计算机网络原理之三（广域网、接入网、网络互连、Internet协议）

一、      广域网

1.    广域网的概念：将跨地区的各种局域网、计算机、终端等互连在一起的计算机通信网络。

2.    虚电路与数据报实现方法

（1）    虚电路

（2）    数据报

3.    拥塞控制

（1）    拥塞控制原理

拥塞控制发送的根本原因在于用于提供给网络的负载大于网络资源容量和处理能力。网络产生拥塞的直接原因主要有以下几个方面：

a．         带宽容量相对不足：香农信息理论指出：任何信道带宽最大值为C=B log₂(1+S/N)，它要求所有信源发送的速率R必须小于或等于信道容量C。

b．        队列容量相对不足：为了处理突发流量和流速率的变化，路由器在出口链路前建立了一个队列，它可以接纳一些突发流量。

c．         路由器的处理能力弱。

d．         网络流量分布不均衡

从控制理论的角度，拥塞控制算法可以分为开环控制和闭环控制两大类。当流量特征可以准确规定、性能要求可以事先获得时，适于使用开环控制；当流量特征不能准确描述或者系统不提供资源预留时，适用于使用闭环控制。Internet主要采用闭环控制方式，设计关键是如何生成反馈信息和如何对反馈信息进行响应。

闭环的拥塞控制分为三个阶段：检测网络中拥塞的发生；将拥塞信息报告到拥塞控制点；拥塞控制点根据拥塞信息进行调整以消除拥塞。

（2）    拥塞控制方法

拥塞控制的链路方法

拥塞控制的终端方法：

  TCP拥塞控制。

  ECN（显示拥塞通告算法）。

  XCP和VCP。

4.    公用网

（1）    ISDN/BISDN网络

（2）    DDN网络（数字数据网）

（3）    SDH（光同步数字传输网）

（4）    WDM网络

a)     WDM技术：波分复用技术可以充分利用光纤的低损耗带宽，在一根光纤中的不同波长上异步、高速传输各种格式的信号，是挖掘光纤巨大带宽资源的最佳技术。

b)     WDM技术特点：

                i.          传输容量大，可节约宝贵的光纤资源

               ii.          对各类业务信号“透明”，可以传输不同类型的信号。

              iii.          网络扩容时不需要部署更多的光纤，只需要换端机和增加一个附加光波长就可以引入任意新业务或扩充容量。

              iv.          组建动态可重构的光网络。

（5）    MSTP网络（Multi-Service Transport Platform）

（6）    移动通信网络

a)     GSM网络

b)     GPRS网络

c)     CDMA网络

d)     TD-SCDMA网络

（7）    WiMAX网络

（8）    Ad hoc网络

二、      接入网

（1）    拨号接入

（2）    ISDN接入

（3）    xDSL接入：xDSL是对所有不同DSL的总称。DSL的类型包括非对称DSL（ADSL）、高比特率DSL（HDSL）、单线DSL（SDSL）以及超高比特率DSL（VDSL）。

a)     ADSL接入：非对称数字用户环路是一种上、下行传输速率不等的高速数字用户环路，且在同一对用户线上还可以同时传送传统的模拟话音信号。

（4）    Cable Modem接入：通过有线电视网络的某个传输频带进行调制解调。

（5）    局域网接入

（6）    无线接入

（7）    光网络接入

三、      网络互连

1.    网络互连概念

利用各种网络互连设备将同一类型的网络或不同类型的网络及其产品互连起来组成地理覆盖范围更大、功能更强的网络。

2.    网络互连方法

a)      

主要包括：（LAN-LAN）、（LAN-WAN）、（WAN-WAN）。

网络互连设备：

中继器：完成物理层间的互连，主要起到信号再生放大，延长网络距离。

网桥：完成数据链路层间的连接，可以将两个或多个网段连接起来，网桥在网络互连中起着数据接收、地址过滤与数据转发的作用。

路由器：网络层间的互连，网络层互连主要解决路由选择、拥塞控制、差错处理与分段技术。

网关：工作在第三层以上的网间连接设备，作用是连接多个高层协议不同的网络。

b)      

LAN-LAN：互连设备时中继器、集线器和网桥，也可以是路由器。

中继器及其工作原理：

一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。

使用中继器连接LAN的电缆段是有限制的：

标准以太网中约定一个以太网上只允许出现5个网段、最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端，简称5-4-3规则。

使用中继器组建的网络称为介质共享网络，其上的所有设备都处于一个冲突域或碰撞域。

c)     网桥及其原理

                i.          能够连接两个不同数据链路层协议、传输介质与不同传输速率的网络。

               ii.          以接收、存储、地址过滤与转发的方式，实现互连的网络之间的通信。

              iii.          要求互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议。

d)     网桥的功能

                i.          源地址跟踪

               ii.          帧的转发和过滤

              iii.          协议转换

e)     LAN-WAN

LAN-WAN互连发生在网络层。

f)      WAN-WAN互连发生在传输层及其上层。

3.    路由选择算法

（1）路由选择算法应满足如下基本要求：

正确性：路由选择算法应能使数据包迅速、正确地传送。

简单性：算法应尽量简单，易实现，开销小。

健壮性：算法能适应网络拓扑结构及流量的变化，在外部条件发生变化时仍能正确地完成要求的功能。

可靠性：不管运行多长时间，均应保持正确。

公平性：各节点均等的发送信息的机会。

（3）    路由选择算法

静态路由选择算法

自适应路由选择算法

分布式路由选择算法：

        距离向量路由选择算法

        链路状态路由选择算法

        广播路由选择算法

        分层路由选择算法

四、      Internet协议

 

1.    网络层协议

a)     IPv4协议

IP地址

IP地址的划分经过了三个阶段：分类的IP地址，子网的划分，构成超网。

分类IP地址结构及类别：

子网的划分：

VLSM和CIDR

RFC 1009指明在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码，使用变长子网掩码（VLSM）可进一步提高IP地址的利用率。

在VLSM基础上又进一步研究出无分类编址方法，正式名字是无分类域间路由选择（CIDR）：

IPv4数据报格式：

ＩＰ数据报的封装与分片：

ＩＰ数据报的长度一定不能超过数据链路层的最大传送单元ＭＴＵ，即下层帧的数据域的大小。

b)     Internet路由协议

                i.          RIP

RIP协议要求网络中的每个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录，并依此来形成自己的路由表。按固定时间（30s）和相邻路由器交换路由表。

一个RIP报文的最大长度为504B,这是应为一个RIP报文的路由部分最多可包含25个路由信息。

RIP的特点是“好消息传播的块，坏消息传播的慢”。

               ii.                开放最短路径优先协议（OSPF）

链路：代表该路由器和哪些路由器是相邻的。

链路状态：通路的连通状态以及距离、时延、带宽等参数。

每个路由器需要定期（10s）向邻居路由器发送Hello分组。

只有当链路状态发送变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送信息。

              iii.          外部网关协议（BGP）

              iv.          组播协议PIM与MOSPF

PIM：PIM是一种独立于路由协议的组播协议，可以工作在两种模式：密集模式（PIM-DM）和疏松模式（PIM-SM）。

PIM-SM：围绕一个称为集中点（RP）的路由器构建组播分布树。

PIM-DM：使用反向路径组播机制来构建分布树。

MOSPF：依赖于OSPF作为单播路由协议。

c)     地址解析协议（ARP）与反向地址解析协议（RARP）

                i.          ARP协议：IP地址到MAC地址的映射。

               ii.          RARP协议：MAC地址到IP地址的映射。

d)     Internet控制报文协议（ICMP）

ICMP报文有ICMP差错报文和ICMP询问报文两种。