计算机网络 第2章 中间节点上的通信

10.0.0.0
10.0.0.2 10.0.0.1
20.0.0.0
R1
10.0.0.3
30.0.0.4
R2
20.0.0.2
30.0.0.3
R3
30.0.0.0
40.0.0.3 30.0.0.2 30.0.0.1 20.0.0.1
R4
40.0.0.2 40.0.0.1
R5
50.0.0.1
40.0.0.0
交换机的分类
1．根据应用的规模 分为桌面交换机、骨干交换机和中心交换机三类。 2．根据结构 结构的不同，可以将交换机分为固定端口交换机和 模块化交换机。 3．根据工作的协议层 分为第2层交换机、第3层交换机和第4层交换机。 4. 根据交换方式 分为直通式交换机、存储转发式交换机和无碎片直 通式交换机。
数据报服务特点 1 • 每个分组所走过的路径可能是不相同的 。 （图2.7为一个只有A、B、C、D四个节 点的网络，在数据报方式下进行传输的 示意图。 ） • 由于传输路径不同，各节点交换处理的 时间不等，到达目的地的时间也不相同 。
数据报服务特点 2
• 数据报服务不需要进行连接，因此也说 它提供无连接的服务。
空间交换 • 空间交换是交换单元按照链路的空间分 布进行交换，将分组从一条链路转送到 另一条链路上。 • 典型的结构是图2.8所示的交叉点矩阵结 构，也称纵横制交换机构（crossbar switching）。它的N路输入线和N路输出 线之间有N2个接点。
N
输 入
N输出
图2.5
一个简单的交叉点矩阵
虚电路服务 虚电路服务分3个阶段 ： • 建立虚电路 • 数据传输 • 拆除虚电路
• 图2.6虚电路工作时的时序关系
虚电路建立 交换节点A 4 3 2 1
数据传输
虚电路拆除
呼叫请求分组
释放请求分组
交换节点B
交换节点C
呼叫应答分组 交换节点D 4 3 2 1
确认分组
释放应答分组
时间
图2.3
虚电路工作时的时序关系
2.1.4 交换机的功能 • 数据转发： • 物理编址：定义数据帧的物理地址； • 网络拓扑结构：定义设备物理连接所形 成的网络拓扑结构 • 差错验证：错误发生时发出告警； • 数据帧整序： • 流量控制：延缓数据的传输能力。
2.1.5 交换机实现技术 • 构成交换机构的最基本的元件是交换单 元。交换单元的基本实现技术有两种： 空间交换和时隙交换。 • 空间交换 • 时隙交换
• 静态路由算法
动态路由
• 动态路由 – 路由器自动共享路由信息 – 自动构造路由表 – 需要一个路由协议，如RIP或OSPF – 需要第三方路由器 – 大规模，拓扑结构复杂的网络 • 动态路由 算法 – 距离向量（distance vector）算法 – 链路状态（link state）算法 – 混合（hybrid）路由算法
2.2.1 路由表与路由算法
• 路由表中记录了路由选择信息，其中的每一项都包含 以下信息： 1. 目的IP地址 2. 下一站路由器的IP地址 3. 标志 4. 为数据报的传输指定一个网络接口
5. 子网掩码（带有子网选路的协议）
6. Refcnt (使用路由的活动进程个数） 7. Use (通过该路由发送的分组数）交换机构
图2.8
多级交换结构
分组交换结构的发展 • 增加了FEP（Front-End Processor，前端机） 的结构
• 基于独立前端处理机的分组交换系统
• 广泛应用的交换机系统
计算机
存储器中 分组队列
FEP …
FEP …
…
FEP
…
图2.9
基于计算机的分组交换系统
计算机 总线或环
FEP
FEP
…
FEP
资源片
网络资源 (e.g., 带宽) 划分成 “片” • 各资源片分配给各个通信连接 • 如果拥有资源的通信连接没有使用,则该 资源片就被闲置(idle,没有共享) • 将链路带宽分“片”的办法 – 频谱划分 – 时隙划分
电路交换特点
• （1）由于需要连接过程，因此适合传输 大量数据。传输少量数据时，效率不高
交换时延
报文 交换节点B 报文 确认
确认
传输时延 交换节点C
报文 交换节点D
确认
时间
图2.1
报文交换的基本过程
用户数据
报头 分组
报头 分组
报头 分组
图2.2
报文分组
2.1.3 分组交换的两种服务 • 分组交换有虚电路（Virtual Circuit）和 数据报（Datagram）两种服务方式。
• 虚电路服务 • 数据报服务
2.2.3 路由器技术的演进 • 第1代路由器技术 （图2.18 第1代路由器 结构 ） • 第2代路由器技术 （第2代路由器把网络 接口做成可插拔的活动模块，使用户可 以根据需要增减网络接口模块，为路由 器升级扩容提供了便利。 ） • 第3代路由器技术如图2.19所示，第3代路 由器是在各网络接口上增加CPU ）
LAN
LAN
Router
Router
WAN
路由器的基本功能 1、IP 数据报的转发和路由选择 2、子网隔离，抑制广播风暴 3、维护路由表，与其它路由器交换路由信息 4、IP 数据报的差错处理及简单的拥塞控制 5、实现对 IP 数据报的过滤和记录 •对于不同规模的网络，路由器作用的侧重点有 所不同 。
50.0.0.28
50.0.0.0
路由器R1的路由表
目的地址
50.0.0.28 10.0.0.0
下一站地址
30.0.0.1 10.0.0.2
标志
UGH U
接口
int1 int0
20.0.0.0
30.0.0.0
10.0.0.1
30.0.0.4
UG
U
int0
int1
40.0.0.0
50.0.0.0
10.0.0.3
并/串
N
FIFO:先进先出缓冲器
图2.6
ATOM模块结构
双口RAM 1 复 接
„
N
„
„
图2.7
共享内存型交换单元结构
„ „ „
分 接
1
N
多级互联网络交换结构MIN • 为了减少交叉节点的数目，可以把大容 量交换网络分成小容量的交换单元，并 将这些交换单元连接成多级互联网络 （Multi-stage Interconnect Network）。 • 图2.11为一个由2×2的基本交换单元构成 的3级MIN结构
共享内存 （Share Memory）
CPU
CPU内存 （包括路由表和Fast Cache）
网络接口
网络接口
网络接口
……
网络接口
图2.12
第1代路由器结构
高速总线
CPU
CPU
CPU
…
CPU
网络接口
网络接口
网络接口
网络接口
图2.13
第3代路由器结构
最新路由器产品
Quidway® NetEngine 5000E核心路由器是华为公司面向 互联网骨干节点、城域网核心节点以及数据互联中心 节点推出的顶级核心路由器产品。
• • • • •
2.1.1 电路交换 • 电路交换（Circuit Switching或Circuit Exchanging）方式通信的双方在进行数 据传送之前先要建立一个实际的物理线 路连接，连接的电路被通信的一对用户 独占，只有通信结束电路释放后，才能 被别人使用。 • 建立连接------通信------拆除连接
• 数据报服务要求在传送过程中，每一个 数据分组都要带有目的地址和源地址。
B
C
3
2
1 A D
2
1
3
整 序
3
2
1
图2.4
数据报工作原理示意图
•分组交换 vs. 电路交换
• 分组交换使得更多用户可“同时”使用网络! • 在突发性数据传输过程中表现优异 – 资源共享 – 无须事先建立连接 • 过度拥塞: 导致分组延迟和丢失 • 如何在分组交换网中提供电路交换的性能? – 音频/视频
协议与算法的区别 算法是一种思想和策略
而协议是算法的具体实现
2.2.2 路由器的基本结构
路由选择处理机
路由表
路 由 选 择
输出端口1
输入端口1 分组处理
转发表
交换构件
输入端口 n
分 组 转 发
…
…
输出端口 n
路由器的组成单元 • • • • 网络接口 （局域网接口和广域网接口） 路由器软件 路由交换单元 路由器队列 （其基本的集中队列调度算 法有：基于时标的IP分组调度算法 ，基 于轮转的调度算法 ，基于优先级的调度 算法 ）
…
…
…
图2.10
基于独立前端处理机的分组交换系统
入线控制 LCI LCI 入 入 LCI …… LCI 控制处理机 N×N分组 交换结构
出线控制 LCO LCO LCO …… LCO 出
图2.11
交换机系统结构
华为S8500系列万兆核心路由交换机
2.2 路由节点上的通信 • 一个路由节点可能连接多个网络，当其 中一个端口的数据分组传来时，它需要 判断是丢弃还是转发到另一个网络或是 对所有的端口都进行转发。 • 2.2.1 路由表与路由算法 • 2.2.2 路由器的基本结构 • 2.2.3 路由器技术的演进
30.0.0.1
UG
UG
int0
int1
标志 • • • • • U 该路由可以使用 G 区分了直接路由和间接路由 H 区分了主机地址和网络地址 D 路由是由重定向报文创建的 M 路由已被重定向报文修改
A
R1 R1发重定向报文给A
R2 B
理想的路由算法 • • • • • • 必须是正确的和完整的 在计算上应简单 应能适应通信量和网络拓扑的变化 应具有稳定性 应是公平的 应是最佳的
• （2）连接一旦建立，便可以固定的速率 传输数据
• （3）路径独占性
2.1.2 存储-转发交换 • 当发送方要发送信息时，应把目的地址 先加到报文中，然后靠地址把报文从发 送节点起，一个节点、一个节点地转送 到目的节点 • 报文交换 • 分组交换 每个报文无固定大小 分组的长度有限制
交换节点A
第2章 中间节点上的通信技术 • 中间节点包括中续节点,交换节点和路由 节点。中续节点起放大和整型的作用。 本章主要讨论交换节点和路由节点上的 通信技术。 • 2.1 交换接点上的通信 • 2.2 路由节点上的通信
2.1 交换接点上的通信 • 交换机构的功能是将一条输入信道上的数据 转送到另外的输出信道上，将输入端口与输出 端口对应起来。 2.1.1 电路交换 2.1.2 存储-转发交换 2.1.3 分组交换的虚电路服务和数据报服务 2.1.4 交换机的功能 2.1.5 交换机实现技术
路由器
• 路由器是网络中进行网间连接的关键设备。路 由器系统构成了Internet 的主体脉络。它的处 理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠 性则直接影响着网络互连的质量。 • 路由器 的关键地位，是因为它处于网络层，一 方面能够跨越不同的物理网络类型，另一方面 在逻辑上将整个互连网络分割成逻辑上独立的 网络单位，使网络具有一定的逻辑结构。
路由选择算法 1. 为网络指定路由器，而非为主机指定路由
器，这样做可以极大地缩小路由表的规模。
2.这数据报和虚电路采用不同的选择方法
3.
路由算法的分类
路由算法
• 静态路由算法
• 动态路由 算法
静态路由
• 静态路由
– – – – – – – – 路由器不共享路由信息 路手工构造路由表 构筑小型或非常大型的网络 稳固的网络 洪泛（flooding）算法 热土豆（Hot Potato）算法 固定路由算法 随机走动法
NE5000E基于先进的网络处理器技术、ASIC技术、IPv6 技术和光背板互连技术，采用分布式和可扩展性设计， 具备海量交换容量和超高转发性能 • 支持高密度10G/40G接口，提供64个线速10G POS接 口，或者16个线速40G接口，转发性能高达1600Mpps。
时隙交换 • 时隙交换是按时间顺序进行交换，即将 输入链路上的某个时隙上的分组安排到 输出链路上的另一个时隙上。 具体的交 换方式有： • STM传输模式的交换机 • ATM传输模式的交换机
1 2
„
串/并 串/并 时 分 总 线
AF AF
FIFO FIFO
Biblioteka Baidu并/串
1 2
„
并/串
N
串/并
AF
FIFO
• 第4代路由器技术 （第4代路由器则是在 第3代实现分布式转发的基础上，将基于 CPU的软件转发模式转换到基于ASIC （Application-Specific Intergrated Circuit，专用集成电路）技术的硬件转 发。 ）
• 第5代路由器采用可编程序的、专为IP网 络设计的网络处理器，实现IP报文处理 和转发 ，采用大容量的交换网络结构， 可通过升级软件增加新的处理功能