TCP/IP 協定與 Internet 網路:第四章 廣域網路連結  上一頁         下一頁

 

翻轉工作室:粘添壽

 

4-3 廣域網路之電信網路

        在廣域網路上的電信網路(Carrier Network),大略可以區分為電路交換和虛擬電路交換兩大系統。電路交換系統是利用數據交換機或 ISDN 交換機所構成,已漸漸減少當中。目前電信網路則以虛擬電路交換為主,而以 Frame Relay ATM 兩種較為普遍,Frame Relay 已使用一段時間也漸被淘汰之中,目前各電信公司皆以 ATM 為主要發展方向。

4-3-1 Frame Relay 電信網路

        『訊框中繼』(Frame Relay 1990 年由 CISCO 等五家公司所共同制定的標準,目前也是屬於 ASNI CCITT 的標準規範。訊框中繼是延續 X.25 分封交換的技術,但只提供到第二層資料連結層(Data-Link Layer)的服務,並不提供路徑選擇(第三層)的功能,亦可說是由 X.25 簡化而來。Frame Relay在目前電信網路上佔大部分,可租用的傳輸速率(中華電信公司)有:14.4 Kbps19.2 Kbps64 Kbps128K ~ 1.544MbpsT1)、2.048MbpsE1),承租費用隨傳輸速率不同而異。

訊框中繼是屬於虛擬電路交換,而且僅負責數據的交換傳輸。它的運作原理非常簡單—將所連接網路(如 Ethernet)的訊框,不經過分割,直接植入訊框中繼的訊框內,再透過所建立的虛擬電路傳送到對方,對方也只要將原訊框由訊框中繼的訊框內取出即可。因此,訊框中繼的訊框長度並非固定,屬於長訊框格式,不似 ATM 網路是以細胞格式交換,所以傳輸速率限制在 1.544 MbpsT1)或 2.048 MbpsE1)以內。圖 4-6 為訊框中繼的網路架構,連接設備可區分為兩大類:數據終端設備(Data Terminal Equipment, DTE)和電路終端設備(Circuit-Terminating Equipment, CTE)。DTE 為網路上的客戶端的設備,如路由器、橋接器或工作站等;DCE 是承載網路的設備,為提供連線時序同步之連接設備或訊框交換機等等。

訊框中繼的連線方式,可區分為永久式虛擬電路(PVC)和交換式虛擬電路(SVC)兩種。建立連線的運作程序,是由每一個訊框交換機上,建立該連線的位址路徑表。每條虛擬路徑使用單一個識別碼做為 DLCIData-Link Connection Identifier),交換機上則紀錄輸入之 DLCI 和轉送出去的 DLCI 之間的對照表。傳送訊框時,便將所承載之訊框(如Ethernet 訊框)依照所建立之對照表傳送到目的地,達到訊框轉送的目的,因此稱之為『訊框中繼』(Frame Relay

4-6 Frame Relay 電信網路架構圖

        基本上,Frame Relay 是將欲承載之訊框,重新包裝後交換傳輸到目的位址,包裝後訊框的長度較長,在傳輸當中所佔的資源時間也較多,因此,交換機無法依照每一訊框的屬性來決定傳輸之優先權,所以沒有『服務品質』(Quality of Service, QoS的措施。

4-3-2 ATM 電信網路

        目前 WAN 的電信網路都是以 ATM 網路為最主要發展方向,不但傳輸率高,又符合服務品質的需求,深受全世界先進國家的重視,紛紛投入大量的人力及物力進行研發 ATM 的工作。我國目前正大力推展的『國家資訊基礎建設』(National Information Infrastructure, NII也是以 ATM 網路為骨幹網路,希望藉此建立國家的『資訊高速網路』,提供未來大量資訊傳輸的橋樑。首先我們來介紹什麼叫 ATM 網路。

『非同步傳輸模式』(Asynchronous Transfer Mode, ATM是由國際電信聯盟之電信標準部門(ITU-T)所制定的XVIII 標準,並由美國國家標準局(American National Standards Institute, ANSI)提供應用在公眾網路上傳輸的 VLSI 技術。主要應用於『寬頻整體服務數位網路』(Broadband Integrated Service Digital Network, BISDN的傳輸骨幹,該標準為 CCITT I.361。又 ATM 論壇(ATM Forum)也定義一系列有關區域網路模擬(LAN Emulation, LANE)和專屬網路之間介面(Private Network to Network Interface, PNNI)的標準。圖 4-7 ATM 架構的電信網路,我們分為下列幾點來介紹 ATM 網路的特性:

4-7 ATM 電信網路架構圖

(A) ATM 細胞組裝與拆裝

如圖 4-8 所示,ATM 網路包含 ATM 調解層、ATM 層與 ATM 實體層等三個層次。其中 ATM 調解層將上層通訊軟體(如,IP Ethernet)的封包分割成若干個細胞,每一細胞大小為 48 BytesATM 層再將細胞加入 5 Bytes 的控制訊息,成為 53 Bytes 的長度。ATM 層就是 ATM 交換機,它將每一細胞依照控制訊欄位內所指定的位址,交換到另一個傳輸埠口上,接收端再以反方向將細胞組合回原來封包格式。ATM 實體層為負責細胞傳輸工作,一般都採用同步光纖網路(SONET)。

4-8 ATM 細胞組裝與拆裝

(B) ATM 細胞交換原理

ATM 交換機又被稱為『細胞交換』,主要的功能是將輸入埠口所進入的細胞『交換』到適當的輸出埠口去。這條交換出去的虛擬電路就稱之為 ATM 連線。ATM 交換機可以針對每一條連線的『服務品質』(Quality of Service, QoS來決定是否給予服務,也就是說,服務品質較高的連線,優先給予傳送出去,而服務品質較低的連線,必須等待交換機空閒時,才將細胞轉送出去(如表 4-1)。

在交換機內部有一個稱之為『頻寬管理系統』軟體,負責整個交換機的頻寬管理。任何一條連線的服務品質,都是在該連線要求建立時,由連線端和頻寬管理系統協商而成。當頻寬管理系統接收到連線要求時,必須檢查本身交換機內部處理的頻寬,以及所能提供的服務是否符合連線要求。如果不能滿足連線要求的品質時,雙方必須協商到都可以接受的範圍內。如果雙方無法協商出一個合理的服務品質,或頻寬管理系統認為接收此連線會影響到其他連線的服務品質,便可拒絕該連線要求。這種控制連線是否能建立的機構,便稱之為『允入控制』(Admission control

因此,ATM 網路是屬於連接導向傳輸,表示在細胞進入網路之前其路徑都已經事先建立完成。它所建立連線的方法非常類似分封交換技術的『虛擬電路』,也就是,每一條連線所建立的路徑是在其所經過的埠口上,登錄於輸入/輸出埠對照表。每個埠口都有一個管理輸入/輸出埠對照表,當細胞由某一埠口進入時,就依照輸入/輸出對照表所登錄的下一個埠口交換出去。因此 ATM 交換機所建立的連線是『虛擬電路』(Virtual Circuit),而不是電路交換(Circuit Switch)技術。當 ATM 交換機將某一個埠口所進入的細胞交換到另一個埠口上時,對於該埠口的傳輸媒介和傳輸速率沒有直接關係。也就是說,不同傳輸媒介和傳輸速率之間埠口的細胞交換,並不影響 ATM 交換機的工作。因此,我們可以將 ATM 細胞交換機的工作原理,歸類為兩個重點:第一,就是每一條連線的表示方法,可以稱為『虛擬通道』(Virtual Channel, VC;第二,ATM 交換機必須考慮如何建立每一個埠口上的『輸入/輸出埠對照表』

(C) VP VC虛擬通道

到目前為止,我們瞭解 ATM 交換機類似統計多工的多工交換技術,唯一不同的是在統計多工技術加入服務品質(QoS)的參數,來決定細胞被交換出去的優先順序。對於每一條多工連線,我們稱之為『虛擬通道』(Virtual Channel, VC。每一條虛擬通道也都給予一個『虛擬通道辨識碼』(Virtual Channel Identification, VCI以作為辨識。如果整個交換機僅用虛擬通道來區分連線,所造成的連線負荷可能會非常大,我們希望採用二階層式的編號方式來區分各個連線,這種方式類似電話號碼的編號方法,例如:電話號碼是 241-1234,我們很容易知道 241 表示某一個交換機,而 1234 241 交換機底下的本地號碼。如果由別的地方撥入 241-1234,便直接交換到 241 交換機上,不用理會 1234 號碼的位址,該工作是由 241 交換機負責便可以。因此,二階層式的編號方法,可以節省許多交換的工作,讓交換機更有效率。

ATM 網路中,也是採用類似二階層式的編號方式。我們將若干個虛擬通道合併一個群組稱之為『虛擬路徑』(Virtual Path, VP,也給予一個『虛擬路徑辨識碼』(Virtual Path Identification, VPI以作為辨識。因此,每一條通道就可以用一對(VPI, VCI)來表示。如圖 4-9 中有三條虛擬路徑 VPI = 100, 200, 300,而連線的虛擬通道的辨識碼分別為:(100, 100)、(100, 200)、(100, 300)、(200, 100)、(200, 200)、(200, 300)、(300, 10)、(300, 20)、(300, 30)。至於如何來區分群組的虛擬路徑問題,我們可以就某一網路位址、某 ATM 交換機、或主機位址來指定虛擬路徑。只要由虛擬路徑上辨識便知道該連線應該交換到哪裡,且在中繼交換機上不用分辨虛擬通道(VCI)位址,分辨虛擬通道位址由端點交換機(End Switch)負責便可以,因此可以減低交換機的工作負荷,進而提高效率。

(D) 輸入/輸出埠對照表

ATM 交換機的每一個埠口上都必須維護一只『輸入/輸出埠對照表』。當我們建立連線時,便將連線路徑填入輸入/輸出對照表。表上所紀錄的是『下一個埠口』(Next hop位址。交換機是否允許建立連線(或填入對照表),不僅要考慮當時頻寬使用情形,也要考慮到該連線的服務品質(QoS)要求。

4-10 ATM 網路連線的範例。工作站 A B 之間連線,經過了 SW1SW2 SW3 ATM 交換機。由每個交換機上的『輸入/輸出對照表』紀錄兩工作站所經過的『虛擬通道連線』(Virtual Channel Connection, VCC為:(600/70)、SW1、(300/200)、SW2、(100/50)、SW3、(10/30)。

4-10 ATM 網路連線範例

(E) PVC SVC 連線

由以上的介紹我們可以發現,在 ATM 網路上建立連線並非易事。對於某些連線可以使用手動方式載入到 ATM 交換機中稱為『永久式虛擬連結』(Permanent Virtual Connection, PVC) PVC在兩工作站之間(或交換機之間)建立一條永久性的連線。此連線不會因為工作站(交換機)的因素(如當機或不傳送資料)而取消。只要工作站一開機便有一條連線可到達目的地工作站,並保證該連線的傳輸速率及服務品質。傳送端可以在任何時間傳送資料而不必重新建立連線。一般 PVC 的應用有三:

1. 建構網路拓樸圖(topology)。在建構網路系統時,會有一些固定連線在交換機之間串接,這就必須使用 PVC 連線。

2. 網路系統管理通道。在網路上有一些特殊連線必須永遠保持著,例如系統管理連線,或頻寬管理連線等等。

3. 客戶租用專線。某些客戶需要固定的連線也使用 PVC 來完成。永久式虛擬通道雖然方便但易造成頻寬的浪費。

當工作站需要時再要求 ATM 交換機連線,稱之為『交換式虛擬連結』(Switched Virtual Connection, SVC。交換機接收到 SVC 連線要求時,必須評估當時網路頻寬的使用量,以及該連線要求的服務品質,再決定是否允許連線(允入控制)。連線後必須依照連線時所協商的服務品質提供服務,使用完後立即釋放連線。網路頻寬可充分利用,而不會浪費。但當建立連線時,交換機必須選擇最佳路徑。因此使用到兩個協定:

路徑選擇協定(Routing Protocol):網路上交換機之間互相傳遞網路拓樸圖架構的資訊

信號協定 (Signaling Protocol)讓網路交換機之間可以相互通訊,以及傳遞 UNI (User-Network Interface)或其他的信號訊息。

(F) ATM 服務類別

ATM 提供多元化的傳輸服務,依資料的性質不同而提供不同的傳輸服務,這就是『服務品質』(Quality of Service, QoS保證。譬如,網路上傳送音訊或視訊時,最重要的是必須即時傳送,但可以允許細胞某種程度的遺失;但如在傳輸資料檔案時,我們大多能夠允許某種程度的延遲,但傳送細胞決不允許遺失,否則整筆資料將會作廢。因此為了符合各種需求而有不同的傳輸服務。我們依照量化的服務品質參數,大略將連線的服務類別區分如下:(如表 4-1 所示)

1. 固定傳輸率 (Constant Bit Rate, CBR)提供需要穩定、可預期的傳輸率。該服務不但速率固定,而且延遲時間最小,細胞遺失率最少,又稱為『線路模擬』(Circuit Emulation)

2. 即時式變動傳輸率 (Real-Time Variable Bit Rate, RT-VBR)提供需要嚴格限制延遲時間、低漏失率的傳輸服務,但容許傳輸率在某種程度下變動,如封包式的語音和視訊的傳送。

3. 非即時式變動傳輸率 (Non-real-Time Variable Bit Rate , NRT-VBR)提供支援可以容忍傳輸延遲,以及較不需要及時性的傳輸使用。

4. 可用傳輸率 (Available Bit Rate, ABR)提供支援需要高品質傳輸服務(也就是很低的細胞遺失率),但又可以容許很大的傳輸速度變化、以及傳遞時間的延遲。如網路上有閒置的網路頻寬時,連線就可以用較快的速率傳送,直到它察覺到接收速率下降,或接收到網路傳來的壅塞通知為止,再降低傳輸速率。

5. 未指定傳輸速率 (Unspecified Bit Rate, UBR)未指定傳輸速率,網路頻寬足夠時(其它傳輸服務足以傳送,而剩下之頻寬),再傳送資料服務。如果網路壅塞時,第一個被拋棄的是未指定傳輸速率之細胞。

4-1 ATM 的服務類別

服務類別

網路優先權

細胞延遲和

延遲變異度

細胞遺失率

尖峰容忍度

CBR

1

沒有

RT-VBR

2

中等

少量

NRT-VBR

3

中等

少量

ABR

4

中等

UBR

5

 

 

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