現代交換原理與技術第6章 數據交換技術

第6章2導入案例36.1.1數據通信的根本概念6.1數據通信概述4(DCN：DataCommunicationsNetwork)是用于在包括計算機、、電報等在內的各種數據終端之間進行通信的網絡，按照一定的規(guī)約或協(xié)議傳輸數據信息。人們通常用速率、頻帶利用率和過失率幾種指標了衡量數據通信的性能：數據通信網

56頻帶利用率為所傳輸的信息速率〔或符號速率〕與系統(tǒng)帶寬之比值，其單位為bit/s/HZ〔或為Baud/Hz)3．頻帶利用率7可靠性可用過失率來表示。常用的過失率指標有平均誤碼率、平均誤字率、平均誤碼組率等。4．可靠性/過失率8與傳統(tǒng)的業(yè)務比，數據業(yè)務有以下4個根本特點：(1)計算機直接參與(2)準確可靠(3)速率高(4)時間差異大6.1.2數據通信的特點9大數據的特征通可以用4個“V〞來概括，即：4個“V〞VolumeVarietyValueVelocity10(1)數據體量巨大(Volume)。以“平安城市工程視頻數據〞為例，一個分辨率為1920*1080的200萬像素的高清攝像機，碼流為8Mbps，每月產生的視頻數據為2.47TB。對于一個擁有10萬個攝像機的中等規(guī)模的城市而言，每個月產生的數據在250PB左右。海量的視頻數據對數據傳輸、存儲、并發(fā)處理的要求極高。11數據類型大體可以分為結構化數據和非結構化數據兩種。其中，結構化數據以文本為主，非結構化包括網絡日志、音頻、視頻、圖片、地理位置信息等。這些多類型的數據對數據的處理能力提出了更高要求。(2)數據類型多(Variety)。12(3)價值密度低(Value)。13現在的數據流量從PB級至EB級不等，并呈快速增長趨勢。因此，不僅要求網絡能夠從這些海量的數據中提取數據，而且對提取速度的快慢也提出更苛刻的要求。(4)處理速度快(Velocity)。146.2.1分組交換的概念15也稱包交換，是以信息分發(fā)為目的，把從輸入端進來的數據按一定長度分割成假設干個數據段，這些數據段叫做分組〔或包〕，并且在每個信息分組中增加信息頭及信息尾，表示該段信息的開始及結束。分組交換16分組交換〔PacketSwitching〕，也稱“信息包交換〞。1980年出現了X.25建議，制定了分組交換的標準框架。6.2.2分組交換的根本原理17在報文交換的根底上，將用戶的一整份報文分，割成假設干定長的數據塊，也就是我們常說的“分組〞，以這些更短的、被規(guī)格化了的分組為單位，再進行存儲轉發(fā)。工作原理18(1)靈活性強，時延比報文交換小，能滿足實時性要求。優(yōu)點：19

以分組為單位，比報文效率更高，還更節(jié)省存儲空間，降低費用。(2)可靠性在過失控制協(xié)議的幫助下能將誤碼率降低到10-10以下。(3)20但分組交換也存在一些缺點：21分組越多，分組頭部的附加信息就越多，影響了效率。分組交換的應用比較廣泛：它是數據通信網，包括大名鼎鼎的互聯(lián)網，所選擇的根本交換方式，也是下一代網絡的主要形式。分組交換方式又可分為虛電路和數據報兩種交換方式，如圖6.1所示。(2)2223(1)也有呼叫建立、數據傳輸和釋放去除三個階段。1．虛電路〔VirtualCircuit〕

由于路徑是預先建好的，因此傳輸過程中，不再進行路由選擇。(2)24雖然該用戶的所有分組都只經同一條路徑傳輸，但該路徑上不止這一個用戶。因此傳輸的結果是“順序而不連續(xù)〞的。(3)25時延比數據報小，且不易喪失。(4)26交換虛電路(SVC：SwitchedVirtualCircuit)：如同電路一般，需要“呼叫建立、發(fā)送、拆線〞三個階段。永久虛電路(PVC：PermanentVirtualCircuit)：如同專線，兩終端在申請合同期間，無須呼叫建立與拆線。虛電路又可分為：27(1)無須呼叫和釋放階段，只有傳輸數據階段，消除了除數據通信外的其他開銷。2．數據報〔Datagram〕

各分組可沿任意不同的路徑傳輸，每途徑一個節(jié)點都需要選擇下一跳路由。(2)28靈活方便，對網絡故障的適應能力較強，特別適合于傳送少量零星的信息。(3)數據分組傳輸時延離散度大，且不能防止分組的喪失、重復或失序問題。(4)29分組交換網根本結構包括7大局部：節(jié)點交換機；數據終端；分組拆裝設備PAD；遠程集中器；網絡管理中心；傳輸線路；調制解調器。6.2.3分組交換網絡的結構30其中，分組裝拆設備PAD是終端與網絡的接口，負責整合信息，使之滿足網絡傳輸。例如，非分組數據與分組數據之間的轉換，劃分分組，并在分組包上加上字頭、校驗碼。完成分組后，在PAD至交換機的中速線路上，PAD還需完成交織復用等功能。而遠程集中器PCV那么可看成是PAD的擴充。PAD31分組交換網絡的根本結構如圖6.2所示。321993年，我國建成投產了中國公用分組交換數據網ChinaPAC(ChinaPublicPacketSwitchedDataNetwork)，這是中國信息產業(yè)部經營管理的公用分組交換網，以X.25協(xié)議為根底，可滿足不同速率、不同型號終端之間，終端與計算機之間，計算機之間以及局域網之間的通信。資費比DDN專線廉價，適用于速率低于64K的低速應用場合。例如，金卡工程中的POS機(用于商場刷卡消費)，由于其業(yè)務量小，但實時性要求高，就可采用X.25分組網方案。6.2.4分組交換的應用33幀中繼(FR：FrameRelay)又名第二代X.25，或快速X.25、X.25流水線方式。幀中繼是一種用于連接計算機系統(tǒng)的面向分組的通信方法。它主要用在公共或專用網上的局域網互聯(lián)以及廣域網連接。346.3幀中繼幀中繼的誕生離不開兩大背景原因：一是依賴于光纖等能夠大大降低傳輸過失的新型傳輸介質；二是得益于智能化終端等可以進行過失檢驗節(jié)點。6.3.1概述35在這兩大因素下，幀中繼在第2層省略了過失糾正功能、流量控制功能，因此減輕了網絡的負擔，進而把原本由第3層負責的路由功能，放到第2層，把原X.25的3層模型簡化為只有2層，減少了節(jié)點處理時間。圖6.3給出了傳統(tǒng)X.25網絡和幀中繼在層次結構是上的區(qū)別。

36分組層數據鏈路層物理層傳統(tǒng)X.25數據鏈路層物理層幀中繼37幀中繼的幀，是長度可變的，且最大長度超過X.25，最高可達大1600字節(jié)/幀。因此，幀中繼可以減少分段重組的次數，更加適合于封裝突發(fā)業(yè)務。例如局域網數據、壓縮視頻業(yè)務、WWW業(yè)務等，都是幀中繼很好的選擇。幀中繼的幀結構如圖6.4所示。6.3.2幀中繼的工作原理3839幀中繼和X.25在幀的組建和傳輸過程中也有所不同：X.25在第2層中采用了平衡鏈路訪問規(guī)程(LAPB:LinkAccessProcedureBalanced)，而幀中繼的第2層采用：幀方式鏈路訪問規(guī)程〔LAPF:LinkAccessProcedureonFrame〕。它們都是HDLC的子集。40而且，由于沒有第3層，幀中繼的幀直接通過交換機，也就是說，交換機在幀的尾部還未收到之前，就可以把幀的頭部發(fā)送給下一個交換機，因而被稱為流水線方式。一旦出錯，網絡不負責糾錯、立即丟棄，由高層協(xié)議發(fā)出重傳請求，然后由智能化用戶端(如計算機)負責重傳。這樣一來，花費的時間要比X.25多，因而幀中繼僅在誤碼率極低的網絡(如光纜)中才可行。圖6.5比照了分組交換網與幀中繼確實認方式，從中可以看到：分組交換網每傳輸一次數據均需反響證實，而幀中繼這省略了這個步驟，從而加快了傳輸速度。4142幀中繼具有以下五個優(yōu)勢：6.3.3幀中繼的特點43幀中繼采用了統(tǒng)計復用的方式，簡化了節(jié)點間的協(xié)議，能夠適用于突發(fā)性的大數量數據。(1)高效性：44在幀中繼有空余帶寬時，可“偷占〞其他用戶空閑的多余帶寬，而只需要繳納預定帶寬的費用。(2)經濟性幀中繼的傳輸線路質量好，終端智能化程度高。(3)可靠性45幀中繼的協(xié)議更加簡單，因此原有X.25接口只需軟件升級，不需改硬件。(4)靈活性：(5)長遠性：46幀中繼特點和優(yōu)點之一是它的“約定信息速率(簡稱CIR)〞機制。傳統(tǒng)數據通信(如DDN)，用戶預定64K的電路，就只能以64Kbit/s。而幀中繼，用戶預定的是CIR，實際可高于CIR，而收費依舊按CIR來定，并且其費用是相同DDN專線帶寬收費的40%。例如：某用戶預定了CIR、Bc(承諾突發(fā)量)和Be(超過的突發(fā)量)。網絡會監(jiān)測用戶的入網業(yè)務流量：CIR47在時間段T內，輸入的比特數之小于Bc，那么該幀就不用標記保證傳輸。(1)48在時間段T內，輸入的比特數之和大于Bc，但小于Bc+Be時，網絡就對幀中的DE(丟棄標志位)字段打上標記(DE置“l(fā)〞)，被標記的幀再送給網絡，如果此幀得不到資源的話，就可能丟棄。(2)49在時間段T內，輸入的比特數之和大于Bc+Be時，網絡會限制發(fā)端用戶的速率，或丟棄數據。(3)501991年美國第一個幀中繼網——Wilpac網投入運行，覆蓋了全美91個城市。20世紀90年代初，芬蘭、丹麥、瑞典、挪威等國，聯(lián)合建立了北歐幀中繼網WordFRAME。1993年以后以平均每年300%的速度增長，北美、歐洲及亞太地區(qū)都各有十多個幀中繼運營網絡。6.3.4幀中繼的應用515253圖6.6給出了一個典型的手持式幀中繼測試儀。它可以讓使用者能夠按一個鍵就完成多項功能，包括：檢驗物理線路、建立到幀中繼網絡的連接、驗證提供的DLCI是否正確，以及提供到遠端設備的IP層的連接驗證。54

556.4ATM交換5657ATM的產生背景和幀中繼一樣：源自于光纖等誤碼率低，信道容量大的傳輸介質，和智能化終端的普及。在這樣的前提條件下ATM也把過失控制、流量控制等功能放到高層處理，從而把第2層協(xié)議簡化得只需硬件就可實現，縮短了交換節(jié)點的時延。58ATM采用的是信元(cell))中繼方式。所謂信元，指的是一種特殊的傳輸單位，它的長度是固定的。根據I.361建議中的規(guī)定，ATM信元長度固定為53字節(jié)(5字節(jié)信頭+48字節(jié)凈負荷=53字節(jié)，即53×8bit=424bit)，其分層模型，也就是B-ISDN的層次結構如圖6.8所示。6.4.2ATM的信元結構5960在ATM的分層模型中，數據鏈路層被分為了ATM層和ATM適配層。其中，ATM層負責5字節(jié)的信頭。傳輸時，信頭先從第1字節(jié)開始順序向下發(fā)送，在同一字節(jié)中從第8bit開始發(fā)送，如圖6.9所示。每48字節(jié)的負載就需要5字節(jié)的信頭，其開銷高達10%，這同時也是ATM的一個缺陷。6162根據所處位置的不同，ATM的信頭可分為UNI信頭和NNI信頭，如圖6.9所示；UNINNI63(GFC：GenericFlowControl)：一般流量控制有4bit，它只用于UNI信頭，即只在本地有意義，當信元從用戶端進入網絡時，將被遇見的第一個交換機移除，不在網絡內傳輸。假設GFC=0000那么表示不接受控制的接入。ATM的信頭中各局部功能如下。

(1)一般流量控制64(VPI：VirtualPathidentifierIdentifier)：虛路徑標識在NNI中為12bit，UNI中為8bit。(2)虛路徑標識65(VCI：VirtualChannelIdentifie)：虛信道標識有16bit。VPI和VCI的工作方式如圖6.10所示。(3)虛信道標識66(PTI：PayloadTypeIdentifier)：凈荷類型有3bit，它表示是用戶數據、還是操作管理數據(OAM:OperationAdministrationandMaintenance)，是端到端的、還是分段的等信息。(4)凈荷類型67CLP(celllosspriority)：信頭丟棄優(yōu)先級有1bit。CLP=0時為平安傳輸，表示該信息是重要的，不會被丟棄；CLP=1時為最正確效果傳輸，表示此信息不太重要但仍被傳輸了。一旦出現擁塞，網絡將會釋放資源，到時候該信息就有可能被喪失。(5)信頭丟棄優(yōu)先級68(HEC：headererrorcontrol)：信頭過失控制有8bit，檢測有錯誤的信頭，可糾正信頭中1bit的信頭錯誤，但不檢測凈負荷數據段中的錯誤。同時，HEC還能起到信元定界的作用，利用HEC和它之前的4字節(jié)的相關性可識別信頭位置。(6)信頭過失控制69ATM沒了第3層，其第2層需要做到原由第3層負責的路由選擇功能。ATM采取的方式是通過VPI和VCI中存儲的信道標志來描述了單向路由的尋址過程的，如圖6.10所示。6.4.3VP交換和VC交換70交換節(jié)點根據目的地，可先終止VC連接，再同時修改VCI的值。但VC交換需與VP交換同時進行，也就是說VCI的值發(fā)生改變時，VPI值也必然會隨之改變。VC連接終止時，相應的VP連接也就終止了。此VP上的各VC連接各奔東西，參加到各個新的VP中。(1)

VC交換71VP是由多條VC復用成的VC集束，1個VP可容納多達65356個VC。VP交換時，VCI的值可以不變，僅對VP進行單獨交換。(2)

VP交換7273746.4.4ATM適配層(AAL)ATM適配層(AAL：ATMAdaptationLayer)可以使上層不必顧忌下層是否采用了ATM。AAL主要負責ATM層與高層之間的信元轉發(fā)過程，它把高層信元分割成ATM信元來傳輸，收到后再重組。75它可以再次細分為以下兩個子層。(2)分段/重組/拆裝子層(1)會聚子層子層766.4.5ATM的優(yōu)缺點ATM具有不少顯著突出的特點。(1)高效(2)利用率高(3)速率靈活(4)實時性(5)路由能力差(6)性能不突出(7)

QoS保證。7778在路由器之間引入ATM交換設備。把ATM層看成是第2層，AAL只是其上的附加。把ATM看成是和以太網、令牌環(huán)、X.25分組交換網等物理網絡一樣的一種異構網絡。交換在第3層以下，由硬件實現，這種可以縮短時間。把ATM適配器視為一般LAN網絡適配器，作為IP協(xié)議棧的一個網絡接口，而無須修改現有的高層。(1)重疊/覆蓋模式。79①局域網仿真(LANE②經典的傳統(tǒng)ATM上傳送③多協(xié)議MPOA(MultiProtocolOverATM)80這種模式把ATM層看作IP的對等層。將第3層的路由選擇與第2層的交換功能綜合起來。(2)集成/綜合模式。①IP交換②多協(xié)議標記交換MPLS816.4.7ATM的應用82836.5.1分層協(xié)議(1)獨立。(2)靈活(3)等級分明(4)方便(5)開放分層有一系列的好處：如今，大多數計算機網絡都使用的是TCP/IP體系結構。它是一個協(xié)議族，TCP和IP是其中兩個最重要的且必不可少的協(xié)議，故用它們作為代表命名。TCP/IP結構被形容為是“兩頭大中間小的沙漏計時器〞。因為其頂層和底層都要許多各式各樣的協(xié)議，IP位于所有通信的中心，是唯一被所有應用程序所共有的協(xié)議。

6.5.2TCP/IP協(xié)議第一層：網絡接口層，定義了DTE和DCE間的線路功能，完成數據幀的封裝、過失校驗，和物理地址的尋址。第二層：互連層，定義了基于網絡層地址(如IP地址)和網絡拓撲，并進行路徑選擇。IP協(xié)議就是屬于這一層。計算機網絡的網際互連設備中，路由器也是工作在這一層的。第三層：傳輸層，負責確保端到端的透明傳輸。其典型協(xié)議有TCP和UDP兩個。第四層：應用層，是網絡效勞與使用者應用程序間的接口。應用層的協(xié)議為數眾多，HTTP、DNS、SMTP、WWW等為用戶熟知的計算機網絡協(xié)調都屬于這一層。TCP/IP的體系結構由四層組成。上圖比照了OSI與TCP/IP體系結構的不同?？梢钥闯鰜?，TCP/IP體系結構比OSI模型更簡便、更流行，是一個被廣泛采用的互連協(xié)議標準，(1)

OSI層次多，而TCP/IP體系結構更簡便。(2)

OSI把“效勞〞與“協(xié)議〞的定義結合起來，格外復雜，軟件效率低。(3)

TCP/IP可以允許像物理網絡的最大幀長(MaximumTransmissionUnit，MTU)等信息向上層播送。這樣做可以減少一些不必要的開銷，提高了數據傳輸的效率。(4)

OSI對效勞、協(xié)議和接口的定義清晰的，而忽略了異種網的存在，缺少互連與互操作。(5)

OSI只有可靠效勞。而TCP/IP還有不可靠效勞，靈活性更大。(6)

OSI網絡管理功能弱。它與OSI的區(qū)別如下。6.5.3多協(xié)議標記交換MPLS(1)改善選路的性能和本錢。(2)提高傳統(tǒng)疊加模型選路的擴展性。(3)引進和實施新業(yè)務時更具靈活性。它有如下的優(yōu)點：（1）轉發(fā)等價類（FEC）（2）標簽（Label）（3）標簽棧（4）標簽交換路徑LSP（5）標簽分配協(xié)議LDP（6）標簽信息庫（LIB）（7）流束（Stream）圖6.13標簽封裝2.MPLS的網絡結構MPLS的工作流程可以分為三個方面：網絡的邊緣行為、網絡的中心行為，和建立標記交換路徑。3.MPLS的工作過程（1）網絡的邊緣行為（2）網絡的中心行為（3）建立標記交換路徑4.MPLS的特點和應用6.6IPVoIP概念和開展廣義的IP是指的“IP語音通信〞(1)技術突破期(1995-1996)：(2)發(fā)展期(1996-1999)：①1995年是業(yè)余家之年；②1996年是IP電話客戶端軟件年；③1997年是IP電話網關(Gateway)年；④1998年是IP電話網守(Gatekeeper)年；⑤1999年是IP電話應用年。(3)成熟期(2001～至今)：IP的開展，可分為三個階段：IP的業(yè)務范圍包括以下幾個方面。IP的特點(1)賦予普通電話IP功能(2)賦予呼叫中心網絡能力(3)一體化的消息傳遞(4)

IP電視電話的帶寬，所有適合與IP相結合。(1)延遲400毫秒的根本原那么。(2)

99.9999%可靠電信原那么。(3)

多媒體應用開展原那么。(4)

網絡的開放原那么(5)后臺管理的保存障原那么同時，IP具有5項根本的原那么：IP網絡在傳輸語音時，有以下兩個完全平行的協(xié)議。IP的標準〔SIP：SessionInitiationProtocol〕SIP協(xié)議源自一些Internet愛好者提出的，出發(fā)點是以現有的Internet為根底來構架IP業(yè)務網。它將IP作為Intrnet上的一個應用，只是比其他應用(FTP、Email等)多了信令和QoS。因此SIP與Internet緊密結合，適于開發(fā)新的、與互聯(lián)網結合的語音應用。并且，SIP協(xié)議簡單靈活，采用分布式的呼叫模型和基于文本的協(xié)議，利用動態(tài)數據庫的方式來尋址，沒有長途和短途之分。1．會話初始協(xié)議H.323協(xié)議源自國際電聯(lián)(ITU)，成立之初并不是專為IP提出的，而是為多媒體會議系統(tǒng)而提出標準。它把IP當作傳統(tǒng)，只是電路交換變成了分組交換。因此，易與PSTN兼容，更適合電信級大網的過渡方案。采用基于ASN.1和壓縮編碼規(guī)那么的二進制方法表示其消息。它需要特殊的代碼生成器，可以集中執(zhí)行會議控制功能，并且便于計費，對寬帶的管理也比較簡單、有效。2．H.323協(xié)議傳統(tǒng)的PBX，是利用電路交換的原理來實現集團的功能。隨著Internet的流行和IP的成功，在以太網上實現相同功能的IPPBX也應運而生。圖6.19列舉了兩個傳統(tǒng)的PBX與新型混合式IPPBX的產品。

IPPBX(1)

IPPBX實現了