现代交换工程(国家数字交换工程中心)

通信协议分层结构（2）
应用 层
终端
表示 层
实现
会晤 层
传输 层
网络 层
网络
实现
链路 层
物理 层
利用通信网络服务
高
提供用户终端业务
层
利用传输、交换及路由
低
提供通信网络服务
层
通信过程分层结构（1）
端 点
网间互通设备
节点
通信过程分层结构（2）
协议端口 A B C 会晤层：应用进程
业务链路
端 传输层：主机
VC交换
VCI-1 VCI-2
VCI-1 VCI-2
VPI-1
VPI-4
VP交换
VPI-2 VPI-3
VPI-5
VCI-3 VCI-4
VCI-1 VCI-2
ATM交换原理
路由选
输入端口号 输出端口号
1
2
2
8
输入VPI/VCI
4/5 5/6
择表
输出VPI/VCI
3/6 5/5
8
1
4/5
4/7
内部交换路由标签
GFC
VPI
VPI
VCI
VCI
VCI
PT CLP
HEC
VPI
VPI
VCI
VCI
VCI
PT CLP
HEC
Payload
Payload
用户网络接口（UNI）
网络节点接口（NNI）
协议参考模型（1）
ATM端系统 AAL层 ATM层 物理层
管理平面
控制平面 用户平面
高层
高层
ATM适配层（AAL层）
ATM层
差额 计数器
交替循环轮询调度处理
处理单元为完整的IP分组
预置的输出带宽分配
确保每次轮询平均输出64 个字节（W＝64）的数据
拥塞丢弃策略
根据INTERNET网络的数据统计，我们按照IP包的长度 L可将其分为N类：
如在当前网络环境下，可分为 1. Class_0，具有最高优先级别，L≤64（字节）； 2. Class_1, 具有次高优先级别，64< L ≤512（字节）； 3. Class_2, 具有次低优先级别，512< L ≤1024（字节）； 4. Class_3，具有最低优先级别，L≥1024（字节）。
图 1 交换单元
TDM BUS
( c ) 共享总线交换单元
单级交换网络
AI NI AO
NO
( a ) Extended switching Matrix ( b ) Shuffle exchange network ( c )
图 2 单级交换网络
Funnel-type network
多级交换网络——Batcher-Banyan 网络（单路径）
全加速 地址指针控制复杂
交换技术
1. 基础与概念 2. 交换结构 3. 排队技术 4. 调度与拥塞控制 5. 交换技术 6. 高速交换网络的 工程实现
公平调度 — 基于队列状态的累计补偿型循环轮询不定长包调度方法 Round Robin Schedule（RRSsac）
轮循调度机
n个队头包 长计数器
拥塞丢弃策略
门限1，门限2，……，门限n 可通过软件配置
以n=4为例：
缓冲队列
门限1
丢弃 Class_3
门限2 门限3 门限4
丢弃 丢弃 丢弃 Class_2 Class_1 Class_0 Class_3 Class_2 Class_1
Class_3 Class_2 Class_3
交换技术
1. 基础与概念 2. 交换结构 3. 排队技术 4. 调度与拥塞控制 5. 交换技术 6. 高速交换网络的 工程实现
物理层
面
层 管
管 理
理
ATM交换系统 ATM层 物理层 物理媒介
ATM端系统 AAL层 ATM层 物理层
协议参考模型（2）
高层
高层功能
AAL
会聚功能，即将高层来的业务数据变换成CS数据单元
CS 业务特定的会聚子层（SSCS）
公共部分会聚子层 （CPCS）
SAR 分段与组装，完成CS数据单元和ATM信元之间的转换
基本明确的网络结构
提供用户业务
用户 网络
提供承载业务
提供业务成形
用户 网络
接 入 网
用户 网络
传输网
接 入 网
用户 网络
用户网络：特定业务，地域或部门范围受限
接入网络：完成各用户网络业务的交换、复接和综合
传输网络：独立于业务的传输平台
CR
CR
CR
骨干 传输平台
UAS ER
ER UAS
终端
终端
UAS ER UAS
话音通信 数据通信 模拟通信 图象通信 数字通信 多媒体通信
传输 媒介
无线通信 有线通信 光通信
信号
接收端
消息 信息
用户业务
通信的任务：用户业务传输
点——点通信：单播
单工 半双工 全双工
用户 业务
用户 业务
信源 编码
信源 译码
加密 解密
信道 编码
信道 译码
调制
信道
调制
点——多点通信：广播
单工
主机A域名
主机A
主机A IP地址 主机A物理网络1地址
物理网络1
IP地址 物理网络1地址
路由器2
DNS
路由器1
物理网络2
IP地址
物理网络2地址
IP地址 物理网络2地址
主机B
主机B域名 主机B IP地址
主机A
主机B
1. 进行域名解析得到主机B的IP地址；
2. 将IP包放入物理网络1的物理帧中送至路由器1；
管理平面
控制平面
用户平面
应用 层 表示层 会晤层
应用 层 表示层 会晤层
传输 层
网络 层 链路 层 物理 层
面 层管 管理 理
用户平面： 用户业务传输与处理
控制平面： 信令业务传输与处理
管理平面：
分层结构模型看：
层管理和面管理
实际应用角度看：
网元管理和网络管理
网管的五大功能：
安全管理 配置管理 性能管理 故障管理 计费管理
Shuffle
Batcher-Banyan 网络
多级交换网络——Clos 网络（多路径）
Clos 网络
交换结构（Switch Fabric）分类
交换结构
交换单元
空分
时分
单级
共享存储器
共享介质
单路经
交换网络 多级 多路经
Cross Bar
总线型
环形
漏斗形 Knock 扩充 叠式 Banyan Delta Clos 交换 out 矩阵 交换 网络 网络 网络
多点——多点通信：通信网
用户2
用户1
用户N
用户3
用户K
Mesh结构 N（N — 1）
2
用户2
用户1
交换
用户N
交换结构 N
用户3
用户K
电路交换
125 us
01
31 0 1
31
链路速率：2.048Mbps
125 us
01
31 0 1
31
电路交换示意（由控存实现交换控制）
• 面向连接 • 用户特征由时隙号表示 • 服务质量高
3. 路由器1经路由选择将IP包通过物理网络2送至路由器2；
4. 路由器2经路由选择将IP包送至主机B。
IP网络的分层协议结构
应用层
应用层
传输层
（TCP/UDP）
L3
网络层
（IP）
L2 数据链路层
路由器
网络层
（IP）
数据链路层
传输层
（TCP/UDP）
网络层
（IP）
数据链路层
物理层
物理层
物理层
主机
物理网络1
传输链路
点 网络层：网络
网络链路
节点 数据链路层
逻辑链路
A B C 协议端口 会晤层：应用进程
端 传输层：主机
点 网络层：网络
节点 数据链路层
ATM网络总体结构
用
户
UNI
网 TE NT
光纤链路
络
1 TE
交换节点
UNI
NNI
TE TE NT
TE TE
用户网络 2
ATM 传输网络
信元结构
5B信元头 + 48B负荷 = 53B信元
流量普控
层 ATM 管
信头的产生 / 提取 信元VPI / VCI转换 信元的复用与分接
信元速率解耦
理
HEC序列的产生 / 校验
物 TC 信元定界
理
传输帧的适配 传输帧的产生 / 恢复
层
比特定时
PM 物理媒体
ATM网络的业务
A级—固定比特率（CBR）面向连接的业务
利用AAL1/AAL2适配
如非压缩的话音或视频
B级—可变比特率（VBR）面向连接的业务
利用AAL2适配
如压缩的话音或视频
C级—面向连接的数据业务
利用AAL3/4适配
D级—无连接的数据业务
利用AAL5适配
信元传输链路结构
虚电路 （VC）
虚通道 （VP）
虚通道 （VP）
物理传输链路 （LINK）
虚电路 （VC）
信元VPI指示所属于的VP，信元VCI指示所属于的VC。
N
交换容量（V） 端口容量（C） 峰值交换能力（Cmax）
交换时延（S，S） 吞吐率（） 丢失率（）
交换技术
1. 基础与概念 2. 交换结构 3. 排队技术 4. 调度与拥塞控制 5. 交换技术 6. 高速交换网络的 工程实现
交换单元
共享 存贮器
( a ) Cross-bar 交换单元
( b ) 共享存贮交换单元
• 面向连接（虚连接） • 用户特征由分组头表示 • 资源利用率高 • 服务质量高
• 控制协议太复杂 • 设备成本高
高速交换模型
时隙 时隙
时隙
时隙 时隙
时隙
交换主要性能指标
λ
时隙
时隙
1
2
交换网络规模（N） 端口速率（R） 负荷强度（λ）
内部阻塞 队头碰撞 队头阻塞 加速因子 加速比
分转节点：交换机（S），路由器（R）
用户 网络
接 入 用户 网
网络
传输网
用户 网络
接 入 网 用户
网络
I-TE
Web-Server
Constent-serve Database
VOD-Server
通信网络：业务传送
信息网络：业务传送+业务应用
ISP-Server
信息基础设施：通信设备+应用环境
通信协议分层结构（1）
1#
输出控制
2#
输出控制
n#
输出控制
循环轮询调度处理
处理单元为完整的IP分组
公平的输出带宽分配
确保每次轮询平均输出64 个字节的数据
优先级调度 — 修正的加权差额轮循调度 （MWDRR）
MWDRR调 调 调 调 调
{0
高优先级
队列组
1
{ 低优先级
队列组
7
差额 计数器
差额 计数器
交替优先式 轮循判决
• 资源利用率低
分组交换
数据 头 数据 头 数据 头 数据 头
数据 头 数据 头
数据 头
数据 头
分组交换示意（由转发表实现交换控制）
• 无连接，支持面向连接 • 用户特征由分组头表示 • 资源利用率高
• 确保服务质量困难
虚电路交换
虚电路
数据 头 数据 头 数据 头
数据 头 数据 头
数据 头
虚电路交换示意（由路由选择表实现交换控制）
物理网络2
主机
L3：路由功能，网络拓扑驱Leabharlann Baidu L2：交换功能，数据流驱动
IP分组格式
版本4b 头长4b 业务类型8b
总长度16b
标识符16b
标志3b 分段偏移量13b
生存时间8b
协议8b
头校验和16b
源地址 32b
目的地址 32b
选项域和填充域（变长）
负荷域（变长）
关于路由器
路由器的两大功能： • 选路：由路由协议得到路由表 • 转发：根据路由表转发IP分组
现代交换工程
汪斌强
国家数字交换系统工程技术研究中心 （NDSC）
交换技术
1. 基础与概念 2. 交换结构 3. 排队技术 4. 调度与拥塞控制 5. 交换技术 6. 高速交换网络的 工程实现
信息交互是21世纪人类经济与生活的基础
通信的实质： 信息交互
通信的任务： 消息传递
发送端
信息 消息 信号
R2 R8
R1
4/5
3 / 6 R2
1
IC
4/7
OC
1
ATM
5/6
5 / 5 R8
3/6
2
IC
OC
2
交
换
结
4/5
4 / 7 R1 构
5/5
8
IC
OC
8
路由选择控制
IP网络的体系
子网1
子网2
网络1
子网3
默认网关/指派路由器DR 边界路由器 子网内路由器
网络2 子网1
子网3
子网2
IP网络的域名、IP地址和物理地址
接入 ER 交换平台
终端
用户 终端 业务平台
节点
链路
节点
交换节点：数据驱动
节点 路由节点：拓扑驱动
节点
节点
链路 网
络 节点
访问节点：线路控制器（LC），通信控制器（CC） 通信处理机（CP），前端处理机（FEP） 集中器（C），多路选择器（MUX） 服务器（Server）, 主机（Host），数据终端（T）
路由器实现的技术路线： • 存贮转发：由软件实现转发（低端路由器） • 线速转发：由硬件实现转发（高端路由器）
关于路由协议
• RIP：距离矢量路由算法，适用于子网或小规模网络内 • OSPF：链路状态通告路由算法，适用于子网或大规模网络内 • BGP：对等通告路由聚合算法，适用于网络间
MINs 网络
串并 反馈 网络 网络
交换技术
1. 基础与概念 2. 交换结构 3. 排队技术 4. 调度与拥塞控制 5. 交换技术 6. 高速交换网络的 工程实现
输入排队策略
实现简便
队头阻塞
输出排队策略
无队头阻塞 交换结构内部要加速
共享存储排队策略
共享 存储器
存储和交换同时实现 缓冲容量利用率高
ATM网络的连接
永久虚通道（通路）连接（PVPC） 永久虚电路（信道）连接（PVCC） 交换虚通道连接（SVPC） 交换虚电路连接（SVCC）
VC链路 VCC端点 VPI-0/VCI-1
VCC
VCI-2
VPI-4/VCI-3 VCC端点
VP链路 VPC端点 VPI-1
VPC
VPI-2
VPI-3
VPC端点
只需实现VP交换 既要实现VP交换，也要实现VC交换
ATM网络的连接示例
VPC
A A-C 1/4
A-C 2/5 B-D 3/6
A-C 8/4 B-D 8/5
A-C 6/4
A-C 7/6
C
A-C 9/4
A-C 7/4
B-D 6/5
B-D 7/5
B-D 6/7
B-D 2/5
B
B-D 3/6
D
VP交换和VC交换