帧中继网络分析及应用
熊 俊
摘要：本文主要系统的介绍帧中继网络的原理分析、应用中的问题分析详解及帧中继网络的应用概述，希望本文可以让你对帧中继网络有一个初步的认知。
关键词：帧中继 网络 应用 问题
一、概述
帧中继传输是一种透明传输。网络中的交换节点不再支持数据传输中的纠错重传功能,而且对各种协议也不进行转换和处理。帧中继传输执行的是国际电信联盟(ITU/CCITT)制定的标准化的接口协议,即用户网络接口UNI(User-Network Interface)和网络节点接口NNI(Network-Node Interface)两种协议。NNI管到虚电路,UNI管到物理线路。可以说,帧中继传输网络是独立于各种应用协议的,可在其上传送用户数据而不管它的高层格式如何;或者说,对支持OSI第二层以及其上层数据传送的各种不同数据终端(DTE)的协议,在帧中继网上均是以透明方式传送的。因此,帧中继网对传送当今50多种协议具有简洁性、透明性和兼容性。帧中继交换平台有如下四种技术类型,即:
(1)以时分复用(TDM)为基础的电路交换技术; (2)以分组交换为基础的帧(Frame)交换技术; (3)非标准信元(Cell)交换技术;
(4)标准信元(Cell)交换技术(或称ATM交换技术)。
帧中继格式
TDM平台由于其严重的固有缺陷已趋于淘汰。帧中继交换技术实现方式主要有两种:帧交换和信元交换。非标准信元交换平台主要应用于中继(Trunk)带宽小于T1(1.544Mbps)/E1(2.048Mbps)的场合。对帧中继来说,信元交换是在交换机内部的交换方式,不管采用标准或非标准信元,其内部交换标准执行的都是各企业的专用标准,其对外都以帧的数据结构的形式出现,因此不影响网络的互连和接入。在帧中继交换平台中,目前约有70%的市场是采用信元交换技术。帧中继中继带宽多为T1至
T3(44.74Mbps)/E3(34.368Mbps)。国内信息化刚在起步,从信息业务实际需求量出发,目前中继带宽尚≤E1。从帧中继网络发展并与ATM网络接轨考虑，帧中继中继带宽已发展到OC3(STM-1/STS-3)=155.52Mbps。帧中继能满足各种用户多业务的需求,并为不同业务提供不同优先级,提供更加灵活的收费方式;在帧中继网基础上还可方便地构筑、派生增值业务平台。
一般以信元交换为平台的帧中继可提供5种业务级别(采用ATM业务规范),即: (1)固定比特率(CBR);
(2)实时可变比特率(rt-VBR); (3)非实时可变比特率(nrt-VBR); (4)不定义比特率(UBR);
(5)实际比特率或可用比特率(ABR)。
我国国家金融帧中继网可向用户提供高达16种的业务级别。除上述5种外,还有: (6)最高优先等级(High Priority),如SNA等对时延敏感的业务;(7)具有闭环拥塞控制的 突发性业务(Bursty Data A);(8)无闭环拥塞控制的突发性业务(Bursty Data B);(9)带有时 间戳记的数据业务(Time Stamped Data);(10)不带时间戳记的数据业务(Non-time Stamped);(11)话音业务(Voice of FR);(12)～(16)其它5种由用户定义,如最小信息率(MIR)、视频业务等。
根据业务级别协议(SLA,Service Level Agreement),采用约定信息率(CIR,Committed Information Rate)和服务质量(QoS,Quality of Service),与用户签定各种上网业务。 由于帧中继网具有低时延、高可靠性、高吞吐量(低时延+高可靠性=高吞吐量)、低开销、公平性等优异性能,能支持突发性业务,适于计算机局域网(LAN)远程互连,能支持时延敏感的协议(如SNA-SDLC、DECNET、Novell-IPX/SPX等协议),以及话音、视频业务,能支持各种不同协议的终端或网络(如X.25网、IP网等)的接入与互连。由于性价比高的因素,出现了以帧中继取代专线出租、DDN、X.25网,以及各种专用网升级改造为帧中继网的趋势;为了提高Internet网干线信道带宽以及信息传递效率,以帧中继或ATM为交换核心的Internet网的升级改造工作,正在全世界兴起(帧中继特别适合于建设Intranet网);帧中继网向用户提供永久虚电路(PVC)和交换虚电路(SVC)服务,还可为用户建设虚拟网(VPN);以信元交换技术为平台的帧中继可实现与ATM互连和互操作。概括起来说,帧中继和ATM均是未来网络的标志,它们可以互为补充,相辅相成,长期共存。 自从1991年Wiltel首先推出帧中继业务商业应用以来(世界上第一个帧中继网Wilpac), 世界帧中继市场正在经历爆炸性发展,最终用户端口数正以300%的速度增长,其网络规模:吞吐量达1～2Gbps(ATM网已达10Gbps,正在研究交换能力更大的网络),中继速率达155Mbps(ATM网已达622Mbps),网络接点达500～1000个,用户端口数达5～10万个。中小规模的帧中继网络更如雨后春笋(很多网络实行互连)。国内帧中继网的建设也出现一股热潮,其中最大的帧中继网为金融部门与邮电部联合共建的国家金融通信基干网,网络规模为:吞吐量1.2Gbps,中继速率目前尚≤E1(2.048Mbps),现有设备具有
扩充能力,可扩充至E3(34.368Mbps),甚至OC3(155.52Mbps),网络节点约400个,用户端口数约3000～5000个(具有较大的扩充余地,一个机架可安装30张卡,每张卡支持4、8、12个端口,每个端口可支持30个信道化用户端口DSo UNI,以每卡4个端口计算,一台帧中继交换机可支持30×4×30×80%=2880个信道化用户端口DSoUNI,即可提供2880个64Kbps用户信道,如果扩充到每卡8～12个端口,则可支持5760～8640个DSo UNI)。在一个E1(2.048Mbps)端口上,如果配置端口集中器(PCS,Port Concentrater Shelf),则可支持1(P)×11个速率分别为9.6～384Kbps的用户端口。邮电部系统在DDN网上30个节点配置了新桥公司(New Bridge Network)Mainstreet 3600系列的帧中继,在X.25网上配置了34套北电(Nortel)Passport帧中继,随后又引进了Cascade Communications 22套B-STDX9000帧中继交换机(与22套BX-500ATM同时引进),各省市邮电局还在继续引进其他型号的帧中继交换机。这样在尚未发展帧中继业务的情况下,一个邮电局可能同时配置4～5种不同型号的帧中继交换机,这充分反映了我国帧中继网络发展初期的盲目性和混乱状况。
二、有关帧中继网络的若干题
帧中继技术发展很快。 在帧中继技术中,软件含量约占85%,硬件约占15%。软件工作量主
要集中在建立有效的拥塞控制机制,虚电路(PVC及SVC)管理和队列设置以及实现公平性,建立 络管理系统,配置多业务平台方面,在作帧中继选型时,还要考虑其交换能力、网管能
力、组网能力、中继速率、接入速率、端口密度、接口种类、时延(以及时延是否 具有可预测性)、冗余设计等,要了解使用经历(特别是几百个以上节点的大网的使用经历)与产品、网络的成熟性(特别是软件的成熟性),采用并符合国际标准的情况,考察产品的可扩充性和软件版本的升级情况。不言而喻,还要作性价比比较。 下面就帧中继网络中若干问题提出讨论。
网
(一)拥塞控制问题
众所周知,在帧中继上出现丢帧现象的主要原因有二:一是线路误码率高(要求误码率≤ 10-9,但国内光纤信道质量难以普遍按此要求),二是出现拥塞情况。一旦发生帧丢弃将对所 有协议具有极大的破坏性,除影响可靠性外,同时也将对时延和吞吐量产生影响。因此,如何 采取有效的避免拥塞的措施,对保证帧中继网络可靠运行是十分重要的。
各帧中继交换机制造厂商分别提供下列各种不同的拥塞控制方案,有些厂商还提供复合 方案,但从下列方案比较来看,拥塞控制的效果差距甚大。
1.采用前向显示指示(FECN,Forward Explict Congestion Notification)和后向显式指示(BECN,Back Explict Congestion Notification) 在帧结构报头内设定显式拥塞指示比特(ECN),一旦网络中发生拥塞,网络将通过信令来示用户设备使用FECN和BECN(FECN和BECN比特置于\表示网络出现拥塞),用户设备通过缩原协议中的窗口尺寸来降低接入速率,或者停止向网络传送信息,从而缓解或消除网络拥塞。这种缓解或消除网络拥塞的方式是通知用户,并通过用户自己主动采取措施来实现的,可是有些用户往往会忽略拥塞通知,有些用户终端设备并不能识别这些比特,如果这样,这项措施也就不起任何作用了。有很多帧中继制造厂商就是采取这样的措施(有些厂商还将其作为唯一的措施)来进行拥塞控制的,这是不可靠,也是令人不放心的。ECI/Telematics公司为此采取了一种补求措施,在其接入设备ACP50(FRAD)接到FECN和BECN通知后,采取降低传输速率的措施而不需要委加于用户。 2.采取丢弃\适合\丢弃的比特(DE,Discard Eligibility) 一旦网络拥塞达到临界水平,那么网络将被迫开始丢弃帧,第一批被丢弃的帧是那些将其DE设为\的帧。DE可由用户来设置,也可由网络来设置(如将超出约定信息率CIR传送的帧确定为DE,亦可按业务优先等级来确定DE)。应该说,这是没有办法中的办法。有些厂商提供的产品,在设置DE时,一些DE未必马上丢弃,而是存储在缓冲器内。
3.采用自动路由(Auto Route) 如果网络发生故障或拥塞时,自动选择新路由。这项措施需要具备两个条件:一是网络具有自学习拓扑结构功能而不需定义路由表,二是反应要快(≤1秒)。CISCO的自动路由,可在3分钟内调整处理或重新配置1771条PVC。
4.采用闭环反馈拥塞控制 国家金融帧中继网采用闭环拥塞控制的方式(ATM论坛对闭环反馈拥塞控制系统作了推荐),这种方式也是能有效地预防拥塞的产生并获得公平解决的方式。其机制简述如下:基于网络两端速率反馈(即后面拥塞及前面排队的情况)的闭环拥塞控制技术,网络的拥塞程度可通过监控帧中继网络上等待队列长度进行定义。信元在通过帧中继交换机时,获得一个反映帧中继网出口状况的等待队列长度标识。当信元在穿越拥塞的中继信道时,一个表示拥塞的前方拥塞参数被标识设定,并在后端交换机上对此项参数进行拥塞统计,随后将统计结果反馈至前端,以调整前端交换机上每条虚电路所允许的信元传输速率。反馈信息每秒的传送次数在40次以上,以便对中继信道利用率和拥塞状况迅速及时地作出反应,从而大大提高了网络利用率,使网络中每条虚电路的分配带宽既精确又公平。在闭环反馈拥塞控制系统中,根据不同情况,分别对信元在虚电路中的传输速率发出不变、
