南京邮电大学CH宽带通信网络概述

1、宽带交换技术通信与信息工程学院课程主要内容nATM网络交换技术 nMPLS技术 n软交换技术n光交换技术 n宽带交换新技术参考文献n钱渊，刘振霞等，宽带交换技术，西安电子科技大学出版社，2007n清华大学，宽带网络交换技术课件。n郑少仁，罗国明等，现代交换原理与技术，电子工业出版社，2006课程考核n平时 40% 考勤 10% 作业 30%n期末 60%n宽带网络：用户与网络之间的接口速率大于PCM一次群速率的网络。(传输多媒体信息所要求的基本速率)n 一次群（基群）速率：中国、欧洲等国家和地区：2.048Mbps；北美、日本等国家和地区：1.54Mbps。n 一般认为：宽带网络的接口速率大于

2、等于：2Mbpsn视频图像传输要求： MPEG1：1.5Mbps MPEG2: 4-6Mbps MPEG4/H.264: 1-2Mbpsn宽带网络的主流技术：ATM网络技术和IP网络技术ATM与IP网络nATM（Asynchronous Transfer Mode）网络技术： 一种在网络层采用面向连接方式的通信技术，该技术融和了电路交换和分组交换两种技术。n主要特点： 面向连接工作机制； 采用虚电路工作方式； 采用固定长度的数据分组（信元） 可保证服务质量（QoS） 技术复杂、建设成本高。ATM与IP网络nIP（Internet Protocol）网络技术： 一种在网络层采用非面向连接方式的通

3、信技术，是一种典型的包交换传输网络。n主要特点： 无连接的工作机制； 数据包独立寻址传输方式； 数据包的大小不固定； 服务质量较难控制（主要依赖足够的带宽来保证） 建网成本较低，运行维护相对简单。ATM与IP网络nATM网络通常是一个单纯的通信传输网络，它遵循一条完善严谨的技术路线。n 基于IP网络技术构建的互联网（Internet）是一个集通信功能与信息数据库功能的信息网络。n ATM网络的技术逐渐融入高速路由器和IP交换机的设计实现之中。宽带的核心网络逐步趋于一种基于IP的软交换网络。n 基于光纤构建IP的宽带网络的服务质量物理层的控制机制趋于简单，服务质量主要依赖网络有足够的带宽提供保证

4、。n地址枯竭：主流的IPv4协议网络面临地址枯竭，下一代的IPv6协议的互联网的应用尚有各种设备的研制、建设费用和IPv4网向IPv6网平滑过渡问题。服务质量保证：非面向连接的包交换技术在传输的QoS保证上有先天的缺陷，现有的IP网上的资源预留协议（RSVP）、差别业务协议目前尚难以有效推广应用。n 网络和信息安全问题：IP网开放和非面向连接的结构和通信方式在网络和信息安全方面仍存在很多问题，网络防火墙、入侵检测技术、信息加密安全等仍有待完善。n 支持移动问题：移动IP(v4)技术还有待完善，另外IPv4的地址枯竭问题使移动IP难以实施（移动IP要求用户有固定的IP地址）。n管理和运营问题：收

5、费问题，另外，目前网络上大量的P2P业务使维系其工作机制所需的、用户数据以外的控制信息的传输大量增加。宽带通信网概述1.1 交换与通信网1.2 通信网分层模型1.3 交换技术的分类1.4 交换技术的发展1.1 交换与通信网1.1.1 交换机的引入n在通信系统中，信息是以电信号或光信号的形式传输的。n如图1-1所示，一个通信系统至少应包括终端和传输介质。图图1-1 点到点通信点到点通信1.1.1 交换机的引入n终端将承载信息的消息，如话音、数据、图像、视频等转换成适合传输介质传输的信号传送出去，同时将来自传输介质的信号还原成原始消息；n传输介质则把信号从一个地点传送至另一个地点。n这种仅涉及两个

6、终端的单向或交互式的通信系统称为点到点通信系统。1.1.1 交换机的引入n当存在多个终端且希望它们中的任何两个都能进行点到点通信时，最简单、最直接的方法就是把所有终端两两相连，如图1-2所示。n这种连接方式称为全互连。 图图1-2 多用户全互连通信多用户全互连通信 1.1.1 交换机的引入n全互连组网可以实现任何两个终端之间的通信需要，但存在下列不足。（1）连接线对的数量随终端数的平方增加，当存在N个终端时，需要的连接线对数为N (N 1)/2。（2）当终端相距较远时，需要大量的长途线路。（3）每个终端都有N-1对线与其他终端相接，因而每个终端需要N-1个线路接口。（4）增加第N+1个终端时，

7、必须增设N对线路。当N较大时，无法实用化。1.1.1 交换机的引入 图图1-3 引入交换节点引入交换节点 1.1.2 交换式通信网n如图1-4所示，最简单的通信网可以仅由一台交换机组成，每个用户（电话机或终端）通过一条专用的用户环线（简称用户线）与交换机中的相应接口相连接。 图1-4 由一台交换机组成的通信网 1.1.2 交换式通信网n由交换机组成的通信网称为交换式通信网。n交换式通信网的一个突出优点是很容易组成大型网络，以电话通信为例，当终端数目较多，且分散在相距很远的不同地区时，可以用交换机组成如图1-5所示的电话通信网。1.1.2 交换式通信网 图1-5 由多台交换机组成的通信网1.1.

8、2 交换式通信网n从交换机完成用户之间通信的不同情况来看，交换机应能控制以下4种接续。（1）本局接续：指本局内各用户线之间的接续。（2）出局接续：指用户线与出中继线之间的接续。（3）入局接续：指入中继线与用户线之间的接续。（4）转接接续：指入中继线与出中继线之间的接续。问 题n端局交换机支持的接续类型有哪些？1.1.2 交换式通信网n为了完成上述接续，交换机必须具备以下最基本的功能。（1）为了能正确发现和判断用户的呼叫请求，交换机必须能正确接收和分析来自用户线或中继线的呼叫信号。（2）为了能正确发现和判断是哪一个用户发出的呼叫请求，交换机必须能正确接收和分析来自用户线或中继线的地址信号。（3）

9、为了能正确与呼叫用户（主叫）给定的目标用户（被叫）建立接续，交换机必须能按目的地址进行选路，以及在中继线上转发信号。（4）能控制交换机内端口之间连接的建立。（5）能按照收到的释放信号要求拆除连接。1通信网的定义n对于通信网的定义，站在不同的角度，具有不同的观点。n从用户的角度来看，通信网是一个信息服务设施，甚至是一个娱乐服务设施，用户可以利用它获取信息、发送信息、参与娱乐等；n而从工程师的角度来看，通信网则是由各种软硬件设施按照一定的规则互连在一起，完成信息传递任务的系统。工程师希望这个系统可管、可控、可运营。1通信网的定义n因此，我们给通信网下一个通俗的定义： 通信网是由一定数量的节点（包括

10、端系统、交换机）和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按照约定的规则或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。n用户使用通信网可以克服空间、时间等障碍进行有效的信息交换。2网络工作方式 图1-6 面向连接网络的工作原理 2网络工作方式 图1-7 无连接网络的工作原理 面向连接和无连接的主要区别（1）面向连接网络对每次通信总要经过建立连接、传送信息、释放连接三个阶段，而无连接网络并不为每次通信过程建立和拆除连接。（2）面向连接网络中的每一个节点必须为每一个呼叫选路，一旦路由确定连接即建立，路由中各节点需要为接下来进行的通信维持连接的状态；无连接网络中的每个节点必须为每个传送的分组独立选路，但

11、节点中不需要维持连接的状态。（3）用户信息较长时，面向连接方式通信效率较高；反之，使用无连接方式要好一些。宽带通信网概述1.1 交换与通信网1.2 通信网分层模型1.3 交换技术的分类1.4 交换技术的发展1.2 通信网分层模型n在通信网中，信息传递过程涉及诸多操作，如比特流传送、同步、流量控制、差错控制、拥塞控制、路由选择、会话过程管理和数据加密等。n因此，寄希望由单一通信实体完成所有的操作和功能是不切实际的，同时也不利于定义具体的操作功能。n现代通信网采用分层结构，主要原因如下。1.2 通信网分层模型（1）分层可以降低网络设计的复杂度。 （2）方便异构网络设备间的互连互通。 （3）增强网络

12、的可升级性。 （4）促进竞争和设备制造商的分工。1.2.1 开放系统互连参考模型图1-8 OSI-RM的分层结构1.2.1 开放系统互连参考模型（1）物理层 （2）数据链路层 （3）网络层 （4）传输层（运输层）（5）会话层 （6）表示层 （7）应用层1.2.2 分层模型的相关术语1对等层间通信n在分层模型中，将位于不同系统（包括端系统和中间系统）的相同层称为对等层。n在对等层之间进行通信的进程称为对等进程。n如图1-9所示，对等层间通信产生和处理的对象称为协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）。1对等层间通信图1-9 对等层间通信PresentationApplicat

13、ionSession1对等层间通信n通常，把传输层数据单元称为段（Segment），网络层数据单元称为分组或包（Packet），数据链路层数据单元称为帧（Frame），物理层数据称为比特流（Bit）。n因此，相应地有应用层协议数据单元（APDU，Application Protocol Data Unit）、表示层协议数据单元（PPDU，Presentation Protocol Data Unit）、会话层协议数据单元（SPDU，Session Protocol Data Unit）等。1对等层间通信图1-10 对等层数据封装和解封过程示例2接口与服务（1）实体与服务访问点 n所谓实体（En

14、tity），是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。n第N层实体通常由两部分组成： 相邻层间的接口 第N层通信协议。2接口与服务nOSI定义了如下4种用于层间信息交换的原语： 请求原语（Request）； 指示原语（Indication）； 响应原语（Response）； 证实原语（Confirm）。（2）相邻层间的接口关系Service Access Point宽带通信网概述1.1 交换与通信网1.2 通信网分层模型1.3 交换技术的分类1.4 交换技术的发展1.3 交换技术的分类n语音、数据等不同的通信业务具有不同的特点，如有的对实时性要求很高，有的对差错敏感；有的传输速率恒定，有的具有

15、突发性。n因而要求网络采用不同的交换方式。n目前已经出现和使用的交换技术如图1-12所示。1.3 交换技术的分类图1-12 主要交换技术分类1.3.1 电路交换技术n电路交换（CS，Circuit Switching）是最早出现的一种交换技术，主要用于电话通信。n电话通信对时延和时延抖动十分敏感，电路交换是一种实时的交换技术。n电路交换的基本过程包括呼叫建立、信息传送（通话）和连接释放三个阶段，如图1-13所示。1.3.1 电路交换技术图1-13 电路交换的基本过程1.3.1 电路交换技术n电路交换的主要优点如下：（1）信息的传输时延小，且连接建立，传输时延固定不变。（2）信息在通路中“透明”

16、传输，交换机对用户的信息不存储、不分析、不处理，而是原封不动地传送，交换机的处理开销比较小，信息的传输效率比较高。1.3.1 电路交换技术n电路交换存在下列不足：（1）电路资源被通信双方独占，利用率较低。（2）由于存在呼叫建立和连接释放过程，电路的接续时间较长。 当通信时间较短（或传送较短信息）时，呼叫建立的时间可能大于通信时间，网络的利用率低。（3）存在呼损，即可能出现由于被叫方终端设备忙或通信网络负荷过重而呼叫不通的情况。（4）通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信协议等方面要完全兼容，这就限制了不同速率、不同编码格式和不同通信协议的用户终端之间的通信。1.3.2 分组交换技术n

17、分组交换来源于报文交换，采用“存储转发（Store and Forward）”方式，同属于可变比特率交换范畴。n为此，下面先介绍报文交换（Message Switching）。 1报文交换图1-14 报文交换的一般过程 1报文交换（1）信息以“存储转发”方式通过交换机，输入、输出电路的速率和编码格式等可以不同，很容易实现不同类型终端之间的通信。（2）在信息传送（报文交换）的过程（从用户A到用户B）中没有呼叫建立和接续过程，来自不同用户的信息可以在同一条线路上以报文为单位进行多路复用，电路利用率较高。（3）用户不需要叫通对方就可以发送报文；如果需要，同一报文可以由交换机转发至多个不同的用户，实现

18、多播通信。 1报文交换n但报文交换存在如下不足：（1）由于采用“存储转发”方式，信息通过交换机时，时延和时延变化都较大，不利于实时通信。（2）交换机要有能力存储各用户发送的报文，其中有的报文可能很长，要求交换机具有较高的处理能力和较大的存储容量。2分组交换n分组交换同样采用“存储转发”方式，但处理对象不是以报文为单位，而是把报文划分成许多较短的、格式化的“分组（Packet）”进行传输和交换。 n分组长度较短，且具有统一的格式，便于在交换机中存储和处理。n分组进入交换机后只在主存储器中停留很短的时间，进行排队处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机或用户终端。n分组通过交换机或网络的

19、时间很短（一般为毫秒级），能满足绝大多数数据通信对实时性的要求。 2分组交换n根据交换机对分组的处理方式不同，分组交换分为数据报（Datagram）和虚电路（Virtual Circuit）两种工作方式。2分组交换n分组交换的主要优点如下：（1）能向用户提供在不同速率、不同编码方式、不同通信协议的数据终端之间相互通信的灵活的通信环境。（2）在网络负荷较轻的情况下，信息的传输时延较小，而且时延的变化范围不大，能够较好地满足计算机通信的要求。（3）便于实现线路上用户信息的动态统计复用，通信线路（包括中继线和用户线）的利用率较高，在一条物理线路上可以同时提供多条信息通路。（4）可靠性高。 分组传输时

20、可以在中继线和用户线上分段进行差错校验，使信息在分组交换网络中传输的比特差错率大大降低，一般可以达到1010以下。 由于分组传输的路由是可变的，当网络中的设备或线路发生故障时，分组可以主动避开故障点，故分组交换可靠性高。2分组交换（5）经济性好。n信息以分组为单位在交换机中存储和处理，不要求交换机具有很大的存储容量，降低了网络设备的费用；n对线路的动态统计复用也大大降低了用户的通信费用。2分组交换n分组交换存在的不足如下：（1）由于网络附加的开销较多，对长报文通信的效率较低。 （2）技术实现复杂。 1.3.3 快速分组交换技术n传统的分组交换网络是基于X.25建议的。n20世纪80年代以后，随

21、着光纤通信技术的发展，光纤逐渐成为通信网传输介质的主体。n光纤通信具有容量大、传输质量高的特点，数据传输误码率小于109，系统能够提供10100Gbit/s甚至更高的数据传输速率。n另一方面，随着计算机技术的发展，终端的智能化程度不断提高，许多原来由网络完成的工作（如差错控制）可以由端系统实现。n在这样的环境下，分组交换显然就没有必要像X.25那样再做许多精巧而烦琐的工作了。n快速分组交换（FPS，Fast Packet Switching）就是在这样的背景下提出的。1.3.3 快速分组交换技术n快速分组交换可理解为尽量简化协议，甚至只保留核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换

22、技术。 n广义的FPS包括帧中继（FR，Frame Relay）与信元中继（CR，Cell Relay）两种交换方式。nATM交换采用的是信元中继方式。帧中继 Frame Relayn与X.25协议相比，帧中继采用一种简化的协议，它只有OSI-RM模型的下两层，没有第三层，甚至在数据链路层也只保留了核心功能，如帧的定界、同步及差错检测等。n与传统的分组交换相比，帧中继有两个主要特点。n一是帧中继以帧为单位来传送和交换数据，在第二层（数据链路层）进行复用和传送，而不是在分组层，这就简化了协议，加快了处理速度。n二是帧中继将用户面与控制面分离，而通常的分组交换是不分离的：用户面负责业务信息的传送；

23、控制面负责提供呼叫和连接的控制，主要包括信令功能。1.3.4 ATM交换技术nATM具有下列基本特点：（1）采用定长信元。（2）面向连接。 （3）异步时分交换。 （4）支持多种业务并具有服务质量保证。1.3.4 ATM交换技术图1-15 传输通道示意1.3.5 计算机网络交换技术n计算机网络是利用通信设备和传输线路将不同地理位置、功能独立 的多个计算机系统互连在一起，通过一系列的协议实现资源共享和信息传递的系统。n从服务范围看，计算机网络分为局域网（LAN，Local Area Network）、城域网（MAN，Metropolitan Area Network）和广域网（WAN，Wide A

24、rea Network）。n随着局域网技术，特别是电信级以太网技术（CE，Carrier Ethernet）的发展，计算机网络的应用范围正在向城域网甚至广域网延伸。 1.3.5 计算机网络交换技术n局域网技术包括以太网、令牌环、光纤分布式数据接口（FDDI）、ATM等，但真正得到广泛应用的是美国电气和电子工程师学会IEEE802委员会制定的以太网标准和技术。局域网n定义 局域网（Local Area Network，LAN），是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。n特点 覆盖地理范围小 高速率 具有较小的时延和较低的误码率 各站点之间形成平等关系而不是主从关系 能进行广播或多播(又称为

25、组播)决定局域网性能的三要素n网络拓扑n传输介质n介质访问控制方法要素 1：局域网的拓扑结构 匹配电阻总线网集线器星形网树形网 干线耦合器环形网要素 2：局域网的传输介质类型n有线传输介质 同轴电缆 双绞线（俗称网线，八根四对线） 光纤n无线传输介质 无线电 地面微波 卫星常用介质传输标准n标准以太网 10Base-T 双绞线n10-10Mb/s带宽nBase基带传输nT双绞线（Twisted）n快速以太网 100Base-TX 两对双绞线 100Base-FX 光纤 100Base-T4 四对双绞线四种10Mbps以太网标准n10Base-5：粗同轴电缆n10Base-2：细同轴电缆n10B

26、ase-T：10Mbps的双绞线n10Base-F：10Mbps的光缆标准的命名含义数据传输速率（数据传输速率（Mbps） 基带基带Base网段最大长度（百米）或介质类型（网段最大长度（百米）或介质类型（T，F）10 Base-5IEEE 802.3i10Mbps以太网的常见标准特性特性10Base510Base210Base-T10Base-F速率（速率（Mbps）10101010传输方法传输方法基带基带基带基带最大网段长度最大网段长度（m）5001851002000站间最小距离站间最小距离（m）2.50.5传输介质传输介质50 粗缆粗缆50 细缆细缆UTP多模光缆多模光缆网络拓扑网络拓扑总

27、线型总线型星型星型10Base-T双绞线以太网n以集线器或交换机为中心的星形拓扑n用双绞线作为传输介质集线器的特点n使用集线器的以太网在拓扑结构上是星状拓扑，但在逻辑上仍是一个总线网，使用CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线n一个集线器有多个端口，每个端口通过RJ-45接头用两对双绞线与一个工作站上的网卡相连n集线器工作在物理层，它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。相当于一个多口的中继器10Base-T以太网的特点n安装简单、方便n可以根据网络的大小，选择不同规格的集线器或交换机进行组网n网络的可扩展性强n集线器或交换机具有很好的故障检测及隔离作用要素 3：介质访问控制方式n带有冲突检测

28、的载波侦听多路访问 CSMA/CDn令牌总线 Token Busn令牌环 Token Ring介质访问控制方式- CSMA/CDnCSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）即载波监听多路访问/冲突检测方法 nCSMA/CD应用在 OSI 的第二层 数据链路层 它的工作原理是: 发送数据前 先侦听信道是否空闲 ,若空闲 则立即发送数据.在发送数据时,边发送边继续侦听.若侦听到冲突,则立即停止发送数据.等待一段随机时间,再重新尝试. 先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发nCSMA/CD采用IEEE 802.3标准。n最初的

29、以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。 3. CSMA/CD 协议 B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据介质访问控制方式- Token Busn令牌总线（Token Bus），是一个使用令牌通过接入到一个总线拓扑的局域网架构。n令牌总线被IEEE 802.4工作组标准化。介质访问控制方式- Token Busn令牌总线的工作原理 令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”（token）作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。 在

30、采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。 与CSMA/CD方法相比，令牌总线方法比较复杂，需要完成大量的环维护工作，包括环初始化、新结点加入环、结点从环中撤出、环恢复和优先级服务。n令牌总线网在物理上是总线网，在逻辑上是环型网。 介质访问控制方式- Token Ringn令牌环 Token Ring： 最有影响的令牌环网是IBM公司的Token Ring，IEEE802.5标准就是在IBM公司的Token Ring协议的基础上发展和形成的。 n在Token Ring中，结点通过环接口连接成物理环形。n令牌是一种特殊的MAC控制帧，帧中有一位标志令牌忙

31、/闲。n令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与结点在环中排列顺序相同。 介质访问控制方式- Token ringn令牌环 Token Ring：n如果某结点有数据帧要发送，它必须等待空闲令牌的到来。n当此结点获得空闲令牌之后，将令牌标志位由“闲”变为“忙”，然后传送数据。 扩展局域网n在物理层扩展局域网 集线器 Hubn在数据链路层扩展局域网 网桥 Bridge 交换机 Switch冲突域和广播域n冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧 n广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合 n冲突域是基于第一层（物理层），而广播域是基于第二层（数据链路层）。n理解

32、：广播域可以跨网段，而冲突域只能在同一网段。网络互连设备1传统以太网操作传统以太网 2中继器（Repeater） 图3-2 中继器连接的网络 中继器连接的网络 3集线器（HUB） 图3-3 集线器连接的网络集线器连接的网络 具有三个端口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线4网桥（Bridge） 图3-4 网桥连接的网络 网桥连接的网络 5交换机（Switch） 图3-5 交换机连接的网络 交换机连接的网络 6路由器（Router） 路由器连接的网络7网关（Gateway） n工作在OSI的高三层，不使用冲突域和广播域的概念。网关主要用于进行高层之间的协议转换。n注意与PC主机以

33、及路由器上配置的默认网关的区别。 问 题n如图所示的某IP网络拓扑中，共有（ ）。 A.2个冲突域，1个广播域 B.3个冲突域，2个广播域 C.4个冲突域，2个广播域 D.4个冲突域，3个广播域问 题n如图所示的某IP网络拓扑中，共有（ B ）。 A.2个冲突域，1个广播域 B.3个冲突域，2个广播域 C.4个冲突域，2个广播域 D.4个冲突域，3个广播域n用多个集线器可连成更大的局域网 扩展的局域网在物理层扩展局域网 集线器集线器一系二系集线器三系三个独立的碰撞域n用多个集线器可连成更大的局域网 扩展的局域网在物理层扩展局域网 一系二系三系集线器集线器集线器集线器主干集线器什么叫碰撞域n碰撞

34、域又可以说叫冲突域！ n在以太网中，如果某一个CSMA/CD网络上的两台计算机在同时通信时会发生冲突，那么这个CSMA/CD网络就是一个冲突域。n如果以太网中的各个网段以中继器连接，因为不能避免冲突，所以它们仍然是一个冲突域。n优点 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。n缺点 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。 只能连接同一个网段！不同网段的连接需要路由器！ 用集线器扩展局域网 在数据链路层扩展局域网n在数据链路层扩展局域网是使用网桥。n网桥工作在数据链路层，它根据

35、MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。n网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口网桥的内部结构 站表端口管理 软件网桥协议 实体端口 1端口 2缓存网段 B网段 A111222站地址 端口网桥网桥多接口网桥-以太网交换机n1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。n交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。n以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作

36、在数据链路层。以太网交换机的特点n以太网交换机的每个接口都直接与主机相连。n交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。 n以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。集线器与交换机n从带宽来看，集线器不管有多少个端口，所有端口都共享一条带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能等待；同时集线器只能工作在半双工模式下。n对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽，当两个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下也可以工作在全双工模式下。 集线器与交换机n对于普通 100 Mb/s 的共享

37、式以太网，即用集线器连接，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(100 Mb/s)的 N 分之一，即N个接口的集线器的总带宽依然为100 Mb/s 。n若使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 100 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 个接口的交换机的总带宽为 N100 Mb/s。用以太网交换机扩展局域网 一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s100 Mb/s万维网服务器电子邮件 服务器以太网交换机路由器虚拟局域网VLAN虚拟局域网n利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域

38、网n虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。 这些网段具有某些共同的需求。 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。n虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网: VLAN1, VLAN2 和 VLAN3快速以太网技术快速以太网技术n速率达到或超过100Mbps的以太网称为高速（快速）以太网n快速以太网技术100BASE-T是由10BASE-T标准以太网发展

39、而来n协议标准为IEEE802.3unIEEE802.3u仍采用CSMA/CD作为介质访问控制方法，并保留了IEEE802.3的帧格式。为了实现100M的传输速率，在物理层作了一些重要的改进三种不同的物理层标准 n100BASE-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 n100BASE-FX 使用 2 对光纤。 n100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。 100Base-T协议结构协议结构介质无关接口10/100Mpbs自动协商n自动协商是IEEE 802.3规定的一项标准，它允许一个网络站点向同一网段上另一端的网络设备广播其容量n对于100BAS

40、E-T来说，自动协商则允许一个网卡或一个集线器能够同时适应10BASE-T和100BASE-T的传输速率，直至达到自动通信操作模式，然后以最高性能操作吉比特（千兆位）以太网n允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。n使用 802.3 协议规定的帧格式。n在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。n与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。吉比特以太网n1000BASE-X 基于光纤通道的物理层： 1000BASE-SX SX表示短波长 1000BASE-LX LX表示长波长 1000BASE-CX CX表示铜线n100

41、0BASE-T 使用 4对 5 类线 UTPn1000BASE-ZX：思科指定标准。操作在平常的单模式光纤链路上，跨度可达43.5英里（70 km）。使用长波长激光（1550 nm）。千兆位以太网协议体系Gigabit MII100M100M100M1000MSiSiSiSiSiSiSiSi无线局域网WLAN无线局域网n指采用无线传输介质的局域网n传输介质一般为 微波 激光 红外线n1997年，IEEE委员会发布了无线局域网标准 IEEE 802.11协议。无线局域网介质访问控制规范nIEEE 802.11工作组考虑了两种介质访问控制算法 一种是分布式的访问控制，它和以太网类似，通过载波监听方

42、法来控制每个访问结点。适用于特殊网络 另一种算法是集中式访问控制，它是由一个中心结点来协调多结点的访问控制。适用于几个互连的无线结点和一个与有线主干网连接的基站无线局域网设备n组建无线局域网的无线网设备主要包括 无线网卡 无线访问接入点 无线网桥和天线n几乎所有的无线网络产品中都自含无线发射/接收功能笔记本无线网卡 USB无线网卡无线网桥无线局域网设备无线局域网间如何通信n建立到WLAN的连接后，结点会像其它802网络一样传送帧nWLAN不使用标准的802.3帧，WLAN帧的类型有三种 控制帧 管理帧 数据帧无线局域网的两种模式n基础结构网络模式 我们经常提及的移动通信网络一般都是有中心的，要

43、基于预设的网络设施才能运行。例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持；无线局域网一般也工作在有AP接入点和有线骨干网的模式下。 无线AP（AP，Access Point，无线访问节点、会话点或存取桥接器） 无线Internet接入n自组网络模式基础结构网络模式自组网络模式自组网络Ad hocnAd hoc网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。n网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。 无线与有线的结合个人局域网PAN个人局域网n个人局域网（PAN，Personal Area Network）是近年来随着各种短距离无线电技术的发

44、展而提出的一个新概念nPAN的基本思想是，用无线电或红外线代替传统的有线电缆，实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络nPAN定位在家庭与小型办公室的应用场合，其主要应用范围包括话音通信网关、数据通信网关、信息电器互联与信息自动交换等交换方式的发展CTM-Circuit Transfer ModePTM-Packet Transfer ModeATM-Asynchronous Transfer ModeIP交换交换多多速速率率电电路路交交换换快快速速电电路路交交换换ATMATM交交换换帧帧中中继继报报文文交交换换电电路路交交换换分分组组交交换换光交换光交换PTMCTM宽带通信网概述1

45、.1 交换与通信网1.2 通信网分层模型1.3 交换技术的分类1.4 交换技术的发展1.4 交换技术的发展1.4.1 电路交换的发展1机电式交换机2模拟程控交换 程控交换具有下列优越性： （1）灵活性大，适应性强。 （2）能提供多种新的服务性能。 （3）便于实现共路信令。 （4）便于实现操作维护和管理工作的自动化。 （5）适应现代电信网的发展。3数字程控交换1.4.1 电路交换的发展n与模拟交换不同，数字交换在话路部分交换的是经过脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）的数字话音信号，交换机内部的互连网络采用数字交换网络（DSN，Digital Switching N

46、etwork）。1.4.1 电路交换的发展n数字程控交换在技术上表现出以下3个主要特征：（1）随着大规模集成电路技术的发展，数字程控交换机采用单路编译码器和数字交换网络，实现了用户级和选组级的全数字化。（2）局间在信令方面，普遍采用No.7共路信令方式。（3）随着微处理器技术的迅速发展，数字程控交换机普遍采用多机分散控制方式。1.4.2 分组交换的发展nARPANet和其他分组交换试验网的成功，促进了分组交换技术进入公用数据网，形成分组交换公用数据网（PSPDN，Packet Switched Public Data Network）。n从技术发展来看，分组交换系统大致可以划分为三代。1.4.

47、2 分组交换的发展第1代分组交换系统 第一代分组交换系统实质上是用计算机来完成分组交换功能。图1-18 第1代分组交换系统的结构示意1.4.2 分组交换的发展n第2代分组交换系统 第二代分组交换系统采用共享媒体将前端处理机互连，计算机主要用于虚电路的建立，不再成为系统中的瓶颈。 图1-19 第2代分组交换系统的结构示意 1.4.2 分组交换的发展n第3代分组交换系统 图1-20 第3代分组交换系统的结构示意 1.4.3 宽带交换的发展1ATM交换的发展2IP交换的发展3光交换技术的发展1ATM交换的发展早期的研究 n80年代初，随着宽带业务的逐步发展及业务发展的某些不确定性，人们迫切要求找到一

48、种灵活性与适应性强的交换方式，能兼具电路交换与分组交换的优点。n1983年出现的快速分组交换（Fast Packet Switching，FPS）和异步时分（Asynchronous Time Division，ATD）交换的结合，导致了ATM交换方式的产生。n1983年，美国贝尔实验室提出了FPS的原理，研制了原型机，FPS源自分组交换，减少了链路层协议的复杂性，以硬件来实现协议的处理，从而大大提高了速度。1ATM交换的发展公用ATM宽带试验网n1994年8月投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内采用ATM和SONET（Synchronous Optical NETw

49、ork）的公用ATM宽带网，被看作未来国家基础信息设施的雏型，用于远程教学、远程医疗、商务、司法和行政管理等领域，可以支持ATM信元中继业务、交换型多兆比特数据业务、帧中继业务以及电路仿真业务。1ATM交换的发展公用ATM交换系统n公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常为40160Gbit/s，应能支持各种接口、业务和连接类型。1ATM交换的发展nATM技术将面向连接机制和分组机制相结合，在通信开始之前需要根据用户的要求建立一定带宽的连接，但是该连接并不独占某个物理通道，而是和其他连接统计复用某个物理通道，同时所有的媒体信息，包括语音、数据和图像信息都被分割并封装成固定

50、长度的分组在网络中传送和交换。 nATM另一个突出的特点就是提出了保证QoS的完备机制，同时由于光纤通信提供了低误码率的传输通道，所以可以将流量控制和差错控制移到用户终端，网络只负责信息的交换和传送，从而使传输时延减少，ATM非常适合传送高速数据业务。 1ATM交换的发展n从技术角度来讲，ATM几乎无懈可击，但ATM技术的复杂性导致了ATM交换机造价极为昂贵，并且在ATM技术上没有推出新的业务来驱动ATM市场，从而制约了ATM技术的发展。n目前ATM交换机主要用在骨干网络中，主要利用ATM交换的高速和对QoS的保证机制，并且主要是提供半永久的连接。 ATM本地网北电网络Passport*150

51、00多业务骨干网交换机Passport7480多业务交换机B-ISDN的标准化组织nITU-T国际电信联盟-电信标准化部门公网nANSI美国国家标准协会 AmericanNationalStandardsInstitutenETSI欧洲电信标准化协会 EuropeanTelecommunicationStandardsInstituten工业论坛 ATM论坛（ATMForum）局域网 IETFInternet工程组nInternet Engineering Task Force 帧中继论坛 SMDS行业组nSwitchedMultimegabitDataServicen交换式多兆位数据服务 2

52、IP交换的发展-发展背景n近年来，Internet在全球范围内快速增长，从1989年开始，大约每隔56周，Internet上的主机数就翻一番，呈指数级增长。（1）Internet骨干网的传送容量太小，带宽资源不足，现有路由器寻址速度低，吞吐量不够，同时用户接入速率太低。（2）当用户数量急剧增加时，路由器网络性能将下降，这时路由器虽然可以保证优先级较高的数据传输，但由于它采用无连接的IP（Internet Protocol），因而不能使服务质量（带宽、优先级等）与商业上的优先级对应起来。（3）路由器网络规模的进一步增大要求路由器支持大数量的端口，然而目前一般的路由器只支持10个端口，即使是大型路

53、由器也只能支持50个端口，即路由器的端口数受到限制。2IP交换的发展-发展背景（4）规模较大的路由器网络大多采用分层结构，并且大的节点也采用上述可堆叠式配置，以支持大量用户接入。（5）当前Internet所使用的IPv4协议对实时业务、灵活的路由机制、流量控制和安全性能的支持不够，地址资源也短缺2IP交换的发展- IP交换nIP交换（IP Switch）是Ipsilon公司提出的专门用于在ATM网上传送IP分组的技术，它克服了Classical IP Over ATM的一些缺陷（如在子网之间必须使用传统路由器等），提高了在ATM上传送IP分组的效率，是目前一种典型的属于集成模型的技术。2IP交

54、换的发展- IP交换n用ATM传送IP技术构造宽带Internet骨干网具有许多明显的优势，主要包括下述几方面。（1）网络性能大幅度提高（2）设备费用降低（3）服务质量得到保证（4）可靠性大大增强（5）大大增加了可管理性（6）提高了可扩充性2IP交换的发展-标记交换技术n标记交换是Cisco推出的一种基于传统路由器的ATM承载IP技术。n标记交换是一种多层交换技术，它把ATM第二层交换技术和第三层路由技术结合起来，能充分利用ATM的QoS特性支持多种上层协议，能在各种物理平台上实现，是一种性能比较优越的IPOA（IP Over ATM，ATM上的IP）技术。2IP交换的发展- IP/ATM集成

55、交换n由于Internet的迅速发展，基于IP网络的应用日益广泛。nIP与ATM的结合已成为研究的热点和发展趋势。3. 光交换技术的发展n光交换技术的研究已持续了若干年，但直到现在才看到其逐步走向实用化的曙光。n驱动来自两方面：业务、应用驱动与技术驱动，两者又互相促进。n以IP为中心的业务的快速增长以及高带宽WDM的技术进展，迫切要求超大容量的高速网络节点。n今后的网络节点不但要求吞吐量非常大；端口速度要求快；n另一方面，交换型和非交换型光组件与光交换技术也不断取得可喜的进展，例如，容量大、 性能好、便于集成化生产而成本较低的、可用于交换结构的微电子机械系统(MEMS)，以及光突发交换方式都使

56、人们看到了希望。 3. 光交换技术的发展n光交换的引入可以形成带宽动态实时分配的智能型可交换光网络，实现高速的与数据速率、格式、协议无关的透明传送。n不需要O/E和E/O转换，消除了电子处理速度的“瓶颈”限制，并便于实现网络层次少、优化和集成化的IP over WDM。 3. 光交换技术的发展n回顾过去，在数字化进程中首先出现PCM数字传输，然后从70年代起始，在80年代兴起了数字交换的研发，并很快地完全取代了模拟交换。n而今，WDM传输技术迅猛发展，也将兴起光交换的热点，尽管还不能确切地预料何时能取代电子交换。3. 光交换技术的发展n光交换比电交换要复杂，在技术和成本方面还有许多问题要解决。

57、n目前一般认为，光交换的实用化大致会分成3个阶段 ： 首先是比较成熟的波长路由或波长交换，也就是光的电路交换，在近期可望获得一些应用 ，特别看好的是将MPLS控制面与光交叉连接(OXC)相结合的多协议波长交换(MPS)； 然后是电路交换与分组交换相结合的光突发交换(OBS)，可望在中期获得应用； 最后的目标是较理想的光分组交换(OPS)，还有不少技术难点有待解决，也许要延迟到新世纪的下一个10年才 能获得应用。1.4.4 NGN与软交换NGN概述n所谓下一代网络（NGN，Next Generation Network） 是在网络业务量和信息产业界内、外部环境发生巨大变化的前提下，信息产业界利用

58、最新技术成果适应发展、变革和竞争需要而提出的下一步网络发展的总体设想和思路。NGN概述n从广义上讲，NGN泛指一个不同于现有网络，大量采用业界公认的新技术，可以提供语音、数据和多媒体业务，能够实现各种网络用户之间的业务互通及信息共享的融合网络。NGN概述nNGN包括下一代传送网、下一代接入网、下一代交换网、下一代Internet和下一代移动网。 n广义的NGN实际包含了几乎所有新一代的网络技术，是端到端的、演进的、融合的整体解决方案，而不是局部的改进更新或单项技术的引入。nNGN的出现与发展不是革命，而是演进，是在现有网络基础上的平滑演进。广义的下一代广义的下一代网络网络下一代交换下一代交换网

59、（软交换网（软交换系统）系统）下一代移动下一代移动网（网（3G和和4G）下一代接入下一代接入网（宽带接网（宽带接入网）入网）下一代互联下一代互联网（网（IPv6）下一代传输下一代传输网（智能光网（智能光网络）网络）NGN概述n从狭义上讲，NGN特指以软交换设备为控制核心，能够实现语音、数据和多媒体业务的开放的分层体系结构。n在这种分层体系架构下，能够实现业务控制与呼叫控制的分离，呼叫控制与接入和承载的分离，各网络部件之间采用标准的协议进行互通，能够兼容PSTN、IP网、移动网等技术，提供丰富的用户接入手段，支持标准的业务开发接口，采用统一的分组传送方式。n本章后面提到的NGN均作狭义的下一代网络即软交换网络理解。NGN的定义和特点NGN的定义ITU-T对NGN的定义为：nNGN是基于分组的网络，能够提供包括电信业务在内的多种业务，能够利用多种带宽和具有QoS能力的传送技术，实现业务功能与底层传送技术的分离；提供用户对不同业务提供商网络的自由接入，并支持通用移动性。NGN的定义nETSI则将NGN定义为一种规范和部署网络的概念，通过使用分层、分面和开放接口的方式，给