1.4 宽带交换技术

1.4.1 电信业务和媒体传输特性

前面讲述的电话交换和数据交换分别适合话音和2Mb/s以下的数据。在通信领域还存在着其他的信息，如电报信息，视频信息等。在20世纪80年代后期逐步出现了一些新的电信业务，利用现有网络的传输和交换能力，扩充了现有网络的服务范围，因此这些业务称为增值业务，具体有：

智能用户电报（Teletex）、可视图文（Videotext），遥测（Telemetry）、监视（Surveillance）和告警（Alarm）、电子邮件（Electronic mail）、可视电话（Video Phone）和电视会议（Video Conference）、图文电视（Telex）、视频点播（VOD-VideoonDemond）。

上述只是目前网络提供的或是人们所能想到的，事实上随着技术的发展和人们需求的增加还会出现更多的新业务。分析上面的业务可以看到，信息传输的媒体方式从单一话音传输向话音、数据、文本、图形、动画和图像、视频复合的多媒体信息转化。由于信息多媒体化导致新一代业务传输具有与传统话音或文本数据所不同的传输特性。

（1）各种业务信息的传输要求具有不同的速率，具有不同的突发性。例如，对于视频信号的传输速率就有较大的跨度，在进行质量较低的慢扫描可视通信时，每3s传输一幅画面需要的传输速率为14.4Kb/s；但如果传输的是高清晰度电视（HDTV）数据信号时，需要的传输速率大约为20Mb/s。同时数据的传输过程，例如，远程登录、Internet访问，由于用户在许多时间处于键盘操作和信息阅读阶段，利用电路方式将会导致较低的信道的利用率。

（2）各种业务传输具有不同的误差要求和时延要求。非压缩数字话音（PCM 64Kb/s）的传输过程中如果出现有限个错误，只要错误不是长连续性，一般不会影响用户通信过程。但是信息传输具有较大的延迟，就会使通信变得非常艰难。如果话音数据传输的不同分组时延相差比较大（延迟波动），接收者听到的话音断断续续，导致无法进行话音通信。这就是为什么一般话音通信采用电路方式，而不是分组方式的原因。而相应的计算机文本数据的通信允许出现一些延迟或是数据延迟波动，只要数据能够正确传输并保证顺序一致，通信过程是可以顺利进行的。所以在进行计算机数据通信时，一般倾向于采用具有较高网络利用效率和严格差错控制的分组交换方式。其他媒体如图像、图形和视频传输具有低时延和低误码率的要求。

前面介绍的电路交换、报文交换和分组交换仅能够支持上述某些业务的交换，是否能够以一种交换的方式支持上述这些业务的通信，人们提出许多改进方案，下面首先介绍电路交换和分组交换的改进方案。

1.4.2 快速电路交换

通信双方在约定的信道中可以快速进行数据传输，从而满足实时的话音传输，这是电路交换显著的优点，但是传统的基于64Kb/s的电路交换网络在灵活性方面和网络传输效率方面却有不足，具体地说，电路交换的机制对于波动性业务必须根据其峰值速率分配带宽。基于这一点人们提出了改进的电路交换技术。

为了将电路交换的概念扩展到具有波动和突发性的业务传输的应用场合，人们提出了快速电路交换的核心思想是在有信息传送时快速建立通道，如果用户没有数据传输则释放传输通道。具体过程是这样的，在呼叫建立时，用户请求一个带宽为基本速率的某个整数倍的连接。此时，网络根据用户的申请寻找一条适合用户通信的通道，但是并不建立连接和分配资源，而是将通信所需的带宽、所选的路由编号填入相关的交换机中。当用户发送信息时，网络迅速按照用户的申请分配通道完成信息的传输。这种方式的网络必须有能力快速测知信源是否发送数据，同时必须在较短的时间内完成端到端的链路的建立，要求网络有高速的计算能力。

1.4.3 快速分组交换——帧中继

由于分组交换技术在降低通信成本、提高通信的可靠性和灵活性方面的巨大成功，促使20世纪70年代中期以后的数据通信网几乎都采用这一技术。80年代以来，各国的公用和专用分组交换技术不断发展，分组交换网的性能不断提高，功能不断完善。数据分组通过交换机的传输时延从几百毫秒减小到几毫秒，分组交换机之间的中继线路的速率由9.6Kb/s提高到2.048Mb/s。但是到了90年代，人们希望在分组网络上进行实时业务、高速业务传输时，发现采用传统的分组技术的分组交换网络的能力已经达到了极限。虽然分组网络业务适配的灵活性和网络运行的高效性较之于电路交换更适合作为将来宽带通信的交换和传输的支持，但是无法提供高速和实时的业务的传输也是它的明显不足。人们开始研究新的分组交换技术以适合新的传输和交换的要求。

在讲述快速分组交换以前，必须分析一下有关分组交换协议设计的基本出发点，即分组交换技术适合的网络运行环境。在20世纪70年代通信网络是以模拟通信为主，可以提供传输数据的信道大多数是频分制的电话信道，信道带宽为话带带宽0.3～3.4kHz，传输速率一般不大于9.6Kb/s，误码率为10-4～10-5。这样的误码率不能满足数据通信的要求。在这种环境下设计的数据传输协议X.25必须兼顾以下高效和正确性的原则：

（1）采用虚电路复用方式提高信道利用率，减少网络传输费用。

（2）在网络相邻结点的传输通路上执行差错控制协议，保证相邻网络结点之间传输的数据正确性。具体地说，只有发送结点发出一个或一组分组后，等待接收交换结点返回正确收到的应答消息，然后再发送下一个或一组数据，如果数据出错则重新发送。这时候在传输的分组上必须加上相应的校验序列，使接收端可以确认收到的数据是否正确。

（3）为了保证线路上传输的数据不超过线路可以传输的容量，一般采用类似于上面的停止等待协议的流量控制。

X.25协议规定了较丰富的控制功能，获得了很高的可靠性，但是由此加重了分组交换机的处理负担，使分组交换机的分组吞吐量和中继线速率进一步提高受到限制，而且导致了分组通过网络的时延比较大。

20世纪80年代后期以光纤为传输媒体的通信网络促进了分组交换技术的发展。光纤通信具有容量大（高速）、质量高（低误码率）的特点，数字传输误码率小于10-9，系统能提供高达10～100Gb/s的速率。在这样的运行环境下的分组协议显然没有必要像原来的X.25协议做许多精巧和烦琐的控制。

分组交换协议的改进首先是为局域网（LAN）互连设计的，因为在20世纪80年代后期局域网之间的互连成为实际需要。局域网之间的通信具有与传统的话音通信以及分组数据通信不同的特点：

（1）数据传输具有高速特性，通常局域网互连的数据传输速率至少为1544Kb/s或2048Kb/s，这是分组交换接入所无法达到的。所以在未出现帧中继方式之前，一般LAN互连是采用专线满足的。

（2）传输信息具有突发特性，信息传输过程可能存在较长时间的空闲，但是如果LAN之间传送图形或图像信息时，要求较高的传输速率。在这种情况下，使用昂贵的高速租用线路以满足系统快速的响应时间，会导致资源的浪费，也阻碍了LAN之间互连的发展。

（3）运行不同协议局域网之间能互通采用不同的协议。例如，TCP/IP、SNA、XNS和IPX协议适合不同的网络构建方式，具有独立的端到端的差错监测和纠正功能，显然互连必须能够处理多协议通信。

针对这些问题，以及传输媒体使用光纤这样的事实，帧中继技术对X.25协议进行改进以实现高速数据传输，完成按需分配带宽以适应突发信息的要求，处理多协议满足不同LAN的互连。

帧中继的设计思想非常简单，可以概括为以下几点：

（1）帧中继中取消了X.25协议规定网络结点之间、网络结点和用户设备之间每段传输链路上的数据差错控制，将本来由网络完成的数据链路上的段差错控制推到网络的边缘，由终端负责完成。网络只进行差错检查，如果发现错误将数据单元丢失。这是由于采用了光纤作为传输手段，数据传输的误码率急剧下降，链路上出现差错的概率减小，传输信道中不必每段链路都进行差错控制。

（2）帧中继数据传输基本数据单元是帧，帧是计算机网络分层中数据链路层的概念。相比于X.25，帧中继中帧的格式做了简化，去掉了有关进行链路差错控制的帧中的域。帧结构中的信息字段不仅可以存放原来的X.25分组，而且可以存放高级数据链路控制（HDLC）或同步数据链路控制（SDLC）协议数据单元，以及LAN中逻辑电路控制（LLC）层和媒体访问控制（MAC）层的数据，这样可以实现不同协议的数据的封装和传输。

（3）帧中继数据传输采用数据链路连接标志符（DLCI），作为网络传输数据信道标志，类似于分组交换虚电路中的逻辑信道号的概念，因此说帧结构格式中包含路由选择的信息（这是属于计算机网络分层中第3层——网络层的概念）。DLCI指明数据传输的通道，填入交换机的路由表中，指示信息传输的通道，并没有分配网络资源。只有当数据在终端用户之间传输时，才在相邻交换结点之间或端局结点和终端之间分配传输资源，这和分组交换中的虚电路方式是完全一致的。如何实现将在第5章帧中继一节中介绍。

从上面的快速分组交换中的虚电路分组交换——帧中继技术的设计考虑中可以看到，将网络内部的差错处理推向网络的边缘，由智能终端本身进行处理降低了结点处理负担，减少了分组在网络中的延迟，从而提高了网络的响应速率。帧中继技术是传统的分组交换的一种改进方案，适合LAN之间数据互连，目前传输速率已达到34Mb/s。但是，由于帧中继实际采用的是永久虚电路（PVC）的方式，同时由于在网络内部仍旧对数据进行检查，并没有准备适配不同速率的业务（如低速的音频业务和高速的视频业务）以及其他的计算机之间的通信，所以目前帧中继一般只是应用于LAN之间的互连，但已体现了分组技术的良好的适配性，并可以提高网络的利用率。

1.4.4 异步转移模式（ATM）

设计快速电路交换和快速分组交换技术的目的都是为了能以统一、简单、快捷的方法支持各种速率、各种业务特性、各种传输要求（时延和误码率）的多媒体信息的通信，但是快速电路交换和快速分组交换却并没有达到这样的目的。为了在电路交换网络的基础上，接入多种业务和根据通信业务量分配带宽，快速电路交换引入了许多复杂的控制机制，却也只能适合有限的应用情况，系统的实现和扩展变得异常困难。为了在分组交换的基础上提供高速业务通信，快速分组交换（帧中继）简化了网络对于分组的各种处理，但是由于传输的单元可变性及保留的网络结点对数据信息做校验工作，使得其可以支持的速率仅为140Mb/s，同时这种方案不能够满足有不同服务要求的各种媒体信息交换和传输，ITU-T将帧中继定位于数据业务（如LAN互连）交换方式。

从上面的介绍可以看到，电路交换和分组交换具有各自的优势和缺陷，两者实际是互补的，电路交换适合实时业务但是无法适配各种速率的业务，并且网络利用率低，而分组交换可以适配各种速率业务、具有较高的复用效率但是却无法很好地支持实时业务，它们各自改进的目标和方法是克服自身的缺点，借鉴对方的处理方式。实际上两种方案处理通信过程的方法已经决定了它们各自的特点。

可以适合各种不同业务的新一代多媒体通信的交换和复用技术，显然必须综合电路交换和分组交换的优势，可以支持高速和低速的实时业务，具有高效的网络运营效率。这就是ITU-T给出的下一代的交换和复用技术——异步转移模式（ATM）。图1.7给出了上述的几种交换方式的比较，从图中可以看出异步转移模式实际是电路交换和分组交换发展的产物。ATM方式具有四项基本特点。

（1）采用ATM信元复用方式。传统的电路交换中同步转移模式（STM）将来自各种信道上的数据组成帧格式，每路信号占用固定比特位组，在时间上相当于固定的时隙，任何信道都通过位置进行标志。在ATM中采用固定长度的分组（53个字节），称为信元（Cell）。ATM是按信元进行统计复用的，在时间上没有固定的复用位置。由于是按需分配带宽，所以取消了STM方式中帧的概念。与ATM信元不同的是分组交换中分组长度是可变的。

（2）ATM采用面向连接并预约传输资源的方式工作。电路交换是通过预约传输资源保证实时信息的传输，同时端到端的连接使得信息传输时，在任意的交换结点不必做复杂的路由选择（这项工作在呼叫建立时已经完成）。分组交换模式中仿照电路方式提出虚电路工作模式，目的也是为了减少传输过程中交换机为每个分组做路由选择的开销，同时可以保证分组顺序的正确性。但是分组交换取消了资源预定的策略，虽然提高了网络的传输效率，但却有可能使网络接收超过其传输能力的负载，造成所有信息都无法快速传输到目的地。

在ATM方式中采用的是分组交换中的虚电路形式，同时在呼叫过程向网络提出传输所希望使用的资源，网络根据当前的状态决定是否接收这个呼叫。其中资源的约定并不像电路交换中给出确定的电路或PCM时隙，只是用以表示将来通信过程所可能使用的通信速率。采用预约资源的方式，保证网络上的信息可以在一定允许的差错率下传输。另外考虑到业务具有波动的特点和交换中同时存在连接的数量，根据概率论中的大数定理，网络预分配的通信资源肯定小于信源传输时的峰值速率。可以说ATM方式既兼顾了网络运营效率，又能够满足接入网络的连接进行快速数据传输。

（3）在ATM网络内部取消逐段链路的差错控制和流量控制，而将这些工作推到了网络的边缘。分组交换协议设计运行的环境是误码率很高的模拟通信线路，所以执行逐段链路的差错控制；同时由于没有预约资源机制，所以任何一段链路上的数据量都有可能超过其传输能力，所以有必要执行逐段链路的流量控制。而ATM协议运行是在误码率很低的光纤传输网上，同时预约资源机制保证网络中传输的负载小于网络的传输能力，所以ATM取消了终端设备和端局结点、网络内部结点之间链路上的差错控制和流量控制。

但是通信过程中必定会出现的差错如何解决呢？ATM将这些工作推给了网络边缘的终端设备完成。如果信元头部出现差错，会导致信元传输的目的地发生错误，即所谓的信元丢失（相对于原来的目的地）和信元误插入（信元传错目的地），如果网络发现这样的错误，就简单地丢弃信元。至于如何处理由于这些错误而导致信息丢失后的情况则由通信的终端处理。如果信元内负载部分（用户传输的信息）出现差错，判断和处理同样由通信的终端完成。对于不同的媒体传输可以采取不同的处理策略。例如，对于计算机数据通信（文本传输）显然必须使用请求重发技术对错误的信息要求发送端重新发送，但是对于话音和视频这类要求实时的信息如果发生错误，接收端可以采用某种掩盖措施，减少对接收用户的影响。

（4）ATM信元头部功能降低。由于ATM网络中段链路的功能变得非常有限，所以信元头部变得异常简单，主要是标志虚电路，这个标志在呼叫建立阶段产生，用以表示分组经过网络中传输的路径。依靠这个标志可以很容易将不同的虚电路信息复用到一条物理通道上。

但是如果分组头部出现错误必然会导致信元的误投，浪费网络的计算和传输资源，所以及早发现信元头部出错是非常必要的，因此，在信元的头部加上纠错和检错的机制以防止或降低误选路由的可能性。

此外在传统分组交换中用以信息差错控制、分组流量控制及其他特定的比特都被取消。在分组头部只有有限几个关于维护的额外开销比特。

根据上面的描述可以知道，实际上ATM方式充分地综合了电路交换和分组交换的优点。它既具有电路交换的“处理简单”的特点，支持实时业务、数据透明传输（网络内部不对数据做复杂处理）并采用端到端的通信协议，同时也具有分组交换支持变比特率VBR业务的特点，并能对链路上传输的业务进行统计复用。所以异步转移模式（ATM）显然是下一代通信网的交换和复用的首选技术。ATM和电路交换、分组交换的关系如图1.8所示。

有关ATM交换技术将在第7章 中介绍。

1.4.5 IP交换和标记交换

异步转移模式（ATM）是现代通信网中的比较理想的交换方式，是未来通信网发展的方向。然而，现有的计算机互联网（Internet）取得了巨大的成功，它对通信网的发展产生一定的影响，为此有必要对它进行研究。

Internet的基本思想是对所有互连的异种通信子网系统进行高度抽象，将通信问题从网络细节中解放出来，通过提供通用网络服务，使低层网络细节向用户及应用程序透明，从而建立一个统一的、协作的、提供通用服务的通信系统。

Internet的基本方法是在低层网络技术与高层应用程序之间采用TCP/IP协议，从而抽象和屏蔽硬件细节，向用户提供通用网络服务。传输控制协议（TCP）属于传输层，用于提供端到端的通信。Internet协议（IP）属于网络层，主要功能包括无连接数据包传送、数据包寻址以及差错处理三部分。

IP协议的关键是为互连的异种物理网络提供了统一的IP地址，从而屏蔽了下层物理网络地址的差异性，统一了异种网络地址，保证了异种网互通。

用户数量的急剧增长，导致网上信息流量的持续增加，Internet的带宽变得十分紧张，Internet上经常发生拥塞，用户业务质量得不到保证。由多层路由器构成的传统网络趋向饱和，当它扩充到一定限度后，其经济性和效率随规模的进一步增大而下降，将面临下述问题。

（1）Internet骨干网的传送容量太小，带宽资源不足，现有路由器寻址速度低，吞吐量不够，同时用户接入速率太低。

（2）当用户数量急剧增加时，路由器网络性能将下降，这时路由器虽然可以保证优先级较高的数据传输，但由于它采用无连接的IP协议，因而不能让服务质量（带宽、优先级等）与商业上的优先级对应起来。

（3）路由器网络规模的进一步增大要求路由器支持大数量的端口，然而目前一般的路由器只支持10个端口，即使是大型路由器也只能支持50个端口，即路由器的端口数受到限制。因此大型的Internet结点需要配置多个路由器，它们之间通过以太网或光纤分布式数据接口（FDDI）相连，这种可堆叠式配置无论在成本上和性能上代价都很高。同时在纯路由器网络中，每一个端口即使是内部中间端口都需要占用IP地址。

（4）规模较大的路由器网络大多采用分层结构，并在大的结点采用上述可堆叠式配置，以支持大量用户接入。由于IP包在沿途每一个路由器上都需进行排队和协议处理，因此分层路由器结构和可堆叠式配置使得IP包需要经过更多的路由器数，这将导致传输延迟增加，性能下降。

（5）当前Internet所使用的IPv4协议对实时业务、灵活的路由机制、流量控制和安全性能的支持不够，地址资源也短缺。

ATM技术的出现为解决现有Internet所面临的问题提供了解决方案。用ATM网络从多方面来进行改进，即如何在ATM网络上支持Internet，实际上可归结到如何在ATM上支持TCP/IP的问题。目前主要有两类方法：一类是所谓叠加模型，包括ATM上的传统式IP规范（IPOA）及ATM多协议规范（MPOA）；另一类是所谓集成模型，包括IP交换和标记交换（LS）等。有关IP交换、标记交换将在第8章中介绍。