数据通信与广域网通信

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1、计算机网络原理,第三讲 数据通信与广域网通信,数据通信中的传输介质,网络中常用的传输介质有： 双绞线 同轴电缆 光纤电缆 无线与卫星通信信道,同轴电缆的主要特性,光缆的主要特性,光纤电缆简称为光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。,光纤传输系统的结构,无线通信,无线电波段划分,无线电波段划分（续）,卫星通信,广域网概念,地理覆盖范围大，至少在上百公里以上 ； 主要用于互连广泛地理范围内的局域网 ； 为了实现远距离通信，通常采用载波形式的频带传输或光传输。 通常由公共通信部门来建设和管理的。公共通信部门利用各自的广域网资源向用户提供收费的广域网数据传输服务，所以其又被称为网络服务

2、提供商。 在网络拓扑结构上，通常采用网状拓扑，以提高广域网链路的容错性。 网络中两个节点在进行通信时，一般要经过较长的通信线路和较多的中间节点。中间节点设备的处理速度、线路的质量以及传输环境的噪声都会影响广域网的可靠性。,广域网服务的实现模型,Toll network：广域网服务提供商用来实现长途传输的通信网络，通常由成组的交换机和中继设备组成,Central office switch：由广域网服务提供商提供的，离用户最近的局端交换机,物理上放置在用户一侧的设备，包括属于用户的设备或服务提供商放置在用户侧的设备,在CPE的前端，本地环路开始的地方，通常CPE也就是用户接入所在地,从分界到服务

3、提供商中心局的线路,常见广域网设备,路由器属于网络层的互连设备，用于实现不同网络之间的互连和路由功能。 广域网交换机属于数据链路层的多端口存储转发设备，在广域网中实现数据链路层协议帧的转发。如帧中继交换机、X.25交换机、光交换机等。 调制解调器用于实现数字和模拟信号转换，如ISDN网络中用到的TA/NT1设备等。 通信服务器主要用来对广域网用户进行身份合法性的验证并提供服务策略。,广域网技术,广域网主要工作于OSI模型的下三层，即物理层、数据链路层和网络层 由于目前网络层普遍采用了IP协议，所以广域网技术或标准主要关注物理层和数据链路层的功能及其实现 不同广域网技术的差异就在于它们在物理层和

4、数据链路层实现方式的不同。 广域网的物理层协议主要描述如何面向广域网服务提供电气、机械、规程和功能特性，包括定义DTE和DCE设备的接口； 广域网的数据链路层定义数据帧的封装以及如何通过广域网链路传输到远程节点。,广域网中数据交换技术,线路交换方式 存储转发交换方式 数据报方式 虚电路方式 ATM技术,线路交换方式,线路交换（circuit exchanging）方式与电话交换方式的工作过程很类似。两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接。典型的线路交换过程如图所示。,线路交换方式的特点,线路交换方式的特点是：通信子网中的结点是用电子或机电结合的交换

5、设备来完成输入与输出线路的物理连接。交换设备与线路分为模拟通信与数字通信两类。线路连接过程完成后，在两台主机之间已建立的物理线路连接为此次通信专用。通信子网中的结点交换设备不能存储数据，不能改变数据内容，并且不具备差错控制能力。,线路交换方式的优点与缺点,线路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式会话类通信。线路交换方式的缺点是：对突发性通信不适应，系统效率低；系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量；系统不具备差错控制能力，无法发现与纠正传输过程中发生的数据差错。在进行线路交换方式研究的基础上，人们提出了存储转发交换方式。,存储转发交换方式,存储转发交换（storeandforward

6、 exchanging）方式与线路交换方式的主要区别表现在以下两个方面：发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。,存储转发方式的优点,(1) 由于通信子网中的通信控制处理机可以存储报文（或报文分组），因此多个报文（或报文分组）可以共享通信信道，线路利用率高。 (2) 通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文（或报文分组）通过通信子网的最佳路径，同时可以平滑通信量，提高系统效率。 (3) 报文（或报文分组）在通过通信子网中的每个通信控

7、制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性。 (4) 通过通信控制处理机，可以对不同通信速率的线路进行速率转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。,存储转发的分类,存储转发交换方式可以分为两类：报文交换（message exchanging）与报文分组交换（packet exchanging）。因此，在利用存储转发交换原理传送数据时，被传送的数据单元相应可以分为两类：报文（message）与报文分组（packet）。 如果在发送数据时，不管发送数据的长度是多少，都把它当做一个逻辑单元，那么就可以在发送的数据上加上目的地址、源地址与控制信息，按一定的格式打包后

8、组成一个报文。另一种方法是限制数据的最大长度，典型的最大长度是1000或几千比特。发送站将一个长报文分成多个报文分组，接收站再将多个报文分组按顺序重新组织成一个长报文。报文分组通常也被称为分组。,报文与报文分组结构的区别,分组交换网,由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少，这就有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率，因此成为当今公用数据交换网中主要的交换技术。目前，美国的TELENET、TYMNET以及中国的CHINAPAC都采用了分组交换技术。这类通信子网称为分组交换网。 分组交换技术在实际应用中，又可以分为以下两类： 数据报方式（DG，datagram）、

9、虚电路方式（VC， virtual circuit）。,数据报方式,数据报是报文分组存储转发的一种形式。与线路交换方式相比，在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接“。源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径。每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径，从源主机到达目的主机。从源主机到达目的主机。典型的数据报方式的工作过程如图所示。,数据报方式的工作过程,(1) 源主机A将报文M分成多个分组P1，P2，Pn，依次发送到与其直接连接的通信子网的通信控制处理机A（即结点A）。 (2) 结点A每接收一个分组均要进行差错检测，以保证主机A与结点A的数据传

10、输的正确性；结点A接收到分组P1，P2，Pn后，要为每个分组进入通信子网的下一结点启动路选算法。由于网络通信状态是不断变化的，分组P1的下一个结点可能选择为结点C，而分组P2的下一个结点可能选择为结点D，因此同一报文的不同分组通过子网的路径可能是不同的。,数据报方式的工作过程（续）,(3) 结点A向结点C发送分组P1时，结点C要对P1传输的正确性进行检测。如果传输正确，结点C向结点A发送正确传输的确认信息ACK；结点A接收到结点C的ACK信息后，确认P1已正确传输，则废弃P1的副本。其他结点的工作过程与结点C的工作过程相同。这样，报文分组P1通过通信子网中多个结点存储转发，最终正确地到达目的主

11、机B。,数据报方式的特点,同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网。 同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现 乱序、重复与丢失现象。 每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址 与源地址。 数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性 通信，不适用于长报文、会话式通信。,虚电路方式,虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，发挥两种方法的优点，达到最佳的数据交换效果。虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路。 典型的虚电路方式的工作过程如图所示。,虚电路方式的工作过程,(1) 虚电路建立阶段 在虚电路建立阶段，结点A启动路由选择算法选择下一个结点（例

12、如结点B），向点B发送呼叫请求分组；同样，结点B也要启动路选算法选择下一个结点。依此类推，呼叫请求分组经过结点A-结点B-结点C-结点D，送到目的结点D。目的结点D向源结点A发送呼叫接收分组，至此虚电路建立。,虚电路方式的工作过程（续）,(2) 数据传输阶段 在数据传输阶段，虚电路方式利用已建立的虚电路，逐站以存储转发方式顺序传送分组。 (3) 虚电路拆除阶段 在虚电路拆除阶段，将按照结点D-结点C-结点B-结点A的顺序依次拆除虚电路。,虚电路方式的特点,(1) 在每次报文分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。之所以说是一条逻辑连接，是因为不需要真正去建立一条物理链路，因为连

13、接发送方与接收方的物理链路已经存在。 (2) 一次通信的所有报文分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。报文分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象。,虚电路方式的特点（续）,(3) 报文分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择。 (4) 通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。,ATM技术,ATM是一种高速分组交换技术。分组交换的基本数据传输单元是分组，而ATM的基本数据传输单元是信元。在ATM交换方式中，文本、语音、视频等所有数据将被分解为长度固定的信元（cell）。信元有一个5字节的信元头（header

14、）与一个48字节的用户数据（user data），信元长度为53字节。ATM信元结构如图所示。,ATM信元,ATM的工作原理,ATM交换对虚电路方式做进一步的发展，推出了信元交换方法。ATM网中的ATM主机在传输数据之前，首先将数据组织成若干个信元，每个信元的长度为53字节。通信子网中的ATM交换机的数据交换单元是信元。由于信元长度与格式固定，因此可以减少交换机的处理负荷，这就为交换机的高速交换创造了有利条件。,ATM工作原理,在ATM网中，ATM主机也称为ATM端用户。ATM端用户与ATM交换机统称为ATM设备。源ATM端主机在数据传输之前将根据对网络带宽的需求，发出连接建立请求。ATM交换

15、机在接收到请求后，将根据网络状况选择从源ATM端主机，经过ATM网到达目的ATM端主机的路径，构造相应的路由表，从而建立源与目的ATM主机的虚拟连接。这种虚拟连接也是一种逻辑连接，因为网络只需要为这条虚电路分配一定的网络资源（如带宽），而不需要建立真正的物理链路。每个信元的信元头部分不需要带有目的地址与源地址，只需要带有虚连接标识符。ATM交换机根据虚连接标识符和路由表中的记录，就可以将信元送到合适的交换机输出端口。,几个关键的术语,物理链路是连接ATM交换机-ATM交换机、ATM交换机-ATM主机的物理线路。每条物理链路可以包含一条或多条虚通路VP，每条虚通路VP又可以包含一条或多条虚通道V

16、C。有人形象地把它们比喻成：物理链路好比是连接两个城市之间的高速公路，虚通路好比是高速公路上的两个方向的道路，而虚通道好比是每条道路中的一条条的车道，那么信元就好比是高速公路上行驶的车辆。ATM中的物理链路、虚通路与虚通道间的关系如图所示。,几个关键的术语（续）,(1) 虚通路 在虚通路一级，两个ATM端用户间建立的连接被称为虚通路连接，而两个ATM设备间的链路被称为虚通路链路（VPL， virtual path link）。那么，一条虚通路连接是由多段虚通路链路组成的。图2.28（a）给出了虚通路连接的工作原理。 每一段虚通路链路VPL都是由虚通路标识符（VPI，virtual path identifier）标识的。每条物理链路中的VPI值是惟一的。虚通路可以是永久的，也可以是交换式的。每条虚通路中可以有单向或双向的数据流，ATM支持不对称的数据速率，即允许两个方向的数据速率可以是不同的。,几个关键的术语（续）,(2) 虚通道 在虚通道一级，两个ATM端用户间建立的连接被称为虚通道连接，而两个ATM设备间的链路称为虚通道链路（VCL，virtual channel li