高速广域网技术探讨

摘要:近二十多年来,计算机的速度提高了百万倍,该文主要探讨几种高速广域网技术:交换式多兆位数据服务,帧中继,宽带综合业务数字网(broadband integrated services digital network,缩写为B-ISDN)。

关键词:局域网;交换式;SMDS;ISDNATM

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)21-5964-03

1 发展高速广域网的驱动因素

发展高速广域网有如下四个重要因素:

1) 近二十多年来,计算机的速度提高了百万倍,而网络的速度只提高几千倍,因此,网络的速率已成为瓶颈。

2) 最终用户不仅要求传输数据,还需要传输声音、图象等多媒体信息,而且网络环境下的应用日益增多,因此,要求网络有更宽的频带。

3) 大量光缆的铺设,解决了传输介质的频宽问题,而瓶颈转为交换系统的速率和频宽。

4) 美国政府高性能计算和通信计划HPCC的推动,尤其是当前各国政府正在加紧规划国家信息基础设施,以及最近西方七国关于全球信息社会建设的G7会议决议。

高速网络和现有网络的区别在于不仅要求宽频,而且要求低的延迟。由于高速网络的延迟主要由传送延迟决定,而不是由传输速率决定,因此,适用于兆位级速率的通信技术和网络协议对高速网不一定有效。

驱动高速网络发展的最基本动力是应用,因此,要研究什么样的应用需要几百兆位到几千兆位的速率,研究哪些用户通信负载的形式会推动高速网络需求的发展。

异步转移模式ATM和同步光纤网络SONET是实现高速网络底层的主要技术和设施。用于广域网的ATM的速率为155Mbps～622Mbps,SONET的速率为51.8Mbps一9.953Gbps。目前已有近百家厂商研制ATM,但标准化、互操作性问题急待解决。

2 交换式多兆位数据服务SMDS

SMDS是由美国Bellcore公司提出的,提供DS―1到DS―3速率的高速城域服务,基于802,6标准。SMDS是高速交换式数字服务网,它有以下几个特点:高速、五连接、广域网络技术;用于公共数据联网服务的单元开关技术;速率可达1.2Mbps,4Mbps,10Mbps,16Mbps,23Mbps和34Mbps,标准速率为45Mbps;基于IEEE802.6规范。

SMDS用来联接多个局域网,而这些局域网往往属于一个公司的各个分支办公室和工厂,其目标是提供高速的公共数据服务。假如一个公司有四个分布在四个不同城市的分支机构,每个分支办公室有自己的局域网,为了将这些局域网联接起来有两种不同方案,一种是租用六条高速线路,构成一个将四个局域网联接起来的全联接拓扑,如图1(a)所示,这种方案很昂贵;另一种方案是采用SMDS,SMDS如同一个高速局域网的主干网,联接主干网上的任何局域网之间都可通过它传送数据,在各个局域网和SMDS网之间是一条短的访问线路,可向电话公司租用,图1(b)是这种SMDS联接。

大多数电话公司的服务设计成为连续的通信服务,但SMDS是设计成处理猝发式通信,也就是说,接在SMDS上的局域网可高速传输数据,但大部分时间局域网之间无通信。比较上述两种方案,对挖个局域网的联接,全联接方案要租用n(n―1)/2条长距离线,而SMDS只需租用,2条最邻近SMDS路由器的短距离线。

因为SMDS的目标是在LAN之间传送数据,所以必需提供足够高的速率,其标准速率设计成45Mbps。城域网MAN也可提供这种速率,但它不是交换的,为了联接各个局域网,需要有分别接到各个局域网的线,只有在同一城市才可能。而SMDS是交换的,每个局域网接入就近的SMDS交换设备,它通过SMDS网再传到目的地。

SMDS的基本服务是无连接的分组传递服务,分组的格式包含三部分,即目的地址、源地址、以及可变长的用户数据,最长为9188字节。

SMDS有许多特点,它可实现广播服务。在人出处有地址屏蔽功能,用户可给出一批电话号码,只有这些地址的用户才能收到该用户发送的数据,或该用户只接收从给定地址的那些用户发来的数据。因此,利用这个功能,用户可构成自己的专用网,对于需要信息保密的单位,这些功能很有用。

SMDS的数据域最长为9188字节,可包含任何类型的数据,如以太网分组、IBM的Token Ring分组、IP分组等。它只是将这些数据从源地址传到目的地址,而不作任何修改。

SMDS处理猝发式通信的机制如下:接到每个访问线的路由器包含一个计数器,并以常速率计数,如每10微秒增1。当分组到达路由器时,每次检查一下计数器的读数是否超过分组长度,如果是,则无延迟地被发送,并将计数器的数减去已被传送的分组长度;如果分组长度大于计数器的数,则分组被丢弃,这种机制一方面为用户提供了快速的服务响应,另一方面也可限制用户使用超出其付费的相应频宽。

3 帧中继(frame relay)

帧中继是一种只是简单地提供面向连接的、将数据从甲地传递至乙地的、廉价的、中速的公共网。这种网的产生是由于二十年来技术的变化和发展。二十年前,采用电话线的通信是低速的、模拟的、不可靠的,而计算机也是处理速度低、造价高。这样就需要复杂的协议来屏蔽差错,而用户计算机要具有这种功能价格又太高。现今租用的电话线可以是高速的、数字的、可靠的,而计算机处理速度既快又便宜。这样只要简单的协议,且大部分处理可由用户计算机自行处理,不需要网络来处理。

帧中继技术是由X.25分组交换技术演进而来的,由于光纤通信的误码率低,为了提高网络速率,省去了很多在X.25分组交换中的纠错功能,使帧中继的性能优于X.25分组交换的性能。帧中继的主要特点是:中速到高速的数据接口;标准速率为DSI,即T1速率;可用于专用网和公共网;仅传输数据;使用可变长度分组。

帧中继可看成是一条虚拟的租用线,用户租用一条两点之间的永久虚电路,可传送最多1600字节的帧,也可租用连接多个场地的永久虚电路。用户租用一条线路,可整天以最大速率传送数据。对于虚拟租用线,用户可在某一时刻以最大速率传送数据,但长时间的平均速率必须低于预定的水平,所以租用费也便宜得多。

帧中继只提供最低的服务,即决定每个帧的起始和结束,以及检测传输差错。如果接收到一个坏的帧,帧中继只是简单地把它丢弃,由高层协议来处理这个差错,不像X.25,帧中继不提供响应和正常的流控。

4 宽带ISDN和ATM

虽然上述各种服务愈益普及,但电话公司要维护种类繁多的网络很麻烦,另外,电缆电视网并不控制在电话公司手中,虽然电话公司也想控制它。一种解决方案是发明一种单一的新的网络以替代现有的电话网及各种专用网,这种单一的综合网可以传输各类信息,这种新的网络与现有的网络及服务相比,要提供极高的数据传输速率,且有可能提供大量新的服务。这不是一个小的项目,不可能一夜之间实现,但正在实现之中。

这种新的广域服务称B―ISDN(broadband integrated services digital network)它将提供点播电视、电视播放、动态多媒体电子邮件、CD质量的音乐、局域网互联、用于科研和工业的高速数据传送,以及其它很多甚至现今还未想到的服务。所有这些服务可在电话线上实现。

使B-ISDN有可能实现的一种技术称异步转移模式ATM(asynchronous transfer mode)。ATM的基本概念是用一种称为单元的、小的、固定大小的分组传送所有的信息。单元长度为53字节,其中5个字节为单元头,48个字节为用户数据。

单元交换技术大大不同于已沿用100年之久的线路交换,它有很多特点:首先它高度灵活,既能处理像音频、视频这种固定速率的通信,也易于处理可变速率的数据;其次,在每秒千兆位速率下,单元的数字交换比传统的多路复用技术易于实现,特别是在使用光纤的情况下;第三,对于电视播放、广播这些服务,线路交换无法实现,而单元交换能提供这种功能。ATM的速率为155Mbps和622Mbps,今后可达到千兆位。

ATM是一种新的传输和交换数字信息的技术,是一种很好的时分复用和分组交换技术,因此,被推荐用于B―ISDN。ATM的主要特点是:支持多媒体通信,包括话音、视频和数据;按需分配频带;低延迟特性。

ATM的主要特性是:面向连接的技术;采用固定长度的单元;每个单元有标识符作为标志;话音、视频和数据都可由ATM单元的信息域传输,ATM对各类信息都一样处理,实时通信可获得确保的频带;无链路对链路的纠错控制;无链路对链路的流控;ATM单元的高速交换,根据输入单元的报头信号作路由判断;地址是基于虚拟通道(virtualchannel)和虚拟通路(virtual path)的概念。

B―ISDN是一个高速、异步、时分复用传输网,同一个网可提供数据、话音和视频的各种应用。B:ISDN的主要特点是:是一个宽带网络;基于分组的传输;提供基于ATM的传输;支持数据、话音和视频的综合服务;窄带综合业务数字网的进一步扩展;是一个逐渐演进的网络,这种演进要支持已有的接口和服务;ATM提供基于单元的接口;支持交换的和永久的点到点的服务。

5 从窄带到宽带ISDN

5.1 传送模式的概念

传送模式是指通信网络中采用的传输、多路复用及交换技术。

线路交换是在通信双方两个站之间有一条专用的通信通路,用于线路交换的典型技术是频分多路复用(FDM)和同步时分多路复用(STDM)。一种称为IDN(integrated digital network)综合数字网采用时分交换及STDM技术,网络访问速率为等时8kHz网络时钟,相当于64Kbps电话网的线路交换模式。

分组交换是将用户信息封装成分组,其中包含了用于路由和其它网络内部控制的信息,采用存储、轳发机制。用于分组交换的典型技术是异步时分多路复用ATDM,在网络访问速率与通道速率之间没有时钟的联系,相当于X.25分组交换模式。

窄带综合业务数字网N―ISDN采用上述两种传送方式,并对用户访问提供综合服务。有一种单一的公共网络访问,包括访问线路及呼叫控制过程,对所有服务采用统一的、标准的用户――网络接口。

线路交换的缺点是通信信道的带宽没有充分利用,分组交换的缺点是延迟不确定。为了适应高速、宽带的要求,一种结合线路交换和分组交换两种技术优点的传送模式――异步转移模式(ATM),它于1989年提出,被国际电报电话咨询委员会(CCITT,现为国际电信联盟―电信部ITU―T)确定为传输语音、图象、数据和多媒体信息的新的通信技术。

5.2 服务的发展

宽带综合业务数字网B―ISDN将把所有的服务集成起来,从低速直到高速的服务。下面列出一些典型的服务需求。

对家庭用户的需求较难预测,这类用户有兴趣的高速网络服务是:视频和声音的检索,音响及视频的传播,收费电视服务,数据服务,包括数据银行、电子邮件、预订服务、HDTV,高质量的可视电话,其它多媒体服务。

对家庭用户提供的网络服务要低价和耐用,且必需与将来的电子产品兼容,还要不断提供新的应用服务。

对商业用户的市场需求预测比较容易,这类用户有兴趣的高速网络服务是:专用网络互联的增强,高速文件传送及工作站和计算机的互联,高质量的可视电话,高质量的电视会议,高速传真,声像会议。

可以将服务分成交互服务和传播服务两大类。

交互服务有以下几种:

1) 会话服务――用户间的信息实时传输的双向通信。

2) 信报服务――用户间的通信通过存储单元来完成的。

3) 检索服务――用户从公共服务提供的信息数据库中获取信息。

传播服务有以下几种:

1) 无用户控制功能的传播服务――一个连续的信息流从中央源点传播给数量无限制的接收者,用户不能控制信息的起始和信息呈现的顺序。

2) 具有用户控制能力的传播服务――信息以周期重复的序列来提供,用户可以控制信息的起始和信息呈现的顺序。

从上述各类服务的功能可归纳出宽带服务的三个主要特性:

1) 不是所有服务都要求很高的传输速率和带宽,但活动图象传输服务及高速数据通信确实有这种要求,例如TV传播要求30Mbps,HDTV传播要求130Mbps。

2) 某些服务有很高的猝发性,用高峰位率与平均位率之比来表示猝发性,对面向连接的数据传送为1Mbps～50Mbps,文本传送为1Mbps～20Mbps,电视会议为1Mbps一5Mbps。

3) 对网络的要求是能支持各种不同速率的服务,能支持猝发性的通信,要考虑信息丢失敏感的应用和延迟敏感的应用。

5.3 网络的进展

为了满足上述服务需求的发展,网络的进展有两种可能的发展方向:一种是在现有网络基础上加以发展,使之与原来采用的协议尽可能有更多的兼容性;另一种是建立一种新的传输模式,不考虑与现有网络的兼容性。

采用一种单一的传送模式并且能支持所有服务的方案是很吸引人的,这种传送模式应具有下列特点:

1) 全数字式的。

2) 简单。能简单地实现非常高速的交换,只有端对端的差错恢复过程。

3) 灵活。对未来可能出现的服务没有严格的限制,高效的、可变速率的服务,能妥善处理数字信号处理算法及编码解码器技术的发展。

参考文献:

[1] 胡道元.计算机局域网[M].2版.清华大学出版社,2006.

[2] Andrew S,Tanenbaum.Distributed Operating Systems.Prentice Hall,2005.

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