第8章數(shù)據(jù)交換技術(shù)8.1數(shù)據(jù)交換的概念

8.2常用交換技術(shù)

8.3ATM技術(shù)

8.4信道訪問(wèn)技術(shù)

8.1數(shù)據(jù)交換的概念交換是指兩臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備相互傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,只要在通信雙方建立一個(gè)連接即可。而對(duì)于一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信,最直接的方法就是讓所有通信方兩兩相連,這樣的連接方式稱為全互連式,如圖8.1所示。

圖8.1全互連式結(jié)構(gòu)

全互連式結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn):

(1)需要連線數(shù)量隨終端數(shù)的平方而增加,即當(dāng)存在n個(gè)終端時(shí)需要n(n-1)/2條連線,通常稱為n2問(wèn)題。

(2)當(dāng)各終端相距很遠(yuǎn)時(shí),其連接需要大量的長(zhǎng)途線路。

(3)每個(gè)終端都有n-1根連線與其他終端相接,因而每個(gè)終端都需要n-1個(gè)線路接口。

(4)增加第n+1個(gè)終端時(shí),必須增設(shè)n條線路。8.1.1數(shù)據(jù)交換下面我們以電話交換為例,介紹數(shù)據(jù)交換的概念。當(dāng)通信終端數(shù)量較多、分布范圍較廣時(shí),最好的連接方法是在用戶相對(duì)集中處安裝一個(gè)交換設(shè)備,把每個(gè)用戶終端設(shè)備都連接到該設(shè)備上,如圖8.2所示。當(dāng)任意兩個(gè)用戶之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),該設(shè)備就把連接這兩個(gè)用戶的開(kāi)關(guān)接點(diǎn)閉合,將這兩個(gè)用戶的通信線路接通,使通信雙方建立連接。當(dāng)兩個(gè)用戶通信完畢,再把相應(yīng)的開(kāi)關(guān)接點(diǎn)斷開(kāi),兩個(gè)用戶間的連線也就隨之?dāng)嚅_(kāi)。這樣,n個(gè)用戶只需要n條線路就可以滿足通信要求,線路的投資明顯降低。這種能夠完成任意兩個(gè)用戶之間通信線路連接與斷開(kāi)的設(shè)備就是交換機(jī)。我們將能夠把多個(gè)輸入和輸出設(shè)備隨意連通或斷開(kāi)的設(shè)備稱為交換機(jī)。圖8.2交換設(shè)備連接方式示意圖

利用交換機(jī)就可與連接在其上的用戶終端設(shè)備以及它們之間的傳輸線路構(gòu)成最簡(jiǎn)單的通信網(wǎng),并可由多個(gè)交換設(shè)備構(gòu)成實(shí)用的大型通信網(wǎng),如圖8.3所示。我們將通信網(wǎng)中的任何一臺(tái)交換設(shè)備稱為一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)。

圖8.3通信網(wǎng)示意圖

8.1.2交換的基本功能交換的基本功能就是在連接到交換設(shè)備上的任意終端之間建立連接。這樣,任何一個(gè)主叫用戶的信息,無(wú)論是話音、數(shù)據(jù)還是文本圖像等,均可通過(guò)在通信網(wǎng)中的交換節(jié)點(diǎn)發(fā)送到所需的任何一個(gè)或多個(gè)被叫用戶端。在交換網(wǎng)絡(luò)中,交換節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備以下基本功能:

(1)能夠正確接收和分析來(lái)自終端或通信網(wǎng)的呼叫信令和地址信息;

(2)能正確進(jìn)行路由選擇并轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào);

(3)能控制連接的建立和拆除。

8.2常用交換技術(shù)

8.2.1電路交換

1.電路交換的實(shí)現(xiàn)電路交換(CircuitSwitching)就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的交換節(jié)點(diǎn)在發(fā)送端和接收端兩個(gè)站點(diǎn)之間建立一條臨時(shí)傳輸通路。在通信期間,其他用戶不能使用該條線路,通信結(jié)束,拆除連接釋放該線路,其他用戶才能使用,這種交換方式就稱為電路交換。

一般來(lái)講,電路交換要經(jīng)過(guò)以下三個(gè)過(guò)程:

(1)建立線路連接。在滿足電路交換條件的情況下,由發(fā)話方申請(qǐng)(發(fā)出呼叫請(qǐng)求信號(hào)),通過(guò)交換機(jī)和對(duì)方建立連接,形成一個(gè)臨時(shí)通路。

(2)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。利用建立的臨時(shí)通路,傳輸相關(guān)信息(電話系統(tǒng)傳輸語(yǔ)音信號(hào)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)信息)。

(3)拆除電路連接。完成信息傳輸后,拆除臨時(shí)線路,釋放線路資源。

2.電路交換的特點(diǎn)

(1)臨時(shí)線路專用。從建立電路連接到拆除連接期間電路屬通信雙方專用,其他用戶不能使用。

(2)鏈接為物理連接,采用時(shí)分復(fù)用方式。

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)信息交換,保證傳輸質(zhì)量。

(4)頻帶分配固定,靈活性差,資源利用率低。

(5)信息傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

8.2.2報(bào)文交換

1.報(bào)文交換的實(shí)現(xiàn)報(bào)文交換(MessageSwitching)是將我們要傳送的信息以報(bào)文形式存儲(chǔ)、適時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程。報(bào)文交換屬存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式,由于類似于早期電報(bào)傳送形式而得名。其交換過(guò)程是將要交換的信息首先存儲(chǔ)在緩沖器中,等到信道空閑時(shí),立即轉(zhuǎn)發(fā)至目的地址。報(bào)文交換克服了電路交換必須雙方在線及線路利用率低的缺點(diǎn)。

若用戶甲要向用戶乙發(fā)送信息時(shí),用戶甲并不需要首先接通用戶乙,而是需通過(guò)機(jī)站連接到具有緩沖能力的控制器,將要發(fā)送的信息作為一個(gè)獨(dú)立的報(bào)文,發(fā)送到控制器暫存,該控制器根據(jù)報(bào)文的目的地址,在交換網(wǎng)內(nèi)確定其下一個(gè)路由,并將報(bào)文放在發(fā)送緩沖器中排隊(duì),當(dāng)線路空閑時(shí),立即將該報(bào)文發(fā)送到下一交換機(jī),依此類推,最后將報(bào)文發(fā)送到用戶乙處。

如圖8.4所示,從用戶甲到用戶乙有三條鏈路:甲-A-C-D-乙、甲-A-D-乙、甲-A-B-D-乙,究竟用哪一條鏈路傳輸報(bào)文,要由網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)的情況來(lái)決定。圖中,用戶甲發(fā)出報(bào)文,經(jīng)過(guò)交換機(jī)A→交換機(jī)C→交換機(jī)D到達(dá)用戶乙,若用戶乙暫時(shí)無(wú)法接通,可將報(bào)文信息暫存于交換機(jī)D,等到交換機(jī)D與用戶乙建立了通信聯(lián)系后,再將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給用戶乙。

報(bào)文交換實(shí)際上就是利用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式將報(bào)文信息傳送到目的地。我們現(xiàn)在的電報(bào)業(yè)務(wù)、E－mail業(yè)務(wù)、手機(jī)短信業(yè)務(wù)等都是采用報(bào)文交換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖8.4報(bào)文交換示意圖

2.報(bào)文交換的特點(diǎn)

(1)信道利用率高。由于無(wú)需電路連接過(guò)程,因此也不存在把一條線路固定分配給某一用戶而產(chǎn)生占線的現(xiàn)象。報(bào)文交換可實(shí)現(xiàn)多個(gè)報(bào)文復(fù)用一條信道,傳輸速率高,可使線路利用率得到提高。

(2)不需要收發(fā)雙方同時(shí)激活。若遇到接收方忙或不在線(關(guān)機(jī))狀態(tài)時(shí),報(bào)文信息將由控制交換機(jī)暫存,等到接收方上線(開(kāi)機(jī))時(shí),再將報(bào)文信息轉(zhuǎn)發(fā)出去,從而克服了呼損現(xiàn)象。

(3)采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式,有利于平滑信道業(yè)務(wù)量峰值。

(4)便于各種類型終端之間的信息交換。

(5)傳輸時(shí)延長(zhǎng),不便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或交互式業(yè)務(wù)。當(dāng)然，只要我們有足夠的存儲(chǔ)容量,并且及時(shí)回復(fù)信息,就有利于緩解信息交換實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。但對(duì)于信息量很集中的時(shí)段,如元旦、春節(jié)，我們的短信業(yè)務(wù)量猛增,這一缺點(diǎn)就比較突出。

(6)控制交換機(jī)必須有足夠的緩沖容量和高速處理能力。

8.2.3分組交換

1.分組交換的實(shí)現(xiàn)與公共交通系統(tǒng)類似,假如我們有一個(gè)由100輛車組成的車隊(duì)要從學(xué)校前往火車站,如果我們將一個(gè)車隊(duì)作為一個(gè)單位(對(duì)應(yīng)交換技術(shù)中的報(bào)文),沿著同一線路行走,除了自身行進(jìn)較慢以外,還會(huì)對(duì)整個(gè)交通網(wǎng)造成阻塞。若將這100輛車分成10個(gè)小組,每個(gè)小組編號(hào)分配領(lǐng)隊(duì)和監(jiān)督,各小組獨(dú)立行動(dòng)自選線路,分別前往火車站,到達(dá)火車站后,再按分組序號(hào)重新組合,顯然,這種方式總體速度要快,并且不會(huì)造成太大的交通阻塞,效率較高。這種方式就類似于分組交換。

分組交換仍采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，但不像報(bào)文交換那樣以整個(gè)報(bào)文為交換單位,而是將較長(zhǎng)的報(bào)文分成若干組,并對(duì)每個(gè)分組編號(hào),將報(bào)文地址和分組序號(hào)包含在報(bào)頭中,報(bào)尾為該分組的校驗(yàn)碼,從而形成一個(gè)規(guī)定格式的交換單位(獨(dú)立的數(shù)據(jù)幀)。在數(shù)據(jù)通信中,分組作為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體,各分組之間沒(méi)有任何聯(lián)系。

如圖8.5所示,假設(shè)用戶甲要將報(bào)文發(fā)送到用戶乙,我們首先將該報(bào)文分為3個(gè)小組:m1、m2、m3,這3個(gè)分組相對(duì)獨(dú)立且沿不同路徑傳輸：m1→節(jié)點(diǎn)1→節(jié)點(diǎn)2→節(jié)點(diǎn)4→節(jié)點(diǎn)6→用戶乙;m2→節(jié)點(diǎn)1→節(jié)點(diǎn)4→節(jié)點(diǎn)5→節(jié)點(diǎn)6→用戶乙;m3→節(jié)點(diǎn)1→節(jié)點(diǎn)3→節(jié)點(diǎn)6→用戶乙。當(dāng)然各分組到達(dá)目的地的順序與其選擇的路由及信道的運(yùn)行狀況等都有關(guān)系,3個(gè)分組到達(dá)用戶乙后,再按原來(lái)的順序去掉各分組報(bào)頭和報(bào)尾,重新組合成一個(gè)完整的報(bào)文。圖8.5分組交換示意圖

2.分組交換的特點(diǎn)

(1)傳輸時(shí)延小。與報(bào)文交換相比,其傳輸時(shí)延小,能夠滿足交互型通信的實(shí)時(shí)性要求。

(2)易于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用,提高了信道利用率。

(3)可靠性高。各分組作為獨(dú)立的傳輸實(shí)體,便于實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制,能有效降低傳輸誤碼率。

(4)通信方式靈活。由于分組相對(duì)獨(dú)立,可以在不同終端之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

(5)經(jīng)濟(jì)實(shí)用。數(shù)據(jù)信息以分組為單位在交換機(jī)中存儲(chǔ)和處理,可節(jié)省交換機(jī)的存儲(chǔ)容量。

(6)增加了分組附加信息,降低了交換效率。

(7)實(shí)現(xiàn)技術(shù)相對(duì)復(fù)雜。由于交換機(jī)要對(duì)各種分組信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理,因此要求交換機(jī)具有較強(qiáng)的信息處理能力。報(bào)文分組交換是國(guó)際上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)普遍采用的數(shù)據(jù)交換方式。報(bào)文分組交換試圖綜合報(bào)文交換和線路交換的優(yōu)點(diǎn)。

8.3ATM技術(shù)8.3.1問(wèn)題的提出當(dāng)今的數(shù)據(jù)通信是基于包交換和包傳輸方式的。一個(gè)數(shù)據(jù)包由用戶數(shù)據(jù)和額外管理開(kāi)銷比特組成,作為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。一般將管理比特放在用戶數(shù)據(jù)的頭部和尾部,提供地址信息、路由識(shí)別、流量控制和檢錯(cuò)糾錯(cuò)等所需的數(shù)據(jù)。不同協(xié)議所使用的包長(zhǎng)度不同,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜時(shí),在頭部攜帶的管理比特就會(huì)加長(zhǎng),致使數(shù)據(jù)傳輸效率下降。盡管一些協(xié)議已增大了數(shù)據(jù)單元,使頭部的使用效率得到了提高,然而,安排過(guò)大的數(shù)據(jù)字段對(duì)于一些較小的數(shù)據(jù)量而言,也會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)。

為了提高利用率,一些協(xié)議還為用戶提供了長(zhǎng)度可變的包。這在一定程度上提高了傳輸效率。然而,數(shù)據(jù)包大小的可變導(dǎo)致了通信量的不可預(yù)測(cè)。交換機(jī)、復(fù)用器和路由器必須融合復(fù)雜的軟件系統(tǒng)來(lái)管理大小不同的包。交換設(shè)備必須閱讀大量報(bào)文頭信息,并對(duì)每個(gè)比特進(jìn)行分析以確保每個(gè)包的完整性。

另外，很多情況下包的大小是變化的,會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。當(dāng)來(lái)自兩個(gè)不同需求(包的大小不同)網(wǎng)絡(luò)中的包復(fù)用到同一條鏈路上會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？如圖8.6所示,當(dāng)線路1使用大數(shù)據(jù)包,而線路2使用小數(shù)據(jù)包時(shí),如果線路1的大包W比線路2的小包A早一點(diǎn)到達(dá)復(fù)用器,復(fù)用器會(huì)先把包W放到傳輸信道上,即使線路2上的小包具有更高的優(yōu)先級(jí),復(fù)用器也無(wú)法知道它們的到來(lái),而只能先處理早到的包。因此，包A必須等待整個(gè)包W的比特流傳輸完畢,才能跟隨進(jìn)入信道,這樣會(huì)使包A時(shí)延較長(zhǎng),并將影響到所有來(lái)自線路2的其他包。

圖8.6不同大小包的復(fù)用

8.3.2ATM的概念

1.ATM的特點(diǎn)

(1)可以優(yōu)化高速傳輸介質(zhì)的傳輸性能。如光纖除了提供更大的帶寬之外,傳輸介質(zhì)本身和設(shè)備受噪聲的影響都很小。因此需要有一種新的技術(shù)來(lái)同時(shí)利用這兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn),使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到最大。

(2)可以提供和現(xiàn)有系統(tǒng)(如各種包網(wǎng)絡(luò))的接口。在不降低現(xiàn)有系統(tǒng)效率或更換設(shè)備的情況下,在它們之間提供廣域網(wǎng)連接。

(3)性能提高而其成本并未提高,是一種性價(jià)比較高的服務(wù)。

(4)能夠支持現(xiàn)有的電信體系并與它們協(xié)同工作。

(5)面向連接,所有信元長(zhǎng)度相等,能夠保證正確和可預(yù)測(cè)的傳輸。

(6)將盡可能多的功能轉(zhuǎn)移到硬件上,刪除盡可能多的軟件功能,以此來(lái)提高傳輸速率。

2.ATM信元

ATM系統(tǒng)是使用異步時(shí)分復(fù)用技術(shù)的快速分組交換方式,它將信息流分割成固定長(zhǎng)度的ATM信元(cell),能夠比較容易地實(shí)現(xiàn)各種信息流混合在一起的多媒體通信,能夠根據(jù)業(yè)務(wù)類型、傳輸速率等要求動(dòng)態(tài)分配有效容量,對(duì)高速信元傳輸頻次高,對(duì)低速信元傳輸頻次低。因此ATM能采用單一的交換方式,支持從窄帶話音、數(shù)據(jù)傳輸?shù)紿DTV等范圍極廣的各種業(yè)務(wù)。

在ATM中,信元是信息傳輸、復(fù)用和交換的基本單位。每個(gè)信元都有固定的長(zhǎng)度,共有53個(gè)字節(jié),如圖8.7所示,其中5個(gè)字節(jié)是信頭(Header),48個(gè)字節(jié)是信息段(InformationField)。信頭包含各種控制信息,主要是信元的傳輸路徑、優(yōu)先級(jí)、維護(hù)信息和信頭的糾錯(cuò)碼。信息段是來(lái)自各種不同業(yè)務(wù)的用戶數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)透明地穿越網(wǎng)絡(luò)。信元的格式與業(yè)務(wù)類型無(wú)關(guān),任何業(yè)務(wù)信息都同樣被分割封裝成統(tǒng)一格式的信元。

圖8.7信元組成

圖8.8ATM交換機(jī)組成

8.3.3ATM交換

1.ATM復(fù)用由于ATM使用了標(biāo)準(zhǔn)信元,其復(fù)用也就更容易標(biāo)準(zhǔn)化,因此能夠?qū)崿F(xiàn)可預(yù)測(cè)傳輸。ATM采用異步時(shí)分復(fù)用方式工作。在這種復(fù)用方式中,來(lái)自不同用戶的信元被逐個(gè)輸出到傳輸線路,形成信息流。信元的信頭中包含的VPI/VCI標(biāo)識(shí)用來(lái)說(shuō)明該信元所屬的是虛通道還是虛信道連接。具有同樣標(biāo)識(shí)的信元在傳輸線上不占用固定時(shí)隙,這種復(fù)用方式叫做異步時(shí)分復(fù)用,又叫統(tǒng)計(jì)復(fù)用,如圖8.9所示。

圖8.9ATM復(fù)用

ATM信元的信頭有兩種格式,分別對(duì)應(yīng)用戶-網(wǎng)絡(luò)接口UNI和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口NNI,如圖8.10所示。其各控制字段的功能如下:

(1)一般流量控制字段(GFC,GenericFlowControl)用來(lái)提供網(wǎng)絡(luò)接口上的流量控制,以減輕網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的瞬間業(yè)務(wù)量過(guò)載。

圖8.10ATM信頭格式(a)UNI信頭結(jié)構(gòu)；(b)NNI信頭結(jié)構(gòu)

(2)虛通道標(biāo)識(shí)字段(VPI,VirtualPathIdentifier)和虛信道標(biāo)識(shí)字段(VCI,VirtualChannelIdentifier)用作路由選擇。通過(guò)復(fù)用一條傳輸鏈路上的不同虛連接傳輸?shù)男畔?通過(guò)VPI/VCI來(lái)區(qū)分。信元交換和路徑選擇是ATM交換機(jī)和交叉連接設(shè)備根據(jù)連接映像表對(duì)VPI和VCI進(jìn)行交換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

(3)負(fù)載類型標(biāo)識(shí)字段(PTI,PayloadTypeIdentifier)用以標(biāo)識(shí)信元數(shù)據(jù)字段的類型。

(4)信元丟失優(yōu)先級(jí)字段(CLP,CellLossPriority)用于阻塞控制,以保證一定的業(yè)務(wù)質(zhì)量。CLP標(biāo)識(shí)信元的兩種優(yōu)先級(jí):CLP=1為低優(yōu)先級(jí),CLP＝0為高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí),首先丟棄低優(yōu)先級(jí)的信元,這樣可以在一定情況下保證業(yè)務(wù)質(zhì)量。

(5)信頭差錯(cuò)控制字段(HEC,HeadErrorControl)用以檢測(cè)信頭中的差錯(cuò),并可糾正一位誤碼。

2.ATM工作方式

ATM是面向連接的,由虛通道(VP)和虛信道(VC)兩級(jí)構(gòu)成。為了說(shuō)明其工作方式，這里我們引入了虛連接的概念。所謂虛連接,是指在一個(gè)物理信道上劃出很多邏輯信道,當(dāng)建立連接時(shí),將相應(yīng)的邏輯信道指定用于連接兩個(gè)用戶,而在拆除連接以后,該邏輯信道又可分配給其他用戶使用。虛連接可以在VP和VC兩個(gè)層次上建立,并在信元的信頭中用VPI和VCI來(lái)分別標(biāo)識(shí)這兩種不同層次上的虛連接。

虛信道是一種用于描述具有相同VCI標(biāo)識(shí)值的單向傳輸ATM信元的概念。VP是用于描述那些具有相同VPI標(biāo)識(shí)值,但又屬于不同VC的單向傳輸ATM信元的概念。在組成上,虛通道可以看成是多個(gè)具有相同VPI值的VC的集合。各虛通道具有不同VPI值,同屬于一個(gè)虛通道的各虛信道具有不同的VCI,而分屬不同VP的VC可有相同的VCI。VP/VC物理信道間的關(guān)系如圖8.11所示。

圖8.11VP/VC物理信道間的關(guān)系

3.ATM連接的建立

1)交換虛電路的建立連接信令用于建立ATM連接。用于建立虛連接的網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)信令請(qǐng)求,由默認(rèn)連接跨越ATM的用戶網(wǎng)絡(luò)接口傳送。虛連接的建立過(guò)程如圖8.12(a)所示。

①源站點(diǎn)通過(guò)默認(rèn)虛連接向目的站點(diǎn)發(fā)出連接建立(Setup)請(qǐng)求。該請(qǐng)求中包含源站點(diǎn)ATM地址、目的站點(diǎn)ATM地址、傳輸特性以及服務(wù)質(zhì)量(QoS,QualityofService)參數(shù)等。

②網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)向要求建立連接的源站點(diǎn)回送呼叫確認(rèn)(CallProceeding),表明呼叫建立已經(jīng)啟動(dòng),并且不再接收呼叫建立信息。③Setup請(qǐng)求沿網(wǎng)絡(luò)向目的站點(diǎn)傳播。在傳播的每一步,接收站點(diǎn)都會(huì)返回呼叫確認(rèn)(CallProceeding)。④目的站點(diǎn)接收到連接建立請(qǐng)求后,若連接條件滿足,則返回連接(Connect)信號(hào),表明接受呼叫。然后,網(wǎng)絡(luò)用Connect響應(yīng)源站點(diǎn),源站點(diǎn)被接受。⑤在Connect返回源站點(diǎn)的過(guò)程中,每一步均會(huì)產(chǎn)生連接確認(rèn)(ConnectAck),最后源站點(diǎn)用ConnectAck響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖8.12虛連接的建立和拆除(a)虛連接建立；(b)虛連接拆除

2)交換虛電路的拆除當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后,要拆除虛連接。虛連接拆除過(guò)程如圖8.12(b)所示。①要求拆除虛連接的源站點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出拆除虛連接請(qǐng)求(Release),相鄰的交換機(jī)接到該消息后,向源站點(diǎn)返回拆除完成(ReleaseComplete)。②拆除連接請(qǐng)求(Release)沿ATM網(wǎng)絡(luò)向目的站點(diǎn)傳播。在網(wǎng)絡(luò)中傳播的每一步,都會(huì)得到拆除完成確認(rèn)(ReleaseComplete)。③拆除連接請(qǐng)求(Release)到達(dá)目的站點(diǎn)后,虛連接被拆除。

4.ATM交換原理

ATM的連接有兩種:虛通道連接(VPC)和虛信道連接(VCC),如圖8.13所示。虛信道連接是最基層的傳輸信道,由VCI和VPI值共同標(biāo)識(shí)。虛通道連接是比虛信道連接高一級(jí)的傳輸信道,它可以包含若干虛信道連接。虛通道連接是將成束的虛信道作為一個(gè)單元一起交換。用于交換的路由信息只限于信元頭中的VPI部分。

圖8.13VC交換和VP交換

ATM的交換方式也有兩種:虛通道交換(VP交換)和虛信道交換(VC交換)。虛連接建立后,被賦予VPI/VCI值作為標(biāo)識(shí),并在虛連接經(jīng)過(guò)的每個(gè)ATM交換機(jī)上建立一個(gè)連接映射表。每個(gè)VPI/VCI值只在相應(yīng)的用戶和交換機(jī)之間或相鄰交換機(jī)之間的局部有意義,當(dāng)信元經(jīng)過(guò)交換機(jī)時(shí),VPI/VCI值需要根據(jù)交換機(jī)中的連接映射表進(jìn)行交換。

ATM交換實(shí)際上很簡(jiǎn)單,只要在交換機(jī)中根據(jù)目的站點(diǎn)的映射地址表,改變相應(yīng)的VPI或VCI即可。VP交換是根據(jù)VP連接的目的站點(diǎn),將輸入信元的VPI改變?yōu)榭蓪?dǎo)向目的站點(diǎn)的VPI值即可,該VP中所有的VC同時(shí)交換,VCI保持不變。VC交換就要將信元中的VPI和VCI同時(shí)改變。

和交通系統(tǒng)類似,VP交換就像我們將整列火車改變車次編號(hào),而車上的所有乘客的座位號(hào)不用改變,共同行進(jìn)。VC交換就像某個(gè)乘客到達(dá)某一車站要轉(zhuǎn)車一樣,當(dāng)然,其車次編號(hào)和座位號(hào)都要改變,即ATM中的VPI和VCI同時(shí)都要改變。

8.4信道訪問(wèn)技術(shù)

訪問(wèn)是指主、客體之間的信息相互交換形式。信道訪問(wèn)是指通信雙方利用信道實(shí)現(xiàn)信息交換的方式。在通信系統(tǒng)中,主體是指信息交換的發(fā)送方,客體是指信息接收方。在局域網(wǎng)中,多臺(tái)微機(jī)以某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)公用信道連接起來(lái)。在公用信道不進(jìn)行復(fù)用的情況下,任何時(shí)刻只能有一對(duì)用戶使用公用信道，實(shí)現(xiàn)信息交換，否則就會(huì)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)間的相互干擾。我們將這種確保單一使用公用信道的技術(shù)稱為信道訪問(wèn)技術(shù)。

表8.1訪問(wèn)控制技術(shù)的分類

8.4.1選擇技術(shù)

1.輪叫輪詢?cè)O(shè)有n個(gè)節(jié)點(diǎn)連接成多點(diǎn)線路,主機(jī)按順序從節(jié)點(diǎn)1開(kāi)始逐一探詢,節(jié)點(diǎn)1如有數(shù)據(jù)傳送即將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī);若無(wú)數(shù)據(jù)傳送,應(yīng)發(fā)回控制幀給主機(jī),表示沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送的請(qǐng)求。然后,主機(jī)再探詢節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、…、節(jié)點(diǎn)n。待探詢過(guò)節(jié)點(diǎn)n后,又重新返回再次探詢節(jié)點(diǎn)1,如此循環(huán)就是輪叫輪詢。其基本原理如圖8.14所示。因此,輪叫輪詢由主機(jī)按事先確定的順序輪流詢問(wèn)各個(gè)節(jié)點(diǎn),并接收各節(jié)點(diǎn)返回的信息。信道的控制權(quán)在主機(jī),主機(jī)也可以向指定節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。圖8.14輪叫輪詢?cè)?/p>

2.傳送輪詢輪叫輪詢方式由于主機(jī)一直掌握著發(fā)送探詢幀的控制權(quán),因此會(huì)造成相當(dāng)大的通信開(kāi)銷,同時(shí)也增加了幀的傳送時(shí)延。為了克服傳送時(shí)延過(guò)大的問(wèn)題,科學(xué)工作者提出了傳送輪詢方式。傳送輪詢的基本工作原理如圖8.15所示,圖中虛線表示探詢幀的傳送路徑。

圖8.15傳送輪詢的基本工作原理

傳送輪詢的工作過(guò)程:主機(jī)先向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送探詢幀,當(dāng)節(jié)點(diǎn)1予以響應(yīng)并將數(shù)據(jù)發(fā)回主機(jī),或者通知主機(jī)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),便將探詢幀的接收地址修改為節(jié)點(diǎn)2,并將探詢幀轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)2,節(jié)點(diǎn)2對(duì)探詢幀的處理同節(jié)點(diǎn)1。如此繼續(xù)下去,直到最后的節(jié)點(diǎn)n將數(shù)據(jù)發(fā)回主機(jī)或者通知主機(jī)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送,再將探詢幀的接收地址修改為主機(jī),重新將探詢控制權(quán)交還給主機(jī),這樣就完成了一個(gè)輪詢周期。主機(jī)再次將地址修改為節(jié)點(diǎn)1,啟動(dòng)下一個(gè)輪詢周期。通過(guò)以上傳送輪詢過(guò)程的介紹,可以明確以下三點(diǎn):

(1)探詢幀或響應(yīng)幀都附有指定的接收地址,這就確保了接收節(jié)點(diǎn)的單一性;

(2)向各節(jié)點(diǎn)的探詢順序既可以是1,2,…,n(如圖8.15所示),也允許為n,n-1,…,2,1或者事先約定好的輪詢順序。

(3)主機(jī)發(fā)送線TX到所有節(jié)點(diǎn)均有一個(gè)輸入端,這就允許主機(jī)按某種需要設(shè)定探詢順序。8.4.2爭(zhēng)用技術(shù)

1.ALOHA技術(shù)

1)純ALOHA(P-ALOHA)

為了區(qū)分后來(lái)研制出的多種ALOHA系統(tǒng),將夏威夷大學(xué)最初研制的ALOHA稱為純ALOHA。純ALOHA系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)主站和若干個(gè)從站,使用兩個(gè)頻率:一個(gè)用于從站到主站的頻率407.35MHz,另一個(gè)用于主站到從站的頻率413.475MHz,其帶寬均為100kHz,數(shù)據(jù)傳送速率為9600b/s。每個(gè)站均可自由地發(fā)送幀,并利用應(yīng)答技術(shù)來(lái)確保發(fā)送的成功。其傳輸過(guò)程為：當(dāng)從站發(fā)送一個(gè)幀之后,必須等待主站的應(yīng)答幀予以確認(rèn),方能繼續(xù)發(fā)送下一幀。如果等待了一段時(shí)間后,仍然收不到應(yīng)答信號(hào),就意味著已發(fā)送的幀與其他從站發(fā)送的幀發(fā)生了沖突,必須重新發(fā)送。但是,如果發(fā)生幀沖突的各從站都立即進(jìn)行重發(fā),則又會(huì)繼續(xù)發(fā)生新的沖突。因此,純ALOHA系統(tǒng)采用的重發(fā)策略是讓發(fā)生幀沖突的從站各自隨機(jī)等待一段時(shí)間,然后再進(jìn)行重發(fā),直到成功為止。

2)時(shí)隙ALOHA(S-ALOHA)為了提高純ALOHA系統(tǒng)的吞吐量,可使各站在同步狀態(tài)下工作,并把時(shí)間劃分為等長(zhǎng)的時(shí)隙T0。同時(shí)規(guī)定無(wú)論幀何時(shí)到達(dá),都只能在每個(gè)時(shí)隙的開(kāi)始時(shí)刻才能發(fā)送出去。這種ALOHA系統(tǒng)稱為時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)。在時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)中,如有兩個(gè)或多個(gè)幀在同一個(gè)時(shí)隙T0內(nèi)到達(dá),則它們?cè)谙乱粋€(gè)時(shí)隙必將產(chǎn)生沖突。發(fā)生沖突的從站就各自隨機(jī)延遲一段時(shí)間再次發(fā)送,直到發(fā)送成功,收到主站確認(rèn)信息為止。

2.載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)技術(shù)

1)CSMA的類型和基本原理

CSMA與ALOHA的主要區(qū)別在于每個(gè)站都設(shè)置了一個(gè)載波監(jiān)聽(tīng)裝置。此處“載波”是指公用信道上傳輸?shù)男盘?hào)。根據(jù)每個(gè)站所采用的載波監(jiān)聽(tīng)策略,載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)技術(shù)可分為以下幾種:

(1)非堅(jiān)持CSMA。進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)時(shí)如果發(fā)現(xiàn)信道空閑,則將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去;如果監(jiān)聽(tīng)到信道忙,就不再繼續(xù)堅(jiān)持聽(tīng)下去,而是根據(jù)協(xié)議的算法延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間再重新監(jiān)聽(tīng)。

(2)1堅(jiān)持CSMA。當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑時(shí),就立即發(fā)送幀;如果監(jiān)聽(tīng)到信道忙,則堅(jiān)持繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)下去,直到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)為止。

(3)P堅(jiān)持CSMA。為了避免兩個(gè)或多個(gè)站同時(shí)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑,又同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)造成沖突的現(xiàn)象,當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑時(shí),以概率P立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀,而以概率1-P延遲一段時(shí)間(端-端傳播時(shí)延),再重新監(jiān)聽(tīng)信道;當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到信道為忙時(shí),則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)下去,一直堅(jiān)持到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)為止。由于概率P是隨機(jī)的,因此各站監(jiān)聽(tīng)到信道空閑同時(shí)發(fā)送的可能性減少,從而減少了沖突,提高了信道利用率。

2)帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)技術(shù)由于信號(hào)在信道上傳輸需要一定的時(shí)間,設(shè)A、B兩站之間的傳播時(shí)間為τ,A站向B站發(fā)送一個(gè)幀,B站只有在經(jīng)過(guò)時(shí)間τ后才能感知到A站向B站發(fā)送了信息。也就是說(shuō),若在時(shí)間τ內(nèi),B站也向A站發(fā)送一個(gè)幀,這必將會(huì)與A站所發(fā)的幀相沖突。為了防止沖突的發(fā)生,CSMA采用發(fā)送數(shù)據(jù)前進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)的策略。但由于信號(hào)傳播時(shí)間的存在,沖突仍不可避免,而且一旦發(fā)生沖突,將浪費(fèi)信道的可用時(shí)間為(T0+τ),其中T0為發(fā)送一幀所需的時(shí)間。為了提高傳輸效率,我們可以采用邊發(fā)送邊監(jiān)聽(tīng)的方式。帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)技術(shù)(CSMA/CD)就是采用邊發(fā)送邊監(jiān)聽(tīng)的策略,即監(jiān)聽(tīng)到信道空閑就發(fā)送數(shù)據(jù),并繼續(xù)監(jiān)聽(tīng),如監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突已發(fā)生,則沖突雙方就立即停止本次發(fā)送。這種邊發(fā)送邊監(jiān)聽(tīng)的功能稱為沖突檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)的方法很多,如基于模擬技術(shù)的接收信號(hào)電平比較法、信號(hào)編碼波形特征鑒別法和收/發(fā)同時(shí)進(jìn)行的逐位比較法等。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中,往往采用一種強(qiáng)化沖突的措施,亦即當(dāng)發(fā)送幀的站監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突時(shí),除了立即停止正常發(fā)送之外,還要繼續(xù)發(fā)送若干比特的干擾信號(hào),強(qiáng)化所發(fā)生的沖突,以便讓所有站都能確知發(fā)生了沖突。

在檢測(cè)出沖突之后,通信雙方都要各自隨機(jī)延遲一段時(shí)間實(shí)行避讓,然后再繼續(xù)載波監(jiān)聽(tīng)。由于避讓時(shí)間是隨機(jī)的,一次沖突所涉及的兩個(gè)站就不可能在下一次發(fā)送中再次發(fā)生沖突。當(dāng)重發(fā)若干次后仍不能成功,就丟棄該幀,并向高層報(bào)告差錯(cuò)情況。

CSMA/CD也可劃分為非時(shí)隙和時(shí)隙兩種,而且每一種又都可細(xì)分為非堅(jiān)持、1堅(jiān)持和P堅(jiān)持三種類型。為了實(shí)現(xiàn)方便起見(jiàn),實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中常采用非時(shí)隙1堅(jiān)持CSMA/CD。

8.4.3環(huán)訪問(wèn)技術(shù)

1.令牌環(huán)令牌環(huán)(TokenRing)技術(shù)是一種最早提出來(lái)的環(huán)訪問(wèn)技術(shù)。1969年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Newhall等人首先提出令牌環(huán),因此,令牌環(huán)又稱Newhall環(huán)。利用令牌環(huán)技術(shù)構(gòu)成的著名局域網(wǎng)有Newhall環(huán)網(wǎng)和IBM令牌環(huán)網(wǎng)。后者是IBM公司于1985年10月推出的,它是制定IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

令牌環(huán)技術(shù)利用在環(huán)路中流動(dòng)的惟一的令牌幀來(lái)作為信息的攜帶者和傳輸使者。其原理類似于郵電系統(tǒng)的郵遞員傳送信件方式。初始狀態(tài)時(shí),令牌幀內(nèi)不攜帶數(shù)據(jù),故稱為“閑”令牌幀。請(qǐng)求欲傳輸數(shù)據(jù)的站必須等待令牌幀的到達(dá),并檢測(cè)令牌環(huán)是“閑”狀態(tài)時(shí),通過(guò)改變其比特組合將令牌由“閑”改成“忙”狀態(tài),并在此令牌后面裝配待傳送的數(shù)據(jù),令牌環(huán)在傳輸過(guò)程中,便于攜帶信息。此時(shí)環(huán)路上沒(méi)有“閑”令牌,因而其他希望發(fā)送數(shù)據(jù)的站必須等待。當(dāng)包含數(shù)據(jù)的“忙”令牌幀沿環(huán)路傳送到非目的站時(shí),則轉(zhuǎn)發(fā)該幀。只有當(dāng)它傳送到目的站時(shí),目的站才復(fù)制該幀的有關(guān)信息,并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該幀。

這個(gè)“忙”令牌幀繞環(huán)一周后又返回到源發(fā)送站時(shí),由源發(fā)送站對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施檢查和回收,并將令牌環(huán)由“忙”改為“閑”狀態(tài)。由于令牌是惟一的,因此在任何情況下,令牌都可以保證一次僅有一個(gè)站可以傳送數(shù)據(jù)。只有當(dāng)原站釋放出一個(gè)新的“閑”令牌時(shí),處于下游的有傳輸數(shù)據(jù)請(qǐng)求的站才能截獲“閑”令牌并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

令牌環(huán)技術(shù)具有故障檢測(cè)和恢復(fù)功能。最嚴(yán)重的差錯(cuò)是令牌丟失和持續(xù)循環(huán)“忙”令牌發(fā)生。為了解決這些問(wèn)題,在環(huán)路中可指定一個(gè)站為令牌管理站。管理站采用超時(shí)機(jī)制來(lái)檢測(cè)令牌是否丟失,該超時(shí)值應(yīng)略大于最長(zhǎng)的“忙”令牌幀循環(huán)整個(gè)環(huán)路所需要的時(shí)間。這樣,如果管理站在這段時(shí)間內(nèi)再未檢測(cè)到令牌存在,就認(rèn)為令牌已經(jīng)丟失,為了恢復(fù)令牌,管理站將清除環(huán)上的任何殘留數(shù)據(jù),重新生成一個(gè)“閑”令牌。管理站為檢測(cè)持續(xù)循環(huán)的“忙”令牌,可將通過(guò)該站“忙”令牌幀上的管理比特置為“1”。如果管理站檢測(cè)到一個(gè)“忙”令牌幀的管理比特為“1”,則管理站就可確認(rèn)某個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的源站未能回收自己發(fā)送的數(shù)據(jù)并改變令牌的特性,將“忙”令牌更改為“閑”令牌。

圖8.16令牌環(huán)的工作原理

2.時(shí)隙環(huán)時(shí)隙環(huán)(SlottedRing)是J.R.Pierce于1972年首先研制成功的,因而有時(shí)也稱為Pierce環(huán)。時(shí)隙訪問(wèn)技術(shù)是把信息在環(huán)路上的傳送時(shí)間劃分為固定長(zhǎng)度的間隔,我們就將這些時(shí)間間隔稱為時(shí)隙。若干時(shí)隙在環(huán)路上繞環(huán)運(yùn)行(如圖8.17所示),每一個(gè)時(shí)隙都含有一先導(dǎo)標(biāo)志位,以表示該時(shí)隙的現(xiàn)行狀態(tài):空(Empty)或滿(Full)。初始狀態(tài)時(shí),所有的時(shí)隙都是空(E)的。請(qǐng)求傳送數(shù)據(jù)的站必須等待一個(gè)空時(shí)隙到達(dá),將時(shí)隙先導(dǎo)標(biāo)志位改為滿(F),同時(shí)在時(shí)隙中裝配要傳送的數(shù)據(jù)。當(dāng)載有數(shù)據(jù)的時(shí)隙到達(dá)目的站時(shí),目的站將復(fù)制時(shí)隙中的數(shù)據(jù),同時(shí)設(shè)置時(shí)隙中的響應(yīng)位,以表征接收的狀態(tài)(接收、拒收或忙)。只有當(dāng)時(shí)隙返回到源發(fā)送站