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第五章 分组交换网－虚电路、 ATM

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. 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. 5.1 交换技术综述（ 2 ）.

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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。

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