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第五章 分组交换网-虚电路、 ATM

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第五章 分组交换网-虚电路、 ATM
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第五章 分组交换网-虚电路、 ATM

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  1. 第五章 分组交换网-虚电路、ATM 5.1 交换技术综述 5.2 虚电路交换技术 5.3 ATM网络技术 5.4 ATM技术的未来

  2. 5.1 交换技术综述(1) • 简单地说,交换是一种允许我们互连链路以形成一个更大规模网络的机制。交换机是一个多输入、多输出的设备,它能由一个输入端口传送分组到一个或多个输出端口。 • 现代交换技术分为电路交换和报文交换两种机制

  3. 5.1 交换技术综述(2) • 电路交换:采用面向连接的方式,在双方进行通信之前,需要为通信双方分配一条具有固定带宽的通信电路,通信双方在通信过程中将一直占用所分配的资源,直到通信结束,并且在电路的建立和释放过程中都需要利用相关的信令协议。 • 电路交换的信道复用技术:同步时分复用 仅凭时间轴上的位置就足以区分出各个信道。 1 2 3 1 2 3 1 2 3

  4. 4.1 交换技术综述(3) • 报文交换:不事先建立物理电路,当发送方有数据要发送时,它把要发送的数据当作一个整体交给中间交换设备,中间交换设备先将报文存储起来,然后根据规则选择一条合适输出线将数据转发给下一个交换设备(存储转发),如此循环往复直至将数据发送到目的结点。 • 报文交换的信道复用技术:异步时分复用 凭时间轴上的位置不能区分出各个数据单元。 1 2 3 2 1

  5. 5.1 交换技术综述(4) • 报文交换从报文格式上分为数据报交换(不定长)和分组交换(小包定长)。 • 数据报交换的数据单元大小一般对应于一次Send()的数据量,除非大于下层网络的最大许可值(以太网的包长度在 64~1518字节)。 • 分组交换是将用户传送的数据划分成多个更小的等长部分,每个部分叫做一个数据段。在每个数据段的前面加上一些必要的控制信息组成的首部,就构成了一个分组。

  6. 5.1 交换技术综述(5) • 分组交换相对于数据报交换的优点: • 并发,速度更快 • 交换节点处理更容易(没有拆/装工序) • 便于实现硬件交换: (交换简单;并行匹配设计;队列控制) • 分组交换相对于数据报交换的缺点: • 机制复杂; • 小数据时低效。

  7. 5.1 交换技术综述(6) • 电路交换、数据报交换和分组交换的传送示意图:

  8. 5.1 交换技术综述(7) • 报文交换从交换形式上分为逐点路由(也称为数据报转发)和虚电路两种方式。 • 在虚电路操作方式中,网络的源节点和目的节点之间先要建立一条逻辑通路 (“虚”电路)。当分组到达节点时,节点根据其携带的逻辑信道号匹配虚电路表,以确定该分组应发出的端口及其下一段信道上所占用的逻辑信道号,再将该分组发往下一个节点。发送分组将按原始顺序到达目的节点 。 • 在逐点路由方式中,每个数据报自身携带有足够的信息。整个数据报传送过程中,由每个交换节点为每个数据报查找路由表,单独作出路由选择,各数据报不能保证按顺序到达目的节点,有些还可能会丢失。

  9. 5.1 交换技术综述(8) • 虚电路交换可免去每个分组要有地址信息的额外开销。它提供了更可靠的通信功能,保证每个分组正确到达,且保持原来顺序。还可以对两个数据端点的流量进行控制(资源预留控制)。但虚电路有一个弱点,当某个节点或某条链路出现故障而彻底失效时,则所有经过故障点的虚电路将立即破坏。 • 数据报交换省去了呼叫建立阶段,它传输会话报文少时比虚电路方式简便灵活。在数据报方式中,报文可以绕开故障区而到达目的地,因此故障的影响面要比虚电路方式小很多。但数据报不保证分组的按序到达,数据的丢失也不会立即知晓。

  10. 5.2 虚电路交换技术(1) • 连接性:主机建立虚连接以后才能发送报文,报文携带链路范围内有效的虚电路标识(VCI)沿同一虚电路转发。 • 服务质量保证:在建立连接阶段为每条虚电路分配足够的资源,以保证带宽、延时等需求。 • 每个交换节点保留一张虚电路表,经过自身的一条虚电路由入口号和出口号共同标识,入口号由自身确定,出口号通过反馈方式由下游节点告知。

  11. 交换机2 交换机4 交换机1 交换机3 5.2 虚电路交换技术(2) • 永久虚电路(PVC:Permanent VC) 管理员配置或者由管理员通过发起信令建立 • 交换虚电路(SVC:Switched VC) 主机通过发起信令建立

  12. 5.2 虚电路交换技术(3) • 虚电路建立过程: • A发送建立分组给网络,最终目的地是D • 交换机1为建立分组分配输入VCI为3,出口选5 • 交换机2为建立分组分配输入VCI为5,出口选2 • 交换机4为建立分组分配输入VCI为7,出口选4 • D分配输入VCI为4 • 输入VCI通过反向路径返回给沿途各个节点 VC表记录: 由VC到达交换机的分组的输入端口+分组输入时的VCI +VC离开交换机的分组的输出端口 +输出分组的另一个可能不同的VCI

  13. 5.2 虚电路交换技术(4) • 虚电路模拟实验设计: 1、要求设计具有动态虚电路号、资源预留功能的虚电路机制; 2、设计建立连接、撤销连接的机制; 3、设计虚电路机制下报文格式及虚电路表结构; 4、用软件编程方式模拟虚电路通信过程。

  14. 5.2 虚电路交换技术(5) • 5月13日交书面作业(作为期中考试): 1、虚电路表中为什么需要输入端口号? 2、虚电路机制如何保障资源预留,数据报方式可以实现资源预留吗?为什么? 3、为什么互联网网络层采用数据报方式,而不是虚电路方式?

  15. 5.3 ATM网络技术(1) • ATM发展历史: • 1980:窄带ISDN被采用 • 80年代早期:快速分组交换的研究 • 80年代中期:B-ISDN研究小组成立 • 1986:ATM被选作B-ISDN的方法 • 1989年6月:48+5选定(64+5 对32+4) • 1991年10月:ATM论坛成立 • 1992年7月:ATM论坛发布UNI v2 • 1993:UNI v3 • 后来:PNNI-1, UNI 4.0】 • 现在:MPLS Over ATM

  16. 信道1 信道3 信道1 信道6 信道4 5.3 ATM网络技术(2) 三种传输模式: 同步: 报文: 异步: 时隙1 时隙2 时隙3 时隙n 主机A 数 据 主机B 数 据

  17. 5.3 ATM网络技术(3) • ITU-I定义了两种B-ISDN业务 • 交互型业务 双向传输,包含三类业务 • 会话:语音、交互式数据、视频会议 • 消息:文挡邮件和视频邮件 • 检索:文本、数据、图像、视频和混合文挡检索 • 分配型业务 • 不需用户参与控制的业务,如传统的电视业务 • 可由用户参与控制的业务,如交互式电视业务

  18. 5.3 ATM网络技术(4) • ATM传输示意: • ATM的位置: 三套与B-ISDN相关的标准和技术 • 支持N-ISDN的SS7作为支持B-ISDN的信令和控制标准 • ATM是核心网的交换和传输技术 • SDH/SONET是物理的骨干网络传输技术

  19. 5.3 ATM网络技术(5) • ATM机制的特点: • 采用虚电路的面向连接的传输 • 定长的53字节信元简化了交换设计 • 音频和视频流不会因大的数据组而延迟 • ATM节点只在有数据的时候才会占用带宽 • 第一个能跨越局域网和广域网环境的技术

  20. 48-octet Payload 5.3 ATM网络技术(6) Video Data Voice • 预先建立虚连接 • 不同的业务流量被切割成相同大小的信元,封装成统一的格式在网络中传输,并在传输终点重新聚合起来 • 初始化连接时协商QoS ATM cells

  21. 5.3 ATM网络技术(7) • ATM机制的特点: • 采用虚电路的面向连接的传输 • 定长的53字节信元简化了交换设计 • 音频和视频流不会因大的数据组而延迟 • ATM节点只在有数据的时候才会占用带宽 • 第一个能跨越局域网和广域网环境的技术

  22. 5.3 ATM网络技术(8) IP over DWDM IP over SDH IP over ATM • 华为公司城域网方案举例(基于ATM) 10G ATM广域网 ATM局域网

  23. 5.3 ATM网络技术(9) • ATM协议模型: • 用户平面 提供用户信息转送; • 控制平面 呼叫与连接控制; • 管理平面 平面管理:与整个系统相关的管理功能 层管理:与协议实体内部资源与参数相关的管理功能 • ATM适配层(AAL) CS: 汇聚子层 SAR:拆拼子层 • ATM层 • 物理层

  24. 5.3 ATM网络技术(10) Public ATM Network Private ATM Network Private-NNI UNI UNI Intra-NNI Private-UNI • UNI: 用户-网络接口UNI(user-network interface) • NNI: 网络-网络接口NNI(network-network interface)

  25. 5.3 ATM网络技术(11) • ATM信元格式: • 固定大小 • 5 个八比特组的首部 • 48个八比特组的信息字段 • 小信元减小高优先级信元的排队时延 • 固定信元交换时效率更 • 小信元的交换容易用硬件实现 GFC VPI VCI PT CLP HEC UNI: NNI:(更大的VP区域用于骨干交换) 8 16 3 1 8 4 32 Bits 8 Bits CRC

  26. 5.3 ATM网络技术(12) • ATM信元格式: • 一般流量控制 GFC — Generic Flow Control 4比特 • 仅出现在UNI接口的信元首部中 • 仅控制本地UNI接口上的信元流 • VPI — Virtual path identifier • UNI接口8比特,NNI接口12比特 • VCI — Virtual channel identifier 16比特 • 净负荷类型(PT — Payload Type) • 比特1为0时—用户(上一层)信息 • 比特2:1/0 —是否遭受拥塞;比特3:0/1—SDU类型0/1 • 比特1为1时—管理或维护信息 • 信元丢弃优先级 (CLP — Cell loss priority ) • 为1,一遇拥塞时就丢弃该信元;为0,无其它选择时才丢弃 • 首部差错控制 • 也用于同步

  27. 5.3 ATM网络技术(13) • ATM信元格式中并没有拆装包的序号区域,设计时ATM层不考虑上层兼容,需要ATM适配层(AAL)实现支持不基于ATM 的信息传送协议 • PCM (话音) • 将比特汇集进信元 • 还原为恒定的比特流 • IP • 映射IP 分组到ATM信元中 • 将IP分组分割和重组 • 在ATM上使用LAPF保持整个IP基础结构

  28. 5.3 ATM网络技术(14)

  29. 5.3 ATM网络技术(15) • Virtual channel connections (VCC) • 类似于 X.25虚电路 • 最基本的交换单元 • 在两个端用户之间建立 • 交换的信元流 • 固定大小 • 可变速率 • 全双工 • 用途 • 数据转送 • 用户-网络交换 (控制信令) • 网络-网络交换 (网络管理与路由选择) • Virtual path connection (VPC) • 一束具有相同端点的 VCC

  30. 5.3 ATM网络技术(16) • 简化了网络体系结构 • 划分为分别与单逻辑连接和逻辑连接组相关的功能 • 提高了网络性能和可靠性 • 网络实体更少更集中 • 缩短了处理过程和连接建立时间 • VP建立时预留了容量,简化了VCC建立过程 • 增强了网络服务 • 用户可定义由VC束组成的closed user groups或由VC束组成的closed networks

  31. 5.3 ATM网络技术(17) VCI 1 VCI 2 VCI 3 VCI 4 VPI 1 VPI 4 VCI 3 VCI 4 VCI 5 VCI 6 VPI 2 VPI 5 VCI 5 VCI 6 VCI 1 VCI 2 VPI 3 VPI 6 VP Switch 仅基于VP交换:仅使用 VPI 确定cells的一条路由

  32. VC Switch VCI 2 VCI 3 VCI 4 VCI 1 VPI 3 VPI 2 VPI 1 VCI 4 VPI 2 VCI 1 VPI 1 VCI 2 VPI 3 VCI 3 VCI 1 VCI 1 VPI 5 VPI 4 VCI 2 VCI 2 VP Switch 5.3 ATM网络技术(18) 基于VPC交换:同时使用VPI和VCI确定cells的一条路由

  33. 5.3 ATM网络技术(19) ATM交换机每端口上的VP/VC的值必须是唯一的 4/55 Port VPI/VCI Port VPI/VCI 1 2/39 2 4/55 2 2/39 6/64 2 4/55 1 2/39 1 1 6/64 3 2/89 3 3 2/89 1 6/64 2/39

  34. 5.3 ATM网络技术(20) 端点设备与交换机中的ATM层次

  35. 5.4 ATM网络技术的未来(1) 事实上,近年来,ATM在与IP的较量之中,确实落于下风,尤其是在局域网领域,千兆和万兆以太网此起彼伏地交响,几乎已经淹没了ATM的所有声音。但从市场情况来看,2002年ATM交换机的市场容量仍然在106亿美元左右,而路由器的市场总额是40亿美元左右;从网络建设的情况看,一此电信运营商还在投资建设ATM网。这些方面说明ATM并没有死,也没有被替代。它仍然在网络建设中占据着应有的份额。在这种情况下,应当如何来看待ATM技术的发展呢?

  36. 5.4 ATM网络技术的未来(2) • ATM是八十年代中期作为一种广域网技术提出来的,由于ATM具备高带宽、低延时等特性而备受青睐。九十年代,许多人认为,ATM将是各种协议的终结者,ATM将会一统语音和视频、公网与专用网、广域网与局域网,形成一个覆盖全球的统一网络。 • 时至今日,ATM不仅没有实现一统网络的梦想,反而将越来越多的市场空间让给了以太网。IP与以太网的无缝融合挡住了ATM向桌面的扩张。 • ATM有其固有的缺陷,如高昂的部署成本,复杂的分层和操作技术等等,这种缺陷决定了ATM的局限性。因此,当初对ATM的宣传和预测是有泡沫的”。

  37. 5.4 ATM网络技术的未来(3) • 在互联网中对于高层协议而言,通过统一的IP协议层屏蔽了各种低层协议和物理网络技术(如X.25、DDN、以太网、令牌环、帧中继、ATM、SDH、WDM)的差异,实现了“IPovereverything”的目标。目前互联网的另一个目标是实现“everythingonIP”,但要实现everythingonIP这样的目标,对于目前的IP技术来说是有相当大的困难的,需要其它技术来帮助解决”。 • 现有的IP网络虽然通过采用新技术,如:IPoverSDH或IPoverWDM,在一定程度上解决了传送带宽的瓶颈问题,但仍然还是传统的路由器加专线的组网方式,存在逐条寻址与转发等问题,不能保证服务质量和信息安全。

  38. 5.4 ATM网络技术的未来(4) • ATM具有传统电信网和传统分组网所不具有的优点 • 高速综合业务支持能力 • 传送多媒体业务能保证QoS • ATM价格昂贵,不可能取代巨大的电信网络和计算机网络 • ATM网络需要与IP网络结合 • IP网络与ATM的优势可以互补; • 采用ATM部分技术的IP核心网:MPLS。