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文檔簡介
1、中級通信工程師考試交換技術(shù)第一章:緒論1.1 點對點通信與網(wǎng)絡通信 通信的基本原理告訴我們,通信系統(tǒng)的基本任務是將信息從它的發(fā)源地傳 送到它的目的地。 最簡單的通信系統(tǒng)就是如圖 1-1 所示的點對點通信系統(tǒng)。 通過信道(或稱電路)連接 起來的兩點稱為端點,其中配置有通信終端, 包含信息的發(fā)送設備和接收設備。信道是以傳 輸媒質(zhì)為物理基礎的信號 通路,它可能是各種有線或無線電路。 點對點通信的工作方式有單工、半雙工和(全)雙工三種。 由于大量的通信業(yè)務都是交互式的,故雙工方式是應用最普遍墦點靖點的 通信方式。為了支持雙工通信,就需要利用雙向信道。以下 Wi-i 點對點 通信系統(tǒng) 如不作特殊說明,兩
2、點之間的信道都是指雙向信道。 實際上,這種點對點通信系統(tǒng)只在構(gòu)成某些專用通信電路(如熱線)時才 被應用;而 應用更普遍的是多點之間的通信。按照構(gòu)成上述點對點通信 系統(tǒng)的思路,一個多點通信系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)似乎應如圖 1-2 所示。這種結(jié)構(gòu) 稱為終端設備之間的全互連結(jié)構(gòu),其中任意兩個端點 之間都需要有一條 信道;如果端點數(shù)為漢,則共需 (N1-1)/2 條信道;而且每個終端需要有 N (N-1) 個接口。所以這種結(jié)構(gòu)所需的信道數(shù)將按況的平方律增加,當況很 大時,其復 雜度是不能接受的。另一方面在每一對端點之間的業(yè)務量強 度(即占用時間百分數(shù))一 般是較小的(小于 0.2) 。因而沒有必要在每 一對端點
3、之間設一條專用信道,換言之,全互連結(jié)構(gòu)的信道利用率是較低 的。為了減小復雜度,最簡單的辦法是采用如圖 1-3 所示的星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。每個終端通過一 條信道連接到中心節(jié)點,在那里設有交換機。通過交換中 心的轉(zhuǎn)接作用,將需要進行通信的 終端連接起來。圖 1-3 中示出通過交 換機提供的三條端到端連接通路。在這種最簡單的網(wǎng)絡 中,有三類網(wǎng)絡 元素,它們是:用戶終端、交換機和用戶環(huán)路(又稱為用戶線) ,后者是 用 戶終端與交換機之間的連接信道 (電路)。顯然, 在星型網(wǎng)絡中每個終 . 端只需要一個接口, 全網(wǎng)只需 W 條信道。與全互連網(wǎng)絡相比,復雜度大 為降低。但是,一旦中心節(jié)點的交換機 失效,全網(wǎng)就會
4、癱瘓,也就是說, 這種結(jié)構(gòu)的可靠性是不高的。此外,其覆蓋地域也受到 限制。為了擴大覆蓋地域,可采用如圖1-4所示 的包含多個交換節(jié)點(SW交換局)的網(wǎng)絡結(jié) 構(gòu)。在這種網(wǎng)絡中, 除了用戶終端、 交換機和 用戶線以外, 還有一類網(wǎng)絡元素,那就是位于 交換節(jié)點之間的中繼線(又稱為干線) 。 與用戶 線不同,它們不屬于用戶專用,而是歸廣大用 戶共享,按照用戶 的需求分配使用,因而信道 利用率較高。這樣,組網(wǎng)帶來的主要好處有:(1)可覆蓋更廣大的地域,為更多的用戶服務;(2)在端到端之間可提供多條路徑,從而提高了通信的可靠性;(3)網(wǎng)絡資源(交換機、中繼線等)為眾多的用戶共享,因而提髙了經(jīng)濟性。1.2.
5、1 公共交換電信網(wǎng)中的電路交換傳 統(tǒng) 的 公 共 交 換 電 信 網(wǎng) ( PublicSwilchedTelecommunicationNetworks,PSTN, 以下簡稱電信網(wǎng)) 由用戶終端、用戶環(huán)路、交換機和中繼線組成,包含本地網(wǎng)和長途網(wǎng)兩大部分。它提供的主要業(yè)務是電話,所以又稱公共電話網(wǎng) 本地網(wǎng)( LocalNetwork) 如圖 1-5 所示。用戶終端(電話機、傳真機或話 帶數(shù)據(jù)終端等)經(jīng)用戶環(huán)路或用戶小交換機接人端局( EndOffice), 俗稱 市話局。端局內(nèi)設端局交換機;各端局之間及各端局與長途局之間通過中 繼線互連;在某些端局之間可能設匯接局,以提供附加的路由。長途網(wǎng)( L
6、ongDistanceNetwork) 由長途中繼線連接不同等級的長途交換局 組成。長途局分若干級(國內(nèi)分為四級: C1-C4), 采用髙階星型加直通電 路匯接的結(jié)構(gòu),上級長途局與隸厲于它的下一級局采用星型連接,而在某 些業(yè)務童大的長途局之間設置直通電路。作為例子,圖 1-6 示出兩個大區(qū) 間的長途網(wǎng)絡。PSTN有以下特點:這是一個轉(zhuǎn)接式網(wǎng)絡,端到端一般要經(jīng)過交換機多次轉(zhuǎn)接; 采用的交換方式是電路交換,網(wǎng)絡根據(jù)用戶的請求提供端到端的連接通 路;通信全過程分為建立連接、用戶信息傳送、拆除并釋放連接三個階段; 呼叫連接控制依靠信令系統(tǒng)完成;永久性連接由網(wǎng)絡管理系統(tǒng)配置。 在建立連接過程中, 網(wǎng)絡最
7、重要的任務是尋址與選路。 網(wǎng)絡要根據(jù)主叫 (用 戶終端 ) 提供的被叫(用戶終端)地址,選擇一條通路。路由選擇的基本 原則是盡可能選擇最短的路徑,使呼叫盡快到達終點。所謂“最短路徑” , 在這里指的是轉(zhuǎn)接次數(shù)(跳數(shù))最少的路徑。如圖 1-6 所示,為建立用戶A與用戶B之間的連接通路,左邊的C4局應該首先選擇標注為 (1)的那組 中繼線,其次選擇標注為( 2)的那組中繼線,最后選擇標注為( 3)的那組中繼線(粗實線) 。所以,圖 1-6 中的粗實線被稱為最后路由中繼線。從圖中還可以看出,從一地的 C5局(端局)到另一地的 C5局,最多經(jīng)過8 次轉(zhuǎn)接,即端局與端局之間串接的鏈路數(shù)最多為9,或者說用
8、戶端到端之間串接的鏈路數(shù)最多為 11。電信網(wǎng)是一個具有悠久歷史的龐大的國際性網(wǎng)絡。其中采用的各項技術(shù)是 經(jīng)過長期運行和使用的成熟技術(shù),同時又隨著科學技術(shù)的進步而不斷向前發(fā)展。特別是光纖傳輸、程控數(shù)字交換、七號信令系統(tǒng)( SSNa7)移動通 信網(wǎng)、智能網(wǎng)和網(wǎng)絡管理技術(shù)的普遍采用, 使其趨于完善, 工作十分可靠, 可給用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務。電信網(wǎng)的一個發(fā)展方向是簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),擴大本地網(wǎng)的覆蓋地域,將長途網(wǎng)由四級減為兩級其至一級;進而將PSTN分為接人網(wǎng)和核心網(wǎng)兩大部分,端局以上均屬核心網(wǎng)。為了支持多種多樣的接人網(wǎng),端局交換機要提供多 種接口,除了傳統(tǒng)的模擬二線(電話)接口以外,還要有各種數(shù)字接口,
9、如基群速率接口( E1)、高速數(shù)字用戶線(HDSL接口、不對稱數(shù)字用戶線(ADSL接 口等。電信網(wǎng)的另一個發(fā)展方向是綜合業(yè)務網(wǎng),它不僅提供話音業(yè)務,而且支持 (同時或交替的)數(shù)據(jù)、視頻等多種業(yè)務。在這方面,相繼出現(xiàn)了以電路交換為主的綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(ISDN)和基于異步轉(zhuǎn)移模式(ATM的寬帶綜合 業(yè)務數(shù)字網(wǎng)( B-ISDN)。1.2.2 互聯(lián)網(wǎng)中的分組交換互聯(lián)網(wǎng)( Internet), 是一種通過路由器將多個物理網(wǎng)絡互連起來的邏輯上統(tǒng)一的計算機網(wǎng)絡。從通信業(yè)務的角度看,互聯(lián)網(wǎng)是一種數(shù)據(jù)通信網(wǎng),它可以支持 E-mail、FTP WW等多種應用。被互連的網(wǎng)絡,通常稱為互聯(lián)網(wǎng)的子網(wǎng),它們既可以是同類的
10、,也可以是異質(zhì)的。圖 1-7 和圖 1-8 分別示出互聯(lián)網(wǎng)的原理結(jié)構(gòu)。圖 1-7 著重示出多個物理網(wǎng) 絡通過路由器互連成邏輯上統(tǒng)一的網(wǎng)絡;圖 1-8 主要示出路由器的地位與 作用,而用專線代表物理網(wǎng)絡。構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)的子網(wǎng)分為兩類:一類是用于 轉(zhuǎn)發(fā)信息的中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡; 一類是信息源或信息宿所在的末端網(wǎng)絡, 如局域網(wǎng)、 傳感器網(wǎng)絡等?;ヂ?lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)的主要區(qū)別之一是采用基于異步時分復用的分組交換。其 中所有信息均以分組 (Packet) 為單位進行傳送,分組長度和分組間隔均可 變。路由器基本上是一種分組交換機,它的主要功能是實現(xiàn)分組的“存儲 轉(zhuǎn)發(fā)”。每個路由器首先存儲輸人的分組,然后根據(jù)分組首部所含的地址
11、 信息選路,將分組轉(zhuǎn)發(fā)到適當?shù)妮敵龆丝冢⑼ㄟ^相應的輸出鏈路發(fā)送給 下游的路由器。每個路由器都照此辦理,就可實現(xiàn)信息的端到端(主機到 主機)的傳送。路由器可分為三種:核心路由器、邊緣路由器和人路由器。前兩者構(gòu)成互 聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)(又稱骨干網(wǎng)) ;后者是各種接入網(wǎng)(如局域網(wǎng))核心網(wǎng)的 接口。在核心網(wǎng)內(nèi)連接各路由器的中繼線路,稱為鏈路。這些鏈路可能是 專用線,也可能是由物理承載網(wǎng)絡(如光網(wǎng)絡)提供的傳輸通道?;ヂ?lián)網(wǎng) 采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡層協(xié)議工作,這就是著名的 IP(InternetProtocol)0 所以 各種路由器都要運行 IP, 實現(xiàn) IP 分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。 互聯(lián)網(wǎng)支持的業(yè)務是計算機數(shù)據(jù),從前只需
12、提供盡力而為. (BestEffort)的服務。隨著互聯(lián)網(wǎng)應用范圍的不斷擴大, 它不僅要支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務,而且要支持分組話音、視頻及多媒體業(yè)務。于是人們對互聯(lián)網(wǎng)提出了更高 的要求,要求它提供服務質(zhì)量(QoS)的保證。此外,互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務量也在不斷地急劇增長。因此,互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向是寬帶化(高速化) ,并采取 多種措施保證 QoS。光纖波分復用(WDM技術(shù)的成熟解決了寬帶傳輸?shù)膯栴}。于是路由器成為網(wǎng)絡寬帶化的瓶頸。近年來高速路由器成為網(wǎng)絡發(fā)展的熱點,繼吉比特 / 秒( Gbit/s) 級路由器之后,太比特 / 秒( TT)it/8) 級路由器也已問世。這 些髙速路由器的共同特點是采用了快速分組交
13、換技術(shù)。所以,今天的互聯(lián) 網(wǎng)已經(jīng)是一個巨大的采用寬帶傳輸和快速分組交換的國際性網(wǎng)絡。1.3 交換技術(shù)發(fā)展概述作為人類社會信息基礎設施的電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)都是社會發(fā)展過程中的產(chǎn)物。這些網(wǎng)絡適應人們的需求而產(chǎn)生,隨著科學技術(shù)的進步而 發(fā)展。同樣,作為通信網(wǎng)核心技術(shù)的交換,一百多年來有了長足的進步。交換的信號從模擬到數(shù)字,交換的機制從電路模式到分組模式,交換的控制從人工到自動,交換技術(shù)這些具有里程碑意義的發(fā)展和變化構(gòu)成了現(xiàn)代 通信網(wǎng)絡的基礎。1.3.1 電路交換 如前所述,基于電路交換的電信網(wǎng)可根據(jù)用戶的請求提供端到端的連接通 路。但這是依靠一系列交換機協(xié)同動作來實現(xiàn)的。就某一臺交換機而言,
14、 它的任務只是按照要求將指定的輸人端口與輸出端口接通。交換機是一個 多輸人多輸出設備。為了使每一個輸人端口都能與任何一個輸出端口連 接,就需要大量的開關。這些開關需要編織成一定的結(jié)構(gòu),通常稱為交換機的內(nèi)部交換網(wǎng)絡( SwitchingFabrics), 又稱為“接續(xù)網(wǎng)絡” ,其中各開 關的狀態(tài)是由交換控制器設置的。1876 年貝爾發(fā)明電話以后, 首先出現(xiàn)的是人工交換機。 塞繩可以看作為這 種交換機的內(nèi)部交換網(wǎng)絡, 而控制器的任務則由接線員完成。 1892 年開通 了世界上第一部步進制自動交換機,它的接續(xù)網(wǎng)絡由電磁繼電器的接點組 成,它的控制器包含許多上升旋轉(zhuǎn)型選擇器,由用戶話機發(fā)出的撥號脈沖
15、信號直接控制。 1940 年前后,出現(xiàn)了縱橫制交換機,其接續(xù)網(wǎng)絡采用了機 電縱橫接線器( Crossbar) ,實際上是一個由繼電器控制的開關矩陣,它 的控制方式是共同控制, 由布線邏輯實現(xiàn)。 縱橫制交換機曾得到廣泛應用, 一直延續(xù)到 20世紀 80 年代才被更先進的程控交換機所取代。 程控交換機是由計算機存儲的程序進行共同控制的交換機,其內(nèi)部交換網(wǎng) 絡不再由機電開關構(gòu)成,而由電子開關構(gòu)成。交換網(wǎng)絡又有模擬空分和數(shù) 字時分之別。現(xiàn)在得到廣泛應用的是數(shù)字時分程控交換機。作為電話交換機,它提供的連接通命所支持的基本速率是64kbit/s(即一個PCM舌路);作為 ISDN 交換機,它可支持 /Vx
16、64kbit/s(/V=l-30) 的速率;作為寬帶電 路交換機,它可支持準同步數(shù)字序列(PDH和同步數(shù)字序列(SDH各個等 級的速率,如E1(2.048Mbit/s),E3(34.368Mbit/s),STM-1(155.52Mbit/s),STM-16(2.5Gbit/s) 以及 STM>64(lOGbit/s) 等。由此可見, 電路交換是一項既古老又在不斷發(fā)展和更新的技術(shù)。 迄今為止, 它仍然得到廣泛的應用。這是因為它具有以下優(yōu)點:它能根據(jù)用戶的需求 提供端到端的臨時專用通路,在建立連接之后端到端的傳送時延是恒定的,基本上等于路徑的電波傳播時延。這一特點使得它能很好地支持恒定 比特
17、率的電話和視頻業(yè)務。但是,正因為它提供的是臨時專用通路,當占 用該通路的用戶不發(fā)任何信息時,該通路的容量也不可能被其他用戶所 用,所以其信道利用率是不高的。 當用戶發(fā)送的業(yè)務具有很強的突發(fā)性時, 信道利用率就會很低。另外,它支持的傳輸速率是固定的,因而是不靈活 的。1.3.2 分組交換 如前所述,現(xiàn)代的電路交換是一種數(shù)字時分程控交換,它的技術(shù)基礎是同 步時分復用。 它利用周期性出現(xiàn)的傳輸幀來承載用戶信息,不同的信息 通路是根據(jù)時隙在周期性幀內(nèi)的位置來區(qū)分的,由此帶來了信道利用率 低、速率不靈活等缺點。分組交換是根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務的特征設計的,它的技 術(shù)基礎是異步時分復用(又稱統(tǒng)計時分復用) 。它利用
18、分組來承載用戶信 息,分組之間的間隔時間是可變的。因而發(fā)送速率是靈活可變的,而且當 用戶無信息發(fā)送時,就可以不發(fā)分組,即不占用信道資源。 分組交換是伴隨計算機網(wǎng)絡誕生的。 1969 年,出現(xiàn)了第一個計算機網(wǎng)絡ARPANET同時也驗證了分組交換及相應的一整套通信協(xié)議。ARPANE最初只有四個交換節(jié)點,節(jié)點間 鏈路的傳輸速率僅為 56kbit/8 。 1972 年, E-mail 的發(fā)明引起了該網(wǎng)絡的大發(fā)展,用戶數(shù)和節(jié)點數(shù)大大增加。1982-1983年,ARPANE采用TCP/IP協(xié)議集,從而可以將多個異質(zhì)的網(wǎng)絡互聯(lián)起來,構(gòu)成更大的網(wǎng)絡。1986年,美國國家科學基金委員會 (NSF),用NSFNE
19、T勺骨干網(wǎng)將其國內(nèi)的 多個區(qū)域 網(wǎng)絡互連起來,從而開始了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。 1990 年, ARPANET 被關閉。1991年,WWW (World Wide Web的發(fā)明,1995年,取消互聯(lián)網(wǎng)只能應用于教育、科研和政府部門的限制,這兩者推動了網(wǎng)絡業(yè)務量和用 戶數(shù)的猛增。幾乎與此同時, 采用分組交換的公共數(shù)據(jù)網(wǎng) ( Packet Switched Public Data Network, PSPDN) 也得到發(fā)展。這些公用數(shù)據(jù)網(wǎng)均基于 ITU-T ( 原 CCITT) 的 X. 25 協(xié)議。于是,出現(xiàn)了兩種分組交換。一種是面向連接型的分組交換,又稱為虛電 路分組交換; 另一種是非連接型的分組交換
20、,又稱為數(shù)據(jù)報分組交換。前者的典型協(xié)議是 X_25;后者的典型協(xié)議是IP。經(jīng)過多年的平行發(fā)展之后,實踐證明, IP 成為主流的分組交換技術(shù)。1.3.3 快速分組交換 分組交換克服了電路交換信道利用率低、速率不靈活的缺點,但它的存儲 轉(zhuǎn)發(fā)機制又帶來新的問題。在每個交換節(jié)點,對于到達的每個分組都需要 作比較復雜的處理,如識別分組首部的協(xié)議控制信息(包括目的地址、源 點地址、業(yè)務類型等) 、選擇路由、排隊等待、調(diào)度輸出等,加上分組到 達的隨機性,流量難于控制,輸出速率有限等因素,使得分組在節(jié)點內(nèi)部 的排隊等待時間有很大的隨機性。這就是說,分組的端到端傳送時延和時 延的抖動難于確保。為了解決這一問題,
21、在 1983 年前后,人們提出了快 速分組交換的概念。快速分組交換( FastPacket Switching,FPS), 又稱高速分組交換,仍然是 存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換, 但從多方面采取措施減小分組的轉(zhuǎn)發(fā)時延。 這些措施是: 簡化網(wǎng)絡協(xié)議,盡量通過硬件進行分組的轉(zhuǎn)發(fā)處理;大大提高端口及相應鏈路的傳輸速率; 采用固定長度的小分組,以便于用硬件實現(xiàn)分組交換。 光纖傳輸為前兩個措施的采用提供了可能。光纖傳輸?shù)碾x質(zhì)量(誤碼率小 于 10_9) 允許人們簡化鏈路層通信協(xié)議, 取消差錯控制所需要的反饋重傳; 采用寬帶光纖傳輸可大大提高鏈路的傳輸速率。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電 路的發(fā)展又為分組交換的硬件實現(xiàn)奠定了
22、基礎。這樣,一種采用定長小分組的快速分組交換體制就應運而生了。這個定長小分組被稱為信元(Cell) 。1988年,ITU-T(原CCOT第18研究組決定采用固定長度的信元作為信息傳送的基本單位,并將這種基于信元的復用與 交換體制命名為異步轉(zhuǎn)移模式( Asynchionouo Transfer Mode,ATM) 。ATMI是一種高速'低時延的信息傳送方式,它采用基于信元的異步時分復用 和面向連接的快速分組交換技術(shù)。 1990-1993 年, ITU-T 制訂了關于 ATM 的一系列建議。標準規(guī)定 ,信元的長度為 53字節(jié)(每宇節(jié)含 8比特),由5 字節(jié)的標頭域和 48 字節(jié)的載荷域組成
23、。信元標頭的主要功能是作為連接 標識,使信元按選定的路由在網(wǎng)內(nèi)流動;載荷域用于承栽用戶信息與控制 管理信息。ATM繼承電路交換面向連接的特點,在建立連接階段可實現(xiàn)復雜的路由計 算功能,實現(xiàn)帶寬等資源的分配, 通過連接接納控制可限制進網(wǎng)的業(yè)務量, 因而可提供QoS保證。ATM又繼承分組交換的特點,采用異步時分復用, 以10%左右的標頭幵銷為代價,換取較髙的信道利用率。ATM信元長度雖然固定,但信元之間的間隔可變,因而傳輸速率靈活,既可支持恒定比特 率業(yè)務,也可支持可變比特率業(yè)務。所以,ITU-T將ATM確定為B-ISDN的 目標轉(zhuǎn)移模式。但是 ATM采用面向連接的方式也有缺點。為了實現(xiàn)連接控制,
24、就需要一套復雜的信令系統(tǒng);在傳送短消息的情況下,建立連接階段 的時間開銷使信道利用率低下;對于變速率收務,如何分配帶寬的問題始 終沒有很好的解決辦法。1.3.4 標記交換ATM可支持恒定比特率業(yè)務。這類業(yè)務是電路交換能夠很好支持的業(yè)務, 故又稱為電路仿真業(yè)務。通過不太復雜的適配協(xié)議,ATM就可直接支持電話、視頻通信等應用。ATM也可支持可變比特率業(yè)務,其中主要是計算機 的數(shù)據(jù)業(yè)務??茖W技術(shù)發(fā)展到今日,絕大多數(shù)計算機都已掛在互聯(lián)網(wǎng)上, 而互聯(lián)網(wǎng)采用的網(wǎng)絡協(xié)議是IP。因此,ATM要有用武之地,必 須支持IP o 另一方面,IP也需要ATM技術(shù)的支持以解決 QoS問題。這樣,客觀上就出 現(xiàn)了融合IP
25、與ATM這兩種技術(shù)的需要。在研究和發(fā)展的過程中,曾提出 過多種方案,如經(jīng)典的 ATM 承載 IP (Classical IP Over ATM, IPOA) 、 ATM 承載多協(xié)議( Multiple Protocol Over ATM, MPOA) 、 IP 交換( IP Switch in g)、標簽交換(Tag Switch in g)等。發(fā)展結(jié)果是多協(xié)議標記交換(Multi-Protocol Label Switching, MPLS)成為 ATM與 IP 融合的主流技術(shù)。MPLS是 1997年由互聯(lián)網(wǎng)工程部(Internet Engineering Task Force, IETF)
26、 提出的。作為互聯(lián)網(wǎng)的一種骨干網(wǎng),如圖1-9所示,MPLS網(wǎng)絡由標記交換邊緣路由器LER標記交換(中間)路由器LSR及連接它們的傳輸鏈路構(gòu) 成。標記交換的基本思想是:在數(shù)據(jù)分組首部的前面附加一個短的固定長度的 標記,在骨干網(wǎng)內(nèi)不是依據(jù)分組首部的地址信息,而是依據(jù)這個標記來進 行分組的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS網(wǎng)絡的基本工作原理簡述如下。(1) 待傳的數(shù)據(jù)分組流首先在人口 LER 處被分類,然后匯聚成不同的轉(zhuǎn)發(fā) 等價類 (Forwarding Equivalence Class, FEC) 。 FEC 可以看作是一批沿 著相同路徑流動,并要求作同樣轉(zhuǎn)發(fā)處理的分組。例如,人們可以將目的 地址相同的那些分
27、組歸并為一個 FEC,也可以將目的子網(wǎng)地址相同的分組 歸并為一個FEC,還可以將目的子網(wǎng)地址相同、QoS要求也相同的分組歸并 為一個 FEC。采用原有的IP路由協(xié)議(如OSPF,BGP為FEC選擇路徑。使用標記分配協(xié)議LDP為各個FEC分配標記,并建立相應的標記交換路徑 (Label Switching Path, LSP) 標記一般只具有本地意義,因此在 LER 處 要建立分組首部與標記的映射關系,在每個LSR處要建立輸人標記與輸出標記的對應關系。人口 LER接收到達的分組,識別分組首部,給分組打上標記。LSP途徑的各LSR識別輸人分組的標記,根據(jù)該標記將其轉(zhuǎn)發(fā)到適當?shù)妮?出端口,并更換標記
28、。出口 LER刪除標記,將分組轉(zhuǎn)發(fā)給目的IP子網(wǎng)。由上述標記交換的原理可以看出,ATM交換也是一種標記交換,ATM信元標頭中的連接標識 VPI,VCI就是一種標記。因此 MPLS可以看成ATM交換 技術(shù)與IP路由技術(shù)的結(jié)合。MPLS吸取ATM的優(yōu)點,采用面向連接的交換 機制,利用IP路由協(xié)議為FEC建立LSP。在LSP的建立過程中,可以實現(xiàn) 帶寬分配、接納控制、流量均衡、QoS路由等技術(shù),從而有利于保證服務質(zhì)量。在MPLS網(wǎng)內(nèi),各個節(jié)點只按照標記進行分組的轉(zhuǎn)發(fā),而標記轉(zhuǎn)發(fā) 信息表的規(guī)模遠小于 IP 路由表的規(guī)模,因而査表時間大為減小,即分組 的轉(zhuǎn)發(fā)速度顯著提髙??傊?,相對 IP而W, MPL5
29、提高了分組轉(zhuǎn)發(fā)的速度, 可以提供QoS保證。相對于ATM而言,MPLS引人了轉(zhuǎn)發(fā)等價類 FEC的概念, MPLS的 一個連接通路為一個 FEC的邊緣到邊緣的傳送服務,也就是為匯 聚分組流的傳送服務。因此,MPLS的連接將會持續(xù)更長的時間,為建立連 接花費的開銷比例大為減小。MPLS在具有以上優(yōu)點的同時,仍然存在以下問題。MPLS的面向連接的交換機制與IP的無連接本性仍存在矛盾,它只能用于 互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng),而不能作為互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一的交換體制。因而,在邊緣節(jié) 點要實現(xiàn)IP與MPLS協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,增加了復雜性。如果LSP采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動方式建立的話,那么僅當某個FEC的第一個分組到達時,入口 LER才
30、能幵始LSP的建立過程。因為需要在人口 LER與出口 LER之間往返傳送標記分發(fā)消息,此過程至少需要經(jīng)歷一個往返傳輸時間。 在這段時間內(nèi)到達的厲于該 FEC的分組都得在人口 LER中排隊等待或者按 傳統(tǒng)的 IP 方式轉(zhuǎn)發(fā)。這一過程引起的時延是不可忽略的。給各LSP分配多大帶寬,仍是一個問題。1.4 交換機的一般組成與各部分的功能 電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)盡管有許多不同點,但它們都是由許多節(jié)點和節(jié)點之間的 傳輸鏈路構(gòu)成的,而節(jié)點又分為端節(jié)點和中間節(jié)點。中間節(jié)點的功能是交 換,由交換機實現(xiàn)。交換機是一種多輸入多輸出設備,其基本任務是根據(jù) 用戶的要求將信息從輸入端口轉(zhuǎn)發(fā)到指定的輸出端口。為此,交換機一般由交換
31、網(wǎng)絡、控制器和接口三大部分組成,如圖 1-10 所示 交換網(wǎng)絡( SwitchingFabrics) 執(zhí)行交換機的傳送面功能。從原理上看, 最基本的交換網(wǎng)絡是一個交叉接點( Crossbar) 矩陣,它提供任意輸人與 輸出之間的可控制的連接。圖 11 示出一個 4x4 的交叉接點矩陣,每個接 點的開關有兩種狀態(tài):交叉連接( Cross) 或平行連接( Bar) 。如果要使第 *' 條輸人線與第)條輸出線連通,那么,只要令相應交叉點的開關處于平 行連接狀態(tài),而讓這兩條線上的其他開關保持交叉連接狀態(tài)即可。當然, 實際的交換網(wǎng)絡要復雜得多,它可能是單個的 Crossbar 交換器或交換單 元
32、,也可能是由許多交換單元組成的多級交換網(wǎng)絡。對于分組型的交換網(wǎng) 絡,在交換單元的輸人端或輸出端,還可能設有緩沖器??刂破?Controller) 執(zhí)行交換機的控制面功能??刂破鞯幕救蝿帐强?制上述交換網(wǎng)絡各開關的狀態(tài)。對于面向連接的交換方式,它必須具有信 令功能,即接收、處理和發(fā)送信令,以實現(xiàn)呼叫連接控制的全過程,包括 連接的建立、維持和釋放。對于非連接的交換方式,它的基本功能是實現(xiàn) 路由控制, 包括路由表的建立和更新、 路由表的查找、 路由協(xié)議的實現(xiàn)等; 在確定了到達分組的路由之后,再去控制交換網(wǎng)絡的開關,將分組引導到 正確的輸出端口。交換網(wǎng)絡中各開關狀態(tài)的保持時間,對于不同的交換機制是大
33、不相同的。 對空分電路交換而言,交叉開關的保持時間等于一個呼叫的持續(xù)時間,大 約幾秒至幾百秒;對數(shù)字同步時分電路交換而言,交叉開關的保持時間等 于一個時隙(通常是一個字節(jié))的持續(xù)時間;對分組交換來說,該保持時 間等于一個分組的持續(xù)時間;對 ATM交換來說,該保持時間等于一個信元的持續(xù)時間 接口( Interfaces) 是交換機與各種傳輸鏈路的界面,是交換機對外服務 的窗口。 接人交換機和邊緣交換機的接口包括用戶線接口和中繼線 (干線) 接口,而用戶線有模擬和數(shù)字之分,數(shù)字用戶線又有多種不同的速率和不 同的傳輸協(xié)議,因此需要多種接口,以實現(xiàn)相應的適配功能 u 核心交換機 的接口種類相對簡單,只
34、需要有中繼線接口,但要求高速處理。1.5 交換機的主要性能指標衡量交換機性能的主要技術(shù)指標有:交換容量、阻塞率、時延、差錯率、 接口類型及速率、可靠性等。交換容童是交換機所能提供的最大吞吐董, 即最大的信息轉(zhuǎn)發(fā)能力。傳統(tǒng)的電話交換機的容量通常用額定的話路數(shù)表 示?,F(xiàn)代交換機的容量往往用速率單位 bit/s 度童。交換容最主要取決于 內(nèi)部交換網(wǎng)絡的端口數(shù)、端口速率及交換結(jié)構(gòu)。例如,設端口數(shù)=8, 每個端口的速率為及=2.5Gbit/s,交換網(wǎng)絡內(nèi)部無阻塞,則交換容量 C=N+R=200Gbit/8。交換機實際運行時的吞吐量往往小于其容量,這是因 為每個端口不可以滿負荷(即達到 100%的利用率)的工作。阻塞率是交換機內(nèi)部資源全部被占用的概率。這里的資源,主要指帶寬和 緩沖器。 對于電路交換而言, 阻塞使得呼叫連接請求被拒絕, 常稱為呼損, 所以按時間計算的呼損率就等于阻塞率。對于分組交換而言,阻塞引起分 組的丟失,所以分組的丟失率就等于阻塞率。時延分為信令處理時延和分組轉(zhuǎn)發(fā)時延。
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