1、2023-9-31第11章 面向IP的分组交换 在数据通信网中，有分组交换机、帧中继交换机等组成的底层网络（计算机子网）。底层网络只完成点对点或路由器之间的数据传送工作，三层以上传送功能全部由IP/TCP协议来完成。随着数据通信的快速发展，面向IP的分组交换也涌现出了多种成熟技术，本章首先介绍传统的PSX、FR交换，然后引出IP交换和MPLS等技术。2023-9-32 11.1 分组交换分组交换 分组交换的特点是路径可以有多种选择，灵活性好，可靠性高，但算法复杂。目前，分组交换技术在面向IP的数据通信网得到了广泛应用。2023-9-33 一、分组交换网的组成一、分组交换网的组成 计算机通信的特
2、点是数据量大、突发性强。当有信息要传送时，计算机能在短时间内传完，所以它占用的线路时间很短，但它要求占用较宽的带宽。由于分组交换方式的动态复用信道的特性非常适合计算机通信的特点，因此分组交换网得到了很大的发展。目前已经可以开通世界范围的分组交换数据传送业务。分组交换的特点是路径可以有多种选择，灵活性好，可靠性高，但算法复杂。2023-9-34 对于大型网络，常以网络结构为基础而构成分组网络。汇接点由一个大容量的交换机构成。图11.1所示为分组交换机分层结构组网示意图。分组交换网通常采用两级结构，根据业务流量、流向和地区设立一级和二级交换中心。一级交换中心可用中转分组交换机或中转与本地合一的分组
3、交换机。2023-9-35图11.1 分组交换机分层结构组网示意图2023-9-36 二、分组交换网的编号方式 为了使所有的电话交换业务互通和用户电报业务互通，原CCITT为这两种业务网络规定了E.160、F.65编号制度。它是由ITU X.121建议的编号规则来确定的。格式一：1 3 11 格式二：1 4 10 P DCC NNP（前缀）DNIC（Z）NTN2023-9-37 三、用户终端设备接入方式三、用户终端设备接入方式 我国于1993年建设的分组交换骨干网CHINAPAC，就是采用图11.1所示的结构。用户接入CHINAPAC的示意图如图11.2所示。用户终端设备接入方式由数据终端设备
4、（DTE）、数据电路终端设备（DCE）和传输信道组成。2023-9-38图11.2 用户接入CHINAPAC 示意图 2023-9-39 四、各类分组格式四、各类分组格式 1分组头 分组头格式如图11.3所示。分组头由GFI、LCGN、LCN和分组类别格式共3个字节组成，是每个分组都有的一个公共部分。图11.3 分组头格式 2023-9-310 四、各类分组格式四、各类分组格式 2呼叫请求分组的格式呼叫请求分组的格式 呼叫请求分组的格式如图11.4（a）所示:第1字节：QDSS+逻辑信道号（14bit）。第2字节：为逻辑信道号。第3字节：为比特序列号（第一比特位为右边），表示该分组为呼叫请求格
5、式。第4字节：为主叫DTE和被叫DTE的地址长度。第5字节：为主叫地址。第6至第8字节：分别用以向交换机说明用户的选用补充业务，以及呼叫过程中主叫到被叫双方要传输的数据。2023-9-311 3呼叫接收分组的格式呼叫接收分组的格式 呼叫接收分组的格式如图11.4（b）所示，现说明如下：第1字节至第2字节：与呼叫请求分组格式一样。第3字节：表示呼叫接收分组。2023-9-312图11.4 呼叫分组的格式 2023-9-313 4数据分组的格式数据分组的格式 图11.5（a）所示为数据分组格式（模8）。该格式只有逻辑信道号，无主、被叫终端地址号。仅用12个比特位表示逻辑信道号，以示去向，省去了至少
6、32位的被叫地址，减少了分组的开销，提高了传输的效率。数据分组格式有模8和模128两种格式。图11.5（b）所示为模128格式，主要在卫星信道下使用。2023-9-314图11.5 数据分组格式 2023-9-315 5呼叫释放分组的格式呼叫释放分组的格式 分组交换虚电路的释放过程与建立过程极为相似，要求主动释放方发出释放请求分组，得到交换机发来的释放确认信号后虚电路才能释放。图11.6（a）所示为释放请求格式，图11.6（b）所示的是释放确认格式。图11.6 呼叫释放分组格式 2023-9-316 五、交换电路的建立与释放举例五、交换电路的建立与释放举例 分组交换机电路的建立过程如图11.7
7、所示。其中，图（a）为接续网络示意图；图（b）为虚电路的建立过程；图（c）为交换机A的出/入逻辑信道号对应表；图（d）为交换机B的出/入逻辑信道号对应表。终端DTEA要与终端DTEB建立通信联系，中间需要经过交换机A和交换机B。2023-9-317图11.7 分组交换电路的建立过程 2023-9-318 数据交换完后要进行释放。虚电路的释放过程与建立过程相似，某方提出释放请求，经过交换机确认即可。当DTEA提出释放请求时，释放过程如图11.8所示。分组格式是图11.6（a）（释放请求格式）；图11.6（b）（释放确认格式）。图11.8 虚电路的释放过程 2023-9-319图11.9 X.25
8、分层结构连接示意图 2023-9-320 X.25从第一级到第三级传送数据的单位分别是“bit”、“帧”和“分组”。当DTE向DCE传送信息时，第二级（链路层）接收到其上一级（分组层）的信息后，加上标志后通过下一级（物理层）所提供的接口将信息传送出去，如图11.13所示。分组级以上的更高级都称为用户级。2023-9-321图11.11 虚呼叫LCN分配 2023-9-3229.2 帧帧 中中 继继 分组交换是提供低速分组服务十分有效的工具，但它并不能很好地提供高速服务，原因就是要受到X.25网络体系的限制。因此，在20世纪80年代后期，在X.25的基础上，帧中继技术就已研制成功，它能适应高速交
9、换网的体系结构。帧中继是指在OSI第二层中用简单的方法传送和交换数据单元。该技术被广泛用于广域网（WAN）中，它能支持多种数据型业务，如局域网（LAN）互联，计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）文件传送，图像查询业务和图像监视等。2023-9-323 一、帧中继概述一、帧中继概述 帧中继具有以下特点：用于传送数据业务，要求传输速率高，信息传输的突发性大，各类LAN通信规程的包容性好。使用的传输链路是逻辑连接，而非物理连接。简化了X.25的第三层协议。在链路层完成统计复用、透明传输和错误监测（不重复传输）功能。2023-9-324 FR的用户接入速率在64kbit2Mbit之间，最
10、高可提高到810Mbit/s，今后将达到45Mbit/s。预约的最大帧长度至少要达到1600B/帧。有合理的管理带宽的机制。用户除实现预约带宽外还允许突发数据预定的带宽。与分组交换一样，采用专向连接的交换形式，可提供SVC（交换虚电路）业务和PVC（永久虚电路）业务。但目前只采用PVC业务，如图11.11所示2023-9-325图11.11 PVC连接 2023-9-326 帧中继参考模型与其他参考模型的对照情况图，如下图所示。可以简单归结为：各模型中的物理层使用的协议有：RS-232-C、RS-449/422/423、V.24、X.21、X.21bis等。物理层提供的接口有I.430（2B+
11、D）和I.431（30B+D）等。OSI七层协议中各层是相对独立的，层与层之间通过原语来通信。该模型的下面三层称为LIF（低层），完成通信层传输功能，通过网络、终端来实现。该模型的上面四层称为HLF（高层），完成通信处理功能，通过终端来实现。2023-9-327 帧中继的协议结构中含有两个操作平面：控制平面（C-Plane，C平面）和用户平面（U-Plane，U平面）。LAPD是一组OSI的二层协议，用于在ISDN的D通路上实现可靠的数据链路服务，是对X.25的LAPB协议的改进，也是帧中继的基础。Q.922将Q.921细分为两个子层：一是DL-Core，为U平面的核心功能，只提供无应答的链路
12、数据传输帧的基本功能，二是DL-Control是用户侧的用户平面可选功能，它提供了窗口式的应答传送。图11.12所示的就是LAPF的帧结构。2023-9-328图11.12 帧中继的帧结构 2023-9-329 地址字段A用于区别同一通路上的多个数据链路的连接，以便实现帧的复用/分路，如图11.13所示。其长度通常是2B，最大可以扩展到4B，包括字段扩展比特EA、命令响应指示比特C/R、帧可丢失比特DE、前向显式拥塞比特FECN、数据链路连接标识符DLCI和DLCI扩展/控制指示比特D/C共7个组成部分。2023-9-330图9-13 地址字段格式 2023-9-331图11.23 帧中继连接
13、示意图 2023-9-332 三、帧中继用户接入 帧中继接入通常提供以下之一的接口规程：X系列接口：如X.21接口、X.21bis接口等。V系列接口：如V.35、V.36、V.10、V.11、V.24等。G系列接口：如G.703，速率可为2Mbit/s、8Mbit/s、34Mbit/s或155Mbit/s等。I系列接口：如支持ISDN基本速率接入的I.430接口和支持ISDN一次群速率接入的I.430接口等。帧中继网用户接入示意图如图11.24所示.2023-9-333目前运营公司提供业务的帧中继组网方式有两种：第一种方式是对原有的分组网的分组节点进行升级，在充分利用原有的设备和传输系统的基础
14、上，增加帧中继功能的软件和硬件配置，使原系统能提供帧中继业务；第二种方式就是独立组建帧中继网络，建立专用于帧中继业务的帧中继节点，如图11.14所示。2023-9-334图11.14 帧中继组网示意图 2023-9-3352023-9-3362023-9-3372023-9-338 用户终端设备采用帧中继接口接入帧中继节点机。帧中继节点机的中继接口为ATM接口，交换机将以帧为单位的用户数据转换为以ATM信元为单位的数据在网上进行传送，在终端再还原为帧中继的帧格式数据传送给用户。采用这种基于ATM技术提供帧中继的方式，实际上是要求通信双方的交换机完成帧中继ATM和ATM帧中继的互通功能。在互通时
15、，要进行相应协议的转换，如图11.29所示。2023-9-339图11.18 通过ATM提供帧中继业务示意图 2023-9-340 11.3 基于基于IP的交换的交换 IP交换（IP Switching）最早由Ipsilon公司提出。2023-9-341 一、三层交换 通常讲的局域网交换机是工作在第二层，称做二层交换机，它在运行过程中不断收集和建立自己的MAC地址表，并且定时刷新。主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流量控制等。它使网络各站点之间可独享带宽，消除了无谓的冲突检测和出错重发，提高了传输效率，而且是点对点传送用户数据，其他节点是不可见的。但第二层交换不能有效解决
16、广播风暴、异种网络互联和安全性控制等问题。这样，又推出了第三层交换机，它在保留二层交换机所有功能的前提下，又增加了许多新的功能。2023-9-342 二、二、IP交换机 理论上属于三层交换的IP交换机，是标准的ATM交换机模块加上连接在其端口的智能软件控制器，这种智能软件控制器称为IP交换机控制器。它的目的是在快速交换硬件上获得最有效的IP交换，实现无连接的IP和面向连接的ATM优势互补。IP交换机的结构及网络工作原理如图11.19所示，它由两个逻辑上分离的模块组成，这两个模块是ATM交换机模块和IP交换控制器。IP交换机专用于ATM上传送IP分组，属于集成模型的技术。2023-9-343图1
17、1.19 IP交换机的结构及网络工作原理 2023-9-344图11.20 IP交换的数据流映射 2023-9-345 三、四层交换 第二/三层交换产品在解决局域网和互联网的带宽及容量问题上发挥了很好的作用，但还需要更多的性能，这就需要第四层交换。第四层交换技术利用第三/四层包头中的信息来识别应用数据流会话，这些信息包括TCP/UDP端口号、标记应用会话开始与结束位以及IP源/目的地址。利用这些信息，第四层交换机可以做出向何处转发会话传输流的智能决定。路由器和第三层交换机在转发不同数据包时并不了解哪个包在前哪个包在后。第四层交换技术从头至尾跟踪和维持各个会话过程。因此，第四层交换机是真正的“会
18、话交换机”。2023-9-34611.2 VoIP VoIP又称IP电话或网络电话，是一种以IP电话为主，并推出相应的增值业务的技术，这种技术通过对语音信号编码、数字化、压缩处理，然后转换为IP数据包在IP网络上进行传输，从而达到了在IP网络上进行语音通信的目的。VoIP最大的优势是能广泛地采用全球IP的环境，提供比传统业务更多、更好的服务。2023-9-3471.基于H.323协议的VoIP电话系统 从整体上来说，H.323是一个框架性建设，它涉及终端设备、视频、音频和数据传输、通信控制、网络接口方面的内容，还包括了组成多点会议的多点控制单元（MCU）、多点控制器（MC）、多点处理器（MP）
19、、网关和网守等设备。H.323包括了H.323终端与其他终端之间的、通过不同网络的、端到端的连接。其逻辑体系结构如图11.21所示。2023-9-348图11.21 基于H.323协议的VoIP电话系统逻辑体系结构 2023-9-349 2.基于SIP协议的VoIP电话系统 用户代理可分为用户代理客户（UAC）和用户代理服务器（UAS）。在SIP中，主叫方称UAC，负责发起SIP呼叫请求；被叫方称 UAS，接收UAC的请求并负责对其做出响应（接受、拒绝或重定向）。终端用户应同时具备UAC和UAS的功能。因此，SIP可以被理解为一个客户/服务器的协议。基于SIP协议的VoIP电话系统的网络服务器
20、分为四类：代理（Proxy）服务器、重定向（Redirect）服务器、注册（Redirect）服务器、位置（Location）服务器。2023-9-350 二、二、VoIP原理 VoIP是以IP分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的UDP协议进行传输。为了在一个IP网络上传输语音信号，VoIP设备把语音信号转换为IP数据流，并把这些数据流转发到IP目的地，IP目的地又把它们转换回语音信号。两者之间的网络必须支持IP传输，且可以是IP路由器和网络链路的任意组合，因此实现VoIP的原理分为下面的几个阶段：语音到数据转换、数据到IP包的转换、传
21、送、IP包数据的转换、数字语音转换为模拟语音。2023-9-351 三、三、VoIP组网 支持VoIP业务网络环境主要有软交换、网关设备、接入服务器服务器、入口交换机、接入服务器等，以提供更多的智能VoIP业务。1.基本VoIP网络系统 假设图11.22中，C、D为IP网上的PC用户，A、B为PSTN的电话用户。2.集团用户VoIP网络系统 集团用户IP语音承载网,是一个基于H.323协议的VoIP网络系统，如图11.23所示，系统主要分为四部分：语音网关、网守、管理服务器和计费服务器。2023-9-352图11.22 VoIP组网结构 2023-9-353图11.23 集团用户IP语音网的逻
22、辑结构 2023-9-354 四、四、VoIP技术（1）语音处理技术（2）因特网的组网技术（3）静音检测技术（4）回声消除技术（5）路由交换技术（6）语音通信接入技术（7）语音服务质量控制技术（8）软交换技术（9）网络传输技术（10）QoS保障技术2023-9-35511.4*多协议标签交换多协议标签交换 多 协 议 标 签（或 称 标 记、标 识）交 换（MPLS），是在充分考虑了IPOA、MPOA等技术优缺点的基础上提出的。它是公用骨干网上利用ATM传送IP的最适用的技术方案之一。2023-9-356图11.34 LSR的构成 2023-9-3572023-9-358图11.26 使用MPLS对协议堆栈的简化 2023-9-359图11.27 FEC标签绑定与LDP标签分发示意图 2023-9-360图11.18 MPLS标签的格式 2023-9-361图11.29 MPLS网络中的标签交换过程
