1.2 宽带IP网络的组成

从宽带IP网络的工作方式上看，它可以划分为两大块：边缘部分和核心部分，如图1-3所示。

1.2.1 IP网络的边缘部分

IP 网络的边缘部分由所有连接在 IP 网络上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：

●客户服务器（C/S）方式——客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

●对等（P2P）方式——两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。

IP网边缘部分的主机可以组成局域网。局域网（Local Area Network，LAN）是通过通信线路将较小地理区域范围内的各种计算机连接在一起的通信网络，它通常由一个部门或公司组建，作用范围一般为0.1～10km。本书将在第3章介绍局域网技术。

1.2.2 IP网络的核心部分

IP网络的核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，其作用是为边缘部分提供连通性和交换。

1.核心部分的网络

IP网络核心部分的网络根据覆盖范围可分为广域网（WAN）和城域网（MAN）。

广域网（Wide Area，WAN）——在广域网（WAN）内，通信的传输装置和媒介由电信部门提供，其作用范围通常为几十千米到几千千米，可遍布一个城市、一个国家乃至全世界。广域网有时也称为远程网（Long Haul Network）。

城域网（Metropolitan Area Network，MAN）——其作用范围在广域网和局域网之间（一般是一个城市），作用距离为5～50km，传输速率在1Mbit/s以上。城域网（MAN）实际上就是一个能覆盖一个城市的扩大的局域网。本书将在第4章介绍宽带IP城域网技术。

IP网核心部分的网络根据采用的通信方式不同包括分组交换网、帧中继网、ATM网等。

（1）分组交换

① 分组交换的概念及原理

分组交换属于“存储-转发”的交换方式，它是以分组为单位存储-转发，当用户的分组到达交换机时，先将分组存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路有空闲时，再将该分组发向接收交换机或用户终端。

分组是由分组头和其后的用户数据部分组成的。分组头包含接收地址和控制信息，其长度为 3～10 字节；用户数据部分长度一般是固定的，平均为 128 字节，最大不超过 256字节。

分组交换的工作原理如图1-4所示。

假设分组交换网有3个交换中心（又称交换节点），分设有分组交换机1、2、3。图中画出A、B、C、D 4个数据用户终端，其中B和C为分组型终端，A和D为一般终端。分组型终端以分组的形式发送和接收信息，而一般终端（即非分组型终端）发送和接收的不是分组，而是报文。所以，一般终端发送的报文要由分组装拆设备（PAD）将其拆成若干个分组，以分组的形式在网中传输和交换；若接收终端为一般终端，则由PAD将若干个分组重新组装成报文再送给一般终端。

图1-4中存在两个通信过程，分别是非分组型终端A和分组型终端C之间的通信，以及分组型终端B和非分组型终端D之间的通信。

非分组型终端A发出带有接收终端C地址号的报文，分组交换机1将此报文拆成两个分组，存入存储器并进行路由选择，决定将分组直接传送给分组交换机2，将分组先传给分组交换机3（再由交换机3传送给分组交换机2），路由选择后，等到相应路由有空闲，分组交换机1便将两个分组从存储器中取出送往相应的路由。其他相应的交换机也进行同样的操作，最后由分组交换机2将这两个分组送给接收终端C。由于C是分组型终端，因此在交换机2中不必经过PAD，直接将分组送给终端C。

图中另一个通信过程，分组型终端B发送的数据是分组，在交换机3中不必经过PAD， 、 、 这3个分组经过相同的路由传输，由于接收终端为一般终端，所以在交换机2由PAD将3个分组组装成报文送给一般终端C。

这里有以下几个问题需要说明：

●来自不同终端的不同分组可以去往分组交换机的同一出线，这就需要分组在交换机中排队等待，一般本着先进先出的原则（也有采用优先制的），等到交换机相应的输出线路有空闲时，交换机对分组进行处理并将其送出。

●一般终端需经分组装拆设备（PAD）才能接入分组交换网。

●分组交换最基本的思想就是实现通信资源的共享，具体采用统计时分复用（STDM）。

我们把一条实在的线路分成许多逻辑的子信道，统计时分复用是根据用户实际需要动态地分配线路资源（逻辑子信道）的方法。即当用户有数据要传输时才给他分配资源，当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源，线路的传输能力可用于为其他用户传输更多的数据。图1-5是统计时分复用的示意图。

② 分组交换的优缺点

分组交换的主要优点如下。

●传输质量高——分组交换机具有差错控制、流量控制等功能，可实现逐段链路的差错控制（差错校验和重发），而且对于分组型终端，在接收端也可以同样进行差错控制。所以，分组在网内传输中差错率大大降低（一般Pe≤10−10），传输质量明显提高。

●可靠性高——在分组交换方式中，每个分组可以自由选择传输途径。由于分组交换机至少与另外两个交换机相连接。当网中发生故障时，分组仍能自动选择一条避开故障地点的迂回路由传输，不会造成通信中断。

●为不同种类的终端相互通信提供方便——分组交换机具有变码和变速功能，从而能够实现不同速率、码型和传输控制规程终端间的互通，同时也为异种计算机互通提供方便。

●能满足通信实时性要求——分组交换信息的传输时延较小，而且变化范围不大，能够较好地适应会话型通信的实时性要求。

●可实现分组多路通信——由于每个分组都含有控制信息，所以，分组型终端尽管和分组交换机只有一条用户线相连，但可以同时和多个用户终端进行通信。

●经济性好——在网内传输和交换的是一个个被规范化了的分组，这样可简化交换处理，不要求交换机具有很大的存储容量，降低了网内设备的费用。此外，由于进行分组多路通信（统计时分复用），可大大提高通信线路的利用率，并且在中继线上以高速传输信息，而且只有在有用户信息的情况下使用中继线，因而降低了通信线路的使用费用。

分组交换的主要缺点如下。

●由于传输分组时需要交换机有一定的开销，使网络附加的控制信息较多，对长报文通信的传输效率比较低。

●要求交换机有较高的处理能力。分组交换机要对各种类型的分组进行分析处理，为分组在网中的传输提供路由，并在必要时自动进行路由调整，为用户提供速率、代码和规程的变换，为网络的维护管理提供必要的信息等，因而要求具有较高处理能力的交换机，故大型分组交换网的投资较大。

●分组交换的时延较大。由于分组交换机的功能较多，对信息处理所用的时间必然较大，因而导致时延较大。

③ 分组的传输方式

分组在分组交换网中的传输方式有两种：数据报方式和虚电路方式。主要采用的是虚电路方式，下面只简单介绍虚电路方式。

虚电路方式是两个用户终端设备在开始互相传输数据之前必须通过网络建立一条逻辑上的连接（称为虚电路），一旦这种连接建立以后，用户发送的数据（以分组为单位）将通过该路径按顺序通过网络传送到达终点。当通信完成之后用户发出拆链请求，网络清除连接。

虚电路方式原理如图1-6所示。

假设终端A有数据要送往终端C，主叫终端A首先要送出一个“呼叫请求”分组到节点 1，要求建立到被叫终端 C 的连接。节点 1 进行路由选择后决定将该“呼叫请求”分组发送到节点2，节点2又将该“呼叫请求”分组送到终端C。如果终端C同意接受这一连接的话，它发回一个“呼叫接受”分组到节点2，这个“呼叫接受”分组再由节点2（通过网络规程）送往节点1，最后由节点1送回给主叫终端A。至此，终端A和C之间的逻辑连接（即虚电路）建立起来了。此后，所有终端A送给终端C的分组（或终端C送给终端A的分组）都沿已建好的虚电路传送，不必再进行路由选择。

假设终端B和终端D要通信，也预先建立起一条虚电路，其路径为终端B—节点1—节点2—节点5—终端D。由此可见，终端A和终端C送出的分组都要经节点1到节点2的路由传送，即共享此路由（还可与其他终端共享）。也就是说，一条物理链路上可以建立多条虚电路。那么如何区分不同终端的分组呢？

为了区分一条线路上不同终端的分组，对分组进行编号（即分组头中的逻辑信道号），不同终端送出的分组其逻辑信道号不同，就好像把线路也分成了许多子信道一样，每个子信道用相应的逻辑信道号表示，我们称之为逻辑信道，逻辑信道号相同的分组就认为占的是同一个逻辑信道。经过交换机逻辑信道号要改变，即逻辑信道号只有局部意义，多段逻辑信道链接起来构成一条端到端的虚电路。

虚电路可以分为两种：交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）。一般的虚电路属于交换虚电路，但如果通信双方经常是固定不变的（如几个月不变），则可采用所谓的永久虚电路方式。用户向网络预约了该项服务之后，就在两用户之间建立了永久的虚电路连接，用户之间的通信，可直接进入数据传输阶段，就好像具有一条专线一样。

（2）帧中继

虽然分组交换具有传输质量高等优点，是目前数据信号的主要交换方式。但与电路交换相比，分组交换时延还是比较大，信息传输效率低（开销大），且协议复杂。而近些年来，用户对数据通信业务的需求增长很快，许多数据业务要求时延小、吞吐量大等，显然分组交换不适合传输这些数据业务。为改进分组交换的缺点，发展了帧中继。

① 帧中继的概念

帧中继（Frame Relay，FR）是分组交换的升级技术，它是在开放系统互连（OSI）第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术，以帧为单位存储-转发。

帧中继交换机仅完成OSI物理层和链路层核心层的功能，将流量控制、纠错控制等留给终端去完成，大大简化了节点之间的协议，缩短了传输时延，提高了传输效率。

那么，会不会由于帧中继交换机不再进行纠错控制和流量控制而导致传输质量有所下降呢？或者说帧中继技术是否可行呢？

② 帧中继发展的必要条件

帧中继技术是在分组交换技术充分发展，数字与光纤传输线路逐渐替代已有的模拟线路，用户终端日益智能化的条件下诞生并发展起来的。帧中继的发展有以下两个必要条件。

●光纤传输线路的使用

随着光纤传输线路的大量使用，数据传输质量大大提高，光纤传输线路的误码率一般低于10−11。也就是说在通信链路上很少出现误码，即使偶尔出现的误码也可由终端处理和纠正。

●用户终端的智能化

由于用户终端的智能化（如计算机的使用），使终端的处理能力大大增强，从而可以把分组交换网中由交换机完成的一些功能（如流量控制、纠错等），交给终端去完成。

正由于帧中继的发展具备这两个必要条件，使得帧中继交换机可以省去纠错控制等功能，从而使其操作简单，既降低了费用，又缩短了时延，提高了信息传输效率，同时还能够保证传输质量。

③ 帧中继技术的功能

所谓帧中继技术的功能也就是帧中继技术的几个重要方面。

●帧中继技术主要用于传递数据业务，它使用一组规程将数据以帧的形式有效地进行传送。帧（交换单元）的信息长度远比分组长度要长，预约的最大帧长度至少要达到1600字节/帧。

●帧中继交换机（节点）取消了X.25的第三层功能（实际是取消了大部分网络层的功能，剩余的网络层功能压到了数据链路层），只采用物理层和链路层的两级结构，在链路层也仅保留了核心子集部分。

帧中继节点在链路层完成统计时分复用、帧透明传输和错误检测，但不提供发现错误后的重传操作（检测出错误帧，便将其丢弃），省去了帧编号、流量控制、应答和监视等机制。这就使得交换机的开销减少，提高了网络吞吐量，降低了通信时延。一般FR用户的接入速率在 64～2Mbit/s 之间，FR网的局间中继传输速率一般为 2Mbit/s、34Mbit/s，现在已达到155Mbit/s。

●帧中继传送数据信息所使用的传输链路是逻辑连接，而不是物理连接，在一个物理连接上可以复用多个逻辑连接。帧中继采用统计时分复用，动态分配带宽，向用户提供共享的网络资源，大大提高了网络资源的利用率。

●提供一套合理的带宽管理和防止阻塞的机制，用户可以有效地利用预先约定的带宽，并且还允许用户的突发数据占用未预定的带宽，以提高整个网络资源的利用率。

●与分组交换一样，FR采用面向连接的虚电路交换技术，可以提供交换虚电路（SVC）业务和永久虚电路（PVC）业务。目前世界上已建成的帧中继网络大多只提供永久虚电路（PVC）业务，对交换虚电路（SVC）业务的研究正在进行之中，将来可以提供SVC业务。

④ 帧中继的特点

●高效性

帧中继的高效性体现在以下几个方面。

有效的带宽利用率——由于帧中继使用统计时分复用技术向用户提供共享的网络资源，大大提高了网络资源的利用率。

传输速率高。

网络时延短——由于帧中继简化了节点之间的协议处理，因而能向用户提供高速率、低时延的业务。

●经济性

正因为帧中继技术可以有效地利用网络资源，从网络运营者的角度出发，可以经济地将网络空闲资源分配给用户使用。而作为用户可以经济灵活地接入帧中继网，并在其他用户无突发性数据传送时，共享资源。

●可靠性

虽然帧中继节点仅有OSI参考模型第一层和第二层核心功能，无纠错和流量控制，但由于光纤传输线路质量好，终端智能化程度高，前者保证了网络传输不易出错，即使有少量错误也由后者去进行端到端的恢复。另外，网络中采取了永久虚电路（PVC）管理和阻塞管理，保证了网络自身的可靠性。

●灵活性

帧中继网组建方面——由于帧中继的协议十分简单，利用现有数据网上的硬件设备稍加修改，同时进行软件升级就可实现，而且操作简便，所以实现起来灵活方便。

用户接入方面——帧中继网络能为多种业务类型提供共用的网络传送能力，且对高层协议保持透明，用户可方便接入，不必担心协议的不兼容性。

帧中继所提供的业务方面——帧中继网为用户提供了灵活的业务。虽然目前帧中继只提供PVC，但不久的将来就可以提供SVC业务。

●长远性

与完美的异步转移模式（ATM）技术相比，帧中继有简便而且技术成熟等优点，另外，两者本质上都是包（Packet）的交换，兼容起来也比较容易。因此，帧中继决不会因ATM的发展而被淘汰，相反，帧中继与ATM相辅相成，会成为用户接入ATM的最佳机制。

（3）异步转移模式

ATM（Asynchronous Transfer Mode，ATM）是一种转移模式（也叫传递方式），在这一模式中信息被组织成固定长度信元，来自某用户一段信息的各个信元并不需要周期性地出现，从这个意义上来看，这种转移模式是异步的（统计时分复用也叫异步时分复用）。

ATM网具有诸多的优点，是一种比分组交换网和帧中继网完美的网络，是宽带IP网络主流通信技术之一。有关ATM的详细内容将在本书第5章加以介绍。

以上介绍了分组交换、帧中继和 ATM 的概念，这里有个问题值得说明：这几种交换方式都属于包的“存储-转发”的交换方式，有些文献将它们统称为分组交换（此时分组交换的含义是广义的）。

2.核心部分的路由器

路由器是 IP 网络中实现网络互连的关键构件，其任务是根据某种路由选择算法进行路由选择并转发收到的分组，有关路由器的内容详见本书第7章。