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 和 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）是 1990 年由 CISCO 等五家公司所共同制定的標準，目前也是屬於 ASNI 和 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 Kbps、19.2 Kbps、64 Kbps、128K ~ 1.544Mbps（T1）、2.048Mbps（E1），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 Mbps（T1）或 2.048 Mbps（E1）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 DLCI（Data-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）。

圖 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 為 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：

圖 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 或 Ethernet）的封包分割成若干個細胞，每一細胞大小為 48 Bytes，ATM 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）。

圖 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 與 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 是 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。

在 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

在 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。

圖 4-10 為 ATM 網路連線的範例。工作站 A 和 B 之間連線，經過了 SW1、SW2 及 SW3 之 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）。

圖 4-10 ATM 網路連線範例

(E) PVC 和 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。

表 4-1 ATM 的服務類別

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