网络技术导论网络技术导论广域网广域网2011年春季学期19.1 广域网概述l电话网、分组数据交换网、数字数据网、帧中继网、ISDN网、数字卫星网VSAT(very Small Aperture Terminal) 和无线分组数据通信网。1广域网的概念广域网的概念l广域网是将地理位置上相距较远的多个计算机系统，通过通信线路按照网络协议连接起来，实现计算机之间相互通信的计算机系统的集合。l广域网由交换机、路由器、网关、调制解调器等多种数据交换设备、数据连接设备构成。具有技术复杂性强、管理复杂、类型多样化、连接多样化、结构多样化、协议多样化、应用多样化的特点。 典型广域网典型广域网 2. 广域网的类型广域网的类型l广域网可以被划分为：电路交换网、分组交换网和专用线路网。l（1）电路交换网l电路交换网是面向连接的网络，在数据需要发送的时候，发送设备和接收设备之间必须建立并保持一个连接，等到用户发送完数据后中断连接。电路交换网只有在每个通话过程中建立一个专用信道。它有模拟和数字的电路交换服务。典型的电路交换网是电话拨号网和ISDN网。l（2）分组交换网l分组交换网使用无连接的服务，系统中任意两个节点之间被建立起来的是虚电路。信息以分组的形式沿着虚电路从发送设备传输到接收设备。大多数现代的网络都是分组交换网，例如X.25网、帧中继网等。l（3）专用线路网l专用线路网是指两个节点之间建立一个安全永久的信道。专用线路网不需要经过任何建立或拨号进行连接，它是点到点连接的网络。典型的专用线路网采用专用模拟线路、E1线路等。 3 广域网与局域网的比较广域网与局域网的比较l广域网是由多个局域网相互连接而成的。局域网可以利用各种网间互联设备、如中继器、网桥、路由器等构成复杂的网络，并扩展成广域网。l局域网与广域网不同之处在于：l（1）作用范围l局域网的网络通常分布在一座办公大楼、实验室或者宿舍大楼中，为一个部门所有，涉及范围一般在几公里以内。广域网的网络分布通常在一个地区、一个国家甚至全球的范围。l（2）结构l局域网的结构简单，局域网中计算机数量少，一般是规则的结构，可控性、可管理性以及安全性都比较好。广域网由众多异构、不同协议的局域网连接而成，包括众多各种类型的计算机，以及上面运行的种类繁多的业务。因此广域网的结构往往是不规则的，且管理和控制复杂，安全性也比较难于保证。比较比较l（3）通信方式l局域网多数采用广播式的通信方式，采用数字基带传输。广域网通常采用分组点到点的通信方式，无论是在电话线传输、借助卫星的微波通信以及光纤通信采用的都是模拟传输方式。l（4）通信管理l局域网信息传输的时延小、抖动也小，传输的带宽比较宽，线路的稳定性比较好，因此通信管理比较简单。在广域网中，由于传输的时延大、抖动大，线路稳定性比较差，同时，通信设备多种多样，通信协议也种类繁多，因此通信管理非常复杂。l（5）通信速率l局域网的信息传输速率比较高，一般能达到10Mbps、100Mbps，甚至能够达到千兆。传输误码率比较低。一般为。而在广域网中，传输的带宽与多种因素相关。同时，由于经过了多个中间链路和中间节点，传输的误码率也比局域网高。 9.2 广域网技术广域网技术 l数据广域网相关的技术问题主要介绍三个：l（1）路由选择：由于源和目的站不是直接连接的，因此网络必须将分组从一个节点选择路由传输到另一个节点，最后通过整个网络。l（2）分组交换：路由选择确定了输出端口和下一个节点后，必须使用交换技术将分组从输入端口传送到输出端口，实现输送比特通过网络节点。l（3）拥塞控制：进入网络的通信量必须与网络的传输量相协调，以获得有效、稳定、良好的性能。9.2.1 分组交换分组交换 l1分组交换简介l分组交换、帧中继和ATM。l通信中的分组，如X.25、帧中继和IP分组。IP分组就像是一辆公共汽车。各种分组技术的差别包括：分组中包含的比特数目，对于分组的时延和丢失有多少控制手段、分组寻址和传送机制等等。l2分组交换的基本原理l分组交换的基本原理是采用“存储转发”技术，从源站发送报文时，将报文划分成有固定格式的分组（Packet），把目的地址添加在分组中，然后网络中的交换机将源站的分组接收后暂时存储在存储器中，再根据提供的目的地址，不断通过网络中的其它交换机选择空闲的路径转发，最后送到目的地址。 分组交换有两种方式分组交换有两种方式l（1）数据报方式：l在这种方式中，每个分组按一定格式附加源与目的地址、分组编号、分组起始、结束标志、差错校验等信息，以分组形式在网络中传输。网络只是尽力地将分组交付给目的主机，但不保证所传送的分组不丢失，也不保证分组能够按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是不可靠的，也不保证服务质量。如图9-2（a）所示，主机H1向H5发送的分组，有的经过节点A-B-E，有的经过A-C-E或A-B-C-E，主机H2向H6发送的分组，有的经过节点B-D-E，有的经过B-E。 l数据报方式一般适用于较短的单个分组的报文。其优点是传输延时小，当某节点发生故障时不会影响后续分组的传输。缺点是每个分组附加的控制信息多，增加了传输信息的长度和处理时间，增大了额外开销。 分组交换服务分组交换服务 l（2）虚电路方式：在信息交换时，首先需要在发送端和接收端之间建立一个逻辑连接，然后才开始传送分组，所有分组沿相同的路径进行交换转发，通信结束后再拆除该逻辑连接。网络保证所传送的分组按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是可靠的，也保证服务质量。如图9-2（b）所示，主机H1向H5发送的所有分组都经过相同的节点A-B-E，主机H2向H6发送的所有分组也都经过相同的节点B-E。 l这种方式对信息传输频率高、每次传输量小的用户不太适用，但由于每个分组头只需标出虚电路标识符和序号，所以分组头开销小，适用长报文传送。 3 分组交换的优点分组交换的优点l（1）线路利用率更高：因为结点到结点的单个链路可以由很多分组动态共享。分组被排队，并被尽可能快速地在链路上传输。l（2）一个分组交换网络可以实行数据率的转换：两个不同数据率的站之间能够交换分组，因为每一个站以它的自己的数据率连接到这个结点上。l（3）排队制：当电路交换网络上负载很大时，一些呼叫就被阻塞了。在分组交换网络上，分组仍然被接受，只是其交付时延会增加。l（4）支持优先级：在使用优先级时，如果一个结点有大量的分组在排队等待传送，它可以先传送高优先级的分组。这些分组因此将比低优先级的分组经历更少的时延。 分组交换的缺点分组交换的缺点l（1）时延：一个分组通过一个分组交换网结点时会产生时延，而在电路交换网中则不存在这种时延。l（2）时延抖动：因为一个给定的源站和目的站之间的各分组可能具有不同的长度，可以走不同的路径，也可以在沿途的交换机中经历不同的时延，所以分组的总时延就可能变化很大。这种现象被称为抖动。抖动对一些应用来讲是不希望有的（例如：电话话音和实时图像等实时应用中）。l（3）额外开销大：要将分组通过网络传送，包括目的地址在内的额外开销信息和分组排序信息必须加在每一个分组里。这些信息降低了可用来运输用户数据的通信容量。在电路交换中，一旦电路建立，这些开销就不再需要 9.2.2 路由选择路由选择l1路由选择的基本概念l分组交换网络是由众多节点通过通信链路连接成一个任意的网格形状。当分组从一个主机传输到另一个主机时，可以通过很多条路径传输。在这些可能的路径中如何选择一条最佳的路径（跳数最小、端到端的延时最小或者最大可用带宽）？l路由算法目的就是根据所定义的最佳路径含义来确定出网络上两个主机之间的最佳路径。为了实现路由的选择，路由算法必须随时了解网络状态的全部信息。l一个好的路由算法通常要具备以下的条件：l（1）迅速而准确的传递分组：如果目的主机存在，它必须能够找到通往目的地的路由，而且路由搜索时间不能过长。l（2）能适应由于节点或链路故障而引起的网络拓扑结构的变化：在实际网络中，设备和传输链路都随时可能出现故障。因此路由算法必须能够适应这种情况，在设备和链路出现故障的时候，可以自动的重新选择路由。l（3）能适应源和目的主机之间的业务负荷的变化：业务负荷在网络中是动态变化的。路由算法应该能够根据当前业务负载情况来动态的调整路由。l（4）能使分组避开暂时拥塞的链路：路由算法应该使分组尽量避开拥塞严重的链路，最好还能平衡每段链路的负荷。l（5）能确定网络的连通性：为了寻找最优路由，路由算法必须知道网络的连通性和各个节点的可达性。l（6）低开销：通常路由算法需要各个节点之间交换控制信息来得到整个网络的连通性等信息。在路由算法中应该使这些控制信息的开销尽量小。3 路由表和分级路由路由表和分级路由 l（1）路由表l为了使交换机和路由器能够知道如何转发分组，就必须将路由的信息保存在路由表中。路由表中的信息与网络的类型有关，对于虚电路的分组交换，路由表要将每一个输入虚电路号转换为输出虚电路号，并且要标出转发分组的输出端口。在数据报网络中，路由表是根据分组的目的地址标出分组下一跳的输出端口。l在虚电路的分组交换网络中，主机发送分组的分组头中，有虚电路标记（VCI）来标识虚电路号。虚电路的标记仅仅是在本地有效，在每一段链路上拥有一个由交换机分配的虚电路标记，并且根据交换机中得到的虚电路号，一个虚电路的标记可以在交换机中转换为另一个不同的虚电路标记。使用本地的虚电路标记有两个优点：l 虚电路标记只要求在一段链路上必须唯一，而不是全局唯一，这样可以有更多的虚电路号用来分配。l 由于交换机只需要保证它本地虚电路号的唯一性，这样交换机分配虚电路标记的过程比较简单，花费少，速度快。而且管理和维护这些虚电路标记也都比较简单。l在数据报分组交换中，由于源主机和目的主机之间不需要连接，也就不需要建立虚电路。这时路由表中保存的是目的地址和相应的转发端口。由于目的地址比较长，一般都选择散列表。l（2）分级路由l在地址分配中如果采用分级路由的方法，就可以减少路由器必须保持的路由表的长度和每个表项的大小。在分级路由中，每个相邻的主机一般有公共的地址前缀。这样，路由器只需要检查地址的前缀就可以知道相应的路由。4 典型路由选择算法典型路由选择算法l在路由选择算法中，以某种尺度来衡量路径的“长度”，例如：跳、成本、延时或者可用带宽。可以利用距离矢量和链路状态这两种算法来获得这些信息。l（1）距离矢量路由算法：这种算法要求相邻路由器之间交换路由表中的信息。这些信息是说明到目的地的距离矢量。当相邻路由器交换了这些信息后，就可以寻找最优的路由。这种算法可以逐渐的与网络拓扑的变化相适配。l（2）链路状态路由算法：在这种算法中，每个路由器对连接它和相邻路由器的链路状态信息进行扩散，是每个路由器都可以得到整个网络的拓扑图。并根据这个拓扑图来计算最优路由。 最广泛使用的路由选择算法最广泛使用的路由选择算法 l（1）Bellman-Ford算法：这种算法的原理是：A和B之间最短路径上的节点到A节点和B节点的路径也是最短的。这种算法容易分布实现，这样每个节点可以独立的计算该节点到每个目的地的最小费用，但是这种算法对链路故障的反应很慢。有可能会产生无穷计算的问题。l（2）Dijkstra算法：这种算法比Bellman-Ford算法更有效，但是它要求每段链路的费用为正值。它的主要思想是在增加路径费用的计算中不断标记出离源节点最近的节点。这种算法要求所以链路的费用是可以得到的。l（3）扩散法：这种算法的原理是要求分组交换机将输入分组转发到交换机的所有端口。这样只要源和目的地之间有一条路径，分组就可以最终到达目的地。当路由表中的信息不能得到时，或者对网络的健壮性要求很严格时，扩散法是一种很有效的路由算法。但是扩散法很容易淹没网络。因此必须对扩散进行一些控制。l（4）偏差路由算法：这种算法要求网络为每一对源和目的地之间提供多条路径。每个交换机首先将分组转发到优先端口，如果这个端口忙或者拥塞，再将该分组转发到其他端口。偏差路由算法可以很好的工作在有规则的网络拓扑中。这种算法的优点是交换机可以不用缓存区，但是由于分组可以走其他的替代路径，因此不能保证分组的按序传递。它是光纤网络中最强有力的候选算法。而且还可以实现许多高速分组交换。l（5）源路由算法：这种算法不要求中间节点保持路由表，但要求源主机承担更繁重的工作。它可以用在数据报或者虚电路的分组交换网中。在分组发送之前，源主机必须知道目的地主机的完整路由，并将该信息包含在分组头中。根据这个路由信息，分组节点可以将分组转发到下一个节点。 9.2.3 拥塞控制拥塞控制 l在通过网络传输的分组的数目开始接近网络的分组处理能力时，就会出现拥塞。拥塞控制就是要使网络内的分组的数目保持在一定水平之下，超过这个水平，网络的性能就会急剧恶化。对于分组交换网、帧中继网、ATM网络这样的数据网以及互联网，所面临的一个关键问题就是拥塞控制。l一个数据网络可以看作是一个队列组成的网络。在每一个节点（数据网络交换机和网络路由器）的每一个输入、输出信道上都有一个分组队列。如果分组到达和排队的速率超出分组能够被传输的速率时，队列的长度就会不断增长，分组被转发的时间也就会越来越长。当接收分组排队的线路的利用率超过80时，队列长度的增长速率就必须进行控制。这种队列长度的增加意味着分组在每一个节点的时延都会延长。而且由于每个队列的长度都是有限的，这还会导致队列的溢出。当达到这样的饱和点的时候可以采用两种策略来进行控制：一种是在没有可用空间时就简单丢弃所有收到的分组。另一种时，由出现此类问题的节点对其相邻节点实施流量控制措施，以使通信流量保持在控制之中。 拥塞示意图拥塞示意图 拥塞控制分为两大类拥塞控制分为两大类l1开环控制l开环控制是一种不依靠反馈信息来调整业务流，而是在拥塞发生之前来避免拥塞的一类控制策略。在开环控制中，一旦源端发送的业务流被接收，则该业务流就不会导致网络过载。l几种开环控制方法：l（1）接纳控制l接纳控制是一种预防性开环拥塞控制方法，其最初是针对虚电路分组交换网络提出的，但是在数据报网络中也得到了研究。在连接上工作的接纳控制叫连接接纳控制（connection admission control, CAC），在数据报网络上工作的接纳控制叫突发接纳控制。l当某个源请求建立连接时，CAC必须确定是接受还是拒绝这个连接。如果能保证同一路径上所有源的QoS（最大延时、丢失率、带宽、抖动等参数描述）都得到满足，则接受这个连接；否则就拒绝这个连接。l为了确定QoS是否能够得到满足，CAC必须知道每个源的业务流特征，为了实现这一点，每个源应在连接建立期间用一组称为业务量描述器的参数来说明它的业务流。业务量描述器可以包括：峰值速率、平均速率、最大突发容量等，可以认为是对业务流的简洁而准确的总结。CAC必须计算它要为每个源保留多少带宽（平均速率与峰值速率之间）即有效带宽。对于有效带宽的精确计算是一个难点。l（2）管制l一旦CAC接受连接，则只要源遵循它在连接建立期间提交的业务量描述器中的规定，源的QoS就可以得到满足。然而如果源的业务流违反了最初的合约，则网络就有可能不能保证性能。为了防止源违反它的合约，网络应该在连接期间对业务流进行监视。监视和强制业务流执行合约的过程叫流量管制。当流量违反了一致商定的合约时，对违约的流量，网络可以丢弃或标记，被标记的流量将被网络传送，但优先级较低，只要下游拥塞，就首先被丢弃。l漏桶算法是管制的一个比较经典的算法。我们假设管制设备的业务流为正在流入底部有孔的桶的水流。当桶不空的时候，水流以恒定的速度从桶中漏出。只要桶未满，流入的水就由桶来调节；当桶满的时候，流入的水会溢出，这些溢出的水就是违约的流量，而未溢出的水为守约流量。桶的深度可以用来吸收水流的不均匀性，如果要求业务流比较平滑，则可以减小桶的深度，这样瞬时多的水流（短的突发分组）会从桶中溢出，不会影响正常的业务。漏桶一般可以用来管制峰值速率和可支持的速率。l（3）流量整形l当某个源试图发送分组时，其可能不知道它的业务流是什么样的业务流。如果源想要保证业务流能够与漏桶管制设备中规定的参数一致，它就应该首先改变它的业务流。这种将业务流改变为另一个业务流的过程叫做流量整形。流量整形可以使流量更平滑。l流量整形的实现方式主要有：l 漏桶流量整形器：它通过一个以固定间隔周期读出的缓存器来实现。它是一个可以存储分组的缓存器，可以调节业务流。输入的分组存在缓存器中，然后对分组进行周期性的读出，这样输出的分组就是平滑的。缓存器用来存储短时的分组突发，如果缓存器满，再输入的分组就属于非法分组而被丢弃。l 令牌桶流量整形器：由于许多应用都是可变速率的或者是实时业务，这样的分组通过漏桶流量整形器会导致不必要的延时。令牌桶流量整形器只对违约分组进行调节而对于守约的分组将直接通过整形器，不增加它的延时。 2闭环控制闭环控制l闭环拥塞控制根据反馈信息来调节信源速率，反馈信息可以是隐含的信息（隐式反馈），或者是明显的信息（显式反馈）。隐式反馈中，信源可以用超时来判断网络中是否已经出现拥塞，在显式反馈中，将有某种形式的显式消息到达信源，以指示网络的拥塞状态。几种闭环控制方法：几种闭环控制方法：l（1）反压l这种技术类似于流过管道的流体产生的反压现象。当管道末端被关闭时或者受限制时，流体就向源头产生压力，从而阻断或减慢流量。反压可以在链路或者虚电路上实施，当下游节点变得拥挤或者缓存满溢时，就会减慢或者阻止来自上游节点的分组流量。这种流量的限制会反向传播到信源，使信源根据限制重新调节流量。反压可以有选择的应用到通信量最大的连接上。X.25支持这种方式。l（2）阻流分组l阻流分组是由拥塞节点产生控制分组，然后将这些控制分组传回源节点以限制通信的流量。ICMP就是采用的这种技术。阻流分组是一种比较粗糙的拥塞控制技术。l（3）隐式拥塞信令l当网络发生拥塞的时候，会出现从源站到目的站的个别分组的传输时延增加或者分组丢弃。如果源站能够检测到这种传输时延的增加和分组的丢失，就认为有间接的证据说明网络已经拥塞，可以减缓流量来消除网络拥塞。基于隐式信令的拥塞控制是由端系统来完成，不需要网络中间节点的参与。在数据报分组交换网络中和基于IP的互联网中，由于采用的是无连接的方式，因此隐式拥塞信令是一种有效的方法。隐式信令也可以用于面向连接的网络。l（4）显示拥塞信令l显示拥塞信令技术可以使网络容量得到充分的利用，同时，又能够以公平的方式对拥塞进行控制。在这种方法中，网络会对正在形成的拥塞向源端发出警告，而源端采取相应的措施来减低对网络的负荷。通常显示拥塞控制用于面向连接的网络中，并以单个连接为单位来控制分组流量。显示拥塞信令可以在两个方向上发送。我们可以将拥塞信令分为三类：二进制的、基于信用值的和基于速率的。l 二进制的：拥塞节点在转发数据分组时对分组中的某一比特位置位。当源站收到一条逻辑连接上的拥塞二进制指示时，就会降低该连接上的通信量。l 基于信用值的：该方案类似于在一条逻辑连接上对源站提供显式信用值。这个信用值表示了允许源站发送的字节数或分组数。当一个源站用完它的信用值后，必须等待更多的信用值，才可发送数据。l 基于速率的：该方案类似于在一条逻辑连接上提供一个明确的数据率上限。源站只能以不超过该上限的速率发送数据。l无论是采取开环方法还是闭环方法，拥塞控制都只能暂时的缓解网络过载（一般在毫秒的量级）。如果过载持续的过久（几秒到几分钟），那只有使用自适应路由算法才能避开拥塞的节点和链路。如果过载时间持续的更长，那么只有对网络进行更新。 9.3 X.25技术技术 l公用分组交换数据网是实现不同类型计算机之间进行远距离数据传送的重要公共通信平台，是目前国际上普遍采用的一种广域连接方式。国际电信联盟的电信标准部门ITU-TSS制定的X.25协议是世界上许多电信组织和厂商支持和遵守的国际标准。X.25 网络是国际上广泛采用的公用数据网络。lX.25是Tyltmet于1970年引入的，它是第一代分组交换系统。X.25网络是为传送数据而发展起来的，因此它与电话业务供应商不是直接的竞争关系。X.25分组交换技术是为了满足具有交互式特性的业务而出现的。 9.3.1 X.25概述概述lX.25分组交换网络也是分级的。在X.25分组交换网络中，分组交换机分为两大类：l（1）一类交换机靠近用户端，实际上，它们位于网络的接入点。这类交换机的功能包括选路、转发分组以及差错检测和纠正。另外，为了能够支持不同类型计算机的接入，完成不同协议之间的转换，或者不同工作速率、不同编码方式之间的转换，还需要一些附加的功能，而这些功能就是在接入点处的交换机完成的。l（2）第二类交换机在网络的内部，它们不提供前面提到的高级别的增值功能，仅仅完成分组的选路、转发以及差错控制和检测。l非标准X.25终端需要通过一个分组拆装设备（PAD）连接到一个X.25网络。PAD完成协议的转换，生成X.25标准规定的分组，这样数据才能通过X.25网络传送。这些PAD可以放在用户侧，也可以放在网络侧。 lX.25本质上是ITU-T制定的用户设备和分组交换网络之间的标准接入协议。它定义了分组模式的终端通过专用电路接入到公共数据网络的接口。还有一些常用的X系列协议，它们是：l（1）X.28是终端设备与PAD之间的标准协议；l（2）X.29是PAD与网络之间的标准协议；l（3）X.75是两个或多个的分组交换网络互联的网关协议，其中一个网络可以是专用的分组数据网络，而另一个可以是公共分组数据网络，或者它们是两个不同运营商网络等等。9.3.2 X.25网络的优缺点网络的优缺点lX.25的优点如下：l（1） 由于X.25是第一个提供第三层网络地址信息，从而使得分组能够在一系列中间节点和网络中进行路由和中继的技术，因此它有很强的寻址功能；l（2） 由于使用了统计复用技术，它的带宽利用率较高；l（3） 分组可以绕开发生拥塞的节点而通过其他连接和节点重新进行路由，因此改善了拥塞控制能力；l（4） 能够持续地在每一个中间节点上对所有类型的差错进行检测和纠错，因此差错控制功能得以提高；l（5） 在节点和线路发生故障时可以重新选路，因此可用性很高。lX.25的缺点如下：l（1） 排队时延较大；l（2） 低速通信链路；l（3） 分组尺寸较小，带宽的利用率不如采用较大尺寸分组的新协议高；l（4） 没有QoS保证，因此不适于对时延敏感的应用；l（5） 仅用于传输数据，而今天我们正努力寻求综合业务的解决方案。 9.3.3 X.25协议简介协议简介l使用公共数据网的一个重要部分就是与它们的接口。ITU X.25标准就是一种广泛使用的接口。许多人使用术语“X.25网络”，这导致许多人错误地认为X.25定义了网络协议。但事实并非如此，X.25只是定义了DTE与公共数据网相连的DCE间的协议（图9-4）。因此，X.25可严格地作为通过公共数据网的用户-网络接口或用户-用户接口。lX.25协议是指用分组方式工作并通过专用电路和公用数据网连接的终端使用的数据终端设备（DTE）和数据电路终端设备（DCE）之间的接口的协议。它定义了物理层、数据链路层、分组层（即网络网）三层协议，分别对应于ISO/OSI七层模型的下三层。l（1）物理层：基本功能是建立、保持和拆除DTE和DCE之间物理链路,定义了物理链路的机械、电气、功能和规程的特性，提供同步、全双工的点到点比特流的传输手段，DTE和本地DCE之间的接口按X.21建议规定。l（2）数据链路层：通过DTE和本地分组交换机PSE(Packet Switched Equipment)间的物理链路向分组层提供等待重发、差错控制方式的分组传送服务，所以可靠性高，这一层规定的LAPB (Link Access Procedure Balanced)规程是HDLC规程的平衡类子集，主要规定了数据链路的建立和拆除规程、建立后的信息传输规程以及差错控制、流量控制等。另外这一层还规定了多链路规程MLP（Multi Link Procedure），通过在多条平行的数据链路上同时传送信息帧，以提高信息的吞吐量和可靠性。l（3）分组层(网络层)：主要描述DTE/DCE接口上交换控制信息和用户数据的分组层规程，规定了虚电路业务规程、基本分组结构、数据分组格式以及可选用的用户业务功能等。这一层采用的是时分复用原理，实现一个源DTE利用一条物理电路呼叫多个目的DTE进行分组数据交换。此外还提供永久虚电路PVC业务，X.25中各分层协议的相互关系中各分层协议的相互关系9.4 帧中继技术帧中继技术l帧中继的标准是ITU-T制定的。它的定义为“一种由子网提供的会话式通信业务，用于传送高速突发性数据”。从定义可以看出，帧中继的传输能力是双向的（因为它是“会话式的”），它不是一个端到端的解决方案（因为它是一个“子网”）。因此，没有帧中继电话之类的帧中继设备，相反，我们应该将帧中继看作网络云，也就是说，它是一种广域网解决方案，可以将分布在全国或世界各地的计算机网络连接起来。此外，“高速突发性数据”表明，帧中继最初是用于传送数据，特别是用来支持LAN和LAN之间的互联。l由于帧中继是在分组交换技术的基础上发展起来的，主要涉及开放系统互连（OSI）协议的下两层，即物理层和数据链路层。帧中继对物理层传输线路的性能要求较高，基本上达到无误码传输；在数据链路层只完成虚电路多路复用、链路层故障检测和帧转发功能，而将流量控制、纠错和确认等保证数据传送可靠性的功能委托给端节点完成。帧中继网络结构帧中继网络结构9.4.2 帧中继技术特点帧中继技术特点 l1复用与寻址l帧中继在数据链路层采用统计复用方式，采用虚电路机制为每一个帧提供地址信息。通过不同编号的DLCI（DataLineConnectionIdentifier数据链路连接识别符）建立逻辑电路。一般来讲，同一条物理链路层可以承载多条逻辑虚电路，而且网络可以根据实际流量动态调配虚电路的可用带宽，帧中继的每一个帧沿着各自的虚电路在网络内传送。 l2带宽控制技术 l帧中继的带宽控制技术既是帧中继技术的特点，更是帧中继技术的优点。帧中继的带宽控制通过CIR（承诺的信息速率）、Bc（承诺的突发大小）和Be（超过的突发大小）3个参数设定完成。Tc（承诺时间间隔）和EIR（超过的信息速率）与此3个参数的关系是：Tc=Bc/CIR ；EIR=Be/Tc。在传统的数据通信业务中，用户申请了一条64K的电路，那么他只能以64kbit/s的速率来传送数据；而在帧中继技术中，用户向帧中继业务运营商申请的是承诺的信息速率（CIR），而实际使用过程中用户可以以高于CIR的速率发送数据，却不必承担额外的费用。9.4.4帧中继的应用帧中继的应用 l帧中继技术首先在美国和欧洲得到应用。1991年末，美国第一个帧中继网Wilpac网投入运行，它覆盖全美91个城市。在北欧，芬兰、丹麦、瑞典、挪威等在90年代初联合建立了北欧帧中继网WORDFRAME，以后英国等许多欧洲国家也开始了帧中继网的建设和运行。在我国，国家帧中继骨干网于1997年初初步建成，覆盖了各省会城市；从1998年以来，各省根据本省实际情况，逐步搭建了省ATM/帧中继网，上海是提供国际帧中继业务的出口局。 经过近几年的发展，中国电信已经在全国绝大部分重要城镇建立了帧中继网节点，并与Internet实现了互联。 9.5 ATM网技术网技术 l1ATM技术的定义lATM是一种信元交换和多路复用技术。信元(Cell)实际上是分组，为了与X.25的分组有别，所以将ATM的信息单元命名为信元。ATM信元具有固定长度，总共53个字节，前5个字节是信头(Header)，其余48个字节是信息段。信头中有信元去向的逻辑地址、优先级、信头差错控制、流量控制等信息。信息段中装入被分解成数据块的各种不同业务的用户信息或其他管理信息，并透明地穿过网络。来自不同业务和不同源端发送的信息统一以固定字节的信元汇集一起，在ATM交换机的缓冲区排队，然后传送到线路上，由信息头中的地址来确定信元的去向。由于信元发自不同的速率，每个信道不象同步时分复用是对应于某个固定的时隙，而是由信头的标志来区分信息的方法叫异步时分复用，这种方法可使任何业务按实际需要占用资源，保证网络资源得到合理利用。lATM网络中的交换由ATM交换机完成，ATM交换机中的连接可以分为永久虚拟电路（PVC）和交换虚拟电路（SVC）两种。PVC是在源地址与目的地址之间的永久性硬件电路连接。SVC是根据实时交换要求建立的临时交换电路连接。两者的最大区别是：PVC不论是否有数据传输，它都保持连接；而SVC在数据传输完成后就自动断开。两者的应用区别是：在通常的ATM交换中，有一些PVC用于保持信号和管理信息通信，保持永久连接；而SVC主要用于大量的用户数据的传输。l2ATM技术与电路传送、分组传送技术的关系lATM是针对以上电路传送、分组传送两种传送方式的不足研究出的一种新的传送方式，是在光纤大容量传输媒体环境下新的分组传送方式。异步传送方式在信息格式、交换方式上与分组传送类似；而在网络的构成、控制方式上与电路传送类似。具有电路传送方式的低时延且时延固定和分组传送方式的动态分配信道、使信道利用率高这两方面的优点，是一种对于电话通信网、数据通信网，对于实时、非实时业务都适用的传送方式。因此ATM技术也被认为是实现B-ISDN的技术基础。lATM可以看作是电路传送方式的演变结果：ATM是面向连接的，这一点具有电路传送方式的特点。在电路传送方式的每个时隙中，放入ATM信元，依据信元的信头值区分不同用户，各用户数据所占用的时间位置不受约束。这样线路上的数据速率可在各个用户中间自由分配，不再受固定速率的限制。并且当用户不发送数据时，信道可供其他用户使用。从而解决了电路传送方式中信道利用率低和不适应突发业务的问题。lATM也可看作是分组传送方式的演变结果：因为ATM使用信元为信息传送单位，其信元长度都是固定长度，信元的信头部分包含了用于路由选择的信息，这类似于分组传送方式中的数据分组。ATM可以采取利用空闲信元填充信道的措施，使得信道被分成等长的时间段。这就为提供固定比特率、固定时延的电信业务，如电话通信业务创造了条件。通信开始由用户在申请信道时，向系统提出业务质量要求，从而为用户选择是否使用统计复用提供了手段。ATM系统不使用逐段反馈重发的方法，在必要时可使用端到端的差错控制。从以上特点看，我们说ATM传送方式是电路传送和分组传送的结合。9.5.2 ATM技术的特点技术的特点lATM技术具有如下的特点：l（1）ATM网中不进行逐段链路的差错控制和流量控制： ATM网络采用端到端的差错控制和流量控制。 l当ATM节点上流量较大时，减小信元的丢失率，采取了以下措施：l 合理进行资源分配和设计队列容量，使队列溢出的概率很低，使信元丢失率降低到10-10以下；l 在呼叫建立时检查用户申请的带宽，网络有足够的资源时才接受这个呼叫，若网络资源不足或流入速率超过网络允许值时则拒绝用户接入。l（2）ATM以面向连接的方式工作：为了提高处理速度，ATM以面向连接的方式工作，但不是物理连接而是虚连接。通信开始时先建立虚电路，虚电路由虚通道和虚通路标识，用户将虚电路的标识写人信头的VPIVCI中，网络根据虚电路标识将信息送往目的地；l（3）简化信头功能： ATM信头的功能被大大简化，使信头处理速度得以提高，使信元的排队时延降低；l（4）ATM采用固定长度的信元，信息域的长度较小：长度小而固定的信元，可以利用硬件实现交换，使得网络传输和交换速度加快，从而减小交换节点内部缓冲器的容量，使信元的排队时延和时延抖动得以显著降低。l（5）采用透明的网络传输方式：ATM网络以语义透明和时间透明的传输方式工作。所谓语义透明是要求网络在传送信息时不产生错误，或者说端到端的错误概率非常低，低到使业务能够接受，即不改变业务信息的语义。l（6）提供一个简化的网络结构：A T M除了提供OAM（操作维护）信元、信令信元等特殊信元外，只关心53个字节中的前5个信元头字节，而对48个字节的信元净荷内容不加处理；l（7）ATM广泛适应各类业务的要求：ATM技术对业务类型进行了划分并进行业务量管理，使ATM可以广泛适应各类业务的要求，而不问业务的信息速率、业务的突发性、实时性。业务划分为5种类型，根据业务向网络呈现的业务量参数、对网络要求的服务质量参数，相应的在业务层与ATM信元之间设计了5种ATM适配层（AAL，ATM Adaptation Layer）。9.5.3 ATM的网络参考模型的网络参考模型l协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能：l（1）用户平面：采用分层结构，提供用户信息流的端到端传送，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等。用户平面包括物理层、ATM层、AAL层、高层等全部四层；l（2）控制平面：采用分层结构，完成呼叫控制和连接控制功能，利用信令实现呼叫和连接的建立、监视和释放、寻址与路由选择等功能；l（3）管理平面：提供操作和管理功能，包括层管理和面管理。其中层管理采用分层结构，完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令；同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流；面管理不分层，它完成与整个网络相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。 2物理层物理层lATM的物理层利用通信线路的比特流传送功能，实现ATM信元流的传送。ATM的物理层包括两个子层，即物理介质子层（PM）和传输会聚（TC）子层。其中物理介质子层提供比特传输能力，对比特定时和线路编码等方面作出了规定，并针对所采用的物理介质（如光纤、同轴电缆、双绞线等）定义其相应的特性；传输会聚子层的主要功能是实现物理层汇聚协议（PLCP），完成比特流和信元流之间的转换，确保整个物理链路上信息的有效传输和接收。lATM物理层与具体通信线路的协议接口类型包括：l（1）给予同步数字序列（SDH）的ATM物理层协议：包括速率为STM-1（155.520Mbit/s）和STM-4（622.080Mbit/s）。ITU在建议中规定了ATM信元映射到SDH虚容器4（VC-4）的方法。STMl可以使用光或电接口；STM4目前只规定有光接口；l（2）基于准同步数字序列（PDH）的ATM物理层协议：包括速率为E1（2.048Mbit/s）和E3（34.368Mbit/s）。TU在建议中规定了ATM信元映射到E1和E3的帧结构中的方法。E1和E3均采用电接口；l（3）基于裸信元的ATM物理层：在物理链路上直接地传输信元，而不是将信元映射到规定的帧中传输。它虽然适用于任何速率与任何传输介质，但一般只用于机房内的设备互连。3ATM层层 lATM层负责生成信元，它接受来自AAL的48字节用户数据并附加上相应5字节信元标头。ATM层支持连接的建立，并汇集到同一输出端口的不同应用的信元，同样也分离从输入端口到各种应用或输出端口的信元。当ATM层看到信元载体时，它并不知道、也不关心载体的内容，载体只不过是要被传输的0或1信息符号。因为ATM层不管载体的内容，所以与服务无关，只负责为载体生成信元标头并附给载体 ，以形成信元标准格式。跨越ATM层到物理层的信息单元只能是53个字节的信元。ATM支持点对点、一点对多点以及多点对多点连接。ATM层的主要功能列举如下：l（1）信元头的生成与去除：接收ATM适配层传来的48字节净荷，然后添加5字节的信头，组成53字节的ATM信元传送给物理层；反之，ATM层接收物理层送来的53字节ATM信元，将信头删除之后，将48字节净荷传送给ATM适配层；l（2）VPI和VCI值的转换：支持ATM交换设备或ATM交叉连接设备实现在出、入VPI/VCI之间的信元交换；l（3）汇集信元到物理接口以及从物理接口分检信元：提供在不同用户之间的多路复用以及数据分接功能；l（4）信元速率调整：根据信元丢弃优先级比特（CLP）识别优先和非优先信元，在拥塞时刻完成信元丢弃操作；l（5）一般流量控制：控制终端到网络的业务流量。 4ATM适配（适配（AAL）层）层lATM适配层负责适配从用户平面来的信息，以形成ATM网可利用的格式。送给ATM的信息可有多种格式，ATM网可以传输数据、语音以及视频信息，每一种都要求ATM 网络有不同的适配。ATM层利用53个字节中的5个字节提供网络服务（路由、优先级以及阻塞控制），只有48个字节作为用户信息载体。因此，ATM适配层必须将大的IP包适配成ATM网络可接受的格式。AAL将I P包分割成48字节的单元用来作为信元的载体部分，信元载体信息再提交给ATM层，作为信元的一部分。以常见的TCP/IP协议为例，TCP/IP协议将交给ATM适配层一个IP数据包，这个包可能非常大，其长度也许是几百或几千字节。因此，AAL必须为IP包进行分割处理，然后将其分割成ATM层可接受的单元。lATM中定义了不同类型的AAL业务。AAL的目标是向应用提供有用的业务，并将它们与在发送端将数据分割为信元、在接收端将信元重新组织为数据的机制隔离开来。AAL根据3个参量来划分这一业务空间：l（1）实时业务和非实时业务；l（2）恒定比特率业务和变化的比特率业务；l（3）面向连接的业务和非连接的业务。lATM适配层的结构分为上、下两个部分。ATM适配层的上面部分称为会聚子层（CS，convergence sublayer）。其作用是向应用程序提供一个接口。它又是由两个子部分组成：一个是对所有应用程序都通用的公共部分（相对于给定的AAL协议），另一个是与应用程序相关的子部分。其中每个部分的作用都是与协议相关的，但是可以包括报文分帧和错误检测。CS子层负责为来自用户平面的信息数据（如IP包）作分割准备，进行这种准备的目的是让接收端的CS子层能够将这些包再次拼接成原始状态。为执行这一功能，CS子层要求有控制信息附着在用户信息之上。会聚控制信息包括标头和后缀或者只是后缀，控制信息的利用是由AAL服务的类型决定的，控制信息将与用户数据一起处于信元的净荷部分。lATM适配层的下面部分称为分割和重组子层（SAR，segmentation and reassembly）。它将会聚子层交给它的数据单元加上头和尾从而构成信元有效载荷。接着，这些载荷被交给ATM层进行传送。在接收端，SAR子层将信元重组为报文。SAR子层基本上只涉及信元，而会聚子层则与报文打交道。SAR子层对于某些（但不是所有的）服务类来说，还有另外一些功能。特别是，它有时候可以进行错误检测和多路复用。SAR子层对于所有服务类都是存在的但功能的强弱则依赖于其特定的协议。 9.5.6 ATM技术的应用现状技术的应用现状l1ATM技术的应用l（1）支持现有电信网逐步从传统的电路交换技术向分组（包）交换技术演变。l 支持现有电话网（如PSTN、ISDN）的演变，并作为其中继汇接网；l 支持并作为第三代移动通信网（需支持移动IP）的核心交换与传输网；l 支持现有数据网（FR/DDN）的演变，作为数据网的核心，并提供租用电路，利用ATM实现专网或企业网间的互连；l（2）用于Internet骨干网，构建核心路由器，支持IP网的持续发展；l（3）与IP技术结合，利用ATM网络为IP用户提供高速直达数据链路，使ATM网络运营部门充分利用ATM网络资源，发展ATM网络上的IP用户业务，又可以解决Internet网络发展中遇到的瓶颈问题，推动IP业务的进一步发展。l从实际应用状况来看，由于ATM的终端和信令复杂，实现端到端的ATM连接（桌面到桌面）的想法已基本落空，其原因是在用户驻地网支持话音业务不如PSTN，支持数据业务不如千兆以太网。然而，在用于核心网和边缘接入网时，ATM技术仍然有其特定的优势，在这里ATM作为多业务平台的优势可以得到充分发挥。此外，ATM与IP的结合将增加ATM的竞争能力。 ATM技术的发展趋势技术的发展趋势lATM技术的发展l（1）ATM支持话音技术的研究：在未来的电信网中从用户数的角度考虑，传统的电话用户仍将占主导地位，因此，ATM必须考虑如何支持话音的问题。ITU-T在1999年2月通过了面向话音业务的建议，并于1999 年12月通过了支持AAL2交换的信令协议建议，基本完成了ATM支持话音业务的标准化工作。采用AAL2协议来支持话音业务不论是效率方面，还是时延性能方面，都要优于IP电话；l（2）简化ATM技术的研究：ATM技术的缺点之一就是网络的复杂性，为了推动ATM技术的应用，就必须对ATM技术进行简化和优化，以达到简化网络，降低网络成本的目的。ITU-T和ATM论坛已进行了大量这方面的工作。另外在流量控制、网络管理等方面也都有需要进行相应的研究工作；l（3）ATM反向复用技术：简称IMA（Inverse Multiplexing for ATM）技术, 它是将高速ATM信元流在起始端利用多条物理线路传输, 再在终结端将多条物理线路的信元流复接在一起并还原成与起始端一样的高速信元流的技术。这种技术的出现可以充分利用现有的传输链路（特别是数量众多的2Mbit/ s数字线路），对其进行捆绑式的使用，以满足用户和中继侧的带宽需求；l（4）ATM在宽带接入技术中的应用：ATM技术以其对第三层协议支持的透明性、带宽的可扩展性、支持多种QoS等级等优点，在宽带接入技术中得到了广泛的应用，被多种宽带接入技术用做第二层协议，这些技术包括：ADSL、无线ATM等。