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1 通信网络与交换 1

2 3 分组交换网络 分组交换帧中继 ATM 交换 TCP/IP 2

3 3.2 帧中继 3

4 帧中继 帧中继将数据封装在变长的分组 ( 帧 ) 中传输, 由通信的端节点来进行差错和流量控制 数据帧通过虚链路进行传输, 对信道带宽进行了高效地利用 用户 ( 端节点 ) 可以在不租用专有线路的情况下享用连续的 无间断的通信 ; 网络运营商根据网络状态决定每一帧的转发路径, 该操作对用户透明 帧中继由 X.25 协议发展而来, 用来在模拟的电话链路上传输数据信息 帧中继协议只考虑鉴别差错, 不考虑纠错, 当端节点发现帧中有差错时, 它会丢弃该数据帧并向源节点请求重传 帧差错的鉴别和帧的重传由端节点负责, 中间节点只负责转发数据帧 ( 中继 ) 帧中继的协议主要覆盖了 ISO 七层网络协议栈中的层一到层三 帧中继的数据传输速率 :T-1(1.544 Mb/s) 或 T-3( Mb/s)

5 帧中继网络的背景 最早的分组交换网络使用的是 X.25 协议, 该协议有以下特点 : 采用基于虚链路 (Virtual Circuits) 的分组交换方式, 即基于分组交换的原理构建面向连接的通信服务 ; 用于建立和撤销虚链路的控制分组和数据分组在同一虚链路信道传输, 即采用 inband signaling 管控方式 ; 承载不同虚链路的分组在网络层 ( 即 ISO 协议栈的层三 ) 进行复用, 采取分组交换的方式进行传输 ; 在层二和层三都有流量控制和差错控制机制 X.25 协议的缺陷 : 协议的开销 (Overhead) 过大, 对于虚链路上的每一跳, 每传输一个数据分组, 都要向前一跳节点返回一个 Acknowledgement; 网络控制过于复杂, 中间节点要为每一个虚链路保留状态机以协调流量与差错控制 根本原因 :X.25 协议是面向传输性能不太好的电缆网络设计 帧中继协议对 X.25 进行了大量的简化, 克服了它的一些缺陷

6 帧中继简介 帧中继和 X.25 的主要区别 : 用于建立和撤销虚链路的控制分组和数据分组在不同的虚链路信道传输, 所有控制分组共享专门的控制虚链路, 即采用 out-band signaling 管控方式 ; 中间节点不再为每一个虚链路保留状态机, 不再进行逐跳 (hop-by-hop) 的流量与差错控制, 引入端到端 (end-to-end) 的流量与差错控制 ; 虚链路的复用和交换在层二进行, 网络对层三透明, 降低了网络控制的复杂度 X.25 帧中继 逐跳 Acknowledgement 流控 端到端 Acknowledgement 流控

7 帧中继协议的体系结构 协议体系结构分为两个平面 : 控制平面 (Control Plane) 和用户平面 ( Plane) 控制平面协助建立和撤销虚链路 类似于电路交换网络中的共用信令信道 CCS(Common Channel Signaling); 在层二, 控制平面用 LAPD 协议保障可靠的控制服务, 通过利用差错和流量控制 用户平面负责传输用户的数据 用户平面的协议保障端到端的数据传输 ; 用户平面的主要协议是 LAPF(Link Access Procedure for Frame-Mode Bearer Services), 在 Q.922 标准中定义, 提供差错和流量控制

8 帧中继的呼叫控制 在帧中继网络中用户之间并不直接建立连接, 而是通过 Frame Handler (FH) 来建立连接 帧中继呼叫控制的两种方式 : Switched Access 和 Integrated Access Switched Access: 1) 本地的交换设备没有帧处理能力 ;2)Switched Access 由 Terminal Equipment(TE) 向 Frame Handler(FH) 提供 Integrated Access: 1) 本地的交换设备具有帧处理能力 ;2) 用户因此可以直接和 FH 建立连接 用户和 FH 之间的连接叫做 Access Connection 在帧中继网络中, 用 户必须先和 FH 建立 Access Connection 在 Access Connection 建立之后, 需要通信的用户之间可以建立起虚 链路, 用于传输数据 每一个虚链路都有一个唯一确定的 Data Link Connection Identifier(DLCI)

9 帧中继中的数据传输 帧中继中数据传输的流程 第一步 : 两个用户间通过 FH 建立起一个连接, 网络运营商为该连接分配一个唯一确定的 DLCI 第二步 : 两个用户通过该连接进行数据通信, 每一个帧都会包含相应的 DLCI 以确定其连接 第三步 : 通信结束, 双方用户撤销该连接 帧中继连接的建立需要控制平面的控制报文交互, 控制信令帧的 DLCI=0, 基本上会用到四种控制报文 : SETUP: 用于请求建立连接 CONNECT: 用于建立连接并分配相应的 DLCI RELEASE: 用于在通信结束后请求撤销连接 RELEASE COMPLETE: 用于确定连接撤销

10 3.3 ATM 交换 10

11 ATM(Asynchronous Transfer Mode) ATM 是一种基于分组交换的数据传输技术, 它将数据封装在 Cell 里 ATM 的整体架构是异步的, 也就是说各用户发送 Cell 的时不必同步 ATM 是一种利用固定长度的 Cell(53 字节 ) 来封装 复用和传输用户数据的技术, 用户数据可以是语音 数据或视频信息 ATM 是一种面向连接的服务, 连接的建立既可以通过信令交互, 也可以通过手动实现 在 ATM 中控制平面和数据平面的通信是独立的, 也就是说控制信令的交互和用户数据的交互分别使用不同的 ATM 连接

12 ATM 为什么要使用定长的小 Cell? 选用定长的小 Cell 的初衷是出于在高效传输数据和语音信息之间的折衷 在使用长 Cell 的情况下, 数据信息能够被更好的服务, 因为长 Cell 有利于降低控制开销, 并提高数据传输的带宽效率 但是长 Cell 同时也带来较长的传输延迟 (Transmission Delay) 和较大的延迟抖动 语音和视频信息的传输要求尽可能短的传输延迟和尽可能小的延迟抖动, 因此它们更加倾向于使用小 Cell 使用定长 Cell 有如下好处 : 较小的延迟抖动, 更加容易和优质的网络同步 更加容易的交换机缓存管理, 更好地适应分组交换中的 Self-routing switching 53 字节 这一 Cell 长度的选取, 是各标准机构之间的权衡 欧洲标准定义了 32 字节的 Cell; 北美标准定义了 64 字节的 Cell; 最终的权衡是 (32+64)/2=48 字节的 payload + 5 字节的 Header = 53 字节

13 ATM 的传输网模型 一个 ATM 端到端的连接包括 : 一个终端设备收集上层业务传送来的数据, 并产生 ATM Cells; ATM 交换机用于处理 交换和传输 ATM Cells; 物理传输链路用于连接各 ATM 网络设备 ; 另一个终端设备用于收集 ATM Cells 并向上层业务传送 在 ATM 中, 端到端的连接被成为 Virtual Channel Connection(VCC ) 或 Virtual Circuit( 虚链路 ) ATM 的传输网模型分为三层 :ATM Adaptation 层 ATM 层 物理层, 物理层向 ATM 层提供数据传输服务, 而 ATM 层通过 ATM Adaptation 层向上层业务提供服务 每一层又可以包含若干子层, 每一子层由四个必要原件组成 :1) 连接 ;2) 链路 ;3) 连接点 ;4) 端节点 多个链路通过连接点组成一个连接, 每个连接有两个端节点

14 ATM 的协议堆栈 物理层实现 ATM Cell 的物理传输 ;ATM 层为上层提供基于 Cell 的服务, 包括建立虚链路, 为 Cell 提供路由和复用的支持等 ;ATM Adaptation Layer(AAL) 为上层业务提供基于 Cell 的适配, 如将数据分割并封装到 Cell 里, 对 Cell 里的数据进行重新组合等 ATM 的协议堆栈保证控制平面和数据平面的分离, 在虚链路建立时设备只传输控制报文, 只有控制平面 Active; 在数据传输时设备只传输用户数据, 只有数据平面 Active

15 ATM 的物理层 物理层的主要功能是将 ATM Cells 正确的传输到目的端 物理层包括两个子层 : Transmission Convergence(TC): 实现将 ATM Cells 映射到相应的物理传输系统 Physical Media Dependent(PMD): 实现准确的比特流的收发 物理层的具体功能模块 : Header Error Control(HEC): 为每个 ATM Cell 的 header 产生纠错编码, 并利用纠错编码验证 header Cell Scrambling and Descrambling: 为了避免传输的 bit 出现长 0 或者长 1, 对 ATM Cells 所形成的 bit 流进行 scrambling/descrambling Cell Delineation: 甄别每个 Cell 的边界, 将 Cells 从物理层 bit 流中解析出 ATM 支持的物理层媒介 : 单模光纤 多模光纤双绞线

16 ATM 的 ATM 层 ATM 层的具体功能 : ATM Cells 中用户数据 (Service Data Units, SDU) 的封装与解封 ; Cell Multiplexing, 实现基于 QoS 需求对 Cells 进行复用 ; Cell Relaying, 实现对 Cells 的中继 ; Cell Traffic Management, 保障所有的用户获得应有的 QoS; Connection Assignment and Removal, 建立和撤销连接 ; ATM 层支持两种连接 : VCC: 点对点或点对多点的连接, 每一对端点之间只有一个单一连接 ; VPC: 点对点或点对多点的连接, 每一对端点之间有一组多个连接 ; VCC 被用 VCI 来识别 VPC 连接被用 VPI 来识别

17 ATM Cell 的格式 ( 用户端,UNI) GFC: Generic Flow Control VPI: Virtual Path Identifier VCI: Virtual Circuit Identifier PTI: Payload Type Indicator CLP: Cell Loss Priority HEC: Header Error Control ATM 支持多少个 VPC? ATM 支持多少个 VCC?

18 ATM Cell 的格式 ( 网络端,NNI) VPI: Virtual Path Identifier VCI: Virtual Circuit Identifier PTI: Payload Type Indicator CLP: Cell Loss Priority HEC: Header Error Control ATM 支持多少个 VPC? ATM 支持多少个 VCC?

19 ATM 的 AAL 层 AAL 层对 ATM 层的服务进行增强, 使之更好地服务于上层业务 AAL 层能够支持多种协议, 以为上层业务提供支持 AAL 层将上层业务和 ATM 层的特殊需求隔离开来, 实现上层业务所需传输的数据和 ATM Cells 之间的相互转换 在各 ATM 设备上,AAL 层功能模块互相交互信息以实现各种功能 AAL 层需要无缝支持上层业务的多种 QoS 需求 恒定比特率 (CBR), 可变比特率 (VBR), 不确定比特率 (UBR), 帧速率保障的 (GFR)

20 ATM 的 AAL 层的 QoS 恒定比特率 (CBR) 服务定时传输数据, 且数据传输速率恒定 可变比特率 (VBR) 服务不定时传输数据, 支持突发式数据传输, 但是传输的最大速率不能超过某一上限 有效比特率 (ABR) 服务和 VBR 服务相似, 唯一区别是 ABR 不设速率上限 ABR 保障速率传输下限 不定比特率 (UBR) 服务和 ABR 服务相似, 唯一区别是 UBR 不设速率下限 不同的 QoS 需求在 AAL 层里用不同的 AAL 服务来实现, 例如 AAL1 可以实现 CBR 服务

21 3.4 TCP/IP 21

22 什么是 TCP/IP? TCP/IP 是一个协议组, 包括了 OSI 七层参考模型中层三 ( 网络层 ) 及其以上的多个协议, 并不仅仅针对 IP 和 TCP 协议 TCP/IP 协议组是当前 Internet 的基础, 直接决定了 Internet 的体系结构 历史 : 当前的 Internet 是由最早的 ARPANET 发展而来的,ARPANET 是美国国防部赞助的研究网络, 研究的背景是未来发生核大战时网络的一些节点受到摧毁后, 只要源端和目的端的节点还在工作, 通信就不会失效, 因此体系结构要有高度的灵活性 1 ARPANET

23 TCP/IP 的基本工作原理 最初的设计需求导致了 TCP/IP 协议组基于无连接的网络层 ( 层三 ) IP 协议构建分组交换网, 形成了 Internet 体系中最关键的部分 在网络层,TCP/IP 协议无法提供可靠的连接服务, 分组在传输的过程中会出现丢失 乱序等问题, 这些问题可由传输层 ( 层四 ) 的 TCP 协议来解决 在 TCP/IP 协议组中没有和 OSI 七层结构相对应的表示层 ( 层六 ) 和会话层 ( 层五 ) 传输层直接面向应用层提供服务, 来自网络设备开发的经验证明, 表示层和会话层对绝大多数网络应用都没有用处

24 IP 协议 在网络层,Internet 可以被看成一组相互连接的子网或自治系统 ( AS), 将它们连接在一起的正是 IP 协议 IP 协议将信息封装在 IP 数据包中进行转发, 每个 IP 数据包由一个头部和一个正文部分组成 IP 数据包的头部通常由一个 20 字节的定长部分和一个任意长部分组成 (IPv4) IP 数据包头的关键域 : 版本号 服务类型 总长 生命期 传输层协议 源地址和目的地址

25 IP 地址 在网络层, 每个主机和路由器都有一个 IP 地址 现行的 IPv4 地址长 4 字节 (32 比特 ) IP 地址被分为 A B C D E 五种, 具体的地址由网络信息中心 ( NIC) 分配 IP 地址通常用带点十进制标记法 : ~ NetID: 网络号

26 IP 子网 由于 Internet 的异构性, 每个网络可以自成体系, 由 IP 地址中的 NetID 区分, 同一个网络上的主机都要有相同的 NetID 随着 Internet 的发展, 为每一个新网络申请 NetID 的方式既会浪费 IP 地址又不具备可操作性 因此, 出现了将网络分成多个子网的方法, 同一子网上的主机具有相同的子网前缀 引入子网后, 子网外的路由器只需要知道如何达到某一子网, 而不必在其路由表中存储其他子网中主机的详情, 大幅减小了路由表的长度 实际的路由可以通过子网屏蔽 (subnet mask) 来除去目的地址中的主机号再进行路由表查询

27 网络层控制协议 网络层除了 IP 协议外还有一系列的网络层控制协议, 以保证 Internet 的正确运行 ICMP(Internet Control Message Protocol): 网络的操作被路由器监控, 当出现差错时, 差错事件由 ICMP 报告, 它也可以用来检测网络 ARP(Address Resolution Protocol): 解决如何将网络层的 IP 地址映射到数据链路层 ( 层二 ) 的 MAC 地址上, 每个以太网设备端口都有一个全球唯一的 48 比特 MAC 地址 RARP(Reverse ARP): 解决如何将 MAC 地址映射到 IP 地址上 OSPF(Open Shortest Path First): 内部网关路由协议, 用于计算 AS 系统内部的路由路径 BGP(Border Gateway Protocol): 外部网关路由协议, 用于计算 AS 系统之间的路由路径

28 传输层协议 (TCP UDP) TCP/IP 协议组中有两种传输层协议 : 面向连接的 TCP 协议和无连接的 UDP 协议 TCP 与 UDP 的服务模型 : 通过套接字 (Socket) 提供传输层服务, 每个 Socket 包括 IP 地址和 16 比特的传输层端口 (Port) TCP 与 UDP 都提供端到端的服务, 每个服务可以用 ( 源 IP 地址, 源主机 Port, 目的 IP 地址, 目的主机 Port) 来唯一确定 TCP 报文 UDP 报文

29 TCP 连接的建立 TCP 在无连接的 IP 网络层之上实现面向连接的可靠服务, 连接的建立通过 三步握手 来实现

30 TCP 的滑动窗口机制 TCP 通过 滑动窗口 机制来保障数据的可靠传输 : 发端和收端首先协商一个固定大小的窗口 ; 在没有收到收端任何确认 (ACK) 的前提下, 发端可以一次将窗口中的所有数据都发送出去, 然后开启一个定时器等待收端的 ACK; 收端在收到数据之后, 向发端回馈一个 ACK, 确认收到的最后一个好的数据 ; 发端收到收端的 ACK 之后将本地窗口向前滑动到收端 ACK 指定的后一个数据, 继续发送

31 TCP 的拥塞控制 TCP 和 UDP 的一个重大区别就是 TCP 拥有拥塞控制机制, 可以防止发端发送速度过快而造成网络拥塞 当前, 已有四种拥塞控制机制被采用并成为 Internet 的标准 : Slow Start Congestion Avoidance Fast Retransmit 以上三种拥塞控制机制都基于两个窗口 : 滑动窗口和拥塞窗口 ( Congestion Window, cwnd) 在 TCP 连接建立之初, 拥塞窗口被设为一个 Segment, 每次发端成功收到收端针对某个 Segment 的 ACK, 拥塞窗口的大小增加一个 Segment 某一时刻, 发端可以发送的数据由滑动窗口和拥塞窗口的最小值决定

32 TCP 的 Slow Start Slow Start 使 TCP 的吞吐量在连接建立之初呈指数增长 ; 由于网络容量的限制, 吞吐量并不会无限增长, 当网络容量已经达到上限时会出现丢包的情况, 此时吞吐量的增长会减慢

33 TCP 的 Congestion Avoidance 当拥塞出现的时候,TCP 记录当前的拥塞窗口大小 (cwnd), 并将其的一半存入 ssthresh( 最大的不会引起拥塞的 cwnd) 在之后的通信中, 如果 cwnd<sshresh, 应用 Slow Start, 呈指数提升 TCP 吞吐量 ; 反之, 应用 Congestion Avoidance, 呈线性提升吞吐量

34 TCP 的 Fast Retransmit 当 TCP 收端发现收到的数据包序号不连续时, 立即返回 Duplicate ACK( 确认顺序正确的最后一个包 ), 以告知发端中间某个数据包已丢失 发端收到 Duplicate ACK 之后立即重发丢失的包, 以补全收端应当接收到的数据

Chapter #

Chapter # 第三章 TCP/IP 协议栈 本章目标 通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型 掌握 IP 协议原理 理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍 主机 主机 Internet TCP/IP 早期的协议族 全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层 应用层 主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层

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