塞，则主机在固定时间内继续减轻负载、忽略抑制包；若在监听周期内没有收到抑制包，则增加负载；

流量增减策略：倍性减少、常量增加

 

6.4网络互联

网络互连设备

• 中继器（repeater）
  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（bridge）
  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（连接异构网络）
• 路由器（router）
  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（gateway）
  传输网关（传输层）
  应用网关（应用层）

路由器和网桥

相同点：可以实现LAN（局域网）互连

不同点：

• 路由器互连的LAN网络层协议可以不相同
• 路由器避免广播风暴（网桥不能彻底避免，有效降低）
• 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的互连

 

6.5广域网实例

X.25网就是X.25分组交换网

DTE数据终端设备：简单理解为主机（控制命令）

DCE 数据通信设备：简单理解为ADSL设备（前段接入分组交换网的调制解调设备）（打包，调制信号，传输）