第3章寬帶交換系統(tǒng)

在過去的十幾年中，計算機、電信和電視等領域的信息傳輸技術正在迅速發(fā)展。信息的獲取、傳送、存儲和處理之間的孤島隨著計算機網(wǎng)絡和交換技術的發(fā)展而逐漸消失。曾經(jīng)獨立發(fā)展的電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和電視網(wǎng)，無論是技術上還是所提供的服務上都在相互滲透、融合。在滲透、融合過程中，逐漸出現(xiàn)一些寬帶交換技術，能夠提供一個統(tǒng)一業(yè)務平臺，接受各種信息業(yè)務（如話音、數(shù)據(jù)、圖像等），從而高速率、高質量地完成信息傳送任務。

3.1ATM交換電路交換的不足分組交換的不足人們從改進電路交換，使其靈活適配不同速率業(yè)務，以及改進分組交換，使其滿足實時性業(yè)務要求的角度出發(fā)，研究出了一種結合電路交換和分組交換兩種技術優(yōu)點的高速傳輸技術，即ATM交換技術。ATM是一種快速分組交換技術，其基本設計思想是簡化分組交換機的協(xié)議處理，將復雜性推向網(wǎng)絡邊緣，也就是推向端系統(tǒng)。

異步轉移模式

ATM交換也叫異步轉移模式，這里的“轉移模式”是對通信網(wǎng)絡中傳輸、復用和交換等過程的綜合表述，而“異步”則是針對“同步”而言的。傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡中采用的同步技術屬于一種固定資源分配法，它是將各路信號分配在固定時隙；而ATM中采用的異步技術屬于一種動態(tài)資源分配法，它是將各路信號進行動態(tài)分配，有的要連續(xù)占用幾個時隙，有的卻一個也不占。ATM網(wǎng)絡ATM網(wǎng)絡由節(jié)點、端點和鏈路組成。節(jié)點上設置有ATM交換機。端點就是在ATM網(wǎng)絡中能夠發(fā)送或接收信元的源站和目的站，它們可能是計算機或其他數(shù)據(jù)終端設備。端點和節(jié)點之間的接口叫UNI，節(jié)點和節(jié)點之間的接口叫NNI。ATM信元結構

ATM以信元為傳送信息的基本單位，信元是一種固定長度的數(shù)據(jù)分組。一個信元長53字節(jié)，前面5個字節(jié)稱作信頭，后面48個字節(jié)稱作信息段。信頭中是關于這個信元的路徑信息和一些其他的控制信息，用戶要傳送的信息則放在信息段中。虛連接

交換就是要在網(wǎng)絡的任意兩個用戶之間以某種方式建立起一種連接，以便雙方相互傳送信息。在電路交換方式中，這種連接是一種固定的、專用的連接，即連接一旦建立，則組成該連接的所有鏈路只能為這兩個用戶使用，即使這兩個用戶都沒有發(fā)送信息，其他用戶也不能來占用。而在分組交換方式中，這種連接是一種虛電路連接，即在連接建立后，如果這兩個用戶沒有發(fā)送信息，則其他用戶可以來使用這條虛電路。ATM交換與分組交換相似，它也采用虛電路連接，但為了和分組交換有所區(qū)別，一般將ATM交換中的連接稱之為“虛連接”，其連接的建立過程和分組交換完全不同。

虛通道與虛信道ATM交換的基本原理

雖然ATM交換是異步時分交換，但其原理與程控數(shù)字交換機有很多相似之處。ATM交換以固定長度的信元為交換的基本單元，通過識別信頭中的VPI值和VCI值來區(qū)分不同用戶或不同業(yè)務的信元，并根據(jù)在連接建立階段設定的路由表，改變VPI和VCI值，從而將某條輸入線上的信元交換到某條輸出線上。由此可見，ATM交換和程控數(shù)字交換的基本差別是：ATM交換以虛通道和虛信道的標記值代替了程控數(shù)字交換機中的時隙序號，并通過標記值來反映用戶信元的路由信息。ATM交換示意圖信頭變換

信頭變換主要是指VPI/VCI值的變換，即入VPI/VCI變換為出VPI/VCI。VPI/VCI的變換體現(xiàn)了標記交換的重要概念，意味著入線上某邏輯信道中的信息被傳送到出線上的另一邏輯信道中去。這與電路交換中的時隙交換有些相似，因為各個邏輯信道的信元也占用著不同的時間位置；但是應該注意到，時隙交換是固定的時隙位置之間的交換，例如入線1上時隙2中的信息當連接建立后總是被交換到出線3的時隙5中去，而VPI/VCI的變換雖然在虛連接建立后也存在固定的映射關系，然而相應的信元并不出現(xiàn)在入線或出線的固定的時隙位置上。信元排隊

由于是統(tǒng)計復用的異步時分交換，在連接建立后的傳送信息階段，經(jīng)常會發(fā)生在同一時刻有多個信元爭搶公用資源的情況，例如爭搶出線或交換結構中的內部鏈路。因此，ATM交換結構需要設置緩沖器，提供排隊功能，以免在發(fā)生資源爭搶時丟失信元。緩沖器的設置方式是ATM交換結構設計中的重要問題，在很大程度上影響到交換結構的性能和復雜性。把具有新VPI/VCI值的信元存儲到相應的隊列中。ATM交換機的結構3.2ATM與IP的融合經(jīng)過多年的努力，ATM的市場應用進展緩慢，沒有像預期的那樣得到廣泛的認同，電信網(wǎng)的發(fā)展受到影響。與此相對照的是，基于IP技術的互聯(lián)網(wǎng)卻得到了空前的發(fā)展，諸如WWW、Email等業(yè)務已深入到千家萬戶，并已開始涉足通信業(yè)務?；ヂ?lián)網(wǎng)的高速發(fā)展已清晰表明IP將是未來通信網(wǎng)絡的主宰。因此，如何使ATM技術融入IP技術，如何將路由和交換結合起來，如何解決IP的無連接和ATM的面向連接的矛盾，以支持規(guī)模日益增長的互聯(lián)網(wǎng)和多媒體業(yè)務，這些已成為目前研究的熱點。互聯(lián)網(wǎng)的形成點到點的通信方式局域網(wǎng)互聯(lián)通信結構

共享介質的局域網(wǎng)（LAN）技術以一種方便、廉價和可靠的方法解決了近距離計算機間互聯(lián)通信的問題。局域網(wǎng)技術不是將一臺計算機與另一臺計算機直接互聯(lián)，而是使用硬件來互聯(lián)多臺計算機。網(wǎng)絡是不依賴于計算機本身而獨立存在的，即使連接到局域網(wǎng)上的某臺計算機不在運行，其他計算機之間照樣可以進行通信。不同類型局域網(wǎng)之間的互聯(lián)

路由器被用來連接兩個計算機網(wǎng)絡，這兩個網(wǎng)絡可以是同種類型的也可以是不同種類型的。路由器的作用

一個機構可以根據(jù)自己的需要選擇適當?shù)木W(wǎng)絡技術，然后由路由器把所有的網(wǎng)絡連成一個互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡互聯(lián)的目的是通過異構網(wǎng)絡實現(xiàn)通用服務。為了給互聯(lián)網(wǎng)中所有計算機提供通用服務，路由器必須能夠把一個網(wǎng)絡中的源計算機發(fā)出的信息轉發(fā)到另一個網(wǎng)絡中的目標計算機。這一任務是很復雜的，因為組成互聯(lián)網(wǎng)的各個子網(wǎng)所使用的幀格式和編址方案不盡相同。這樣，為了實現(xiàn)通用服務，在計算機和路由器上都需要配置協(xié)議軟件。

TCP/IP協(xié)議

在人類社會交往中，除非兩人會講同一種語言，否則這兩人是不可能進行交流的。這一道理也同樣適用于計算機通信，因此在互聯(lián)網(wǎng)中，也為互聯(lián)通信定義了一系列協(xié)議，這些協(xié)議簡稱為“傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議”（TCP/IP）。TCP/IP協(xié)議實際上是一個協(xié)議族，TCP和IP是其中最著名的兩個協(xié)議，其他協(xié)議包括用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）、互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議（ICMP）以及地址解析協(xié)議（ARP）等。計算機網(wǎng)絡協(xié)議兩種網(wǎng)絡的對比融合方案ATM交換機的結構3.3IP交換

IP交換是Ipsilon公司提出專門用于在ATM網(wǎng)上傳送IP分組的技術，其目的是使IP更快更好地提供業(yè)務質量支持。IP交換技術打算拋棄面向連接的ATM軟件，而在ATM硬件的基礎之上直接實現(xiàn)無連接的IP選路。流的分類

IP交換的基本概念是流，流是從ATM交換機端口輸入的一系列有先后關系的IP數(shù)據(jù)包，它將由IP交換機控制器的路由軟件來處理。IP交換的實質是基于信息流的傳輸方案，首先將流分成不同類型，然后針對不同類型的流進行不同的處理。ATM

SwitchIP交換中使用的協(xié)議

IP交換中使用通用交換管理協(xié)議(GSMP)和流量管理協(xié)議(IFMP)兩種協(xié)議。GSMP用于IP交換機控制器中，用來完成直接ATM交換；IFMP用于IP交換機、IP交換網(wǎng)關或IP主機中，用來把現(xiàn)有網(wǎng)絡或主機接入IP交換網(wǎng)絡中，或用來控制數(shù)據(jù)傳送。通用交換管理協(xié)議(GSMP)

用于對IP交換機內部資源進行管理，運行在IP交換機內部的IP交換機控制器和ATM交換機之間，用于IP交換機控制器，它是—個異步協(xié)議，把IP交換機控制器設置為主控制器，而把ATM交換機設置為從屬被控設備。GSMP支持5種消息：連接管理、端口管理、統(tǒng)計、配置和事件。因此，IP交換機控制器可利用該協(xié)議發(fā)出下列要求：建立和釋放穿過ATM交換機的虛連接；在點到多點連接中，增加或刪除端點；管理交換機端口；請求配置信息；進行統(tǒng)計信息查詢；請求提供事件信息等。IP交換機控制器利用GSMP指導ATM交換機為某個用戶流建立新的VPI/VCI。流量管理協(xié)議(IFMP)

作為IP交換機網(wǎng)絡中分發(fā)數(shù)據(jù)流標記的協(xié)議，通過外部ATM數(shù)據(jù)鏈路，在跨越外部數(shù)據(jù)鏈路的相鄰ATM交換機控制器(或IP交換機入口和出口)之間工作。用于在相鄰的IP交換機控制器、IP交換網(wǎng)關或支持IFMP的網(wǎng)絡接口卡之間請求分配—個新的VPI/VCI。具體來說，下游IP交換機(接收端)利用它通知上游交換機(發(fā)送端)在某一時間段內為某個數(shù)據(jù)流賦予某個VPI/VCI值。數(shù)據(jù)流用流標識符來標記。下游IP交換機必須在一定時間段內更新數(shù)據(jù)流的狀態(tài)，否則數(shù)據(jù)流的狀態(tài)將被刪除。IP交換機從下游IP交換機接收到IFMP重定向消息后不會向其上游鄰交換機發(fā)送類似的消息。IFMP的基本目的是分發(fā)與某個數(shù)據(jù)流相關的新的VPI/VCI值，以便加速轉發(fā)功能并有可能基于每個數(shù)據(jù)流進行交換，從而提高總吞吐量。IP交換的優(yōu)缺點

IP交換的最大特點是對用戶輸入的業(yè)務數(shù)據(jù)流進行了分類，有針對性地提供不同的交換機制。對于持續(xù)期長、業(yè)務量大的用戶數(shù)據(jù)流，利用ATM虛通路的傳輸時延小、容量大；而對于持續(xù)期短、業(yè)務量小，呈突發(fā)分布的用戶數(shù)據(jù)流，由于節(jié)省了建立ATM虛電路的開銷，所以效率得到了提高。IP交換的缺點是只支持IP，同時它的效率有賴于具體用戶業(yè)務環(huán)境，對于大多數(shù)業(yè)務是持續(xù)期長、業(yè)務量大的用戶數(shù)據(jù)流，能獲得較高的效率；但對于大多數(shù)業(yè)務是持續(xù)期短、業(yè)務量小，呈突發(fā)分布的用戶數(shù)據(jù)流，—臺IP交換機只相當于一臺中等速率的路由器。IP交換機結構IP交換的核心是IP交換機，如圖3-10所示。它由ATM交換機、IP交換控制器組成。IP交換機控制器主要由路由軟件和控制軟件組成，在IP交換機控制器中使用GSMP軟件和IFMP軟件來完成IP的直接交換。IP交換原理IP交換機將數(shù)據(jù)流的初始分組交給標準的路由模塊處理。當IP交換機看到一個流中有足夠的分組，認為它是長期的，就同相鄰的IP交換機或邊緣設備建立流標記，后續(xù)的分組就可以高速地標記交換，將緩慢的路由模塊旁路。特別地，IP交換網(wǎng)關或邊緣設備負責從非標記分組到標記分組，并分組到ATM數(shù)據(jù)的轉換。每個將現(xiàn)有網(wǎng)絡設備連到IP交換機的IP交換網(wǎng)關或邊緣設備在啟動時建立一個到IP交換控制器的虛信道作為缺省的轉發(fā)信道，從現(xiàn)有網(wǎng)絡設備接收到分組時，邊緣設備通過缺省轉發(fā)信道將分組傳送給IP交換控制器。IP交換機中的ATM連接3.4MPLS交換

IETF提出的多協(xié)議標記交換(MPLS)以Cisco的標簽交換為基礎，并吸收其他各種方案的優(yōu)點，是ATM與IP融合的最佳解決方案之一，屬于集成模型。MPLS有效地解決了傳統(tǒng)的路由器數(shù)據(jù)包的轉發(fā)效率不能滿足實際需要的問題，并明確規(guī)定了一整套協(xié)議和操作過程，最終在IP網(wǎng)內通過ATM或幀交換實現(xiàn)快速分組交換。MPLS的基本概念

MPLS并不是針對某一種特定網(wǎng)絡層的技術，它可以運行于X.25、ATM、幀交換等多種網(wǎng)絡，使得不同網(wǎng)絡的傳輸技術統(tǒng)一在同一個MPLS平臺上。MPLS目前主要解決支持IPv4和IPv6協(xié)議，以后逐步擴展到支持多種其他協(xié)議。在MPLS網(wǎng)絡中，只在網(wǎng)絡入口邊緣，對接收到的每個分組，根據(jù)包頭信息進行一次分類處理，并分配一個相應的標記，在網(wǎng)絡的中間節(jié)點不再進行重復性工作。各分組包在后續(xù)的節(jié)點只需分析標記含義，沿著由標記確定的路徑進行轉發(fā)，而不需要將分組包拆包到網(wǎng)絡層。在網(wǎng)絡出口邊緣，去掉分組包的標記后輸出。MPLS簡化了轉發(fā)機制，提高了分組包的傳輸效率。MPLS的專業(yè)術語1.標記

2.轉發(fā)等價類(FEC)3.標記交換路徑(LSP)4.標記分發(fā)協(xié)議（LDP）5.標記邊緣路由器(LER)6.標記交換路由器(LSR)7.標記信息庫（LIB）8.流MPLS的網(wǎng)絡結構MPLS標記格式標記交換路由器結構3.5軟交換

現(xiàn)在的電信網(wǎng)，包括電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)，采用的是電路交換技術和分組交換技術，承載數(shù)據(jù)業(yè)務效率較低，已難以適應日益增長的數(shù)據(jù)業(yè)務的需求?；ヂ?lián)網(wǎng)采用IP交換技術承載數(shù)據(jù)業(yè)務，相對電信網(wǎng)而言，無論效率還是利用率都比較高，但面對指數(shù)增長的IP業(yè)務量也暴露出擴展性、安全性、通信質量、移動性等方面的問題。因此，無論是電信網(wǎng)還是互聯(lián)網(wǎng)，都難以適應未來通信發(fā)展的主流變化。為建設—個可持續(xù)發(fā)展的網(wǎng)絡，既有IP交換的優(yōu)勢又保持與電信網(wǎng)相同的服務質量，既保證運營商在獲取目前話音業(yè)務收益的同時，又能在未來的數(shù)據(jù)業(yè)務、多媒體業(yè)務中占有一定的市場份額，經(jīng)過電信運營商、設備廠商及電信科技工作者的多年探討，提出了軟交換技術方案。傳統(tǒng)交換網(wǎng)的基本結構軟交換網(wǎng)的基本結構軟交換的基本思想軟交換的基本思想是把呼叫處理和業(yè)務控制功能從傳輸層中分離出來，通過服務器上的軟件實現(xiàn)基本呼叫控制功能，使得呼叫控制功能與承載網(wǎng)絡之間無過多的依存關系，這對于當前多網(wǎng)并存的情況下，實現(xiàn)承載層網(wǎng)絡融合提供了有