计算机网络6:广域网

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1. 概述

网络层:为一个网络连接的两个传送实体间交换 PDU 提供功能和规程方法,令传送实体独立于路由选择、路由交换

  • 通信子网最高层
  • 通信子网拓扑结构、选择路由

虚电路 vs 数据报

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本质上,虚电路是将复杂的功能放在网络层处理,数据报则是交给上层协议处理,自己仅做最简单的操作,下面给出虚电路建立逻辑连接的过程:

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无论子网采用的是数据报还是虚电路,都需要路由算法来进行路由选择

2. 路由算法

分类

  • 按转发方式分
    • 全路路由算法:比如洪泛算法(所有路径广播)
    • 多路路由算法:比如选择洪泛算法(向所有接近目的节点的路径进行转发)
    • 单路路由算法:向目的节点沿唯一路径转发
  • 按鲁棒性、简单性分
    • 非自适应算法(静态路由算法)
    • 自适应算法(动态路由算法)

I. 距离向量路由算法

单路动态路由算法,典型代表:RIP 协议

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每个目的地已知最佳路径,通过相邻路由器交换距离信息更新

  • 邻居节点 A 将自己的路由表发过来
  • 本节点的路由表中,本节点到 A 的距离为 m
  • 将邻居节点路由表每一项都 +m,然后和本节点的路右边逐项对比,取最小值更新自己的路由表

无限计算问题

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假设 A-B 断路,然而 C 不知道这个,把自己的路由表发给 B ,B 根据邻居 C 的路由表更新后觉得通过 C 能到 A,更新,然后数据包就在 B、C 间绕圈

解决方案:

  • 水平分割:路由器有选择地发路由信息,而不是发送自己整张路由表
  • 定义最大值:定义距离最大值,以免出现这种回路(比如 RIP 中就是 16)
  • 挂起计数器:路由器将某些可能导致环路的状态变化保留一段时间(挂起),然后视情况更新
  • 触发式更新:不按照时间周期更新,仅在路由表发生变化的时候再进行交换

II. 链路状态路由算法

单路动态路由算法,典型代表:OSPF 协议、IS-IS 协议

首先,所有节点通过发送 HELLO 包寻找邻居节点。

然后,邻居节点将自己收集的邻居信息发送过来

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链路状态报文:定期发送

  • 报文开头:发送方是谁
  • 序号:序号越大表示状态越新
  • 年龄:每秒钟 -1,为零时丢弃该报文(为例避免路由器崩溃后序号重置、序号传输错误的问题)

本节点根据这些链路状态报文用 Dijkstra 算法计算到各个节点的最短路径

每个路由器都要保存一份最新关于整个网络拓扑结构的数据库,并随时计算最短路径进行更新

III. 分层路由

为了解决路由表规模过大的问题,将路由器分成区域(regions),聚类(clusters)、区(zones)、组(groups)

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IV. 广播路由

一对所有发送的策略

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  • 无控制洪泛:每个节点向所有邻居节点发送分组(除了刚给本节点发送分组的节点),容易产生广播风暴
  • 受控洪泛(3 种策略)
    • 采用序号控制:每个分组有个序号,节点转发时记录该序号,避免重复发送
    • 逆向路径转发:转发前判断分组到达的链路是否在到达源节点的最佳路径上,如果是才转发
    • 生成树广播:从源节点到所有目的节点的最优路径就是一个生成树,根据生成树进行转发

V. 组播路由

一对多发送策略

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组播路由协议:PIM

组播成员管理协议:IGMP

3. 拥塞控制

拥塞:网络上包太多,网络性能下降

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产生原因

  • 多输入 -> 单输出
  • 慢速处理器
  • 线路宽带低

拥塞控制 vs 流量控制

  • 拥塞控制:确保全局通信量,设计主机、路由器等多方面因素
  • 流量控制:确保点对点通信量,解决发送方与慢速接收方的问题,基于反馈进行控制

    比如 A -> B 出现丢包, 如果是因为 B 接收能力不足造成的,就需要流量控制; 如果是因为 中间节点堵塞造成的,就需要拥塞控制

I.漏桶算法

开环控制算法

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  • 强迫输出按平均速率进行
  • 不平滑数据包流 -> 平滑数据包流
  • 常用于 ATM、IP 协议

II. 令牌桶算法

开环控制算法

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  • 漏桶存令牌,每 ΔT 秒 令牌 +1,超过上限不再增加
  • 每次包传输消耗一个令牌

III. 抑制分组法

闭环控制算法

  • 监控线路资源利用情况,超过阈值进入警戒状态
  • 新包到来,若处于警戒状态
    • 向源主机发送抑制包,指出发生拥塞的目的地址,原包标记(不让后续节点继续回法抑制包),正常转发
    • 源主机收到抑制包,按比例减少该目的节点的包,开始监听,若线路拥塞,继续减少,若无,则常量增加负载(增慢减快,为了防止很快产生新拥塞)

IV. 负载丢弃法

闭环控制算法

  • 直接丢弃
    • 文件传输,优先丢弃新包
    • 多媒体服务,优先丢弃旧包

V. 基于 QoS 的拥塞控制

QoS 常用参数:可用性、吞吐量、时延、时延变化、丢包

QoS 常见模型

  • 尽力而为:无任何保证,标准连接,先入先出队列
  • 综合服务:以 RSVP(资源预留协议)为基础,对每个通信流进行监控
  • 区分服务:以类别为基础,约定一些类别通信流优先于其他类别的通信流处理

4. 网络互联设备

中继器:物理层,电缆段间拷贝比特流,延长传输举例

网桥:数据链路层,局域网间存储转发帧

  • 独立于高层协议
  • 连接多个物理网,向用户呈现一个逻辑网
  • 对用户透明

路由器:网络层,网络间存储发包

  • 将网络分为几个逻辑子网,逻辑上不相连
  • 多协议路由器支持互联的 LAN 持有不同的网络层协议
  • 转发效率地狱网桥
  • 可以连接 LAN - WAN

网关:高层互联设备,负责传输层及以上各层协议之间的互联

5. 互联网接入

I. 电信网接入

PSTN :通过调制解调器拨号接入网络,打电话和上网不能同时进行

ISDM:数字传输 + 数字交换,多媒体统一数字传输处理

DDN 专线:数字通信、计算机技术、光纤结合,高速

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xDSL:局端设备 + 用户端设备

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  • DSL:Digital Subscriber Line
  • 介质:铜电话线
  • 用于解决网络服务供应商和最终用户间“最后一公里”传输瓶颈问题

II. HFC 及有线电视带宽接入

CATV:有限电视全同轴电缆网络

HFC:光纤同轴电缆混合网,取代 CATV

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III. 以太网接入 & 无线网接入

以太网接入:纯以太网、以太网 VLAN 分段服务、以太网 VLAN 服务

无线接入:网络管理系统 + 基站控制器 + 基站 + 用户站

IV. 电力线接入

通过抵押电力线提供数据、语音业务

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6. 广域网实例

X.25 分组交换网:在公用数据网络上以分组方式工作的数据中断设备 DTE 和数据电路段设备 DCE 之间的接口

帧中继:公用数据网通讯协议,用户信息以帧为单位进行传送,网络在传送过程中对帧结构、传送差错等情况进行检查,对出崔帧直接丢弃

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ATM:虚电路交换

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