第 5 章广域网

第 5 章广域网

基本内容

广域网中的分组转发机制拥塞控制原理异步传递方式 ATM

重点掌握

广域网的基本概念，虚电路与数据报，广域网中的分组转发机制，拥塞控制原理， X.25 网，帧中继FR ，异步传递方式 ATM 。

5.1 广域网的基本概念

一、广域网的构成当主机之间的距离较远时，局域网无法完成主机之间的通信任务。这时就需要另一种结构的网络，即广域网。注意：即使是覆盖范围很广的互联网，也不是广域网，因为在这种网络中，不同网络的“互连”才是其最主要的特征。广域网是单个的网络，它使用结点交换机连接各主机而不是用路由器连接各网络。结点交换机在单个网络中转发分组，而路由器在多个网络构成的互联网中转发分组。

由局域网和广域网组成互联网

互联网

局域网局域网

广域网路由器

结点交换机

广域网的构成

广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。结点交换机执行将分组存储转发的功能。结点之间都是点到点连接，一个结点交换机通常和若干个结点交换机相连。广域网中的最高层是网络层。网络层服务的具体实现是数据报和虚电路的服务。数据报服务的特点：不可靠的服务。虚电路服务的特点：可靠的服务，服务质量有较好的保证。

5.1 广域网的基本概念

二、数据报和虚电路网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类：

无连接的网络服务（数据报服务）面向连接的网络服务（虚电路服务）

提供数据报服务的特点

网络随时接受主机发送的分组（即数据报），网络为每个分组独立地选择路由。网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。网络不保证所传送的分组不丢失，也不保证按源主机发送分组的先后顺序，以及在时限内必须将分组交付给目的主机。当网络发生拥塞时，网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃。数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。

提供数据报服务的特点

H1

H5

H2H4

H3

A

C

D

B

H6

E

分组交换网

例如： H1 向 H5 发送分组，可以经过 A-B-E ，也可经过 A-C-E 或A-C-B-E 。同时主机 H2 可向 H6 发送分组。

提供虚电路服务的特点

H1

H5

H2 H4

H3

A

C

D

B

H6

E

主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。

提供虚电路服务的特点

在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量 QoS (Quality of Ser

vice) 有较好的保证。

虚电路和数据报的比较

虚电路服务在传送数据之前，首先通过虚呼叫建立一条虚电路所有分组沿同一条路径传送，并且按发出顺序到达类似电路交换建立连接之后，分组中只需要携带连接标识

数据报每个分组单独传送网络为每个分组单独选路，路径可能不同分组达到顺序可能与发出顺序不同分组中需要携带完整的目的地址

两种服务的思路来源不同

虚电路服务的思路来源于传统的电信网。电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。这种网络要求使用较复杂且有相当智能的主机作为用户终端。

数据报服务与虚电路服务之争

让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。技术的进步使得网络出错的概率已越来越小，因而让主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多的负担，反而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行。因特网发展到今天的规模，充分说明了在网络层提供数据报服务是非常成功的。

数据报服务和虚电路服务优缺点（ 1）

网络上传送的报文长度，在很多情况下都很短。用数据报既迅速又经济。若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。在使用虚电路的情况下，每个分组不需要携带完整的目的地址，而仅需要有个很简单的虚电路号码的标志。这就使分组的控制信息部分的比特数减少，因而减少了额外开销。

数据报服务和虚电路服务优缺点（ 2）

在使用数据报时，主机承担端到端的差错控制和流量控制。在使用虚电路时，分组按顺序交付，网络可以负责差错控制和流量控制。数据报服务对军事通信有其特殊的意义。当某个结点发生故障时，后续的分组就可另选路由，因而提高了可靠性。但在使用虚电路时，结点发生故障就必须重新建立另一条虚电路。数据报服务还很适合于将一个分组发送到多个地址（即广播或多播）。

数据报服务和虚电路服务优缺点的归纳

对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主

机来保证连接的建立必须有不要

目的站地址仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号

每个分组都有目的站的全地址

分组的转发属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发

每个分组独立选择路由进行转发

当结点出故障时所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作

故障结点可能丢失分组，一些路由可能会发生变化

分组的顺序总是按发送顺序到达目的站到达目的站时不一定按发送顺序

端到端的差错处理和流量控制

可以由分组交换网负责也可以由用户主机负责

由用户主机负责

5.2 广域网中的分组转发机制

转发是当交换结点收到分组后，根据其目的地址查找转发表，并找出应从结点的哪一个接口将该分组发送出去。路由选择是构造路由表的过程。路由表是根据一定的路由选择算法得到的，而转发表又是根据路由表构造出的。路由选择协议负责搜索分组从某个节点到目的节点的最佳传输路由，以便构造路由表。分组是通过转发表进行转发的。

5.2.1 在结点交换机中查找转发表

广域网中一般都采用层次地址结构。用二进制数表示的主机地址划分为前后两部分。前一部分的二进制数表示该主机所连接的分组交换机的编号。后一部分的二进制数表示所连接的分组交换机的端口号，或主机的编号。

所连接的交换机的编号所连接的交换机端口的编号

计算机在广域网中的地址

结点交换机转发分组

[2, 1] [2, 2]

4567

4567

4 5 6 7

交换机1

交换机 2

交换机3

[1, 1]

[1, 3]

[3, 2]

[3, 3]

1

2

3

1

2

3

1 2 3

每个交换机都有两组端口。一组是和本地主机相连的低速端口，另一组是和其他交换机相连的高速端口。


[2, 1] [2, 2]

4567

4567

交换机 2

交换机3

[1, 1]

[3, 2]

[3, 3]

交换机1[1, 3]

1

2

3

1

2

3

4 5 6 7

1 2 3

每个主机地址中后面的数字是指该交换机的低速端口

主机地址 [3, 2] 是指连接在交换机 3 的 2 号低速端口主机地址 [1, 3] 是指连接在交换机 1 的 3 号低速端口


[2, 1] [2, 2]

4567

4567

交换机 2

交换机3

[1, 1]

[3, 2]

[3, 3]

交换机1[1, 3]

交换机 2 的转发表

目的站下一跳 [1, 1] 交换机 1 [1, 3] 交换机 1 [3, 2] 交换机 3 [3, 3] 交换机 3 [2, 1] 直接 [2, 2] 直接

4 5 6 7

1 2 3

1

2

3

1

2

3

这里给出结点交换机 2 中的转发表作为例子例如，一个欲发往主机 [3, 2] 的分组到达了交换机 2 。这时应查找交换机 2 的转发表，找目的站为 [3, 2] 的项目。


[2, 1] [2, 2]

1234

1234

交换机 2

交换机3

[1, 1]

[3, 2]

[3, 3]

交换机1[1, 3]


1

2

3

1

2

3

4 5 6 7

1 2 3

目的站是 [3, 2]吗？

查找转发表中的下一个项目。

否


[2, 1] [2, 2]

1234

1234

交换机 2

交换机3

[1, 1]

[3, 2]

[3, 3]

交换机1[1, 3]


1

2

3

1

2

3

4 5 6 7

1 2 3

目的站是 [3, 2]吗？

查找转发表中的下一个项目。

否


[2, 1] [2, 2]

1234

1234

交换机 2

交换机3

[1, 1]

[3, 2]

[3, 3]

交换机1[1, 3]


1

2

3

1

2

3

4 5 6 7

1 2 3

目的站是 [3, 2]吗？

根据转发表指出的下一跳把分组转发到交换机 3 。

是


[2, 1] [2, 2]

1234

1234

交换机 2

交换机3

[1, 1]

[3, 2]

[3, 3]

交换机1

[1, 3]

1

2

3

1

2

3

4 5 6 7

1 2 3

分组转发到交换机 3 后就查找交换机 3 的转发表。从转发表（此处省略了）可知不必再转发分组了，把该分组直接交付给主机 [3, 2] 即可。

按照目的站连接的交换机号确定下一跳

只要转发表中目的站一栏中的交换机号相同，那么查出的“下一跳”就是相同的。在转发分组时，可只根据分组的主机地址中的交换机号来查找转发表。只有当分组到达与目的主机相连的结点交换机时，交换机才检查第二部分地址（主机号），并通过合适的低速端口将分组交给目的主机。

图的应用

可用图论中的“图 (graph)” 来表示整个广域网。用“结点”表示广域网上的结点交换机，用连接结点与结点的“边”表示广域网中的链路。连接在结点交换机上的主机与分组转发无关，因此在图中可以不画上。

1 2

3 4

1 2

43

5.2.2 在路由表中使用默认路由

1 2

43

目的站下一跳

1 直接2 3

3 3

4 3

结点 1 的转发表

这三个项目的“下一跳” 都是转发到“ 3” （结点 3 ）。

可以合并

以结点 1 和结点 2 中的转发表为例来讨论


1 2

43

目的站下一跳

1 直接默认 3


默认路由

注：用默认路由代替所有的具有相同的“下一跳”的项目。但默认路由比其它项目的优先级低。


1 2

43

目的站下一跳

1 3

2 直接3 3

4 4


这两个项目的“下一跳” 都是转发到“ 3” （结点 3 ）。

可以合并


1 2

43

目的站下一跳

2 直接 4 4

默认 3


默认路由

5.3 拥塞控制

在某段时间，若对网络中某资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏——产生拥塞。(congestion) 。出现资源拥塞的条件： ∑对资源需求的总和 > 可用资源

若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变坏，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。

拥塞控制与流量控制的关系

拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制。流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。

拥塞控制所起的作用

提供的负载

吞吐量

理想的拥塞控制

拥塞

死锁（吞吐量 = 0 ）

无拥塞控制

实际的拥塞控制

轻度拥塞

0

直接死锁

直接死锁即由互相占用了对方需要的资源而造成的死锁。例如两个结点都有大量的分组要发往对方，但两个结点中的缓存在发送之前就已经全部被待发分组占满了。

当每个分组到达对方时，由于没有地方存放，只好被丢弃。发送分组的一方因收不到对方发来的确认信息，只能将发送过的分组依然保存在自己结点的缓存中。这两个结点就这样一直互相僵持着，谁也无法成功地发送出一个分组。

重装死锁

报文 A 、 B 和 C 经过路由器 P 、 Q 和 R 发往主机 H 。每一报文由 4 个分组构成。每个路由器的缓存只能容纳 4 个分组。路由器 R 已为报文 A 预留了 4 个分组的缓存。由于分组 A3 还未到达，所以目前还不能交付给主机 H 。分组 A3 暂存于路由器 P 的缓存中，它无法转发到路由器 Q ，因为路由器 Q 的缓存已全占满了。

A4 A2 A1B3 C1 B1B2C3 B4 A3C2

路由器 P 路由器 Q 路由器 R

主机 H

5.3.2 拥塞控制的一般原理

拥塞控制是很难设计的，因为它是一个动态的（而不是静态的）问题。当前网络正朝着高速化的方向发展，这很容易出现缓存不够大而造成分组的丢失。但分组的丢失是网络发生拥塞的征兆而不是原因。在许多情况下，甚至正是拥塞控制本身成为引起网络性能恶化甚至发生死锁的原因。

开环控制和闭环控制

开环控制方法就是在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素考虑周到，力求网络在工作时不产生拥塞。闭环控制是基于反馈环路的概念。属于闭环控制要相应采取适当的措施。

监测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生。将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方。调整网络系统的运行以解决出现的问题。

开环控制和闭环控制

控制器被控量给定值执行器被控对象

控制器

测量变送器

被控量给定值执行器被控对象

干扰

5.4 X.25 网

X.25 网就是使用 X.25 分组的网络。在公用数据网上，以分组方式进行操作的 DTE ( 数据终端设备 ) 和 DCE( 数据通信设备 ) 之间的接口， X.25 只是对公用分组交换网络的接口规范说明， X.25描述了主机 (DTE) 与分组交换网 (PS

N) 之间的接口标准，使主机不必关心网络内部的操作，从而能方便地实现对各种不同网络的访问。

X.25 网络模型

DTE

DTE

DCE

DCE

DCEDTE

X.25 接口 PSE

PSE

PSE

什么是分组交换网

分组交换采用存储／转发交换技术，分组是交换处理和传输的对象。先将发信端发送的数据分成固定长度的分组，然后在网络中经各分组交换机逐级“存储／转发”，最终到达收信终端。分组交换是一种在距离相隔较远的工作站之间进行大容量数据传输的有效方法，它结合线路交换和报文交换的优点，将信息分成较小的分组进行存储、转发，动态分配线路的带宽。它的优点是出错少，线路利用率高。

X.25 网层次结构

DTE 和 DCE 之间的接口实际上是 DTE 和公用分组交换网之间的接口。 X.25 在本地 DTE 和远程 DTE 之间提供一个全双工、同步的透明信道， X.25 接口定义了 3 个相互独立的控制层：物理层、链路层和分组层，其中：

物理层接口指 DTE 和网络之间的线路连接。链路层逻辑接口采用平衡型链路接入规程 LAPB ，负责 DTE 和 DCE 之间的初始化、校验，并控制物理链路上的数据传输。分组层接口描述了呼叫的建立、保持和拆除的过程，以及数据和控制信息在分组中的格式。数据传送单位分别是“比特”、“帧”和“分组”。

虚电路建立

虚电路建立在 X.25 的第 3 层，之所以称其为虚电路，是因为这种“电路”只在逻辑上存在，与电路交换中的物理电路有着质的区别。在虚电路方式中，一次通信要经历建立虚电路、数据传输和拆除虚电路 3 个阶段。一旦建立虚电路，则该虚电路不管有无数据传输都要保持到虚电路拆除或因故障而中断。 X.25 提供以下两种虚电路服务。交换虚电路：类似于电话交换，即双方通信前要建立一条虚电路供数据传输，通信完毕后要拆除这条虚电路。永久虚电路：可在两个用户之间建立永久的虚电路，用户间需要通信时无须建立连接，可直接进行数据传输，如使用专线一样。

虚电路建立

一旦在一对 DTE 之间建立一条虚电路，这条虚电路便被赋于一个唯一的虚电路号，当其中的一台 DTE 要向另一台DTE 发送一个分组时，它便给这个分组标上号 ( 虚电路号 )

交给 DCE设备， DCE 就是根据分组所携带的这个号来决定如何在交换网内部交换这个数据分组，使其正确到达目的地。下图中一个 DTE 和两个 DTE 之间建立了二条虚连接。

X.25 接口

X.25 接口

X.25 公用分组交换网VC2

VC1

DTE3

DTE2

DCE3

DCE2

DCE1DTE1

X.25 接口

X.25 的层次关系

LAPB 帧

X.25 分组

分组层（网络层）

数据链路层

用户数据

用户数据X.25 首部

LAPB 首部 LAPB 尾部

用户层

X.25 的层次结构

X.25 由 3 层组成，对应于 ISO/OSI 参考模型的低 3 层：① 物理层定义数据终端设备（如计算机、智能终端、前端通信处理机等）与数据电路终端设备（如网络结点、分组交换机等）之间建立物理连接和维持物理连接所必需的机械、电气、功能和规程。② 数据链路层定义数据链路控制过程，即控制链路的操作过程和纠正通信线路的差错。采用 HDLC 的子集 LAPB 作为该层的标准。③ 分组层定义 DTE 与 DCE 之间数据交换的分组格式和控制过程，包括多条逻辑信道到一条物理连接的复用等。

建立连接和拆除连接

建立和拆除虚电路连接时，发送方 DTE 先向本地 DCE

发出呼叫连接请求分组， DCE 选择合适的路径将该分组通过网络传输到接收方的 DCE ，并送给接收方 DTE ，接收方 DTE 回送一个呼叫接收分组给发送方 DTE ，因此建立起虚电路后就可以传输数据了。数据传输完毕后，一方 DT

E 发出连接拆除分组给本地 DCE ，另一方 DCE 接收到该分组后，发送一拆除指示分组给 DTE ，则双方 DTE 的连接就拆除了。

X.25 网与 IP 网

基于 IP 协议的因特网是无连接的，只提供尽最大努力交付的数据报服务，无服务质量可言。 X.25 网是面向连接的，能够提供可靠交付的虚电路服务，能保证服务质量。正因为 X.25 网能保证服务质量，在二十多年前它曾经是颇受欢迎的一种计算机网络。

X.25 网退出了历史舞台

到了 20世纪 90年代，情况就发生了很大的变化。通信主干线路已大量使用光纤技术，数据传输质量大大提高使得误码率降低好几个数量级，而 X.25 十分复杂的数据链路层协议和分组层协议已成为多余的。 PC 机的价格急剧下降使得无硬盘的哑终端退出了通信市场。这正好符合因特网当初的设计思想：网络应尽量简单而智能，应尽可能放在网络以外的用户端。

注意

当利用现有的一些 X.25 网来支持因特网的服务时， X.25

网就表现为数据链路层的链路。在有些计算机网络文献中，常把支持因特网的广域网（包括 X.25 网、帧中继网和 ATM 网）都看成是 IP 层下面的数据链路层。

A B C DX.25 虚电路

X.25 分组交换网

5.5 帧中继 FR

在 20 世纪 80 年代后期，许多应用都迫切要求增加分组交换服务的速率。帧中继 FR (Frame Relay) 就是一种支持高速交换的网络体系结构。帧中继在许多方面非常类似于 X.25 ，被称为第二代的 X.

25 。今天的数字光纤网比早期的电话网具有低得多的误码率，如果减少结点对每个分组的处理时间，则各分组通过网络的时延亦可减少，同时结点对分组的处理能力也就增大了。

帧中继减少结点处理时间

帧中继是在数据链路层用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术。将流量控制、差错处理等功能提交给智能终端去完成，以此减少结点的处理时间和网络时延。帧中继不使用差错恢复和流量控制机制。当帧中继交换机收到一个帧的首部时，只要一查出帧的目的地址就立即进行转发。因此在帧中继网络中，一个帧的处理时间比 X.25 网约减少一个数量级。这样，帧中继网络的吞吐量要比 X.25

网络的提高一个数量级以上。

帧中继对差错的处理

当检测到有误码时，结点要立即中止这次传输。当中止传输的指示到达下个结点后，下个结点也立即中止该帧的传输，并丢弃该帧。如果需要重传出错的帧，则由源站使用高层协议（而不是帧中继协议）请求重传该帧。当帧中继网络本身的误码率非常低时，帧中继技术才是可行的。

从层次出比较 X.25 和帧中继的差错控制

3

2

1

3

2

1

完全的差错控制

3

2

1

3

2

1

完全的差错控制

有限的差错控制

有限的差错控制

从层次出比较 X.25 和帧中继的流量控制

数据

确认

数据

确认

中间结点目的站源站中间结点目的站源站

确认的确认

帧中继使用虚电路

帧中继的逻辑连接的复用和交换都在第二层处理，而不是像 X.25 在第三层处理。帧中继网络向上提供面向连接的虚电路服务。虚电路一般分为交换虚电路 SVC 和永久虚电路 PVC 两种。帧中继网络通常为相隔较远的一些局域网提供链路层的永久虚电路服务，它的好处是在通信时可省去建立连接的过程。

X.25 分组交换网和帧中继网的比较

一般的分组交换网，其数据链路层具有完全的差错控制；而帧中继网络不仅网络中的各结点没有网络层，并且其数据链路层只有有限的差错控制功能，只能通信两端的主机中的数据链路层才有完全的差错控制功能。一般的网络实现逐站确认，而且目的站还要向源站发回确认；而帧中继网络中间结点只转发数据，无逐段的链路控制能力，只有在目的站收到数据帧后才向源站发回端到端确认帧。帧中继的数据链路层也没有流量控制能力，流量控制由高层完成。

帧中继网络的工作过程

用户在局域网上传送的 MAC 帧传到与帧中继网络相连接的路由器。路由器就剥去 MAC 帧的首部，将 IP 数据报交给路由器的网络层。网络层再将 IP 数据报传给帧中继接口卡。

帧中继网

路由器

局域网局域网

虚电路

路由器


帧中继接口卡把 IP 数据报封装到帧中继帧的信息字段。加上帧中继帧的首部（包括帧中继的标志字段和地址字段），进行 CRC 检验后，加上帧中继帧的尾部（包含帧检验序列字段和标志字段），就构成了帧中继帧。

帧中继帧发送在前

标志标志地址信息帧检验序列字节 1 22~4 1可变

首部尾部IP 数据报IP 数据报


帧中继接口卡将封装好的帧通过向电信公司租来的专线发送给帧中继网络中的帧中继交换机。帧中继交换机收到帧中继帧就按地址字段中的虚电路号转发帧（若检查出有差错则丢弃）。

帧中继网

路由器

局域网局域网

虚电路

路由器


当帧中继帧被转发到虚电路的终点路由器时，终点路由器就剥去帧中继帧的首部和尾部，加上局域网的首部和尾部，交付给连接在此局域网上的目的主机。目的主机若发现有差错，则报告上层的 TCP 协议处理。即使 TCP协议对有错误的数据进行了重传，帧中继网也仍然当作是新的帧中继帧来传送，而并不知道这是重传的数据。

帧中继网

路由器

局域网局域网

虚电路

路由器

5.5.2 帧中继的帧格式

帧中继帧发送在前

标志标志地址信息帧检验序列字节 1 22~4 1可变

首部尾部IP 数据报IP 数据报

标志字段是一个 01111110 的比特序列，用于指示帧中继帧的起始和结束。它的惟一性是通过比特填充法来确保的。信息字段是长度可变的用户数据。帧检验序列字段是 2 字节的 CRC 检验。当检测出差错时，就将此帧丢弃。地址字段一般为 2 字节，但也可扩展为 3 或 4 字节。

地址字段中的几个重要部分

数据链路连接标识符 DLCI DLCI 字段的长度一般为 1

0 bit （采用默认值 2 字节地址字段），但也可扩展为 16

bit （用 3 字节地址字段），或 23 bit （用 4 字节地址字段），这取决于扩展地址字段的值。为了区分开不同的永久虚电路（ PVC ），每一条 PVC

的两个端点都有一个 DLCI ， DLCI 的值用于标识永久虚电路 (PVC) 、呼叫控制或管理信息。数据链路连接标识符 DLCI 只具有本地意义。连接两端的用户网络接口所使用的两个 DLCI 都是各自独立选取的。

地址字段中的几个重要部分

前向显式拥塞通知 FECN ：若某结点将 FECN 置为 1 ，表明与该帧在同方向传输的帧可能受网络拥塞的影响而产生时延。反向显式拥塞通知 BECN ：若某结点将 BECN置为 1

即指示接受者，与该帧反方向传输的帧可能受网络拥塞的影响产生时延。可丢弃指示 DE ： DE 的长度是 1 bit 。 DE 比特为 1

的帧表明这是较为不重要的低优先级帧，在必要时可丢弃。

5.5.3 帧中继的拥塞控制

帧中继使用的拥塞控制方法：丢弃策略当拥塞足够严重时，网络就要被迫将帧丢弃。拥塞避免在刚一出现轻微的拥塞迹象时用一些信令机制及时使拥塞避免过程开始工作。拥塞恢复在已出现拥塞时，拥塞恢复过程可阻止网络彻底崩溃。

承诺的信息速率 CIR

CIR 是对特定的帧中继连接中，用户和网络共同协商确定的用户信息传送速率的门限数值。 CIR 数值越高，帧中继用户向帧中继服务提供者交纳的费用也就越多。只要端用户在一段时间内的数据传输速率超过 CIR ，在网络出现拥塞时，帧中继网络就可能会丢弃用户所发送的某些帧。

接入速率和平均数据率

每个帧中继结点都应使通过该结点的所有连接的 CIR 的总和不超过该结点的容量，即不能超过该结点的接入速率。但当数据传输速率不超过 CIR 时，网络并不保证一定不发生帧丢弃。 CIR 是用来限制用户在某一段测量时间间隔 Tc 内所发送的数

据的平均数据率。

速率接入速率 R

测量时间间隔 Tc

t

承诺的信息速率 CIR用户在 Tc 内的平均数据率

帧中继拥塞控制原则

当网络必须把一些帧丢弃时，网络将首先选择超其 CIR

值的那些连接上的帧予以丢弃。如果帧的速率总是小于 CIR ，那么所有的帧都被打上高优先级的标志（ DE 比特置 0 ），这在一般情况下传输是有保证的。若数据率仅在不太长的时间间隔大于 CIR ，则网络可以将这样的帧置为 DE = 1 ，并在可能的情况下进行传送。若数据率超过 CIR 的时间较长，以致注入到网络的数据量超过了网络所设定的最高门限值，则应立即丢弃该连接上传送的帧。

利用显示信令避免拥塞

设用户 A 和 B已经建立了一条双向通信连接，当两个方向都没有拥塞时，则在两个方向传送帧时， FECN 和 BEC

N 都应为零。反之若这两个方向都发生了拥塞，则不管是哪一个方向， FECN 和 BECN 都应置为 1 ，当只有一个方向拥塞时，哪一个置为 1 ，取决于帧是从 A 传送到 B还是从 B 传送到 A 。用户可根据收到的显示拥塞通知信令采用相应的措施。当收到 BECN 时，用户只要降低发送速率；当收到 FECN

时，这需要用户通知这个连接的对等用户来减少帧流量。

5.6 异步传递方式 ATM

ATM 是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。 ATM 采用定长分组作为传输和交换的单位。这种定长分组叫做信元 (cell) 。


现代通信网中广泛使用的是电路交换和分组交换两种方式。电路交换方式适用于电话业务，分组交换适用于数据业务。而 ATM 信元中承载的是宽带综合业务，既有电话业务，又有数据业务，还有其他业务。 ATM采用的是 ATM 交换方式，它是一种新的交换方式，它既像电话交换方式那样适用于电话业务，又像分组交换方式那样适用于数据业务。


由于光纤通信的迅速发展，不仅通信能力极大提高，而且传输错误也微乎其微，因而在分组交换的基础上产生了帧中继等快速分组交换方式，把检错纠错功能放在终端设备，从而减少了时延，提高了速率。 ATM 交换方式也属于快速分组交换，但它不仅仅是简化了控制，提高了速率的分组交换，同时为了满足实时业务的要求，还使用了一些电路交换中的方法。 ATM改进了电路交换的功能，使其能灵活地适配不同速率的业务； ATM改进了分组交换功能，满足实时性业务的要求。所以 ATM 交换方式又可以看作是电路交换方式和分组交换方式的结合。

“ 异步”的含义

当用户的 ATM 信元需要传送时，就可插入到 SDH 的一个帧中。 SDH 传送的同步比特流被划分为一个个固定时间长度的帧（注意，这是时分复用的时间帧，而不是数据链路层的帧）。每一个用户发送的 ATM 信元在每一时分复用帧中的相对位置并不是固定不变的。如果用户有很多信元要发送，就可以接连不断地发送出去。只要 SDH 的帧有空位置就可以将这些信元插入进来。 ATM名词中的“异步”是指将 ATM 信元“异步插入”到同步的 SDH 比特流中。

ATM 的优点

选择固定长度的短信元作为信息传输的单位，有利于宽带高速交换。信元长度为 53 字节，其首部（可简称为信头）为 5 字节。能支持不同速率的各种业务。所有信息在最低层是以面向连接的方式传送，保持了电路交换在保证实时性和服务质量方面的优点。 ATM 使用光纤信道传输。由于光纤信道的误码率极低，且容量很大，因此在 ATM 网内不必在数据链路层进行差错控制和流量控制 (放在高层处理 ) ，因而明显地提高了信元在网络中的传送速率。

对能支持不同速率的各种业务的解释

ATM 是定长度的信元，它可以适应用户不同速率分配的要求。例如，某用户要与 A 、 B 、 C三个用户通信，其速率分别为 20 、 40 、 60Mb/s ，这样在用户线路上每出现一个给 A 的信元，就会有两个给 B 的信元和三个给 C 的信元。由于上述三个通信用户合起来的速率是 120Mb/s ，尚未达到 155.52Mb/s ，因此线路还会有一些时间处于空闲状态。所以 ATM 可以非常灵活地适配各种不同速率的要求，用户几乎可以按任何方式把信道分割成任意多个不同速率的子信道。只要它们的速率之和不超过信道的总容量，即 155.52M

b/s 就可以。

ATM 的缺点

ATM 的一个明显缺点就是信元首部的开销太大，即 5 字节的信元首部在整个 53 字节的信元中所占的比例相当大。 ATM 的技术复杂且价格较高。 ATM 能够直接支持的应用不多。 10千兆以太网的问世，进一步削弱了 ATM 在因特网高速主干网领域的竞争能力。

电路交换，分组交换和 ATM 交换方式的比较

优点缺点

电路交换1. 适合固定速率的业务。2. 没有接入时延。

1. 信息速率种类较少。2. 网络资源及电路利用率不高。

分组交换1. 适合可变速率的业务。 2. 通过合并若干个分组，可以达到各种速率

1. 由于时延大，不适合实时业务。2. 可变的分组长度增加了处理成本。

ATM 交换

1. 通过给一个逻辑连接分配若干个信元，可以达到各种速率。 2. 可以更好地利用网络资源，如动态容量分配，统计复用等不同速率的连接。

1. 面向分组，对于实时业务需要附加的机制。 2. 分组装拆会引起一些时延。

ATM 网络中的网络元素

ATM端点（又称为 ATM 端系统）通过点到点链路与 AT

M 交换机相连。 ATM 交换机是一个快速分组交换机（交换容量高达数百 G

b/s ），其主要构件是：交换结构 (switching fabric)

若干个高速输入端口和输出端口必要的缓存

ATM 的交换结构

ATM 交换机

a

b

c

d

e

f

g

h

交换结构交换结构

输入信元输出信元

ATM 的协议参考模型和信元结构

ATM 的协议参考模型 ATM 的协议参考模型共有三层，大体上与 OSI 的最低两层相当（但无法严格对应）。

ATM 层

物理层PMD 子层

TC 子层

ATM 适配层 (AAL 层 )SAR 子层CS 子层

3

2

1

ATM的层次

（ 1 ）物理层

靠下面的是 PMD 子层，即物理媒体相关子层， PMD 子层负责在物理媒体上正确传输和接收比特流。它完成只和媒体相关的功能，如线路编码和解码、比特定时以及光电转换等。

ATM 层

物理层PMD 子层

TC 子层

ATM 适配层 (AAL 层 )SAR 子层CS 子层

3

2

1

ATM的层次

（ 1 ）物理层

靠上面是 TC 子层，即传输汇聚子层。 TC 子层实现信元流和比特流的转换，包括速率适配（空闲信元的插入）、信元定界与同步、传输帧的产生与恢复等。在发送时， TC 子层将 ATM 层交下来的信元流转换成比特流，再交给下面的 PMD 子层。在接收时， TC 子层将 PMD 子层交上来的比特流转换成信元流，标记出每一个信元的开始和结束，并交给 ATM 层。 TC 子层的存在使得 ATM 层实现了与下面的传输媒体完全无关。

ATM 信元流装入一个 STM-1 帧的例子

9 行

270 字节261 字节

…

…

…

9 行 9 字节的开销和指针

5 字节首部

53 字节 53 字节 53 字节

53 字节 53 字节 53 字节 53 字节有效载荷放入 ATM 信元

一个 STM-1 帧是由 9 行、 270列（每行 270 字节）组成的块状帧结构，帧长度为 9X270=2430 个字节，传送周期是125us ，传输速率是 155.520Mb/s ，传输顺序为自左至右，自上而下。

STM-1 帧的三个区域

段开销区域：第 1至 9列，第 1至 3 行和第 5至 9 行，共72 字节为段开销，主要是为了运行、管理、维护使用，是保证信息净荷正常灵活传送所必须的附加字节。信息净荷区域：是帧结构中存放各种信息的地方。图中第10至第 270列、第 1至第 9 行，共 2349 个字节都属于净负荷区域，可用于装载 ATM 信息。管理单元指针区域：第 1至第 9列，第 4 行的 9 个字节属于管理单元指针。管理单元指针是一种指示符，主要用来指示信息净荷的第一个字节在 SYM-1 帧结构内的准确位置，以便在接收端正确地分解。

STM-1 帧的三个区域

ＡＴＭ信元的映射到ＳＤＨ帧结构中的方法，是通过将每个信元的字节结构与所用虚容器字节结构进行定位对准的方法来完成的。在ＳＴＭ－１争结构中有２６１Ｘ９字节的信息净荷区域，被称为虚容器ＶＣ－４。ＶＣ－４中每一行的第一字节称为通道开销（ＰＯＨ），用于通道性能监视、管理和控制，通常ＰＯＨ作为净荷的一部分。ＶＣ－４中除去ＰＯＨ的部分叫容器Ｃ－４，用于装载ＡＴＭ信元，ＡＴＭ信元装入Ｃ－４后，再加上ＰＯＨ包装成ＶＣ－４容器。装载时ＡＴＭ信元以字节排列，其边界应和ＳＴＭ－１中字节的边界对齐。信元在每行一个接一个排列，在第一行可排４个完整信元，第五个信元只能占据４８字节位。第二行开始是第一行第五个信元剩余的５字节，然后是４个完整信元，最后以某信元的４３字节结束，如此类推进行排列。由于Ｃ－４的长度为９Ｘ２６０字节（２３４０字节），而一个ＡＴＭ信元的长度为５３字节，Ｃ－４的容量（９Ｘ２６０字节）不等于整数个ＡＴＭ信元的长度〔ＮＸ（４８＋５）字节〕，最后一行的最后一个ＡＴＭ信元会跨过Ｃ－４边界延伸到下一帧的Ｃ－４。在ＳＴＭ－１帧中对信元定界采用下述方式：首先利用ＳＴＭ－１的指针ＡＵ－４ＰＴＲ找到ＶＣ－４的起始位置，然后利用信元定界ＨＥＣ机理在ＶＣ－４中寻找信元的起始位置，这样即使信元跨越ＡＴＭ－１帧也不会影响信元的读取。用ＳＴＭ－１在传送ＡＴＭ信息时，短开销（ＳＯＨ）和通道开销（ＰＯＨ）保持不便，利用虚容器（净荷区）传送ＡＴＭ信息。由于ＳＤＨ帧包括了用于完成再生段、数字段、传输路径的ＯＡＭ功能的字段，因此基于ＳＤＨ的ＡＴＭ物理层中不需要再传输ＰＬ－ＯＡＭ信元。ＳＴＭ－１的标准速率为１５５．５２０Ｍｂｉｔ／ｓ，去掉各种开销信元的传送速率为１５５．５２０Ｘ２６０／２７０＝１４９．７６０Ｍｂｉｔ／ｓ。

（ 2 ） ATM 层

主要完成交换和复用功能，与传送 ATM 信元的物理媒体或物理层无关。每一个 ATM 连接用信元首部中的两级标号来识别。第一级标号是虚通路标识 VCI (Virtual Channel Identifier) ，第二级标号是虚通道标识符 VPI (Virtual Path Identifier) 。在信元结构中， VPI 和 VCI 是最重要的两部分。这两部分合起来构成了一个信元的路由信息，也就是这个信元从哪里来，到哪里去。 ATM 交换机就是根据各个信元上的 VPI-VCI

来决定把它们送到哪一条线路上去。

VCI 与 VPI

一个虚通路 VC 是在两个或两个以上的端点之间的一个运送 ATM 信元的通信通路。一个虚通道 VP 包含有许多相同端点的虚通路 VC ，而这许多 VC 都使用同一个 VPI 。

传输链路虚通道 VPx

VPzVPy

VCx

VCx

VCy

VCz

VCz

VCy

VCy

VCx 虚通路

VCI 与 VPI

在一个给定的接口，复用在一条链路上的许多不同的 VP ，用它们的 VPI 来识别。复用在一个 VP 中的不同的 VC ，用它们的 VCI 来识别。在一个给定的接口上，属于两个不同的 VP 的两个 VC ，可具有相同的 VCI 。

传输链路虚通道 VPx

VPzVPy

VCx

VCx

VCy

VCz

VCz

VCy

VCy

VCx 虚通路

VCI 与 VPI

在 ATM 方式中，可以把一条通信线路划分成若干个子通道。例如在一条宽带 ISDN 用户线路上，要进行 5 个通信，其中到 A 地三个通信，到 B 地两个通信，这些通信里有电话通信，数据通信等。可以用 VPI=1表示向 A 地的通信， VPI=2表示向 B 地的通信。到A 地的三个通信分别用 VCI=4 、 VCI=5 、 VCI=6 来代表，到 B 地的两个通信用 VCI=5 、 VCI=6 来表示。在线路上所有 VPI=1 的信元属于一个子通道，所有 VPI=2 的信元属于另一个子信道，一般把这两个子信道都叫做虚通道，每个虚通道还可划分为若干个虚通路。 ATM 方式的重要优点是可以灵活地把用户线路分割成速率不同的各个子信道，以适应不同的通信要求。

（ 3 ） ATM 适配层 AAL

AAL (ATM Adaptation Layer) 层的作用就是增强 ATM

层所提供的服务，并向上面高层提供各种不同的服务。负责将用户层的信息转换成 ATM 网络可用的格式。等用户层把较长的数据分组交给 ATM 适配层后， ATM

适配层按规定的长度将数据分成若干信元体，再传给 AT

M 层。

举例说明

话音信号A/D AAL 层AAL 层 ATM 层ATM 层

48 字节数据块数字化的采样信号 53 字节信元

数据信号

长度可变的突发数据分组AAL 层AAL 层

48 字节数据块ATM 层ATM 层

53 字节信元

视频信号

A/D图像帧压缩的编码信号

AAL 层AAL 层48 字节数据块

ATM 层ATM 层53 字节信元

AAL 层将 48 字节长的数据块交给 ATM 层，加上 5

字节的首部后变成 53 字节的信元。

AAL 层的两个子层

汇聚子层 CS

使 ATM 系统可对不同的应用提供不同的服务。每一个 AAL 用户通过相应的服务访问点 SAP 接入到 AAL 层。在 CS 子层形成的协议数据单元叫做 CS-PDU 。拆装子层 SAR

在发送时， SAR 子层将 CS 子层传下来的协议数据单元 CS-PDU 划分成为 48 字节的单元，交给 ATM 层作为信元的有效载荷。在接收时， SAR 子层进行相反的操作，将 ATM 层交上来的 48 字节长的有效载荷装配成 CS-PDU 。

ATM 层和 AAL 层

AAL 层的功能只能驻留在 ATM端点中，而在 ATM 交换机中只有物理层和 ATM 层。

ATM 端点

AAL 层IP 层

物理层ATM 层

AAL 层IP 层

物理层ATM 层

ATM 网络

ATM 网络

交换机交换机

ATM 层物理层物理层物理层

ATM 层物理层

ATM 端点

ATM 的信元结构

ATM 的信元有两种不同的首部，即网络到网络接口 NNI

和用户到网络接口 UNI 。

1

485

首部有效载荷

VCIVPIGFC HECPT

VCI HECVPI

字节

3 1 812 16

4 8CLP

16 83

在 UNI

在 NNI

比特

比特PT

ATM 信元

ATM 的信元的首部

通用流量控制 GFC ： 4 bit 字段，通常置为 0 。 GFC

用来在共享媒体上进行接入流量控制，现在的点到点配置不需要这一控制功能。

1

485

首部有效载荷

VCIVPIGFC HECPT

VCI HECVPI

字节

3 1 812 16

4 8CLP

16 83

在 UNI

在 NNI

比特

比特PT

ATM 信元


路由字段 VPI/VCI ：总共 24 bit 。 VPI/VCI 和帧中继中的 DLCI 字段的作用相似。

1

485

首部有效载荷

VCIVPIGFC HECPT

VCI HECVPI

字节

3 1 812 16

4 8CLP

16 83

在 UNI

在 NNI

比特

比特PT

ATM 信元


有效载荷类型 PT (Payload Type) ： 3 bit 字段，用来区分该信元是用户信息或非用户信息。。

1

485

首部有效载荷

VCIVPIGFC HECPT

VCI HECVPI

字节

3 1 812 16

4 8CLP

16 83

在 UNI

在 NNI

比特

比特PT

ATM 信元


信元丢失优先级 CLP (Cell Loss Priority) ： 1 bit 字段，指示信元的丢失优先级。

1

485

首部有效载荷

VCIVPIGFC HECPT

VCI HECVPI

字节

3 1 812 16

4 8CLP

16 83

在 UNI

在 NNI

比特

比特PT

ATM 信元


首部差错控制 HEC ： 8 bit 字段，只对首部的前四个字节（但不包括有效载荷部分）进行 CRC 检验，并将检验结果放在 HEC 字段中。

1

485

首部有效载荷

VCIVPIGFC HECPT

VCI HECVPI

字节

3 1 812 16

4 8CLP

16 83

在 UNI

在 NNI

比特

比特PT

ATM 信元

ATM 的逻辑连接机制

在 ATM 中使用的虚通路是一种逻辑连接。虚通路是 ATM 网络中的基本交换单元。两个端用户要进行通信，首先必须建立虚通路连接，然后才能在这个端到端连接上以固定信元长度和可变速率进行全双工的通信，数据传送完毕后再释放连接。

ATM 网络A B交换机 X 交换机 Y

UNI UNINNI NNI

CONNECT ACK

CONNECT ACK

RELEASE COMPLETE RELEASECOMPLETE

连接建立

连接释放

t

SETUPSETUP

SETUP CALL PROCEEDING CALL PROCEEDING

CALL PROCEEDING

CONNECTCONNECT

CONNECT

CONNECT ACK

RELEASERELEASE

RELEASE

RELEASECOMPLETE

数据传送阶段

ATM 的主要信令报文

报文类型当主机发送时的意义当网络发送时的意义

SETUP 请求建立连接有一个入呼叫

CALL 收到入呼叫连接建立的请求PROCEEDING 正在进行处理

CONNECT 接受入呼叫呼叫请求已被接受

CONNECT 对 CONNECT 对 CONNECTACK 报文的确认报文的确认

RELEASE 请求释放连接端点发出了连接释放请求

RELEASE 对 RELEASE 的确认对 RELEASE 的确认

VCI 和 VPI 的转换

ATM 信元在 ATM 网络中传输时，一定是在某个特定的虚连接上按序传送的。 ATM 信元的首部一定要有这个虚连接的标识符 VPI/VCI ，以便惟一地标识该信元属于哪一个虚通路。所有的 VPI/VCI 值只在每一段物理链路上具有惟一的值。每经过一段链路，信元的 VPI/VCI 值都可能改变数值。

举例说明

端点 A 通过 ATM 交换机 X, Y 和 Z 与端点 B 建立了一条逻辑连接

ATM 网络

A B

交换机 X

交换机 Y

交换机 Z1

2

1

2

3

2

34

3

41

4

入入出出端口 VPI/VCI 端口 VPI/VCI

4 3/17 2 9/35

3/17 42/556/359/35

交换机 X 的 VPI/VCI 转换表交换机 Y 的 VPI/VCI 转换表交换机 Z 的 VPI/VCI 转换表


1 9/35 4 6/35


4 6/35 2 42/55

AAL 层举例： AAL5

所有的支持交换虚连接 SVC 的 ATM 交换机和端点都必须支持 AAL5 。用户数据先传递给 AAL5 的汇聚子层 CS ，作为汇聚子层的数据。 SAR 的协议数据单元 SAR-PDU 是由 CS 子层交来的 4

8 字节的数据块组成。每个 SAR-PDU 再加上 5 个字节的 ATM 信元首部就构成

了一个完整的 ATM 信元。

AAL5 将用户数据交给 ATM 层

SAR-PDU

AAL5 层

CS 子层尾部1~65535 字节填充

长度 CRC 检验保留字节 2 2 4

SAR 子层

ATM 层

CS-PDU

用户数据（例如， IP 数据报）用户数据（例如， IP 数据报）

ATM 信元53 字节

发送

ATM 信元53 字节

ATM 信元53 字节

ATM 信元53 字节

48 字节48 字节 48 字节48 字节 48 字节48 字节48 字节48 字节

PT ＝ 000 PT ＝ 000 PT ＝ 000 PT ＝ 001 表示是最后一个信元

作业： P167 5-02、 5-11、5-22

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第 5 章 广 域 网

第 5 章广域网