高速廣域網(wǎng)技術(shù)探討

摘要:近二十多年來，計算機的速度提高了百萬倍，該文主要探討幾種高速廣域網(wǎng)技術(shù):交換式多兆位數(shù)據(jù)服務(wù)，幀中繼，寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(broadband integrated services digital network，縮寫為B-ISDN)。

關(guān)鍵詞:局域網(wǎng);交換式;SMDS;ISDNATM

中圖分類號:TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-5964-03

1 發(fā)展高速廣域網(wǎng)的驅(qū)動因素

發(fā)展高速廣域網(wǎng)有如下四個重要因素:

1) 近二十多年來，計算機的速度提高了百萬倍，而網(wǎng)絡(luò)的速度只提高幾千倍，因此，網(wǎng)絡(luò)的速率已成為瓶頸。

2) 最終用戶不僅要求傳輸數(shù)據(jù)，還需要傳輸聲音、圖象等多媒體信息，而且網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用日益增多，因此，要求網(wǎng)絡(luò)有更寬的頻帶。

3) 大量光纜的鋪設(shè)，解決了傳輸介質(zhì)的頻寬問題，而瓶頸轉(zhuǎn)為交換系統(tǒng)的速率和頻寬。

4) 美國政府高性能計算和通信計劃HPCC的推動，尤其是當(dāng)前各國政府正在加緊規(guī)劃國家信息基礎(chǔ)設(shè)施，以及最近西方七國關(guān)于全球信息社會建設(shè)的G7會議決議。

高速網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別在于不僅要求寬頻，而且要求低的延遲。由于高速網(wǎng)絡(luò)的延遲主要由傳送延遲決定，而不是由傳輸速率決定，因此，適用于兆位級速率的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對高速網(wǎng)不一定有效。

驅(qū)動高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最基本動力是應(yīng)用，因此，要研究什么樣的應(yīng)用需要幾百兆位到幾千兆位的速率，研究哪些用戶通信負(fù)載的形式會推動高速網(wǎng)絡(luò)需求的發(fā)展。

異步轉(zhuǎn)移模式ATM和同步光纖網(wǎng)絡(luò)SONET是實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)底層的主要技術(shù)和設(shè)施。用于廣域網(wǎng)的ATM的速率為155Mbps～622Mbps，SONET的速率為51.8Mbps一9.953Gbps。目前已有近百家廠商研制ATM，但標(biāo)準(zhǔn)化、互操作性問題急待解決。

2 交換式多兆位數(shù)據(jù)服務(wù)SMDS

SMDS是由美國Bellcore公司提出的，提供DS—1到DS—3速率的高速城域服務(wù)，基于802，6標(biāo)準(zhǔn)。SMDS是高速交換式數(shù)字服務(wù)網(wǎng)，它有以下幾個特點:高速、五連接、廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù);用于公共數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的單元開關(guān)技術(shù);速率可達(dá)1.2Mbps，4Mbps，10Mbps，16Mbps，23Mbps和34Mbps，標(biāo)準(zhǔn)速率為45Mbps;基于IEEE802.6規(guī)范。

SMDS用來聯(lián)接多個局域網(wǎng)，而這些局域網(wǎng)往往屬于一個公司的各個分支辦公室和工廠，其目標(biāo)是提供高速的公共數(shù)據(jù)服務(wù)。假如一個公司有四個分布在四個不同城市的分支機構(gòu)，每個分支辦公室有自己的局域網(wǎng)，為了將這些局域網(wǎng)聯(lián)接起來有兩種不同方案，一種是租用六條高速線路，構(gòu)成一個將四個局域網(wǎng)聯(lián)接起來的全聯(lián)接拓?fù)洌鐖D1(a)所示，這種方案很昂貴;另一種方案是采用SMDS，SMDS如同一個高速局域網(wǎng)的主干網(wǎng)，聯(lián)接主干網(wǎng)上的任何局域網(wǎng)之間都可通過它傳送數(shù)據(jù)，在各個局域網(wǎng)和SMDS網(wǎng)之間是一條短的訪問線路，可向電話公司租用，圖1(b)是這種SMDS聯(lián)接。

大多數(shù)電話公司的服務(wù)設(shè)計成為連續(xù)的通信服務(wù)，但SMDS是設(shè)計成處理猝發(fā)式通信，也就是說，接在SMDS上的局域網(wǎng)可高速傳輸數(shù)據(jù)，但大部分時間局域網(wǎng)之間無通信。比較上述兩種方案，對挖個局域網(wǎng)的聯(lián)接，全聯(lián)接方案要租用n(n—1)/2條長距離線，而SMDS只需租用，2條最鄰近SMDS路由器的短距離線。

因為SMDS的目標(biāo)是在LAN之間傳送數(shù)據(jù)，所以必需提供足夠高的速率，其標(biāo)準(zhǔn)速率設(shè)計成45Mbps。城域網(wǎng)MAN也可提供這種速率，但它不是交換的，為了聯(lián)接各個局域網(wǎng)，需要有分別接到各個局域網(wǎng)的線，只有在同一城市才可能。而SMDS是交換的，每個局域網(wǎng)接入就近的SMDS交換設(shè)備，它通過SMDS網(wǎng)再傳到目的地。

SMDS的基本服務(wù)是無連接的分組傳遞服務(wù)，分組的格式包含三部分，即目的地址、源地址、以及可變長的用戶數(shù)據(jù)，最長為9188字節(jié)。

SMDS有許多特點，它可實現(xiàn)廣播服務(wù)。在人出處有地址屏蔽功能，用戶可給出一批電話號碼，只有這些地址的用戶才能收到該用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)，或該用戶只接收從給定地址的那些用戶發(fā)來的數(shù)據(jù)。因此，利用這個功能，用戶可構(gòu)成自己的專用網(wǎng)，對于需要信息保密的單位，這些功能很有用。

SMDS的數(shù)據(jù)域最長為9188字節(jié)，可包含任何類型的數(shù)據(jù)，如以太網(wǎng)分組、IBM的Token Ring分組、IP分組等。它只是將這些數(shù)據(jù)從源地址傳到目的地址，而不作任何修改。

SMDS處理猝發(fā)式通信的機制如下:接到每個訪問線的路由器包含一個計數(shù)器，并以常速率計數(shù)，如每10微秒增1。當(dāng)分組到達(dá)路由器時，每次檢查一下計數(shù)器的讀數(shù)是否超過分組長度，如果是，則無延遲地被發(fā)送，并將計數(shù)器的數(shù)減去已被傳送的分組長度;如果分組長度大于計數(shù)器的數(shù)，則分組被丟棄，這種機制一方面為用戶提供了快速的服務(wù)響應(yīng)，另一方面也可限制用戶使用超出其付費的相應(yīng)頻寬。

3 幀中繼(frame relay)

幀中繼是一種只是簡單地提供面向連接的、將數(shù)據(jù)從甲地傳遞至乙地的、廉價的、中速的公共網(wǎng)。這種網(wǎng)的產(chǎn)生是由于二十年來技術(shù)的變化和發(fā)展。二十年前，采用電話線的通信是低速的、模擬的、不可靠的，而計算機也是處理速度低、造價高。這樣就需要復(fù)雜的協(xié)議來屏蔽差錯，而用戶計算機要具有這種功能價格又太高。現(xiàn)今租用的電話線可以是高速的、數(shù)字的、可靠的，而計算機處理速度既快又便宜。這樣只要簡單的協(xié)議，且大部分處理可由用戶計算機自行處理，不需要網(wǎng)絡(luò)來處理。

幀中繼技術(shù)是由X.25分組交換技術(shù)演進(jìn)而來的，由于光纖通信的誤碼率低，為了提高網(wǎng)絡(luò)速率，省去了很多在X.25分組交換中的糾錯功能，使幀中繼的性能優(yōu)于X.25分組交換的性能。幀中繼的主要特點是:中速到高速的數(shù)據(jù)接口;標(biāo)準(zhǔn)速率為DSI，即T1速率;可用于專用網(wǎng)和公共網(wǎng);僅傳輸數(shù)據(jù);使用可變長度分組。

幀中繼可看成是一條虛擬的租用線，用戶租用一條兩點之間的永久虛電路，可傳送最多1600字節(jié)的幀，也可租用連接多個場地的永久虛電路。用戶租用一條線路，可整天以最大速率傳送數(shù)據(jù)。對于虛擬租用線，用戶可在某一時刻以最大速率傳送數(shù)據(jù)，但長時間的平均速率必須低于預(yù)定的水平，所以租用費也便宜得多。

幀中繼只提供最低的服務(wù)，即決定每個幀的起始和結(jié)束，以及檢測傳輸差錯。如果接收到一個壞的幀，幀中繼只是簡單地把它丟棄，由高層協(xié)議來處理這個差錯，不像X.25，幀中繼不提供響應(yīng)和正常的流控。

4 寬帶ISDN和ATM

雖然上述各種服務(wù)愈益普及，但電話公司要維護(hù)種類繁多的網(wǎng)絡(luò)很麻煩，另外，電纜電視網(wǎng)并不控制在電話公司手中，雖然電話公司也想控制它。一種解決方案是發(fā)明一種單一的新的網(wǎng)絡(luò)以替代現(xiàn)有的電話網(wǎng)及各種專用網(wǎng)，這種單一的綜合網(wǎng)可以傳輸各類信息，這種新的網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)相比，要提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，且有可能提供大量新的服務(wù)。這不是一個小的項目，不可能一夜之間實現(xiàn)，但正在實現(xiàn)之中。

這種新的廣域服務(wù)稱B—ISDN(broadband integrated services digital network)它將提供點播電視、電視播放、動態(tài)多媒體電子郵件、CD質(zhì)量的音樂、局域網(wǎng)互聯(lián)、用于科研和工業(yè)的高速數(shù)據(jù)傳送，以及其它很多甚至現(xiàn)今還未想到的服務(wù)。所有這些服務(wù)可在電話線上實現(xiàn)。

使B-ISDN有可能實現(xiàn)的一種技術(shù)稱異步轉(zhuǎn)移模式ATM(asynchronous transfer mode)。ATM的基本概念是用一種稱為單元的、小的、固定大小的分組傳送所有的信息。單元長度為53字節(jié)，其中5個字節(jié)為單元頭，48個字節(jié)為用戶數(shù)據(jù)。

單元交換技術(shù)大大不同于已沿用100年之久的線路交換，它有很多特點:首先它高度靈活，既能處理像音頻、視頻這種固定速率的通信，也易于處理可變速率的數(shù)據(jù);其次，在每秒千兆位速率下，單元的數(shù)字交換比傳統(tǒng)的多路復(fù)用技術(shù)易于實現(xiàn)，特別是在使用光纖的情況下;第三，對于電視播放、廣播這些服務(wù)，線路交換無法實現(xiàn)，而單元交換能提供這種功能。ATM的速率為155Mbps和622Mbps，今后可達(dá)到千兆位。

ATM是一種新的傳輸和交換數(shù)字信息的技術(shù)，是一種很好的時分復(fù)用和分組交換技術(shù)，因此，被推薦用于B—ISDN。ATM的主要特點是:支持多媒體通信，包括話音、視頻和數(shù)據(jù);按需分配頻帶;低延遲特性。

ATM的主要特性是:面向連接的技術(shù);采用固定長度的單元;每個單元有標(biāo)識符作為標(biāo)志;話音、視頻和數(shù)據(jù)都可由ATM單元的信息域傳輸，ATM對各類信息都一樣處理，實時通信可獲得確保的頻帶;無鏈路對鏈路的糾錯控制;無鏈路對鏈路的流控;ATM單元的高速交換，根據(jù)輸入單元的報頭信號作路由判斷;地址是基于虛擬通道(virtualchannel)和虛擬通路(virtual path)的概念。

B—ISDN是一個高速、異步、時分復(fù)用傳輸網(wǎng)，同一個網(wǎng)可提供數(shù)據(jù)、話音和視頻的各種應(yīng)用。B:ISDN的主要特點是:是一個寬帶網(wǎng)絡(luò);基于分組的傳輸;提供基于ATM的傳輸;支持?jǐn)?shù)據(jù)、話音和視頻的綜合服務(wù);窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的進(jìn)一步擴展;是一個逐漸演進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)，這種演進(jìn)要支持已有的接口和服務(wù);ATM提供基于單元的接口;支持交換的和永久的點到點的服務(wù)。

5 從窄帶到寬帶ISDN

5.1 傳送模式的概念

傳送模式是指通信網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸、多路復(fù)用及交換技術(shù)。

線路交換是在通信雙方兩個站之間有一條專用的通信通路，用于線路交換的典型技術(shù)是頻分多路復(fù)用(FDM)和同步時分多路復(fù)用(STDM)。一種稱為IDN(integrated digital network)綜合數(shù)字網(wǎng)采用時分交換及STDM技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)訪問速率為等時8kHz網(wǎng)絡(luò)時鐘，相當(dāng)于64Kbps電話網(wǎng)的線路交換模式。

分組交換是將用戶信息封裝成分組，其中包含了用于路由和其它網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部控制的信息，采用存儲、轤發(fā)機制。用于分組交換的典型技術(shù)是異步時分多路復(fù)用ATDM，在網(wǎng)絡(luò)訪問速率與通道速率之間沒有時鐘的聯(lián)系，相當(dāng)于X.25分組交換模式。

窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)N—ISDN采用上述兩種傳送方式，并對用戶訪問提供綜合服務(wù)。有一種單一的公共網(wǎng)絡(luò)訪問，包括訪問線路及呼叫控制過程，對所有服務(wù)采用統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的用戶——網(wǎng)絡(luò)接口。

線路交換的缺點是通信信道的帶寬沒有充分利用，分組交換的缺點是延遲不確定。為了適應(yīng)高速、寬帶的要求，一種結(jié)合線路交換和分組交換兩種技術(shù)優(yōu)點的傳送模式——異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)，它于1989年提出，被國際電報電話咨詢委員會(CCITT，現(xiàn)為國際電信聯(lián)盟—電信部ITU—T)確定為傳輸語音、圖象、數(shù)據(jù)和多媒體信息的新的通信技術(shù)。

5.2 服務(wù)的發(fā)展

寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)B—ISDN將把所有的服務(wù)集成起來，從低速直到高速的服務(wù)。下面列出一些典型的服務(wù)需求。

對家庭用戶的需求較難預(yù)測，這類用戶有興趣的高速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是:視頻和聲音的檢索，音響及視頻的傳播，收費電視服務(wù)，數(shù)據(jù)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)銀行、電子郵件、預(yù)訂服務(wù)、HDTV，高質(zhì)量的可視電話，其它多媒體服務(wù)。

對家庭用戶提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要低價和耐用，且必需與將來的電子產(chǎn)品兼容，還要不斷提供新的應(yīng)用服務(wù)。

對商業(yè)用戶的市場需求預(yù)測比較容易，這類用戶有興趣的高速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是:專用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的增強，高速文件傳送及工作站和計算機的互聯(lián)，高質(zhì)量的可視電話，高質(zhì)量的電視會議，高速傳真，聲像會議。

可以將服務(wù)分成交互服務(wù)和傳播服務(wù)兩大類。

交互服務(wù)有以下幾種:

1) 會話服務(wù)——用戶間的信息實時傳輸?shù)碾p向通信。

2) 信報服務(wù)——用戶間的通信通過存儲單元來完成的。

3) 檢索服務(wù)——用戶從公共服務(wù)提供的信息數(shù)據(jù)庫中獲取信息。

傳播服務(wù)有以下幾種:

1) 無用戶控制功能的傳播服務(wù)——一個連續(xù)的信息流從中央源點傳播給數(shù)量無限制的接收者，用戶不能控制信息的起始和信息呈現(xiàn)的順序。

2) 具有用戶控制能力的傳播服務(wù)——信息以周期重復(fù)的序列來提供，用戶可以控制信息的起始和信息呈現(xiàn)的順序。

從上述各類服務(wù)的功能可歸納出寬帶服務(wù)的三個主要特性:

1) 不是所有服務(wù)都要求很高的傳輸速率和帶寬，但活動圖象傳輸服務(wù)及高速數(shù)據(jù)通信確實有這種要求，例如TV傳播要求30Mbps，HDTV傳播要求130Mbps。

2) 某些服務(wù)有很高的猝發(fā)性，用高峰位率與平均位率之比來表示猝發(fā)性，對面向連接的數(shù)據(jù)傳送為1Mbps～50Mbps，文本傳送為1Mbps～20Mbps，電視會議為1Mbps一5Mbps。

3) 對網(wǎng)絡(luò)的要求是能支持各種不同速率的服務(wù)，能支持猝發(fā)性的通信，要考慮信息丟失敏感的應(yīng)用和延遲敏感的應(yīng)用。

5.3 網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)展

為了滿足上述服務(wù)需求的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)展有兩種可能的發(fā)展方向:一種是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上加以發(fā)展，使之與原來采用的協(xié)議盡可能有更多的兼容性;另一種是建立一種新的傳輸模式，不考慮與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的兼容性。

采用一種單一的傳送模式并且能支持所有服務(wù)的方案是很吸引人的，這種傳送模式應(yīng)具有下列特點:

1) 全數(shù)字式的。

2) 簡單。能簡單地實現(xiàn)非常高速的交換，只有端對端的差錯恢復(fù)過程。

3) 靈活。對未來可能出現(xiàn)的服務(wù)沒有嚴(yán)格的限制，高效的、可變速率的服務(wù)，能妥善處理數(shù)字信號處理算法及編碼解碼器技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1] 胡道元.計算機局域網(wǎng)[M].2版.清華大學(xué)出版社，2006.

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

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文