第九章 广域网技术和协议

9.1 交换式通信网

  • 需要通信的终接设备称为站点(station)
  • 用于提供通信功能的交换设备称为结点(node)
  • 结点通过传输链路以某种拓扑结构相互联结在一起
  • 每个站点都要连接到一个结点上
  • 这些结点的集合称为通信网络(communications network)

Communications Network

在交换式(switched)通信网络中,数据从一个站点进入网络后,经过由一个结点到另一个结点的交换,最后被传递到目的地。

广域交换网使用的是两种差别很大的技术:电路交换和分组交换。主要区别在于信息从源点传输到终点的途中,结点将这些信息从一条链路交换到另一条链路时采取的方式不同。

9.2 电路交换网络

经由电路交换的通信,每两个站点之间有一条专用的通信通路。这条通路是由网络结点之间的链路首尾相接形成的链路序列。在每条物理链路上都有该连接专用的逻辑信道。经由电路交换的通信包括如下3个步骤:

  1. 电路建立:在能够发送任何信号之前,首先必须建立一条端到端(站点到站点)的电路。
  2. 数据传送:数据既可以是模拟的,也可以是数字的,取决于网络的性质。一般来讲连接是全双工的。
  3. 电路断连:经过一段时间的数据传输之后连接被终止,通常是由这两个站点中的某个站点发起的动作。

电路交换的应用:

  • 公用电话网
  • 数据交换
  • 专用小交换机(Private Branch eXchange, PBX)

一个公用电信网络的组成部分:

  • 用户:与网络连接的设备。
  • 用户线路:用于和网络之间的链路,又称为用户环路本地环路
  • 交换局:网络的交换中心。能够直接支持用户的交换中心称为端局。
  • 中继线:交换局之间的干线线路。

9.3 电路交换的概念

Switch

现代电路交换系统的心脏是数字交换机(digital switch)。数字交换机的功能是向与其相连的任意一堆设备提供透明的信号通路。该通路的透明性体现在对于两个相连设备而言,它们之间似乎存在直接连接。一般情况下该连接必须允许全双工传输。

网络接口(network interface)部分代表的是将数字设备连接到网络上所需的功能及硬件,如数据处理设备或数字电话等。

控制单元(control unit)要完成3类任务:建立连接、维护连接、拆除连接。

电路交换设备的一个重要特性是,它是有阻塞的还是无阻塞的。当网络的两个站点之间因所有通路都在使用而无法建立连接时就发生了阻塞。阻塞网络指的是有可能出现此类阻塞情况的网络;无阻塞网络允许所有站点同时建立连接(成对的),所有可能的连接请求都能够被接受,只要被叫方空闲。对于数据应用,要求使用无阻塞或“接近无阻塞”(阻塞的概率非常低)的设置。

9.3.1 空分交换

空分交换机就是信号通路与信号通路从物理上被分隔开(空间分隔)的交换机。每次链接都需要建立一条经过该交换机的物理通路,该通路完全专用于这两个端点之间的信号传送。交换机的基本构成模块是金属交叉点,或可以由控制单元闭合或断开的半导体门电路。

  • 交叉点的数量以相连站点数量的平方数上升。对于大型交换机,其代价不菲。
  • 一个交叉点的损坏使得在该交叉点上相交的线路所属的设备之间无法连接。
  • 交差点的利用率很低,哪怕所有的连接设备都处于活跃状态,也只有一小部分交差点被占用。

为了克服上述限制,采用了多级交换。

  • 交叉点的数量减少,从而提高了纵横矩阵的利用率。
  • 有多条通路可以通过该网络连接两个端点,从而提高了可靠性。

使用多级空分交换需要更加复杂的控制机制,也可能被阻塞。

9.3.2 时分交换

所有的现代电路交换机都是用数字时分技术来建立及维护“电路”。时分交换手段设计将低速率的比特流分割成许多小块,然后与其他比特流一起共享速率较高的容量。

9.3.3 时隙交换

很多时分交换机的基础构件是时隙交换(Time-Slot Interchange, TSI)机制。TSI单元对同步TDM时隙流(或者说信道)进行操作,通过时隙对的互换来实现全双工的操作。

9.3.4 时间复用交换

为了克服TSI的延迟问题,当代的时分交换机使用多个TSI单元,每个单元承载总通信量的一部分。这种技术称为时间复用交换(Time-Multiplexed Switching, TMS)。

9.4 软交换体系结构

本质上,软交换是在通用计算机上运行的专门软件,它可以将计算机变成一个智能电话交换机。软交换和传统电路交换相比,不仅大大节省了费用,而且可以提供更多的功能。特别是除了处理传统的电路交换功能之外,还能够将数字化的话音比特流转换成分组。

在软交换的领域里,物理交换功能由媒体网关(Media Gateway, MG)执行,而呼叫处理逻辑则位于媒体网关控制器(MGC)中。

Switch V.S.

9.5 分组交换原理

分组交换与电路交换相比有以下优点:

  • 线路的效率较高,因为单条结点到结点的链路在一段时间内可以被许多分组动态地共享。
  • 分组交换网络能够完成数据率之间的转换。
  • 当电路交换网络中的通信量变得非常拥挤时,某些呼叫会被阻塞。在分组交换网络中,分组仍然能够被接受,只是传递的时延增长。
  • 能够使用优先级别。优先级较高的分组会被优先传输。

9.5.1 交换技术

网络试图让这些分组沿一定的路由经过网络,并将它们交付给意图到达的目的地,使用了两种方式:数据报和虚电路。

Packet Switching

数据报(datagram)方式中,每个分组被视为是独立的,和之前发送的分组之间并没有关系。在前进的道路上,每个节点为分组选择下一个结点,选择结点时考虑的因素有来自相邻结点的有关通信量的信息、线路故障等。因此,这些分组虽然具有相同的地址,但并不是沿着相同的路由前进,并且很可能失序地到达出口结点。

  • 无呼叫建立过程
  • 更加灵活
  • 更加可靠(如果某一个结点出现故障,其后的分组都可以找到替换路由)

虚电路(virtual circuit)方式中,在发送任何数据报之前,首先要建立一条预定的路由。一旦路由建立,在通信双方之间的所有分组都沿相同的路由穿过网络。此时除了数据之外,每个分组还含有一个虚电路标识。在这条预先建立的路由上,每个结点都知道应该如何引导这些分组,因而不需要路由选择判断。

  • 按序传输、差错控制
  • 没有必要选择路由,传输速度快

9.5.2 分组大小

Packet Size and Transmission Time

9.5.3 外部网络接口

(略)

9.5.4 电路交换和分组交换的对比

性能

  • 传播时延:信号从一个结点传播到下一个结点所需的时间。
  • 传输时间:发送器向外发送一块数据所需要的时间。
  • 结点时延:结点在交换数据时完成必要的处理过程所用的时间。

Event Timing

  • 电路交换:传播前建立连接,呼叫接收信号的返回不会有时延,因为连接已经建立。一旦连接建立,报文就以单块数据的形式发送,各交换节点的时延可以忽略。
  • 虚电路分组交换:使用呼叫请求分组,请求建立一条虚电路,在每个节点上引起时延。呼叫的接受过程也需要经历结点的时延。一旦虚电路建立,报文就以分组的形式传输。
  • 数据包分组交换:不需要建立过程,对于短报文,它比虚电路分组交换快,甚至可能比电路交换还快。不过,每个数据报独立选择路由,所以在每个节点上处理需要更多的时间。

其他特性

电路交换数据包分组交换虚电路分组交换
专用的传输通路没有专用通路没有专用通路
连续的数据传输分组传输分组传输
足够快,可交互足够快,可交互足够快,可交互
报文不保存传递前可能要保存传递前必须保存
在整个会话过程建立通路为每个分组建立路由为整个会话过程建立路由
呼叫建立时延;传输时延可忽略分组传输时延呼叫建立时延;分组传输时延
如果被叫方忙则返回忙信号如果分组没有交付可能会通知发送方向发送方通知连接被否决
超负荷可能会阻塞呼叫的建立;对于已建立的呼叫没有时延超负荷会增加分组时延超负荷可能会阻塞呼叫的建立;增加分组时延
机电式或计算机式交换节点小型交换节点小型交换节点
用户负责对丢失报文的保护网络可能会对单个分组负责网络可能会对分组序列负责
通常没有速率或编码转换有速率和编码转换有速率和编码转换
固定带宽传输动态使用带宽动态使用带宽
在呼叫建立后没有额外开销比特每个分组中都有额外开销比特每个分组中都有额外开销比特

《表格分割线》

电路交换的服务在本质上是透明的。而在分组交换中不是这样,分组交换会带来变换的时延,数据以断断续续的房市到达。同时,电路交换无需额外开销;而分组交换中模拟数据必须转换为数字数据,且每个分组中都含有目的地址等额外开销比特。

9.6 异步传递方式

异步传递方式是一种交换和复用技术,它采用小的、固定长度的分组,称为信元(cell)。选择固定长度的分组,则时延的变化小,保证了交换和服用功能的高校实现。选择信元长度小,主要是为了打包时延小,从而支持了对时延无法容忍的交互话音服务。

ATM的目标:

  • 期望解决所有的网络和通信问题
  • 语音,数据,有线电视,电报等合并到一个集成系统

9.6.1 ATM逻辑连接

ATM中的逻辑连接称为虚通路连接(VCC)。VCC类似于虚电路,它是ATM网络中最基本的交换单元。VCC经由网络在两个端用户之间建立,通过这条连接所交换的是速率可变的、全双工的、长度固定的信元流。VCC也可用于用户和网络之间的交换(控制信令)以及网络和网络之间的交换(网络管理和路由选择)。

ATM Network

ATM引入了第二个处理子层,负责虚通道链接的概念。一个虚通道连接(VPC)就是一群具有相同端点的VCC。流经所有属于某个VPC中的VCC上的所有信元都是在一起进行交换的。

使用虚通道的好处有:

  • 简化了网络体系结构
  • 提高网络的性能与可靠性
  • 减少处理过程并缩短连接建立时间
  • 增强的网络服务

虚通道/虚通路的特性

  • 服务质量(QoS)
  • 交换的和半永久的虚通路连接
  • 信元序列完整性
  • 通信量参数协商和使用监控
  • VPC内的虚通路标识符限制

控制信令

VCC建立/释放功能的4种方式:

  1. 半永久VCC可用于用户到用户的交换,这种情况下不需要任何控制信令。
  2. 如果没有预先建立的呼叫控制信令通路,必须先建立一个。此时需要一条永久通路,可能是低数据率的,但可用于建立VCC。这种通路称为元信令通路
  3. 元信令通路可用于在用户和网络之间为呼叫控制信令建立一条VCC,然后这条用户到网络的信令虚通路可以用来建立运载用户数据的VCC。
  4. 元信令通路也可以用于建立用户到用户的信令虚通路。这种通路必须建立在一条预先建好的VPC内,然后才可能允许两个端用户在没有网络干预的情况下建立或释放从用户到用户的运载用户数据的VCC。

VPC建立/释放的3种方式:

  1. 通过预先达成的约定,VPC可以被建立在半永久的基础上。在这种情况下不需要任何控制信令。
  2. VPC的建立/释放可能是用户控制的。在这种情况下,客户利用一条信令VCC向网络请求VPC。
  3. VPC的建立/释放可能是网络控制的。在这种情况下,网络根据自己的方便建立一条VPC。这条通道可能是网络到网络的、用户到网络的或者是用户到用户的。

9.6.2 ATM信元

异步传递方式利用了固定长度的信元,由5个八位组的首部和48个八位组的信息字段组成。

  • 一般流量控制(GFC)
  • 虚通道标识符(VPI)
  • 有效载荷类型(PT)
  • 信元丢失优先级(CLP)
  • 首部差错控制(HEC)