引言BASET网络千兆位以太网VG.ppt

4.1 引言 4.2 100BASE-T网络 4.3 千兆位以太网 4.4 100VG-AnyLAN网络 4.5 FDDI网络 4.6 ATM网络 4.7 交换式网络 4.8 广域网络,第4章 多媒体通信网络环境,4.1 引 言,图 4.1 网络体系结构的层次划分,4.2 100BASE-T网络,4.2.1 100BASE-T技术规范 100BASE-T技术规范主要是物理层规范, 定义了新的信号收发标准, 将传输速率提高到100 Mb/s。 100BASE-T定义三种物理层规范: 100BASE-T4、 100BASE-TX和100BASE-FX, 分别支持不同的传输介质。 MAC层通过一个介质独立接口（MII）与三种物理层规范中的一个相连接。 由于MAC层通过MII与物理层接口, 且与传输速率无关, 因此, 在100BASE-T的MAC层, 其数据帧格式、数据帧长度、差错控制及管理信息等均与10BASE-T相同。,1. 物理层 (1) 100BASE-T4 100BASE-T4是4对无屏蔽双绞线(UTP)电缆系统, 支持3、4和5类UTP电缆, 使用RJ45连接器, 传输距离为100 m。 在4对线中, 3对用于数据传输, 1对用于冲突检测。100BASE-T4是一种新的信号收发技术, 它采用8B6T编码方法, 将8位二进制码编码成6位三进制码组, 再经过不归零（NRZ）编码后输出到3对数据传输线上, 每对线的传输速率为33.3 Mb/s, 3对线的总传输速率为100 Mb/s, 链路操作模式为半双工操作。这样, 在音频级3类UTP电缆上可实现100 Mb/s的传输速率, 使得那些使用3类UTP电缆布线的10BASE-T网络也能升级到100BASE-T, 从而保护了用户已有的投资。,(2) 100BASE-TX 100BASE-TX是一个2对UTP电缆系统, 支持5类UTP或1类屏蔽双绞线(STP)电缆, 5类UTP电缆使用RJ45连接器, 1类STP电缆则使用9芯D型(DB-9)连接器, 传输距离为100 m。 100BASE-TX采用的是FDDI物理层标准, 使用相同的4B5B编码器和收发器, 链路操作模式为全双工操作。 也就是说, 100BASE-TX是将已标准化的802.3 MAC子层和FDDI的物理介质(PMD)子层结合起来, 形成其信号收发标准的, 因此, 技术上比较成熟, 可直接采用为FDDI开发的物理层芯片。,(4) 10/100 Mb/s 自动协商 自动协商（Autonegotiation）是IEEE 802.3规定的一项标准, 它允许在同一网段上的节点之间相互通报容量并自动协商传输速率。 对于100BASE-T来说, 站点(网卡)和集线器（HUB）之间允许有两种通信操作模式: 高速率(100 Mb/s)和低速率(10 Mb/s), 而通信操作模式是由自动协商功能来确定的。,协商信息是由一个连接测试脉冲序列传送的, 该脉冲序列称为快速连接脉冲序列（FLP）, 并且不占用有效带宽。当一个100BASE-T站点启动时将自动产生FLP, 同一电缆段上的另一个站点将会接收到这个FLP。 如果接收站也是一个100BASE-T站点, 便能够识别FLP, 并根据从FLP中提取出来的数据便可知道对方的速率, 双方通过协商自动将通信操作模式设置成高速率, 以100 Mb/s速率进行通信。 如果该站点是一个10BASE-T站点, 则不能识别FLP, 双方都要将通信操作模式设置成低速率, 以10 Mb/s速率进行通信。,例如, 如果一个10/100网卡和一个10BASE-T集线器连接, 该网卡将会产生FLP, 但可能只接收到10BASE-T集线器返回的正常连接脉冲(NLP)。 10/100网卡自动将通信操作模式设置成低速率, 以10 Mb/s速率与10BASE-T集线器进行通信。 如果将10BASE-T集线器升级为100BASE-T集线器, 10/100网卡将会接收到FLP脉冲, 网卡和集线器通过自动协商算法自动将通信操作模式设置成高速率, 以100 Mb/s速率进行通信。在这一速率升级的过程中, 无须人工干预。,2. MAC层 100BASE-T 沿用了原有的IEEE 802.3 MAC层协议, 即CSMA/CD协议, 主要完成数据帧的封装与发送以及数据帧的接收与解封等控制。 CSMA/CD是一种分布式随机型介质访问控制协议, 网络中各个站点将根据网络工作状态自我调整和控制对介质的访问, 实现数据传送。 (1) 帧格式,图 4.2 CSMA/CD的帧格式,7 1 2/6 2 461500 4,PA（前导码）: 在定界符之前发送, 以使信号电路达到稳定的同步状态。 PA为持续7个字节的10101010位序列信号。 SFD（帧定界符）: 它表示有效帧的开始, 其代码为10101011, 只有一个字节。 DA, SA（目的地址, 源地址）: 可以选择16位或48位, 但这两个地址长度必须保持一致。DA可以是单一地址, 也可以是组播地址或广播地址, 而SA只有单地址。选用48位地址时, 可用特征位来指示, 作为局部或全局管理地址。,FL（帧长度）:它用两字节来表示LLC层的协议数据单元PDU的长度。 PDU（协议数据单元）: 表示要传送的LLC层数据, 它所包含的LLC层数据应是一个8位位组序列。 PAD（填充）: 为了满足最小帧长度(64字节)要求, 对超短数据帧要填充若干字节的零。 FCS（帧校验序列）: 它采用32位CRC校验, 用规定的生成多项式去除数据信息, 获得的余数作为校验序列, 设置FCS字段。,(2) 帧发送控制 在MAC层, 由CSMA/CD协议控制数据帧的发送, 其工作过程如下: 一个站要发送数据帧, 首先要监听介质, 以确定介质上是否有其它站点正在使用介质发送数据帧, 以免破坏正在发送的数据帧。 如果介质是空闲的, 则可以发送; 如果介质是忙碌的, 则要继续监听, 直到介质空闲时方可发送。 , 在发送数据帧的同时, 还要继续监听总线。 一旦监听到冲突发生, 便立即停止发送, 并向介质发出一串特殊的阻塞信号来加强冲突, 以通知介质上各个站点已发生冲突, 以免介质带宽因传送已损坏的帧而被白白地浪费; 如果无冲突发生, 则继续发送, 直至数据发送完。 冲突发生后, 应随机延迟一个时间量, 再去监听介质, 重新传送因冲突而被损坏的数据帧。 通常采用二进制指数退避算法计算延迟时间, 其计算公式为RA2N。 其中, R为一个伪随机数, A为一个时间片, 1个时间片等于信号从始端传输到末端所需时间的2倍, N为本次传送所发生的冲突次数。, 设置一个最大重传次数, 如果冲突次数超过这个值, 则不再进行重传, 而向上层报告出错信息。发生冲突现象主要是由于两个及两个以上的站点同时监听到介质空闲, 几乎同时发送数据帧而引起的。发生的冲突站点都要通过二进制指数退避算法随机延迟一个时间量。由于各个站点延迟的时间量是随机的、互不相同的， 因而延迟时间短的站点将先于延迟时间长的站点再去监听介质, 重新传送数据帧; 延迟时间长的站点再去监听介质时发现介质已被占用, 就会退出竞争,继续等待; 这样就解决了冲突问题。二进制指数退避算法是按照后进先出的次序控制的, 即未发生冲突或很少发生冲突的站点延迟时间短, 具有优先发送的概率。而发生过多次冲突的站点延迟时间长, 发送成功的概率较小。,(3) 帧接收控制 介质上的非发送站点总是处于监听状态。 当监听到介质上有信号时, 则启动帧接收过程。 对于接收到的数据帧, 要进行如下的有效性检查。 滤除“帧碎片”。 当接收的数据帧长度小于最小帧长(64个字节)限制时, 则认为是因冲突而产生的不完整帧, 将该帧丢弃。 检查数据帧的目的地址字段(DA)是否与本站地址相匹配。 如果不匹配, 则说明不是发送给本站的, 将该帧丢弃。地址匹配分为两种情况: 如果帧的目的地址是单一地址, 则必须完全地址匹配; 如果帧的目的地址是组播地址或广播地址, 则要当作地址匹配接收该帧, 因为这类帧需要提交给高层协议处理。, 对帧进行CRC校验。 如果CRC校验有错, 则说明发生传送错误, 将该帧丢弃。 对帧进行帧长度检验。 帧长必须是8位的整数倍, 否则丢弃掉。 最后将有效的帧提交给LLC层。,4.2.2 100BASE - T网络组成,图4.3 100BASE - T网络拓扑规则,100BASE - T标准定义了两级中继器, 即1级中继器（Class )和2级中继器(Class ), 一个网段中最多允许有一个1级中继器或两个2级中继器。 100BASE-T网络的主要拓扑规则为: 集线器与站点之间的最大UTP电缆长度仍为100 m; 采用半双工100BASE - FX进行MAC到MAC连接时, 光纤长度可达400 m; 采用两个2级中继器时, 中继器之间的最大电缆长度为5 m;,采用双中继器结构时, 两个站点之间(端点到端点)的最大网络电缆长度为205 m(100+5+100=205 m UTP); 采用单中继器结构时, 可连接185 m的光纤。 这种情况下的最大网络线缆长度为285 m(100 mUTP+185 m光纤下行链路); 采用全双工100BASE - FX进行远距离连接时, 两台设备之间的连接距离可达2000 m。,千兆位以太网是由千兆位以太网联盟开发的1000 Mb/s以太网技术, IEEE已将它作为IEEE 802.3z和802.3ab标准, 成为802.3标准家族中的新成员。 千兆位以太网标准主要定义了物理层规范, 而MAC层仍采用CSMA/CD协议, 但对其规范进行了重定义, 以维持适当的网络传输距离。 由于千兆位以太网和其它以太网一样, 没有提供对QoS的支持, 这对于多媒体通信来说, 仍然是一种缺陷。,4.3 千兆位以太网,1. 千兆位以太网标准 千兆位以太网标准分成两个部分: IEEE 802.3z和IEEE 802.3ab。 IEEE 802.3z定义的传输介质为光纤和宽带同轴电缆, 链路操作模式为全双工操作。 其中: 光纤系统: 支持多模光纤和单模光纤系统, 多模光纤的传输距离为500 m; 单模光纤的传输距离为2000 m。 宽带同轴电缆系统: 其传输距离为25 m。 IEEE 802.3ab定义的传输介质为5类UTP电缆, 传输距离为为100 m, 链路操作模式为半双工。,2. 向千兆位以太网迁移和升级,图 4.4 千兆位以太网解决方案,(1) 交换机与交换机之间的连接 一种简单的升级方案是将交换机与交换机之间的链路速率由100 Mb/s升级到1000 Mb/s。 这种升级方案需要在相应的交换机上安装千兆位以太网的网络端口模块, 并通过这些模块来实现1000 Mb/s链路的连接。 升级后的网络能够连接更多的交换式或共享式100BASE -T网段, 在更大的范围内为用户提供高带宽的访问能力。,(2) 交换机与服务器之间的连接 另一种升级方案是将企业网中全局性的超级服务器迁移到交换机的千兆位以太网端口上, 使链路速率升级到1000 Mb/s。 这种升级方案需要在交换机和服务器上分别安装千兆位以太网网络端口模块和千兆位以太网网卡, 以实现1000 Mb/s链路连接。 升级后的网络将大大增加企业服务器的吞吐量, 为用户提供更快速的信息访问能力。 千兆位以太网的推出再一次显示了以太网技术在构造网络系统上所发挥的重要作用, 也为多媒体通信提供更大的传输带宽。,4.4 100VG - AnyLAN网络,4.4.1 100VG-AnyLAN技术规范,1. 物理层 (1) PMD子层 PMD子层的主要功能是信道复用（仅用于2对电缆或光纤系统）、 NRZ编码、 链路操作模式和连接状态控制等。 100VG标准支持四种介质类型: 4对UTP、 2对UTP、2对STP和光纤。 对于2对电缆或光纤系统, 由PMD子层通过多路转换的方法将4个通道分别转换成2个或1个通道, 实现信道复用。对于4对电缆系统, 每对线都构成1个传送通道, 并以25 MHz的信号速率工作, 那么4个传送通道的数据速率之和可达到100 Mb/s。,在4对电缆系统中, 每对线都构成1个传送通道, 4对线的配对方式是: 线1和线2组成通道0; 线3和线2组成通道1; 线4和线5组成通道2; 线7和线8组成通道3。 根据传送的数据类型, 链路操作可采用全双工或半双工方式。 全双工操作用于在集线器与站点之间传输链路状态控制信息, 从集线器向站点传输链路状态控制信息时要使用通道0和通道1; 从站点向集线器传输链路状态控制信息时要使用通道2和通道3。 半双工操作用于在集线器与站点之间传输数据, 并使用全部四个通道, 从站点向集线器传送数据, 或站点从集线器接收数据。,(2) PMI子层 PMI子层的主要功能包括传输通道选择、 5B6B编码和数据帧封装等, 为PMD子层传输帧做好装备。 通道选择是把MAC帧8位位组分成5位位组, 并顺序地分配给4个通道的过程。 分成5位位组是为了5B6B编码的需要。 5B6B编码是将5位位组数据编码成6位符号, 通过这一编码过程将产生一个平衡的数据模式, 以便于接收端的时钟同步。 每个通道都要进行数据帧的封装, 为数据帧添加帧前导码、 帧起始定界符和帧结束定界符, 形成最终在网络上传输的帧格式。,2. MAC层 MAC层定义了一种称为需求优先访问(DPA)的介质访问控制协议。 DPA协议是一种集中式确定型协议, 由集线器对站点的网络访问实行集中控制。 当一个站点需要传送数据时, 首先要向集线器发出传输请求，只有当集线器认可请求并指示传送时, 该站点才能开始传送数据。从理论上讲, 这种MAC协议能够减少或消除因冲突而产生的重复传送现象, 有利于提高网络有效带宽, 减少网络延时。,图 4.5 100VG - AnyLAN网络结构,(1) 100VG网络结构,(2) DPA协议 DPA协议是一种集中式介质访问控制协议, 它规定任何站点需要传送数据时, 必须首先向集线器发出传输请求, 只有在集线器认可请求并指示传送时, 站点才能开始传送数据。DPA协议定义了两种传输请求: 正常优先权请求（Normal Priority Request, NPR）和高优先级请求（High Priority Request, HPR）。 通常, 传输请求优先权是由站点上高层软件(管理软件或应用软件)设定的。高层软件将根据应用对实时性的需求, 选择适当的服务类别和相应的优先级, 然后提交给MAC层。 MAC层将根据其优先级, 向集线器发出NPR或HPR。,每个集线器为NPR和HPR分别建立和维护一个独立的请求队列。NPR是按端口号顺序排队等待处理, 而HPR则按先来先服务的规则进行处理。 集线器在处理NPR过程中, 如果接收到HPR, 则先存入HPR队列, 在处理完当前正在进行的数据传输后, 立即开始处理HPR。当HPR队列中所有的HPR都处理完后, 再返回继续处理NPR队列中的请求。 为了保证在HPR过分密集的情况下也能对NPR进行适当的处理, 集线器将连续地监视节点的请求发送时间, 如果时间延时超过规定的最大时限（大约200300 ms）, 则集线器自动将NPR升级为HPR。,当一个站点发出一个传输请求后, 与该站点直接相连的集线器将接收这个请求。如果该集线器是网络中惟一的集线器, 那么它就是网络的中央集线器, 该集线器将根据站点登记的地址和请求优先权来处理这个传输请求。 如果直接相连的集线器不是中央集线器, 它就将传输请求传送给它的上一级集线器, 直至送到中央集线器。中央集线器在循环扫描周期内依次查询各个端口, 如果有请求的端口是个单节点（连接的是站点）, 则分配一个时间片, 允许它传送一个数据帧; 如果有请求的端口是个多节点（连接的是下级集线器）, 则根据站点数分配相应数量的时间片, 允许其下级集线器的每个端口都能传送一个数据帧。例如, 在图4.5中, NPR的处理顺序是: PC1 - 1, PC2 - 1, PC2 - 2, , PC2 - n, PC1 - 3, , PC1 - n。如果其中发生HPR, 则该请求将得到优先处理, 而与端口顺序无关。,(3) 连接准备 连接准备是一个连接的初始化过程。 在连接准备过程中, 集线器与站点之间通过相互交换一些特殊的测试帧来测试电缆连接的正确性。 同时, 站点还要向集线器报告有关的连接信息, 如设备类型（集线器或站点）、操作模式（普通或监控）、帧格式（802.3或802.5）以及连接到该端口的站地址等。这样, 集线器在进入连接操作前可以获得每个端口所连接站点设备的有关信息。 连接准备是在站点或集线器初始加电时, 或在站点首次连接到集线器时由站点发起的。当站点或集线器检测到特定的错误时, 也会发出连接准备请求。,(4) MAC帧准备 MAC帧准备是一个MAC帧的封装过程。 MAC层要按所选择的帧格式（802.3或802.5）对LLC层传下来的数据帧进行封装, 如填写源地址字段、 计算并填写帧校验和等。封装后的MAC帧就可提交给物理层进行传送了。,4.4.2 100VG - AnyLAN网络组成 100VG网络采用的是和10BASE - T相一致的星形结构, 主要拓扑规则为: 站点与HUB之间的最大电缆长度为: 3类UTP和1类STP为100 m, 5类UTP为150 m; 对于3类UTP和1类STP电缆, 可支持4个中继器(即HUB)行程, HUB之间的最大电缆长度 为100 m; 对于5类UTP, 可支持3个中继器行程, HUB之间的最大电缆长度为100 m; 两个站点之间(即端 - 端)的最大网络电缆长度为500 m。 采用半双工连接时的光纤长度可达2000 m。,4.5 FDDI 网 络,4.5.1 FDDI技术规范 FDDI标准由物理层、 MAC层以及站管理等协议组成。 其中, 物理层分成物理介质相关（PMD）和物理协议（PHY）两个子层。 1. 物理层 (1) PMD子层 PMD子层定义了光纤介质以及光纤连接器、 光纤收发器等连接设备的技术特性。 ,PMD子层定义了两种光纤: 一种是多模光纤; 另一种是单模光纤。 对于多模光纤, 链路长度可达4 km; 对于单模光纤, 型收发器所允许的链路长度可达1015 km, 型收发器所允许的链路长度可达4060 km, 并允许单模光纤和多模光纤混合使用。,2. MAC层 MAC层主要定义了一种称为定时令牌循环协议的MAC协议, 它是IEEE 802.5 MAC协议的改进型, 在介质利用和带宽分配等方面具有更高的性能。 (1) MAC帧格式,图 4.6 FDDI的MAC帧格式,PA: 前文, 用于站点的时钟同步。 SD: 起始定界符, 用于识别有效信息的开始。 FC: 帧控制, 由8位组成, 用于确定帧类型的特征。 如果是令牌帧, 则定义令牌的类型（限制性令牌或非限制性令牌）; 如果是数据帧, 则定义服务的类型（同步帧或异步帧）、 地址域长度（16位或48位）、 服务访问点（SAP)以及其它与类型相关的信息。 DA、 SA: 目的地址、 源地址。 它们的长度取决于FC的值, 可以是16位或48位。 DA可以是单一地址、 多点地址或广播地址。,INFO: 信息域, 其最大长度为4500个字节（基本型FDDI）或者8600个字节（增强型FDDI）。 FCS: 帧校验序列, 采用32位循环冗余校验码（CRC）。 ED: 结束定界符, 令牌帧是8位, 其它帧是4位。 FS: 帧状态, 用于指示检错、 识别地址以及帧复制等状态。,(2) 介质访问机理 FDDI和TokenRing(802.5)一样都采用了令牌环介质访问控制协议, 即只有获得令牌(Token)的站点, 才有权发送数据。 802.5采用的是单令牌协议; 而FDDI 采用的是多令牌协议,FDDI协议规定发送站在发送完数据帧后, 可立即发送一个新令牌, 而不必等到数据帧返回后才发送令牌, 这一点与802.5不同。 因此, FDDI具有较高的介质利用率。 非发送站对接收到的帧进行信号整形, 以补偿信号的传输衰减和时钟偏移, 同时比较数据帧的目的地址是否与本站地址相匹配。如果匹配, 则将数据帧复制到本站的缓冲区中; 否则只转发帧。数据帧绕环一周, 再由发送站从环上取下该帧。,(3) 通信带宽容量分配 为了保证所有的站点都能以均等的机会访问介质, FDDI定义一种定时令牌循环协议, 它规定每个站都要连续地测算令牌绕环一周所耗费的时间量。 时间量越大, 说明网络上的负载(即站点数量)就越大。 每个站点都要根据网络负载的大小自动地调整占用令牌的时间, 以便公平且有限地使用介质。,为了有效利用和控制通信带宽, FDDI定义了两种通信方式: 一种是同步方式, 其带宽和响应时间是保证的, 主要用于传送音频、 视频等多媒体信息, 这类帧称为同步帧; 另一种是异步方式, 其带宽是动态共享的, 主要用于传送系统控制信息和用户会话信息, 这类帧称为异步帧。 各个站点在占用令牌的时间内, 利用定时令牌循环控制机制, 确定发送同步帧的数量, 并动态地确定是否发送异步帧以及发送异步帧的数量。 此外, 在异步通信方式下, 令牌被分成限制性令牌和非限制性令牌两种。限制性令牌主要用于实现多帧对话功能; 非限制性令牌则用于传送对实时性要求不高的数据, 它提供了8个优先级别以及相应的优先级调度功能, 允许高层软件通过优先级对异步带宽进行调整和控制。,定时令牌循环协议规定每个FDDI站点设有三个计数器: 目标令牌循环时间(TTRT): 在初始化时设置的, 并且固定不变。 令牌循环时间(TRT): 一个站点从发送令牌后到再次得到令牌所经历的时间。 TRT值大小反映了当前网络负载情况, 该值越大, 说明网络负载越大。 令牌持有时间(THT): 一个站点得到令牌后可用于发送数据帧的时间。 当THT值减为0后, 该站点必须向下游站点发送令牌。 如果这时还有数据未发送完, 则要等到下次得到令牌后再发送。,每个FDDI 站点将按下列方式确定同步和异步时间片: 同步时间片:TTTRTN, N为环中同步站点数; 异步时间片: THT=TTRTTRT。 每个FDDI站点所采用的数据发送策略是: 首先在同步时间片内发送同步帧, 然后再在异步时间片内发送异步帧。 这样, 一个令牌的绕环时间最长为2TTRT, 这就是一个站点最迟可获得令牌的时间。它也说明了FDDI所采用的定时令牌循环协议是一种分布式确定型访问控制协议。,3. 站管理 站管理协议主要定义了若干管理服务功能, 用于管理和协调FDDI中各个子层的操作, 以保证环网上的所有站点都能协调一致地工作。 站管理服务主要有连接管理(站的插入和删除)、站点初始化管理、内部配置管理、 故障的隔离与恢复、外部控制接口协议、 统计信息的收集以及地址管理等。,4.5.2 FDDI网络组成,图 4.7 FDDI环网的组成, 双连接站（DAS）。 DAS有两个光收发器, 连接到双环网络的两个环上, 能够在两个环上接收和中继光信号。DAS规定了两个光纤连接口, 一个是A接口, 内含主环的输入和次环的输出; 另一个是B接口, 内含主环的输出和次环的输入。 当其中的一个光收发器失灵或一条物理链路发生故障时, DAS仍可正常工作, 具有较高的可靠性。 单连接站（SAS）。 SAS只有一个光收发器, 只能连接到一个环路上。SAS的物理接口称为从口（即S口）, 必须通过集中器与双环网络连接。, 集中器（Concentrator）。 集中器本身可以是DAS（连接到双环上）, 也可以是SAS（连接到另一个集中器上）。 集中器提供的附加口称为主口（即M口）, 用于将SAS连接到双环网络上。 集中器接收来自主环上的数据, 然后依次转发到主口所连接的设备上, 在最后一个主口收到数据后, 再转发到主环上。 当集中器所连接的设备发生故障或主口空闲时, 有关链路在其内部被旁路, 使环网仍能保持连通。,在FDDI网络中, 站点内部设置了若干监控机制, 用于识别链路或站点出现的故障、 站的删除、 掉电以及链路误码率与噪音的监测等。 集中器内部采用旁路机构来绕开故障, 而DAS则采用短路方式来绕开故障。在短路情况下, 站点上正常工作一侧得到的输入信号将直接送到同一侧的输出光纤上; 另外, 在故障一侧最近的邻接站也要作短路处理, 从而绕开了故障。 这时, 双环网变成单环网。如果同时出现两个短路情况, 则双环被分成两个不相连的子网。当故障消除后, 网络将会自动恢复原来的双环操作方式。,4.6 ATM 网 络,ATM（Asynchronous Transfer Mode, 异步传输模式）是一种面向连接的交换式网络, 支持多种不同的服务类别, 提供155 Mb/s、 622 Mb/s或者更高的传输速率。 ATM作为宽带综合业务数字网（B - ISDN）的核心技术, 将WAN和LAN综合在一个统一的公共网络基础平台上, 以满足不断增长的多媒体通信业务的需要。 传统网络技术在推动网络技术的发展和应用上发挥了巨大的作用, 目前仍然是网络技术的主体。 但随着多媒体通信业务量的发展, 越来越暴露出以下几个方面的缺陷。, 基于非连接的地址匹配规则。 数据传输是以可变长度的数据帧为单位, 并且是以“目的站点是可用的”的假设条件为前提的。 在数据帧中要包含源地址和目的地址, 每个站点都要检查数据帧中的目的地址是否与本站地址相匹配来决定是否接收该数据帧。 这时, 如果目的站点没有准备好, 则该数据帧将会成为一次无效的传输, 白白浪费宝贵的传输带宽。 共享同一条传输介质。网络中的所有站点都共享同一条传输介质, 如果当前传输介质被占用, 则所有其它要传送信息的站点都必须要等待, 结果产生网络延迟, 影响网络传输的实时性。, 共享相同的网络带宽。 网络中的所有站点都采用单一传输速率, 并共享相同的网络带宽, 难以适应不断发展的应用对传输速率的不同需求。 虽然通过采用交换式网络和提高传输速率等手段使传统网络对多媒体通信的支持能力有了一定程度的提高, 但无法克服传统网络技术固有的缺陷。,ATM网络采用先进的网络传输机制, 从根本上克服了传统网络技术的缺陷, 提供了很高的网络性能, 其优点主要表现为: 面向连接的传输机制。 以信元(Cell)为信息传输单位。 基于ATM交换机的交换式网络。 多种速率接口。 多种服务类型。,4.6.1 ATM网络参考模型,图 4.8 ATM网络参考模型,1. ATM物理层 ATM物理层由传输汇聚（Transmission Convergence）子层和物理介质相关(Physical Medium Department)子层组成, 主要完成物理线路编码和信息传输的功能。 传输汇聚子层的功能是实现物理层汇聚协议(PLCP), 如信元头差错校正、 信元同步、 信元速率匹配和传输帧生成等, 以保证整个物理链路上信号的传送和接收。物理介质相关子层负责物理介质性质、 位同步定时以及线路编码等。,ATM论坛定义了下列物理层接口: SONET: SONET(同步光纤网)是一种以光纤为传输介质的物理网络, 主要应用于公用数据网。 SONET定义了五个速率等级, 并且都是51.84 Mb/s的倍数, 即51.84 Mb/s2488.32 Mb/s。 国际上采用SONET作为国际信令系统时, 则将这种系统称为SDH（同步数字系列), SDH的操作基本上与SONET相同。 ATM将SONET 中STS - 3作为广域连接接口, 其速率为155.52 Mb/s。, DS - 3: DS（Digital Signal）接口也是用于ATM网络的广域连接, 其中DS-3的传输速率为44.736 Mb/s。 DS - 3和SONET都使用了帧结构, 即将一组信元封装在一个帧结构中进行传送的, 而且每帧之间要有指定的间隔。 由于这些帧是以固定的间隔进行传输的, 如果用户信息未能按固定的规律达到, 则对应的帧只能填入空信元。 4B5B: 4B5B用于实现ATM网络的局域连接, 其传输速率是100 Mb/s。 4B5B接口是面向信元传输的, 只有在用户信元有效情况下才启动信元传送, 故称4B5B为信元接口。, 8B10B: 8B10B接口也是用于实现ATM网络的局域连接, 其传输速率是155.52 Mb/s。 这一速率与SONET、 STS-3C数据速率严格匹配。 8B10B接口与4B5B接口不同的是使用了帧结构, 每个帧由27个信元组成, 即每次传送27个信元, 故称8B10B为数据块接口。 ATM物理接口描述了特定的信号编码, 使ATM信元以可识别的格式传送到目的地。,2. ATM层 ATM层主要定义了面向连接的信元传输服务机制和通信规程。 ATM连接是基于虚电路概念的, 并分为永久虚电路（PVC）和交换虚电路（SVC）两种。永久虚电路是通过人工方式在ATM网络端点之间进行网络路径映射而建立的连接, 必须由人工干预才能撤销; 交换虚电路是通过ATM信令协议动态地在ATM网络端点之间建立的连接或撤销, 而无需人工干预。 不论是永久虚电路还是交换虚电路, 它们都是建立在虚路径 (VP)和虚通道（VC)概念基础上的。虚路径是虚通道的集束, 一个虚路径内可以有多个虚通道, 允许ATM交换设备将多个虚通道捆绑在一个虚路径上以相同的方式进行公共处理。,在建立连接时, 每个连接都被分配一个惟一的虚路径标识符(VPI)和虚通道标识符(VCI)。 VPI和VCI的组合则可惟一地标识ATM网络内部的一个连接, 也可以在ATM网络上实现多个端点间的相互映射。 在ATM网络中, 一个ATM端点可支持256个虚路径, 每个虚路径可支持65 536个虚通道, 组合起来可支持多达16 777 216个连接。 ATM网络定义了两种网络节点: 端点和中间点。 端点是用户节点, 如工作站、服务器或其它设备; 中间点是ATM交换节点, 如ATM交换机。端到端的连接要通过中间点才能连接起来, 中间点一般不关心信息的内容,只提供信息转发服务。在转发过程中, 中间点要保证在建立连接时所承诺的服务质量。,(1) ATM信元格式,图 4.9 ATM信元结构,信元头各个字段的意义如下: GFC为一般流量控制标志, 用来实现端点到交换机的流量控制。 GFC是针对UNI信元的, 对于NNI信元, 该字段为VPI。 VPI为虚路径标识符, 用来定义ATM网络中的一条虚路径连接。 VCI为虚通道标识符, 用来定义ATM网络中的一条虚通道连接。 PT为信元载体类型, 用来定义该信元是用户信元, 还是管理信元。 CLP为信元的优先级, 用于网络拥塞处理。 当发生网络拥塞时, 交换机将丢弃CLP=1的信元, 而保留CLP=0的信元。 HEC为信元头错误控制, 用来保证信元头的正确性。,(2) 信元处理 根据ATM节点性质(端点和中间点)不同, ATM层提供的信元处理功能也不同。 对于端点, ATM层提供的信元处理功能相对比较简单, 即: 信元头的生成。 当ATM层从ATM适配层接收到信元体后, 生成一个信元头, 附加在信元体上, 形成完整的信元格式, 然后再传送给物理层。ATM层并不关心信元体的内容, 只是把它当作要传送的二进制位流, 也就是说, ATM层与服务级别无关。, 信元头的分离。当ATM层从物理层接收到信元时, 先分离信元头, 将信元体传送给ATM适配层。然后再把信元头提交给ATM适配层进行处理, 这些信息包含了用户信元类型、接收优先级以及阻塞指示等。 对于中间点(即交换机), ATM层的信元处理功能要复杂一些, 即: 信元头的转换。由于VPI和VCI只有局部意义, 当信元通过网络时这些值可能会发生变化。中间点必须将输入的VPI/VCI值转换成输出的VPI/VCI值。 每当信元头被转换时, 必须对HEC值重新进行计算。, 信元的选径。 对于从端口输入的信元, 首先进行信元分捡, 然后根据信元的VPI和VCI值选择适当的端口输出。对于多个端口输入的信元, 有些信元可能需要汇集到同一个端口输出, 有些信元也可能需要汇集到不同的端口输出。 信元的差错处理。 当发生下列情况之一时, 信元将被丢弃: 无效的信元头, 即信元头的HEC值校验错误。 信元头的VPI和VCI值标识了一个尚未建立的连接或超出指定的范围。 信元头的PT值为2（即系统保留值）。 在链路上发生阻塞, 将丢弃CLP=1的信元, 不能支持更多的交通。, 信元的流量管理。 在建立连接时, 端点将根据ATM适配层的服务级别要求向交换机提交网络特性参数来描述该连接的性能需求, 这些特性参数主要有峰值信元速率、 可支持信元的速率、 速率变化的最大范围以及可容许的信元延迟等, 这些特性参数实际上规定了用户对网络传输的QoS需求。一旦双方按商定的特性参数建立起连接, 在以后的信元传输过程中, 交换机必须按上述特性参数要求对信元流量实施控制和管理, 提供信元转发服务, 并保证与建立连接时相一致的服务质量。, 网络阻塞控制。当一条链路的流量大于该链路的容量时, 将产生网络阻塞现象。网络阻塞将会造成信元的丢失。通常, 当网络负载超过交换机最大容量的90% 以上时, 交换机将通过修改信元头来指示阻塞事件的发生, 其它节点收到这个信元后便知道网络上发生阻塞。当发生阻塞后, 交换机将按信元的优先级别由低到高地丢弃信元, 直到阻塞缓解或消除。,(3) 信令协议 在ATM网络中, 连接的建立、 维护和拆除以及其它的网络控制和管理操作是由信令协议实现的。ATM定义两类信令协议: UNI(User to Network Interface)信令和NNI(Network to Network Interface)信令。 UNI用于端点与交换机之间的连接, NNI用于交换机与交换机之间的连接。信令协议由一系列用服务原语描述的过程组成, 定义了建立、维护和拆除连接所需的操作。在建立连接时, 端点使用相应的UNI信令原语向中间点发出建立连接请求, 该连接请求包含有特性参数信息。交换机将为该连接分配VPI和VCI标识符, 并按特性参数预留网络资源。 ,3. ATM适配层 ATM适配层主要负责将用户层的信息转换成ATM网络可用的格式。当用户层把一个较长的数据包提交给ATM适配层后, ATM适配层按规定长度将数据包分割成若干信元体, 再传送给ATM层。 ATM适配层由汇聚子层（Convergence Sublayer）和分割组装子层(Segmentation and Reassembly Sublayer)组成。 汇聚子层为分割用户信息作准备。为了使目的端点的ATM 适配层能够重新装配数据包, 汇聚子层需要将一些控制信息附加在用户信息上。 也就是说, 48字节的信元体将包含控制信息和用户信息两部分内容。分割组装子层在发送数据时负责将汇聚子层传来的信息单元（称为汇聚子层协议数据单元CS - PDU)精确地分割成48字节的信元体, 然后提交给ATM层; 接收数据时负责将ATM层传来的信元体重新组装成原始数据包, 然后再传送给用户层。,ATM的传输服务分成五种类型: A类(Class A）服务: 其特点是端点间保持定时同步、 数据率固定、 面向连接。这种服务也称恒定比特率（CBR）业务, 主要用于64 kb/s PCM语音以及静止图像的传输服务。 B类(Class B）服务: 其特点是端点间保持定时同步、 数据率可变、 面向连接。 这种服务也称可变比特率（VBR）业务, 可用于支持变速率的语音和压缩视频信息的传输服务。, C（Class C）类服务: 其特点是端点间不要求定时同步、 数据率可变、 面向连接。 这种服务也称可用比特率（ABR）业务, 可用于支持面向数据的传输服务。 D类（Class D）服务: 其特点是端点间不要求定时同步、 数据率可变、非连接。这种服务也称未确定比特率（UBR）业务, 主要用于QoS要求较低或不要求的场合。 X类（Class X）服务: 由用户或厂家自定义的服务。 通常, A、B类用于支持面向语音和视频的应用以及DS电路的模拟; C、 D类用于支持面向数据的应用。 ATM适配层提供了五个AAL子层, 即AAL1、 AAL2、 AAL3、 AAL4及AAL5与上述服务类型相适配。,4.6.2 ATM网络路由选择,ATM地址: 标识ATM终端, 全局惟一。 其编码格式有三种, 均为国际标准地址代码: 两种为ISO 8348格式, 长度为20字节; 一种为ITU E.164 的ISDN格式, 长度为15个十进制数。 ATM地址分成两部分: 网络地址和用户地址, 网络地址由有关组织统一分配, 用户地址由ATM终端自行定义(ATM网卡)。 虚电路号: 标识虚电路及其局部地址。其编码格式为: 虚路径号(VPI)。 虚通道号(VCI)。 UNI使用8位VPI, 16位VCI; NNI使用12位VPI, 16位VCI。 由交换机动态分配(SVC)。 其中, ATM地址是在建立连接阶段使用的, 虚电路号是在数据传输阶段使用的。,ATM网络的连接建立和数据传输过程如下: 每个ATM终端接入ATM交换机时, 都要通过UNI信令执行客户注册过程。 客户注册主要有两个目的。一是ATM终端声明自己的存在; 二是ATM终端与UNI上的ATM交换机交换寻址信息。 ATM终端将用户地址提供给ATM交换机, ATM交换机将网络地址提供给ATM终端, 并且为已注册成功的ATM终端分配VPI和VCI。 在建立连接阶段, 呼叫方通过UNI信令Setup发送连接请求, 在Setup中包含被叫方的ATM地址和QoS参数。 信令虚电路是周知的: VPI=0, VCI=5。, Setup信令在经过ATM网络时, NNI上的ATM交换机根据其被叫方ATM地址选择传输路由, 分配VPI(ATM交换机只处理VPI), 并记录在交换机的路径表中。注意, UNI信令和NNI信令不同。 最靠近被叫方的ATM交换机查找客户注册表, 确定该客户是否存在以及它所对应的虚电路号(VPI和VCI), 然后使用UNI信令Setup通知被叫方, 该Setup信令包含了为被叫方分配的虚电路号。, 被叫方如果同意连接, 则使用UNI信令Connect进行响应。 该信令沿着已建立的虚电路传输给呼叫方, 在最靠近呼叫方的交换机上, 通过查找客户注册表来确定该客户是否存在以及它所对应的虚电路号(VPI和VCI), 然后使用UNI信令Connect通知呼叫方。 Connect信令包含的是为呼叫方分配的虚电路号。 至此, 这条虚电路已建立起来, 可转入数据传输阶段。 在数据传输阶段, 通信双方使用信元进行数据传输, 信元中所包含的虚电路号就是在建立连接时ATM网络为双方各自分配的虚电路号。 在单条虚电路上，可以进行点到点的单向或双向数据传输。如果要进行点到多点传输, 则必须建立多条虚电路, 但只能进行单向数据传输。 在数据传输过程中, ATM交换机按建立连接时所承诺的QoS提供相应的服务质量。, 数据传输结束后, 任何一方要使用UNI信令Release拆除虚电路, 释放所占有的系统资源。 其过程如图4.10所示。,图 4.10 ATM SVC数据交换过程,4.6.3 ATM网络应用模式,图4.11 ATM网络连接方式,4.6.3.1 ATM上的IP（IPOA）,1. IP数据报封装 IPOA协议规定, IP数据报将放置在ATM适配层5（AAL5）的协议数据单元（PDU）中。每个PDU都有一个包含逻辑链路控制/子网访问协议（LLC/SNAP）标识的协议头, 以及用于有效性检查的填充、 长度和校验和（CRC）字段。,IPOA的IP数据报长度缺省为9180字节, 最大为64 K字节。其缺省长度足以包容以太网、令牌环以及FDDI的最大帧长。也就是说, IPOA所提供的传输特性要优于基于传统LAN上的IP。因为IP数据报长度是受物理的最大帧长的限制, 如果超过最大帧长, 则IP数据报必须进行分段。而单一数据报越长, 其文件传输性能越好。在一个子网内, 所有站点的IP数据报长度必须设置成是相同的。当所有站点的IP数据报长度都按最大长度设置时, 单一IP数据报的长度可达64 K字节。,2. ATM地址解析,图 4.12 ATM地址解析过程,3. IP逻辑子网互连 常规的IP网络是使用路由器实现IP逻辑子网间互连。 IPOA完全支持这种基于路由器的互连方式。由于IP只把ATM看作是一种物理网络, 与以太网、令牌环以及FDDI等传统网络同等对待, 因此很容易实现与这些常规网络的互连。 在ATM互连网络中,每个IP逻辑子网都要配置一个ATMARP服务器, 并且逻辑子网间使用路由器实现互连。一个ATMARP服务器经过配置后可以为多个子网提供地址解析服务, 而不必设置多个物理服务器。,当一个IP逻辑子网的用户试图与另一个IP逻辑子网的用户进行通信时, 首先由发送站建立与路由器的ATM连接, 然后由路由器建立与接收站的ATM连接, 其连接过程如上所述。 在数据传输时, 发送站将IP数据报分割成ATM信元（Cell）, 以便在ATM网络上传输。路由器将ATM信元组装成IP数据报, 根据IP报头来查找转发路由。对于要转发的IP数据报必须重新分割成ATM信元, 通过另一个ATM连接传输给接收站。 接收站再把ATM信元组装成IP数据报。,4.6.3.2 局域网仿真（LANE）,LANE主要由下列网络部件组成: LANE客户机（LEC）: 提供LAN客户机与ATM网络的接口和仿真功能。 LANE服务器（LES）: 提供MAC地址注册, 以及MAC地址与ATM地址的映射功能。 LANE配置服务器（LECS）: 为LEC提供配置信息及LES地址。 广播和未知数据类型服务器（BUS）: 提供在ATM网络上进行广播和组播传输的功能。,下面简述LANE的工作过程。 (1) 初始化 (2) 建立与LES的连接 (3) 客户注册 (4) 地址映射 (5) 建立连接 (6) 数据传输 (7) 断开连接,4.7 交 换 式 网 络,4.7.1 交换机的技术特性,图 4.13 集线器结构 (a) 单网段集线器； (b) 多网段集线器,图 4.14 交换机结构 (a) 模块交换; (b) 端口交换,4.7.2 虚拟网络,图 4.15 虚拟网络的构成 (a) 点到点的通信； (b) 广播到虚拟