1、8 数据交换技术n 电路交换n 分组交换n 帧中继n ATM交换 交换的概念交换：在用户之间有目的地互相传递信息(话音、文本、数据或图像)。全连通网星型网Switch(a)Network(b)SwitchControl123N123NConnectionof inputs to outputsUser 1SwitchLinkUser nUser n-1网络与交换机电话的典型连接方式交换网络传输过程是：模拟话音 PCM PCM -模拟话音 电话接入网local telephone officeDistribution FrameServing Area I/fServing Area I/fPe
2、destalfeeder cableSwitchdistribution cable公用交换电话网(PSTNPublic Switched Tel.Net)分为三级：国际网、长途网和本地网 各级网络的网络结构本地电话网的网络结构电话网的编号计划（注意与后面的IP地址编号方式的比较）总长10位，不含长途字冠“0”编号规则：国际电话号码：国际字冠+国家代码+长途区号+本地编号 国内长途电话号码：国内长途字冠+长途区号+本地编号 例如：00 86 10 6891 1841 国际字冠+国家代码+长途区号+本地编号数据交换技术的类型 按传送与交换的信号类型分类 模拟交换 数字交换 按信道占用方式分类 电
3、路交换 分组交换 按存储转发的信息单位分类 报文交换 分组交换 按数据交换过程中对比特差错控制方式分类 快速分组交换：分组交换 按同步方式分类 同步交换 异步交换 交换方式同步传送模式分组传送模式电路交换多速率电路交换快速电路交换ATM交换快速分组交换帧交换分组交换交换方式又称为传送模式(Transfer Mode)。电路交换n 电路交换的过程n 电路交换的特点电路交换的过程三个阶段：呼叫建立 信息传送 连接释放 类比：打电话的过程电路交换是最早出现的一种交换方式，也是应用最广泛的一种。SignalSourceSignalReleaseSignalDestinationGoAheadMessa
4、ge电路交换的优缺点 优点 数据传输速度快，一旦线路接通，数据直通，传输延迟时间短。数据按序传送，先发送的数据先被收到。缺点 独占电路和一组用户设备，其他用户不能利用。电路交换的呼叫建立过程所花时间太长。由于计算机和各种终端的传输速率不一样，很难使这些不同速率的设备互相通信。双方数据通路建立连接以后，一旦出现了故障，都必须重新建立连接。这对重要的与紧急的通信很不利。综上所述，计算机的数据通信必须寻找其它的交换技术。分组交换n分组交换原理n 分组网拓扑结构和组成n 数据报与虚电路n 分组网中的路由技术n 最短路经路由算法报文交换 采用了存储转发的技术大大提高了线路利用率。优点每一条信道可以被许多
5、用户共用。当业务量增大时，将优先级别高的报文先转发出去。可以增加差错控制机制确保报文有序无误地传送。可以进行不同速率、不同码型交换，从而实现了不同种类终端间的数据传送。缺点通过通信网络的延迟等待时间过长，所以它不适合于实时的或会话式的数据通信业务。要求交换机备有大容量的缓冲器。分组交换的概念 也称包交换(Packet Switching)。将用户传送的数据划分成一定的长度(分组)；在每个分组的前面加一个分组头，来指明该分组发往何地；交换机根据每个分组的地址标志，将它们转发至目的地。进行分组交换的通信网称为分组交换网。为什么要分组交换用户要浏览网页，首先要建立TCP连接，发送包含地址信息的请求服
6、务器通过HTTP响应用户的要求，返回需要的文件关闭TCP 连接，离线浏览分组交换的特点 复用信道多速率接入超容量降低传输质量，但仍接收分配优先权可靠传输分组(Packet)的形成分组=分组头+信息包分组的概念是1967年由英国国家物理实验室NPL提出的。分组交换网的组成NetworkPacket switchTransmission link32 11 22132 11 22121MediumAB32 11 221C21212 1341 2 3 4端系统A端系统BNetwork12物理层实体数据链路层实体3结点中的网络层实体3终端的网络层实体运输层实体4分组交换与电路交换的比较电路交换分组交换
7、传输路径每次确定每分组不同实时通信实时交互式网络延时小，但有初始化延时大线路利用率低高速率变换无有使用带宽固定可变差错控制无有网络过载影响增大呼损增大延时计费方式距离和时间流量和时间两种服务方式面向连接用户的数据能够确保正确传输无连接用户的数据不能确保正确传输两种交换机制数据报每个分组独立处理，独自选择在网络中传输的路由，不进行数据校验和重传虚电路首先要建立链路，所有分组均在这个连接上进行传送，帧顺序和路径都是确定的。虚电路和数据报交换与电路交换的比较X.25 建议书 X.25协议的作用范围X.25 分组的格式帧中继 n帧中继所提供的服务n帧中继的体系结构n帧中继的帧格式n帧中继的优点与应用
8、帧中继产生的背景 分组交换网络易受干扰而产生误码。传输设施基本是借用了模拟的电话线路；分组交换网络在每个结点都需做大量的处理工作。每个结点要把一完整的帧信息接收下来，只有当收到的帧被检查且确定无差错后，才把它交给网络层。网络层协议为了确保在每个信道上按序正确传输，还要有一些处理所带来的开销。减少分组在传输过程中在每个结点上的差错检查和其它处理所花的时间。帧中继一方面要求网络的传输速率高，能快速响应，并满足传输突发信息的要求；另一方面，由于光纤通信的普及，通信线路传输速率和质量提高。帧中继是对X.25分组交换技术的一种改进。帧中继在数据链路层实现了网络资源统计复用的一种快速分组交换技术。帧中继的
9、基本原理 帧中继所提供的服务帧中继的体系结构帧中继的帧格式ATM交换nATM技术的基本特点nATM网的体系结构nATM的信元格式nATM交换原理n服务质量(QOS)ATM技术的提出 ATM最早在1983年由CNET和AT&T开展研究，1984年Alcatel Bell研究中心公布ATM的概念，1988年CCITT TG18定名为ATM，（Asynchronous Transfer Mode）。Transfer Mode实际上是一种信息转发或交换的方式，ATM既不是电路交换，也不是分组交换，而是一种新的交换方式，称为信元交换(Cell Switch)。所谓Asynchronous（异步）体现在与
10、TDM固定时隙相反，用户可以随时发信息。ATM定义ATM是一种传递模式，在这种模式中，信息被分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元不需要在传输链路上周期性地出现。因此这种传递模式是异步的。ITU-T I.113ATM is“A transfer mode in which the information is organized into cells;it is asynchronous in the sense that the recurrence of cells containing information from an individual user is not necessa
11、rily periodic.”ATM的复用方式TDM采用固定时隙，存在时隙的浪费。而ATM不受时隙的影响，可以随时将信元复用到信道上。MUXWasted bandwidthATMTDM4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 14 3 1 3 2 2 1VoiceData packetsImagesFigure 7.37TDM/ATMATM是面向连接的ATM采用虚电路的方式交换信息，用户向网络提交信息之前要首先建立连接，声明所需的信元特性和QoS，包括峰值信元速率、最大包长、信元延时、信元丢失率等参数。ATM传输和交换过程中采用两种连接形式，即虚通道(Virtual Channel)连接和虚
12、通路(Virtual Path)连接。VP与与VC的概念的概念Example of VPs and VCsATM交换 ATM交换是基于VPI/VCI组合实现的。ATM交换机实际上是将一个输入的VPI/VCI信元，映射到输出VPI/VCI信元。交换方式有两种：VP交换和VC交换。引入VP交换的好处：便于管理，简化ATM交换机；提高ATM交换的速率。ATM由ITU-T主管，由ATM Forum管理具体的标准。Architecture of an ATM NetworkATM特点 不进行逐段链路差错和流量控制 面向连接 信头功能简单 信元长度小而固定 用户信息透明地穿过网络ATM的优点支持任何业务（
13、不同速率，不同突 发性，不同实时性）有效利用网络资源（统计复用）单一通信网（B-ISDN）ATM网的体系结构 四层三面的立体结构。四层是高层、AAL层、ATM层和物理层。与OSI七层的对应关系是：高层 NL3层、4-7层AAL、ATM DL2层物理层 PH1层（问题：（问题：ATM是属于第二层还是第三层协议？）是属于第二层还是第三层协议？）有的参考书上写ATM属于一层半(1.5层)协议。三个面是用户面、控制面和管理面。前两个面可以理解为用户-网络接口(UNI)和网络-网络接口(NNI)。注意，管理面是针对全部协议的。管理平面提供了层管理和平面管理两种功能。层管理执行与各层实体中的资源和参数有关
14、的功能。平面管理执行与系统整体有关的管理功能，协调各平面之间的关系。平面管理不分层次。这两种管理共同完成整个网络的维护与运行功能。用户平面与控制平面用户平面用来传送用户数据、流量控制、差错控制和其它一些用户功能信息；控制平面处理为建立和释放连接所需的信令。物理层分为两个子层：物理媒体相关(Physical Media Dependent)子层，即PMD子层，和传输汇聚(Transmission Convergence)子层，即TC子层。PMD子层。负责在物理媒体上正确传输和接收比特流。它完成只和媒体相关的功能。例如，线路编码与解码、比特定时、光电信号转换等。TC子层。实现信元流和比特流的转换，
15、包括速率匹配(空闲信元的插入)、信元定界与同步、传输帧的产生与恢复等。Physical layerTransmission convergence sublayerPhysical medium dependent sublayerPhysical mediumATM layerPhysical layerFigure 9.6ATM层主要完成交换功能和复用功能。生成(或去除)信元标头，装配(或拆卸)信元，实现信元的复用与解复用。信元的VPI/VCI转接，即完成信元交换功能。一般的流量控制。汇集信元到物理接口(或从物理接分检信元)。网络阻塞控制与放弃信元。ATM LayerATM适配层(AAL)
16、增强ATM层所提供的服务，并向高层提供各种不同的服务。AAL层又划分为两个子层汇聚子层CS(Convergence Sublayer)。使ATM系统可以对不同的应用(如文件传送、视频点播)提供相应的服务。每一个AAL用户通过服务访问点SAP接入AAL层。在CS子层形成协议数据单元CS-PDU。拆装子层SAR(Segmentation And Reassembly)。在发送时，将CS-PDU划分成长度为48字节的单元，交给ATM层作为信元的净荷。在接收时，SAR子层进行相反的操作，将ATM层交上来的48字节的净荷装配在CS-PDU。AAL LayerSegmentation and Reasse
17、mbly SublayerAAL LayerConvergence Sublayer Common PartService Specific Convergence SublayerFigure 9.9ATM Layers in End-Point Devices and SwitchesATM网络向用户所提供的服务服务类别(class)A类B类C类D类AAL类型(type)AAL1AAL5AAL2AAL5AAL3/4AAL5AAL3/4AAL5比特率恒定可变是否需同步需要不需要连接方式面向连接应用举例64kbps话音变比特图像面向连接数据无连接数据AAL层的类型 AAL1类型针对电路交换业务
18、 AAL2类型针对低速率、短时延的分组业务 AAL3/4类型针对无连接的可变速率数据 AAL5类型面向连接的可变速率数据不做任何处理，只增加8字节的Trailer，加上PAD后变为48字节的整数倍，然后送给SAR层。SAAL类型(Signaling AAL)AAL TypesAAL1AAL2AAL3/4AAL5 中间的ATM交换机只负责到ATM层的转发。AALATMUser informationUser informationAALATMPHYPHYATMPHYATMPHYEnd systemEnd systemNetwork用户面协议端到端传输过程ATM信元ATM信元大小的确定ATM信元的
19、结构 HEC控制算法 ATM信元的定界 ATM信元大小的确定 信元大小的确定取决于三个因素传输效率时延实现的复杂性。从实时通信来看，小的信元可以减小时延和排队时间，固定大小便于硬件处理和交换，但信元过小会降低传输效率。欧洲提出32+4的方案。美国提出64+5的方案，经过长期争论，最后ITU-T采取折衷的方式：（32+64）/2=48。（不伦不类，不是二的幂次，后患无穷。）ATM信元的帧格式ATM cell headerGFC(4 bits)VPI(4 bits)VPI(4 bits)VCI(4 bits)VCI(8 bits)VCI(4 bits)PT(3 bits)CLP (1 bit)HE
20、C(8 bits)Payload (48 bytes)ATM信元的结构ATM信元的结构 ATM信元=5字节的信头+48字节的信息 GFC一般流量控制，只用于UNI，而在NNI中GFC的4比特用于VPI。VPI 虚通路，对UNI是8比特，对NNI是12比特。VCI 虚通道，12比特。PT=Payload Type=b0b1b2,b0=0data,b0=1 control。CLP=Cell Loss Priority比特,CLP=1表示可丢，CLP=0不可丢。HEC=Header Checksum，8比特，是前四个字节的校验，采用CRC-8=X8+X2+X+1。Virtual Connection
21、 Identifiers in UNIs and NNIsATM HeaderPT Fields没有帧标志字段，完全依靠HEC信头的特性来确定ATM信元。纠错状态 检错状态HEC控制算法ATM信头的差错控制算法接收端HEC的控制算法ATM信元的定界基于HEC同步算法注意ATM中没有采用HDLC的帧结构，有自己独特的检验和定界算法。ATM信元可以放入其它数据帧结构中传输，例如ATM信元可以在SDH中传输。但ATM信元本身有定界特性，因此，也可以直接放在物理层上传输。ATM信元的定界方法ATM信元在SDH中的传输虚连接ATM中由两种虚连接VP和VC。其中，VC连接又可以分为PVC(Permanen
22、t Virtual Connection)SVC(Switched Virtual Connection)Connection IdentifiersSVCSetupATM交换过程 QoS服务质量持续的信元速率峰值信元速率最小信元速率信元延迟抖动偏差信元丢失率信元传送时延信元时延偏差误信元率ATM网络性能信息（语义）透明性信息（语义）透明性（Information(Semantic)transparency）BER（误比特率）误比特率）PER（分组差错率）分组差错率）PLR（分组丢失率）分组丢失率）PIR（分组误插率）分组误插率）时间透明性时间透明性（Time transparency）Del
23、ay（时延），时延），Delay jitter（时延抖动）时延抖动）Number of erroneous bitsTotal number of bits sent分组差错率分组差错率PER=Number of erroneous packetsTotal number of packet sent分组丢失率分组丢失率PLR=Number of lost packetsTotal number of packet sent分组误插率分组误插率PIR=Number of inserted packetsTotal number of packet sent误比特率误比特率 BER=信息（语义）
24、透明性信息（语义）透明性QoS参数定义了六个QoS参数：误信元率 CER Cell Error Ratio信元误插入率 CMR Cell Misinsertion Rate严重错误信元组率 SECBR Severely-errored cell block ratio信元丢失率 CLR Cell Loss Ratio信元传输延时 CTD Cell Transfer Delay信元时延抖动 CDV Cell Delay Variation 业务描述参数PCR Peak Cell RateSCR Sustainable Cell RateMBS Maximum Burst SizeMCR Mini
25、mum Cell RateCDVT Cell Delay Variation ToleranceATM服务类型CBR Constant Bit Ratert-VBR real-time Variable Bit Ratenrt-VBR nonreal-time Variable Bit RateABR Available Bit RateUBR Unspecified Bit RateService ClassesService Classes and Capacity of NetworkA/DAALVoices1,s2 Digital voice samplesA/DAALVideoCom
26、pressioncompressed framespicture framesAALDataBursty variable-length packetscellscellscellsFigure 9.3ATM的应用ATM WANATM用于远程连接多种网络形式ATM LANATM 用于局域网的连接ATM WANEthernet Switch and ATM SwitchLANE ApproachATM的未来“ATM is dead,Long live ATM.”ATM与ISDN遭受同样的命运？“计划经济比不过市场经济”IP也在改进，增加QoS功能，速率也在提高，如LSR线速率路由器IP over
27、 ATM over SDH over fiber IP over fiber or IP over DWDM(附)ATM交换技术与ATM交换机ATM交换的基本原理信头信头信元信元数据数据队列队列输出信头输出信头信头信头/链路链路 翻译表翻译表输入信头输入信头翻译表翻译表输入链路输入链路时隙时隙输出电路输出电路时隙时隙kknnggmlizyyxxssOOOOlll12q12nOOOOO1q212qkmlnigxyzxsy1lln.数据数据txRouting with a VP SwitchA Conceptual View of a VP SwitchRouting with a VPC SwitchA Conceptual View of a VPC SwitchCrossbar SwitchA Banyan Switch
