计算机网络基础知识5.ppt

2020年3月22日星期日 1 第5章数据交换技术 5 1交换技术概述5 2X 25分组交换网5 3帧中继5 4异步传送模式 ATM 5 5网络的路由选择和阻塞控制 2020年3月22日星期日 2 5 1交换技术概述 交换技术是采用交换系统 交换机 通过寻址技术 路由选择 为要求通信的双方 点 点 或多方 点 多点 之间建立连接 物理的 逻辑的 构成一条通道 实现信息 话音 数据和图象 内容传送和转接的一种技术 5 1 1交换节点的基本组成交换节点泛指通信网内的各类交换机 它是由交换网络 通信接口 用户接口 中继接口等 控制单元以及信号单元等部分所组成的 2020年3月22日星期日 3 图5 1 1交换节点的基本组成 2020年3月22日星期日 4 1 交换网络交换系统的基本功能是提供用户通信接口之间的连接 在不同的交换方式中 其连接可以是物理的 也可以是逻辑的 所谓物理连接 是指用户通信过程中 不论用户有无信息传送 交换网络始终按预先分配的方法保持其专用的接续通路 而逻辑连接则只有在用户有信息传送时 才按需分配提供接续通路 因此 逻辑连接也称之为虚连接 VirtualConnection 在交换系统中 交换网络部分是与硬件有关的交换机构 SwitchFabric 整个连接过程是受控制单元程序控制的 2 通信接口各类交换系统的通信接口一般分成两种 用户接口 UserInterface 和中继接口 TrunkInterface 2020年3月22日星期日 5 用户使用用户线终接到交换系统的用户接口 而交换局间通过中继线连接到中继接口 不同类型的交换系统具有不同的通信接口 通信接口技术主要由硬件来实现 有部分功能可由软件或固件 Firmware 即将其功能程序化后固化在EPROM或PROM内 来完成 3 信号单元为满足任意用户之间的连接 由信号单元支持相关的呼叫信号 或信令 来实现寻址功能 不同类型的交换系统所采用的信号方式有很大差别 信令处理过程需用加以规范化的一系列协议来实现 2020年3月22日星期日 6 4 控制单元交换系统应能在程序控制下有条不紊地完成大量的接续连接 以确保服务质量 QoS 交换网络 通信接口 信号单元都与控制单元有关联 不同类型的交换系统有不同的控制技术 与通信协议密切相关 控制技术的实现与处理机控制结构有关 直接会影响到交换系统的性能和服务质量 5 1 2交换方式交换方式基本上分为三种 电路交换 CS CircuitSwitch 报文交换 MS MessageSwitch 分组交换 PS PacketSwitch 2020年3月22日星期日 7 从交换原理上来看 电路交换是基于电路传送模式 又称同步传送模式 而报文交换 分组交换则是采用存储 转发模式 又称异步传送模式 ATM交换是在快速分组交换的基础上结合了电路交换的优点而产生的高速异步传送模式 并在1992年由ITU T确定为BISDN的基本传送模式 2020年3月22日星期日 8 5 1 3电路交换原理在计算机通信网中所用的电路交换和电话交换系统的工作原理是相似的 但系统设计的对象是不同的 电话交换系统以话音业务通信为目标 而计算机通信网中的电路交换是面向数据业务的 电路交换 CircuitSwitching 是根据电话交换原理发展而成的一种交换方式 电路交换的基本框架如图 2020年3月22日星期日 9 一 电路交换过程所有电路交换的基本处理过程都包括呼叫建立 通话 连接释放三个阶段 1 呼叫建立阶段图5 2中 主叫用户取机 听拨号音 拨被叫号码 若被叫用户不在同一个交换局 则A局 本地局 向B局 中转局 送占用信号 转接被叫号码 再由B局转发到C局 远端局 最终C局按被叫号码向被叫发送振铃信号 当被叫用户取机后 C局接收应答信号 然后通知各局加以连接 2 通信阶段在通信阶段 始终在主叫与被叫用户间保持这一条物理连接 2020年3月22日星期日 10 2020年3月22日星期日 11 3 连接释放阶段当主叫或被叫任一方挂机 局间互送正向或反向拆线信号 经证实后释放连接 值得说明的是 目前我国的电路交换系统采用主叫计费方式 因此 若被叫先挂机 物理连接暂不释放 由端局向主叫送忙音催挂 二 电路交换的主要特点1 电路交换是一种实时交换 适用于实时要求高的话音通信 2 在通信前要通过呼叫在主 被叫用户之间建立一条局间逻辑的端 端连接 3 电路交换预分配带宽 话路接通后 即使无信息传送也虚占电路 2020年3月22日星期日 12 4 在传送信息时 没有任何差错控制措施 不利于传输可靠性要求高的突发性数据业务 采用电路交换方式的交换节点在建立的连接通路上通常只提供一种基本的传送速率 如64kb s 多速率电路交换方式的基本思路是使交换节点内的交换网络及控制过程能为不同的业务提供不同的带宽 基于基本速率8kb s或64kb s 快速电路交换方式的基本思路是有用户信息传送时分配带宽和网络资源 向用户提供的是逻辑连接 即虚电路 2020年3月22日星期日 13 5 1 4报文交换原理报文交换与电路交换的工作原理不同的是 每个报文传送时 没有连接建立和释放这两个阶段 在报文交换节点接收一份份报文 给予存储 再按报文的报头 内含收报人地址 流水号等 进行转发 一 报文交换处理过程报文从用户电报终端到交换节点或在交换节点之间的存储 转发过程包括4方面的时延 1 传播时延 PropagationDelay tproptprop L v式中 tprop为传播时延 L为传输距离 v为电波速度 3 105km s 实际计算时取为2 105km s 2020年3月22日星期日 14 2020年3月22日星期日 15 2 传输时延 TransmissionDelay tTtT D CtT为传输时延 D为报文长度 C为传输速率 3 处理时延 ProcessingDelay tproc 指交换节点内部执行程序所开销的时间 tproc与报文长度 处理机处理能力等有关 4 存储时延 QueueingDelay tq 交换节点将收到的报文先在缓存单元存储 等待转发处理 存储时延就是报文在缓存单元的排队时间tq tq是随机的 与交换节点的交换能力 网络负荷有关 2020年3月22日星期日 16 二 报文交换的特点 1 交换节点采用存储 转发方式对每份报文完整地加以处理 2 每份报文中含有报头 必须包含收 发双方的地址 以便交换节点进行路由选择 3 报文交换可进行速率 码型的变换 具有差错控制措施 便于一对多地址传送报文 5 1 5分组交换原理分组交换也是一种存储 转发处理方式 其处理过程需将用户的原始信息分成若干个小的数据单元来传送 这些数据单元称为分组 Packet 也可称之为 包 2020年3月22日星期日 17 两种服务方式 虚电路 VirtualCircuit 和数据报 DataGram 一 虚电路服务虚电路是分组交换网向用户提供的一种面向连接的网络服务方式 即两个用户之间完成一次数据通信的过程 包括呼叫建立 数据传输和呼叫释放三个阶段 其过程类似于电话通信 1 呼叫建立阶段主叫DTE 主机A 发出呼叫建立分组 通过分组网与被叫DTE 主机B 建立逻辑上的连接 即建立一条虚电路 由于分组交换在网中是采用逐段链路进行存储 转发处理的 因而每段的处理由分组交换机基于线路的传输能力按需动态分配来确定一逻辑信道 一条虚电路实际上是由多段逻辑信道链接而成的 2020年3月22日星期日 18 2020年3月22日星期日 19 2 数据传输阶段一旦建立了虚电路 分组交换机就会协调两端用户DTE以保持这种逻辑连接 用户可按需要随时发送分组 若用户暂无数据传送 网络可将线路的传送能力和交换机的处理能力为其他用户动态地提供复用服务 3 呼叫释放阶段当用户要终止通信 必须通过呼叫释放分组来拆除逻辑连接 具有上述三个阶段的虚电路服务称为交换虚电路 SVC 服务 网络还可提供永久虚电路 PVC 服务 即用户DTE之间的通信设备没有呼叫建立 连接释放两个阶段 直接进入数据传输阶段 这种服务好像网络向用户提供了一条专线 需由用户向电信管理部门预约申请后才有效 2020年3月22日星期日 20 二 数据报服务数据报是类似于电报处理过程的一种无连接的网络服务方式 数据报方式分组交换仍然采用分组 即数据报 作为传送的基本单元 其工作过程是将每一个分组都当作独立的报文来处理 但每个数据报头都必须包括源地址 目的地址 在交换过程中 每个数据报都需要进行路由选择 路由算法较复杂 且同一报文划分成各个数据报后 可能无次序到达目的地 需要进行排序 但数据报分组交换方式不需要连接建立和拆除阶段 具有高度的灵活性 一旦网络出现故障 数据报仍能传送到目的地 可靠性高 2020年3月22日星期日 21 2020年3月22日星期日 22 数据报服务方式的特征是 用户DTE之间的通信没有呼叫建立和释放阶段 适宜于短报文通信 对网络故障的自适应能力强 但路由选择方法较复杂 分组传输的时延较大 且可能各不相同 当一个完整的报文被分成三个相对固定长度的分组 P1 P2 P3 来传送时 交换节点收到一个数据报后即可进行转发处理 因此 数据报的网络时延 所占用缓存均小于报文交换 特别适合于计算机通信中的断续性或突发性业务要求 三 分组交换的特点主要优点可以归纳如下 1 兼容性 能够实现不同类型的数据终端设备 含有不同的传输速率 不同的代码 不同的通信控制规程等 之间的通信 2020年3月22日星期日 23 2 分组多路通信功能 由于提供线路的分组动态时分复用 因此提高了传输介质 包括用户线和中继线 的利用率 每个分组都有控制信息 使分组型终端和分组交换机间的一条传输线路上可同时与多个不同用户终端通信 3 数据传输质量高 可靠性高 每个分组在网络内中继线和用户线上传输时可以分段独立地进行差错流量控制 因而网内全程的误码率低 由于分组交换网内具有路由选择 拥塞控制等功能 当网内线路或设备产生故障时 网内可自动为分组选择一条迂回路由 避开故障点 不会引起通信中断 4 性价比高 经济性好 分组交换网是以分组为单元在交换机内存储和处理的 因而有利于降低网内设备的费用 提高交换机的处理能力 一方面 由于分组采用动态时分多路复 2020年3月22日星期日 24 用 提高了通信线路的利用率 相对降低用户的通信费用 另一方面 分组交换方式可准确地计算用户的通信量 因此通信费用可按通信量和时长相结合的方法计算 而与通信距离无关 分组交换机也有以下缺点 1 由于采用存储 转发处理 分组的平均时延较大 达几百毫秒 2 每个分组附加的分组标题都会需要交换机分析处理 因而增加了开销 分组交换适宜于计算机通信的突发性或断续性业务的需求 而不适合在实时性要求高 信息量大的环境中应用 3 分组交换技术比较复杂 涉及到网络的流量控制 差错控制 代码和速率的变换方法 接口控制 网络的管理与控制的智能化等 2020年3月22日星期日 25 5 2X 25分组交换网 5 2 1X 25接口规程ITU TX 25建议是分组交换公用数据网 PSPDN 的接口规程 其全称为 在公用数据网 PDN 上连接分组型终端 DTE 和DCE之间的同步通信规程 以后简称为X 25规程 它是非常著名的建议 并在1976年正式成为国际标准 X 25规程是经过反复讨论和修改而成的 已被许多国家所采用 是当今世界上应用广泛的成功建议之一 从技术背景上来看 它是在以模拟通信系统为主的环境下投入使用的 因此存在处理过程较复杂的缺点 不能满足当前高速化计算机通信技术的要求 2020年3月22日星期日 26 X 25规程先于OSI参考模型制定的通信接口规程 因此它所使用的名称 功能与OSI RM略有不同 从层次结构来看 X 25规程与OSI的下三层相对应 X 25有三个功能层次 分组级 PacketLevel 帧级 FrameLevel 物理级 PhysicalLevel 当高层的TPDU传递到分组级时 分组级将其加上分组头 形成数据分组 然后传递到数据链路层 帧级 的LAPB实体 由该实体给分组加上帧头 帧尾 形成LAPB帧 最后 该分组以帧为单元经物理层通过接口形成比特流传输 2020年3月22日星期日 27 2020年3月22日星期日 28 5 2 2X 25分组级X 25分组级利用帧级提供的服务在DTE DCE接口之间进行分组交换 它定义了DTE DCE之间传输分组的过程 并且能在一条数据链路上 按动态时分复用技术 为用户DTE建立多条虚电路 实现多向同步通信 这种面向连接的虚呼叫服务涉及到DTE 本端与远端 因此X 25的分组级具有端到端的意义 这是与OSI RM网络层不同之处 X 25分组级的功能为 1 提供交换虚电路 SVC 和永久虚电路 PVC 的连接 2 提供虚电路的建立和拆除 或称释放 的方法 3 为每个用户呼叫 指一次通信过程 分配一个逻辑信道 2020年3月22日星期日 29 4 依据逻辑信道组号 LCGN 和逻辑信道号 LCN 来识别与每个用户呼叫有关的分组 5 为每个用户通信提供有效的分组顺序扩展和流量控制技术 6 检测且恢复分组级的差错 一 分组标题和类型所有的分组都置于信息帧的信息字段I中 每个信息帧载有一个分组 参见图 X 25分组级的分组可分为两大类 数据分组 带有分组级用户的数据 和控制分组 为了区分分组类型 实现分组级的通信控制 各类分组均含有至少三个字节的分组标题 亦称分组头 2020年3月22日星期日 30 分组标题格式 a 分组头格式 b GFI格式 2020年3月22日星期日 31 分组标题又可分为三个部分 1 通用格式识别符 GFI GFI占用分组标题第一字节的高4位 2 逻辑信道组号 LCGN 和逻辑信道号 LCN 3 分组类型识别符 TYPE 控制分组按属性可分为以下6类 1 呼叫建立和拆除分组 呼叫建立分组用于在DTE DCE之间建立虚电路 包括呼叫请求分组 呼叫指示 入呼叫 分组 呼叫接受分组和呼叫连接 接通 分组 呼叫拆除分组用于拆除两DTE间的虚电路 包括拆除请求分组 拆除指示分组和拆除证实分组 2020年3月22日星期日 32 2 数据传输和中断分组 主要用于在DTE DCE之间进行数据传输与中断 中断分组具有较高的优先级 3 流量控制分组 只有RR RNR REJ三类分组 RR表示接收端准备妥 期望接收下个帧 RNR表示因收方忙 如来不及处理收到的帧或缓冲器已存满等因素 希望对方暂停发送 REJ表示帧拒绝 相当于否认帧NAK 这里没有选择性帧拒绝SREJ 并且DCE DTE传输方向不使用REJ分组 4 恢复分组 实现分组级的差错恢复 包括复位 Reset 分组 重新启动 Restart 分组 5 登记分组 用于在线业务登记 含登记请求和登记证实 6 诊断分组 分组类型识别符的编码格式见书上114页 2020年3月22日星期日 33 二 X 25分组级通信过程X 25分组级通信是以虚电路服务为基础的 整个通信过程包括了三个阶段 呼叫建立 数据传送和呼叫拆除 释放 阶段 2020年3月22日星期日 34 1 呼叫建立阶段一般约定发起呼叫的一方称主叫 接收虚呼叫的另一方称被叫 面向连接的虚电路建立过程如下 1 主叫DTE向本地DCE发送一个呼叫请求 CallRequest 分组 其格式见书115页图5 3 4示 由主叫DTE分配逻辑信道号LCN1 2 主叫DCE将该分组按网内规程 包括转换格式 选择路由 等传输到被叫 远端 DCE 3 被叫DCE分配LCN2 用进入呼叫 IncomingCall 分组 其格式与呼叫请求分组的格式相同 传送到被叫DTE 4 被叫DTE若接受呼叫 则回送呼叫接受 CallAccepted 分组到被叫DCE 其逻辑信道号仍为LCN2 2020年3月22日星期日 35 5 经网内规程处理到达主叫DCE的分组采用呼叫连接 CallConnection 分组 取LCN1送到主叫DTE 表示虚电路已建立 2 数据传输阶段在主叫DTE和被叫DTE之间通过呼叫建立建立了虚电路后 即可进入全双工的数据传输阶段 X 25分组级的用户数据传送以数据分组为基本单元 规定标准的数据分组长度为128字节 在数据传输阶段 还常用到流量控制分组 RR分组 RNR分组 REJ分组 分组级采用滑动窗口机制 分组级的窗口尺寸W的默认值为2 用户可按需要在每次呼叫请求中选择窗口尺寸和分组长度 2020年3月22日星期日 36 当报文被分割若干分组穿越网络时 为有利于在目的地对报文进行重新组装 于是定义了完整的分组序列 一个完整的分组序列是由零个或多个A分组和后随的一个B分组组成的 A分组的长度等于分组的最大允许长度 B分组由任何不是A分组的余数字节组成 3 呼叫拆除阶段虚呼叫可由主叫 被叫DTE拆除 也可由网络 本地DCE或远端DCE等 来拆除 呼叫拆除规程使所有与呼叫有关的网络资源 如LCN 释放 所有网络信息则被拆除 2020年3月22日星期日 37 5 2 3X 25帧级X 25帧级采用了ISO开发的高级数据链路控制 HDLC 规程的帧结构 且是HDLC的一个子集 1 X 25帧级采用了异步平衡模式的LAPB 平衡式链路接入规程 允许两个复合站中任意一站发送置异步平衡模式 SABM 命令表示要求建立链路 另一站用UA 未编号确认 帧响应 即可建成双向的链路 X 25接口为全双工方式 DTE和DCE均是复合站 即都可以发送命令和响应 2 X 25控制字段的I帧 S帧的格式和用法与HDLC相同 只是在X 25的监视帧中 仅用了RR RNR和REJ 2020年3月22日星期日 38 3 X 25的U帧仅使用了下面5种命令 响应 SABM置异步平衡模式 要求建立链路 命令帧 DISC 断链 用于通知对方要求断开链路的连接 DM 已断开 表明本方已与链路断开 可用来对未编号命令帧进行否定应答 UA 未编号证实 用于对未编号命令帧进行肯定应答 FRMR 帧拒绝 用来向对方报告出现了用重发帧的措施已无法克服的差错状态 4 此外 X 25帧级采用连续ARQ的方法 该方法可检测传输差错 并从出错的帧序号开始重传 2020年3月22日星期日 39 5 2 4X 25物理级X 25物理级定义了DTE与DCE之间的接口特性 为帧级提供一个物理连接 实现比特流的透明传输 X 25物理级与OSI参考模型的物理层一样 并不包含具体的传输介质和设备 而主要考虑面对连接开放系统的传输介质和设备 以及不同的通信手段 如何传输各种数据的比特流 其根本目的是尽可能地屏蔽那些差异 2020年3月22日星期日 40 5 2 5分组交换网性能指标ITU TX 135 X 137建议从速率 准确性 可信性和可用性4个基本方面定义了14项公用分组交换网的网络服务质量 QoS 参数 呼叫建立时延 数据分组传送时延 网络吞吐量 呼叫释放指示时延 呼叫建立差错率 呼叫建立失败率 呼叫释放失败率 复位受激率 残留差错率 网络可用性 平均服务中断间隔时间等 2020年3月22日星期日 41 5 3帧中继 5 3 1帧中继基本原理与特点1 帧中继帧中继是在OSI参考模型的第二层 数据链路层 上 采用简化协议的方法 且以帧为单元来传送数据的一种技术 其产生的技术背景是 传输网络实现了数字化和传输介质实现了光纤化 传输误码率比模拟网要小很多 用户终端设备的处理能力大为提高 这些应用环境为帧中继在网内简化通信协议 提高帧中继用户的接入速率创造了条件 2020年3月22日星期日 42 2 帧中继技术的特点 1 帧中继协议简化了X 25分组级功能 只有物理层和数据链路层两个层次 使网内节点的处理大为简化 运行结果表明 采用帧中继时 一个帧的处理时间可以比X 25的处理时间减少一个数量级 这就提高了帧中继网的处理效率 2 帧中继传送的基本单元为帧 帧的长度是可变的 最大允许长度为1600字节 比X 25网的缺省分组128字节长 因此 帧中继特别适合于封装局域网的数据单元 减少了分段与重组的处理开销 3 帧中继在数据链路层完成动态复用 帧透明传输和差错检测 与X 25网不同的是 帧中继网内节点若检测到差错 则将出错的帧丢弃 不采用重传机制 减少了帧编号 流量控制 2020年3月22日星期日 43 应答等开销 由此减少了交换机的处理时间 提高了网络吞吐量 降低了网络时延 例如 X 25网内每个节点进行帧检验产生的时延为5 10ms 而帧中继节点的处理时延小于2ms 4 帧中继技术提供一套有效的带宽管理和阻塞控制机制 使用户能合理传送超出约定带宽的突发性数据 充分利用网络资源 5 帧中继可提供给用户的接入速率在64kb s 2 048Mb s 现也可达45Mb s 6 与X 25分组交换一样 帧中继采用了面向连接的工作模式 可提供PVC业务 SVC业务 2020年3月22日星期日 44 5 3 2帧中继协议结构帧中继的协议结构包括两个操作平面 控制平面 C plane 用于建立和释放逻辑连接 传送与处理呼叫控制消息 用户平面 U plane 用于传送用户数据和管理信息 2020年3月22日星期日 45 一 控制平面控制平面 C平面 使用ITU TQ 931 或I 451 和Q 921两个协议 Q 931或I 451是为用户 网络接口提供基本呼叫控制用的第3层规范 定义了对帧中继提供SVC业务呼叫建立过程 其功能是处理和传送呼叫控制消息 并完成多条数据链路的管理 在第2层的Q 921协议是一个完整的数据链路协议 它在C平面中为Q 931的控制信息提供可靠的传输 在第1层的I 430或I 431是物理层协议 C平面协议仅在用户和网络之间操作 二 用户平面用户平面 简称U平面 使用了ITU T于1991年公布的新建议Q 922 Q 922是Q 921中所描述的LAPD扩充版本 LAPD是 2020年3月22日星期日 46 一组OSI第2层协议 用于在D通路上实现可靠的数据链路服务 是X 25的LAPB协议的改进形式 也是帧中继标准的基础 Q 922将Q 921协议分为两个子层 DL CORE和DL CONTROL 在DL CORE中加入了一系列拥塞控制 使协议可用于高速的H通道 H0384kb s H101538kb s H111920kb s等数字通路 对应有LAPE和LAPF E表示扩展 F表示帧中继 三 Q 922核心部分 DL CORE 的功能帧中继网只用到了Q 922核心部分 DL CORE 其功能如下 帧定界 同步和透明传输 用地址字段实现帧复用和解复用 对帧进行检测 确保0比特插入前 后的帧长是整数个八位组 2020年3月22日星期日 47 对帧进行检测 确保其长度不致于过长或过短 检测传输差错 拥塞控制 U平面的核心功能 DL CORE 只提供无应答的数据链路层传输帧的基本服务 构成了数据链路层的子层 Q 922的另一部分 DL CONTROL 是用户侧的用户平面可选功能 提供了窗口式的应答传输 帧中继所提供的面向连接的数据链路层服务具有以下特点 保持网络出入口处所传帧的顺序 确保不交付重复帧 帧丢失率很小 帧中继方式中的用户数据帧在网内中间节点基本不做处理 只是丢弃出错的帧 由用户侧高层进行差错恢复处理 这种体系结构将网络应完成的处理减到最少 2020年3月22日星期日 48 5 3 3帧中继的帧格式按Q 922核心功能定义的帧中继的帧格式和LAPF的格式类似 最主要的区别是帧格式中没有控制字段 2020年3月22日星期日 49 1 标志字节 F 标志字节是一个01111110的比特序列 用于帧同步 定界 2 地址字段 A 地址字段一般为2字节 也可扩展为3或4字节 地址字段又由下列几部分组成 1 数据链路连接标识符 DLCI DataLinkConnectionIdentifier 帧中继技术专设的一条数据链路连接上传呼叫控制信号 当采用2字节的地址字段时 DLCI占10位 用于标识永久虚电路 呼叫控制或管理信息 见表5 4 1 一般来说 DLCI只有本地意义 在一个帧中继的连接中 两端的UNI上 所使用的两个DLCI可以不一样 2020年3月22日星期日 50 2 命令 响应字段 C R 命令 响应字段与高层应用有关 帧中继本身并不使用 3 扩展地址 EA 当EA为0时 表示下一个字节仍为地址字段 当EA为1时 表示下一个字节为信息字段的开始 依照此法 地址字段可扩为3字节或4字节 当地址字段A为3字节时 DLCI为17bit 第3字节中DLCI占高7位 其余格式不变 当地址字段A为4字节时 DLCI为24bit 所加第3 4字节的高7位为DLCI 4 正向显式拥塞通知 FECN 若某节点将FECN置为1 表明与该帧同方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响而时延 2020年3月22日星期日 51 5 反向显式拥塞通知 BECN 若某节点将BECN置为1 即指示接收者 与该帧相反方向传输的帧可能受网络拥塞的影响而时延 6 丢弃指示 DE DE由用户置为1 表明当网络发生拥塞时 该帧与DE为0的帧相比应先被丢弃 由于帧中继网是双向传输的 用此方法既允许用户可以比约定条件下更快更多地发送一些帧 又可调节网内的流量 维持网络的服务水平 3 信息字段 I 允许用户数据长度可变 最大长度可由用户与网络管理部门协商确定 但在LAN互联时 网络支持的最大长度不多于1600字节 2020年3月22日星期日 52 4 帧校验序列 FCS 帧校验序列 FCS 与X 25中FCS的含义相同 用来检查帧通过链路传输时可能产生的差错 5 3 4帧中继的管理与控制一 帧中继的逻辑链路连接帧中继的逻辑链路连接都是通过DLCI来实现的 DLCI包含于帧的地址字段中 它是附加在帧上的一种标记 当帧通过网络节点时 DLCI可以被改变 因此DLCI只有本地意义 DLCI并不指示目的站点地址 而是被用来标识用户和网络节点以及节点与节点之间的逻辑连接 帧中继中DLCI的作用与X 25分组标题中的LCN的作用相似 由多段DLCI或LCN构成端到端的虚电路 2020年3月22日星期日 53 图中终端A B和A C间的两条永久虚电路分别由各段的DLCI构成 即35 45 55 65和40 50 60 2020年3月22日星期日 54 帧中继网节点一旦收到帧的首部 就可立即开始转发此帧 即在帧的尾部还未收到之前 节点 交换机 就可将帧的首部发送到下一相邻交换机 帧中继网中节点处理帧是以所传送的帧基本不出错为前提的 若帧出现传输差错 则按帧校验检错方法 是在整个帧完全被收下后节点才处理差错 但帧中继的节点检测到出错时 大部分帧可能已转发到下一个节点了 解决这个问题的办法是 当检测到有误码的节点时应立即中断这次传输 当中断传输的指示下达到下一个节点后 下一个节点就立即中断该帧的转发 至此 该帧就从网内消除 帧中继节点在链路层增加了路由寻址功能 网内将会丢弃有错的帧 差错的恢复由网内转移到用户终端负责 2020年3月22日星期日 55 二 帧中继业务的带宽控制每一用户接入帧中继网时都应使用下列约定的三个参数 约定的信息速率CIR CommittedInformationRatio 约定的突发数据长度Bc CommittedBurstSize 超越的突发数据长度Be ExcessBurstSize 网络以约定的时间间隔Tc周期性地对用户网络的速率进行监测 由此可得 Tc Bc CIRTc值一般可选取 大致在几百毫秒到10秒内 取值越小 越适应突发性低的应用业务 反之亦然 1 测得的比特数 Bc时 网络节点应转发这些帧 在正常情况下 应保证这些帧送到目的地 如图中的帧F1 F2 2020年3月22日星期日 56 2 测得的比特数 Bc 且 Bc Be 网络通过DE置为1后转发 并把这类帧传到目的地 一旦出现拥塞 将首先丢弃这些DE 1的帧 如F3帧 3 测得的比特数 Bc Be时 网络应丢掉这些帧 如F4帧 2020年3月22日星期日 57 三 帧中继网的拥塞控制当网络开始加载时 随着入网信息量的增加 吞吐量呈线性上升 当到达A点后 网络不能继续接收更多的信息 开始丢弃DE 1帧 如果入网信息量继续加大 网络将呈现严重拥塞状态 B点 拥塞引起的重传使吞吐量急剧下降 直至崩溃 死锁 为防止拥塞 网络所采取的措施如下 2020年3月22日星期日 58 将FECN BECN置1 通知帧中继用户 丢弃DE 1的帧 每隔N帧丢弃一帧 当N 1时 表明无缓冲器可用 所有的帧将被丢弃 5 3 5帧中继的呼叫控制帧中继的呼叫控制规程 Q 931 Q 933 只是在ISDN环境中使用帧中继时才启用 若在网桥或路由器之间的点到点链路上使用帧中继 则协议可以简化 与X 25一样 帧中继也支持一条链路复用多个连接 每个数据链路连接有其分配的惟一的DLCI 数据传输有三个阶段 1 在两个端点之间建立逻辑连接 并且分配给该连接一个惟一的DLCI 2020年3月22日星期日 59 2 用数据帧交换信息 每个帧中的DLCI标识其所用的连接 3 释放逻辑连接 帧中继通过DLCI 0的帧 实现逻辑连接的建立与释放 其信息字段中填入呼叫控制报文 有四种 建立报文 Setup 连接报文 Connect 释放报文 Release 和释放完成报文 ReleaseComplete 1 任何一端发送Setup报文都可以请求建立逻辑连接 收到Setup报文的一端如果同意建立连接 则用Connect报文响应 如果不同意建立连接 则用ReleaseComplete报文响应 2020年3月22日星期日 60 2 连接建立的发起方可在Setup报文中指出选定的DLCI值 如果发起方未指明DLCI值 则接受方可在其发回的Connect报文中指明DLCI值 3 建立连接的任一端可通过发Release报文请求释放逻辑连接 收到Release报文的一端必须用ReleaseComplete报文响应 2020年3月22日星期日 61 5 4异步传送模式 ATM 5 4 1综合业务数字网ISDN概述一 ISDN概述电信网在其发展历程中 组建了各种类型的业务网 每个业务网都有其各自的网络拓扑结构 接口标准 信号规范 因此 以往的电信网实际上是由各种业务网混合组成的叠加网 随着数字技术的发展 在1976年 CCITT开始研究用单一网络支持不同类型的业务 并在20世纪80年代推出了综合业务数字网 ISDN 它提供端到端的数字连接 以支持包括话音和非话音业务在内的多种电信服务 并为用户接入提供一组有限的多用途用户网络间的标准接口 2020年3月22日星期日 62 由于当时技术和应用的限制 ISDN所提供的业务速率一般不超过2Mb s 在20世纪80年代后期 CCITT又提出了业务速率为100Mb s的视频活动图像通信的ISDN 称之为宽带综合业务数字网 BISDN 为了避免混淆 将以前定义的ISDN命名为基于64kb s的ISDN 也可称之为窄带NISDN NISDN是以数字电话网为基础的 采用电路交换方式 而BISDN则是真正意义上的综合业务数字网 它采用快速分组交换方式 即ATM技术 二 BISDN协议参考模型BISDN协议参考模型分为面管理和层管理 有3个平面和4个层次 用户平面 UserPlane 控制平面 ControlPlane 和管理平面 ManagementPlane 2020年3月22日星期日 63 用户平面用于传送用户信息 控制平面提供呼叫和逻辑连接的控制功能 管理平面提供面管理和层管理两种管理功能 2020年3月22日星期日 64 面管理不分层 实现与整个系统有关的管理功能 并完成各个面之间的协调功能 而层管理实现网络资源和协议参数的管理 并处理各层内的操作 管理和维护 4个层次 自下而上为物理层 ATM层 ATM适配层和高层 应用服务 三 BISDN特点BISDN在单一网络上支持不同的接续方式 如单向 双向 广播 多播等 不同的信息流 如连续性和或突发性 业务 克服了NISDN固有的局限性 具有如下特点 1 异步传送模式 ITU采用异步传送模式 追求用一个网来综合所有业务的理想 即实现网络的综合化 2020年3月22日星期日 65 2 用户享用的接入数据速率高 BISDN的接入数据速率为155 52Mb s 622 08Mb s 这已由ITU T定为宽带接入标准 BISDN的通信能力是NISDN的100倍以上 在一个带宽为155 52Mb s的接口UNI上足以支持各种高速图像通信业务 3 灵活 简便的多种连接方式可支持新的信息业务 但是 ATM技术的一些功能显得冗余 复杂的流控管理和信令协议使得ATM交换机在得到QoS性能的同时付出成本的代价 尤其IP 因特网协议 的成功使BISDN信元到桌面的初衷落空 使其进程发展缓慢 只能说 ATM的多业务平台的特点在边缘网上其优势还在 2020年3月22日星期日 66 5 4 2ATM网络组成与特点一 ATM网络组成 2020年3月22日星期日 67 ATM网络是由ATM交换机和ATM终端经链路连接组成的 如图所示 在ATM网内交换机之间形成网络节点与节点接口 NNI ATM交换机与ATM终端间的接口为用户 网络接口 UNI ATM终端应包括ATM用户设备 ATM用户接入网 ATM终端系统等 ATM交换机可分为边缘交换机和主干交换机 边缘交换机提供用户 网络接口 也称接入交换机 二 ATM技术特点 1 ATM具有统计时分复用的能力 2 ATM网的基本传送单元为信元 3 ATM采用面向连接的通信服务方式 4 ATM可实现VP和VC两级交换 5 ATM可综合多种业务流 2020年3月22日星期日 68 5 4 3ATM分层结构一 物理层 通过物理介质有效且正确完成信元的传送 物理层又细分为物理介质相关子层 PMD 传输汇合子层 TC 前者提供与传输介质有关的机械 电气接口 实施线路编码 比特定时 确保比特流的正确传输 后者完成信元的定界 信元速率的匹配 信元头的差错控制及传输帧的形成 适配和恢复 2020年3月22日星期日 69 二 ATM层 ATM层是ATM交换的核心层次 位于物理层之上 提供与业务类型无关的 标准的信元传送功能 在BISDN中 为了实现高速率通信 要求网内的处理时间尽可能短 因此 ATM网内的通信协议也大为简化 有关流量控制 差错控制等与业务有关的处理由网内移交到终端系统的高层去处理 1 ATM信元格式从时延和效率两方面因素考虑 选用了信元作为基本的传输单元 信元定为53字节 其中信元头5个字节 净负荷为48字节 ATM信元格式如下图所示 2020年3月22日星期日 70 2020年3月22日星期日 71 2 ATM层功能ATM层的主要功能有 信元的生成 提取 信元的复用和交换 一般流量控制 服务质量保证 ATM采用面向连接工作模式 即在传送用户信息前 需协商建立ATM连接 ATM连接是以ATM层链路串接而成的 提供端到端的传送能力 ATM连接分为虚通路 VC 连接和虚通道 VP 连接 ATM交换机可实现VP交换和VC交换 三 三 ATM适配层 ATM适配层 或称AAL层执行应用服务高层的差错处理 定时控制等 并支持高层与ATM层间的适配 AAL可分成两个逻辑子层 会聚子层 CS ConvergenceSublayer 和分段 重组子层 SAR SegmentationAndReassembly 2020年3月22日星期日 72 2020年3月22日星期日 73 AAL对不同的业务加以不同的适配 定义了A B C D四大类业务 2020年3月22日星期日 74 1 AAL1可用于承载面向连接的固定速率的业务 主要包括电路仿真 话音和图像等实时业务 因此 AAL1应具有处理收 发间业务时钟同步的能力 2 AAL2适用于可变比特率的实时业务 3 AAL3 4是用来支持面向连接 AAL3 与无连接 AAL4 的数据业务 4 AAL5支持AALC类业务 如面向连接的数据传送和信令传输 2020年3月22日星期日 75 5 4 4ATM交换网络结构的基本功能1 基本功能ATM交换网络结构的基本功能是应确保任意的输入 输出线之间的信元可高速交换 即任一输入线上的任一逻辑通路的信元能转送到任一输出线上的任一逻辑通路中去 其功能的实现可归纳为三个方面 信元头变换 选择路由和缓存队列 2 与ATM交换结构有关的性能参数 1 吞吐率 2 连接阻塞 3 多播 4 优先级控制策略 5 信元丢失率 时延和时延抖动 2020年3月22日星期日 76 5 5网络的路由选择和阻塞控制 2020年3月22日星期日 77 分组交换网实质上是一个队列网络 在每个交换设备 节点 的输入 输出都配有相应的缓冲区 用于存储 转发处理分组 5 5 1路由选择方法路由 Routing 选择是网络层的主要功能 理想的路由选择算法应有如下特征 算法正确 简单 且是最佳的 即具有公平性 健壮性和稳定性 所谓 公平性 是指对所有上网用户机会都是均等的 当然 对不同服务等级的用户 应能提供不同的服务 所谓 健壮性 是指算法应具有自适应性 一旦网络出现异常 如链路故障 可及时改变路由 所谓 稳定性 是指算法所给的路由应避免来回不定的变化 即收敛快 2020年3月22日星期日 78 这里所讲的路由算法 最佳 只能是相对于特定要求下所求出的一个合理选择如最低费用 最短距离 最少延迟等 在实际网络中 应考虑的因素是非常复杂的 如网络拓扑结构 链路容量 与用户使用的数据率有关 传播延迟 与传输距离有关 吞吐量和利用率 与用户通信量有关 等 它们之间又是相关联的 路由选择算法可分为两大类 非适应式路由选择算法和自适应式路由选择算法 一 非适应式路由选择算法有扩散式 随机式 固定式 1 扩散式采用扩散式路由选择方法时 分组从源节点送到它的各相邻节点 相邻节点接收后 检测它是否已经收过此分组 如果已收到过 则将该分组清除 如果未收到过 那么该节点把分组转发到其他相邻节点 除送来分组的节点之外 2020年3月22日星期日 79 这样 通过一个分组的许多复本取用各种可能的路径到达终点 总有一个分组以最小的时延先到达终点 在此之后到达终点的各个分组均被清除 这种方法的路由选择与网络结构无关 即使网络严重受损 只要存在连接两节点的一条通路 分组总能到达终点 优点是分组传输的可靠性高 健壮性好 适用于军用网的特定环境 其缺点是分组的无效传输量太大 网络的额外开销也大 网中业务量的增加会导致网内节点排队时延的加大 导致网络阻塞 2 随机式随机式路由选择方法的特点是当分组到达某节点时 随机地选择一条链路作为转发的路由 该算法优点是相当简单 分组到达终点节点的概率较大 但网络效率较低 分组传输的平均时延也较大 2020年3月22日星期日 80 3 固定式在业务量比较固定 节点和链路的可靠性有一定保证的条件下 固定式路由选择是一种简单而有效的方法 这种方法在网内每一节点内存有一张时延表和一张路由选择表 时延表说明本节点到网内其他节点所需传输时间的最佳估值 在网络运行初始化时 时延表中的值应依据网络构形计算而得 时延值与路由长度及路由中串接的节点数有关 因此可按网内最短路由问题来计算时延表中的初始值 现设分组交换网有7个节点 其网络结构如图5 5 2所示 假设节点存储转发时延忽略不计 并且图中经每条链路的传输时间均相同 为单位时间值 则传输时延的估值可简化为计算所经历的数据链路条数 2020年3月22日星期日 81 图5 5 2给定网络结构及节点A的时延表和路由选择表 2020年3月22日星期日 82 设时延为TJ I Li 其中J为选用的某一网内节点 I表示除节点J外网内的任一终点节点 Li是由节点J出口的数据链路号之一 把计算的时延记入对应的表格内 例如从节点A到节点G 如果选L3链路输出 需要经过3条数据链路 所以在节点A的时延表中相应的时延估值为3 从节点A到网内其他节点和经过L1 L2链路输出的时延估值可参照同样方法求得 选择出口链路的最小表达式可写为R I min TJ I Li 二 自适应式路由选择算法现在的因特网采用的是自适应路由选择算法 它依据有关网络的状态信息 如网络结构的变化 某节点或某链路发生故障 动态地修改路由选择表 可分为以下5种 2020年3月22日星期日 83 1 孤立式TJ I Li 反映的是使分组从本节点J传输到终点节点的时延估值 修正这种在网络运行初始化时装载估值的方法是比较简单的 即增加对应于本节点各输出数据链路的排队队列的长度信