因特网的演进课件.ppt

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1、计算机网络,第 10 章 因特网的演进,第 10 章 因特网的演进,*10.1 概述 10.2 因特网的多媒体体系结构 10.2.1 实时运输协议 RTP 10.2.2 实时运输控制协议 RTCP 10.2.3 实时流式协议 RTSP,第 10 章 因特网的演进（续）,10.3 IP 电话*10.3.1 IP 电话概述 10.3.2 H.323 10.3.3 会话发起协议 SIP 10.3.4 IP 电话的通话质量,第 10 章 因特网的演进（续）,10.4 改进“尽最大努力交付”的服务*10.4.1 使因特网提供服务质量 10.4.2 调度和管制机制 10.4.3 综合服务 IntServ

2、和资源预留 协议 RSVP 10.4.4 区分服务 DiffServ10.5 多协议标记交换 MPLS 10.5.1 MPLS 的产生背景 10.5.2 MPLS 的工作原理,第 10 章 因特网的演进（续）,10.6 居民接入网 RAN 10.6.1 xDSL 技术 10.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网）10.6.3 FTTx 技术 10.6.4 以太网接入10.7 关于三网融合,10.1 概述,计算机网络最初是为传送数据信息设计的。因特网 IP 层提供的“尽最大努力交付”服务对传送数据信息也是很合适的。当我们从因特网下载文件时，过长的网络响应时间虽然令人颇为烦恼，但这至少不会对我们产生

3、有害的结果。因特网使用的 TCP 协议可以很好地解决网络不能提供可靠交付这一问题。,多媒体信息的特点,多媒体信息（包括声音和图像信息）与不包括声音和图像的数据信息有很大的区别。多媒体信息的信息量往往很大。在传输多媒体数据时，对时延和时延抖动均有较高的要求。多媒体数据往往是实时数据(real time data)，它的含义是：在发送实时数据的同时，在接收端边接收边播放。,因特网是非等时的,模拟的多媒体信号经过采样和模数转换变为数字信号，再组装成分组。这些分组的发送速率是恒定的（等时的）。传统的因特网本身是非等时的。因此经过因特网的分组变成了非恒定速率的分组。,接收端需设置适当大小的缓存。当缓存中

4、的分组数达到一定的数量后再以恒定速率按顺序把分组读出进行还原播放。缓存实际上就是一个先进先出的队列。图中标明的 T 叫做播放时延。,在接收端设置缓存,缓存使所有到达的分组都经受了迟延。早到达的分组在缓存中停留的时间较长，而晚到达的分组在缓存中停留的时间则较短。以非恒定速率到达的分组，经过缓存后再以恒定速率读出，就能够在一定程度上消除了时延的抖动。但我们付出的代价是增加了时延。,缓存的影响,需要解决的问题,在传送时延敏感(delay sensitive)的实时数据时，不仅传输时延不能太大，而且时延抖动也必须受到限制。对于传送实时数据，很少量分组的丢失对播放效果的影响并不大（因为这是由人来进行主观

5、评价的），因而是可以容忍的。丢失容忍(loss tolerant)也是实时数据的另一个重要特点。,如何改造现有的因特网,大量使用光缆和高速路由器，网络的时延和时延抖动就可以足够小，在因特网上传送实时数据就不会有问题。把因特网改造为能够对端到端的带宽实现预留(reservation)，把使用无连接协议的因特网转变为面向连接的网络。部分改动因特网的协议栈所付出的代价较小，而这也能够使多媒体信息在因特网上的传输质量得到改进。,10.2 因特网的多媒体体系结构,TCP,UDP,AAL 3/4,AAL 5,PPP,SDH/SONET,ATM,以太网,调制解调器,信令,服务质量,IPv4/IPv6,RTS

6、P,RTCP,RSVP,H.323,SIP,RTP,PPP,应用层协议,声音/视像,SDP,10.2.1 实时运输协议 RTP(Real-time Transport Protocol),RTP 为实时应用提供端到端的运输，但不提供任何服务质量的保证。多媒体数据块经压缩编码处理后，先送给 RTP 封装成为 RTP 分组，再装入运输层的 UDP 用户数据报，然后再交给 IP 层。RTP 是一个协议框架，只包含了实时应用的一些共同的功能。RTP 自己并不对多媒体数据块做任何处理，而只是向应用层提供一些附加的信息，让应用层知道应当如何进行处理。,RTP 的层次,从应用开发者的角度看，RTP 应当是应

7、用层的一部分。在应用的发送端，开发者必须编写用 RTP 封装分组的程序代码，然后把 RTP 分组交给 UDP 插口接口。在接收端，RTP 分组通过 UDP 插口接口进入应用层后，还要利用开发者编写的程序代码从 RTP 分组中把应用数据块提取出来。,RTP 也可看成是运输层的一个子层,RTP 封装了多媒体应用的数据块。由于 RTP 向多媒体应用程序提供了服务（如时间戳和序号），因此也可以将 RTP 看成是在 UDP 之上的一个运输层的子层。,运输层,应用层,IP,数据链路层,物理层,RTP,UDP,RTP 分组的首部格式,12 字节,序 号,比特 0 1 3 8 16 31,有效载荷类型,版本,

8、P,X,M,参与源数,时 间 戳,同 步 源 标 识 符(SSRC),参 与 源 标 识 符(CSRC)0.15,发送,RTP 分组,UDP 用户数据报,IP 数据报,IP 首部 UDP 首部 RTP 首部 RTP 数据部分（应用层数据）,10.2.2 实时运输控制协议 RTCP(RTP Control Protocol),RTCP 是与 RTP 配合使用的协议。RTCP 协议的主要功能是：服务质量的监视与反馈、媒体间的同步，以及多播组中成员的标识。RTCP 分组也使用 UDP 传送，但 RTCP 并不对声音或视像分组进行封装。可将多个 RTCP 分组封装在一个 UDP 用户数据报中。RTCP

9、 分组周期性地在网上传送，它带有发送端和接收端对服务质量的统计信息报告。,RTCP 使用的五种分组类型,结束分组 BYE 表示关闭一个数据流。特定应用分组 APP 使应用程序能够定义新的分组类型。接收端报告分组 RR 用来使接收端周期性地向所有的点用多播方式进行报告。发送端报告分组 SR 用来使发送端周期性地向所有接收端用多播方式进行报告。源点描述分组 SDES 给出会话中参加者的描述。,10.2.3实时流式协议RTSP(Real-Time Streaming Protocol),RTSP 协议以客户服务器方式工作，它是一个多媒体播放控制协议，用来使用户在播放从因特网下载的实时数据时能够进行控

10、制，如：暂停/继续、后退、前进等。因此 RTSP 又称为“因特网录像机遥控协议”。要实现 RTSP 的控制功能，我们不仅要有协议，而且要有专门的媒体播放器(media player)和媒体服务器(media server)。,流式(streaming)音频和视频,媒体服务器与媒体播放器的关系是服务器与客户的关系。媒体服务器与普通的万维网服务器的最大区别就是媒体服务器支持流式音频和视频的传送，因而在客户端的媒体播放器可以边下载边播放（当然需要先将节目存储一小段时间）。但从普通万维网服务器下载多媒体节目时，是先将整个文件下载完毕，然后再进行播放。,RTSP 与 RTP 和 RTCP 的关系,RTS

11、P播放器,RTSP服务器,RTSP 控制分组（TCP）,RTP 数据分组（UDP）,RTCP 分组（UDP）,客户,服务器,RTSP 仅仅是使媒体播放器能控制多媒体流的传送。因此，RTSP 又称为带外协议，而多媒体流是使用 RTP 在带内传送的。,10.3 IP 电话10.3.1 IP 电话概述,狭义的 IP 电话就是指在 IP 网络上打电话。所谓“IP 网络”就是“使用 IP 协议的分组交换网”的简称。广义的 IP 电话则不仅仅是电话通信，而且还可以是在IP网络上进行交互式多媒体实时通信（包括话音、视像等），甚至还包括即时通知 IM(Instant Messaging)。,IP 电话网关的几

12、种连接方法,10.3.2 H.323,H.323 是 ITU-T 于 1996 年制订的一个名称很长的建议书，1998 年的第二个版本改用的名称是“基于分组的多媒体通信系统”。H.323 包括系统和构件的描述，呼叫模型的描述，呼叫信令过程，控制报文，复用，话音编解码器，视像编解码器，以及数据协议等，但不保证服务质量 QoS。,H.323 终端使用 H.323 协议进行多媒体通信,分组交换网（例如，因特网）,H.323,H.323 终端,H.323 终端,H.323 标准指明的四种构件,(1)H.323 终端(2)网关网关连接到两种不同的网络，使 H.323 网络可以和非 H.323 网络进行通

13、信。(3)网闸(gatekeeper)所有的呼叫都要通过网闸，因为网闸提供地址转换、授权、带宽管理和计费功能。(4)多点控制单元 MCU(Multipoint Control Unit)MCU 支持三个或更多的 H.323 终端的音频或视频会议。,H.323 网关用来和非 H.323 网络进行连接,因特网,公用电话网,网关,网闸,H.323 终端,多点控制单元MCU,H.323 的协议体系结构,音频/视频应用,音频编解码,视频编解码,RTCP,H.225.0注册信令,H.225.0呼叫信令,H.245控制信令,RTP,UDP,TCP,IP,信令和控制,10.3.3 会话发起协议 SIP(Ses

14、sion Initiation Protocol),SIP 是一套较为简单且实用的标准，目前已成为因特网的建议标准。SIP 协议以因特网为基础，把 IP 电话视为因特网上的新应用。SIP 协议只涉及到 IP 电话的信令和有关服务质量问题，而没有提供像H.323那样多的功能。SIP没有指定使用 RTP 协议，但实际上大家还是选用 RTP 和 RTCP 作为配合使用的协议。,SIP 系统的构件,SIP系统的两种构件是用户代理和网络服务器。用户代理包括用户代理客户和用户代理服务器，前者用来发起呼叫，而后者用来接受呼叫。网络服务器分为代理服务器和重定向服务器。代理服务器接受来自主叫用户的呼叫请求，并将

15、其转发给下一跳代理服务器，最后将呼叫请求转发给被叫用户。重定向服务器不接受呼叫，它通过响应告诉客户下一跳代理服务器的地址，由客户按此地址向下一跳代理服务器重新发送呼叫请求。,会话描述协议SDP(Session Description Protocol),SDP 在电话会议的情况下特别重要，因为电话会议的参加者是动态地加入和退出。SDP 详细地指明了媒体编码、协议的端口号以及多播地址。SIP 使用了 HTTP 的许多首部、编码规则、差错码以及一些鉴别机制，它比 H.323 具有更好的可扩缩性。由于 SIP 问世较晚，因此它现在比 H.323 占有的市场份额要小。,10.3.4 IP 电话的通话质

16、量,IP 电话的通话质量主要由两个因素决定。一个是通话双方端到端的时延和时延抖动，另一个是话音分组的丢失率。但这两个因素是不确定的，是取决于当时网络上的通信量。经验证明，在电话交谈中，端到端的时延不应超过 250 ms，否则交谈者就能感到不自然。,IP 电话的端到端时延,(1)话音信号进行模数转换要经受时延。(2)话音比特流装配成话音分组的时延。(3)话音分组的发送需要时间，此时间等于话音分 组长度与通信线路的数据率之比。(4)话音分组在因特网中的存储转发时延。(5)话音分组在接收端缓存中暂存所引起的时延。(6)话音分组还原成模拟话音信号的时延。(7)话音信号在通信线路上的传播时延。(8)终端

17、设备的硬件和操作系统产生的接入时延。,低速率话音编码的标准,(1)G.729速率为 8 kb/s 的共轭结构代数码激励线性预测声码器 CS-ACELP(Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear Prediction)。(2)G.723.1速率为 5.3/6.3 kb/s 的为多媒体通信用的低速率声码器。,播放时延有一个最佳值,分组丢失率,端到端时延,20%,10%,5%,100 ms,150 ms,400 ms,A,B,C,D,N,良好,基本可用,不好,长途电话 质量,接收端播放 时延增大,线速路由器,提高路由器的转发分组的速率对提高

18、IP 电话的质量也是很重要的。据统计，一个跨大西洋的 IP 电话一般要经过 2030 个路由器。若能改用吉比路由器（又称为线速路由器），则每秒可转发 5 百万至 6 千万个分组（即交换速率达 60 Gb/s 左右）。这样还可进一步减少由网络造成的时延。,10.4 改进“尽最大努力交付”的服务 10.4.1 使因特网提供服务质量,服务质量 QoS 是服务性能的总效果，此效果决定了一个用户对服务的满意程度。因此在最简单的意义上，有服务质量的服务就是能够满足用户的应用需求的服务。服务质量可用若干基本的性能指标来描述，包括可用性、差错率、响应时间、吞吐量、分组丢失率、连接建立时间、故障检测和改正时间等

19、。服务提供者可向其用户保证某一种等级的服务质量。,主机 H1 和 H2 分别向主机 H3 和 H4 发送数据,1.5 Mb/s 链路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1H2,1.5 Mb/s 链路,输出队列,1 Mb/s的实时音频数据,FTP 文件数据,需要给不同性质的分组打上不同的标记。当 H1 和 H2 的分组进入 R1 时，R1 应能识别实时数据分组，并使这些分组以高优先级进入输出队列，而仅在队列有多余空间时才准许低优先级的 FTP 数据分组进入。,主机 H1 和 H2 分别向主机 H3 和 H4 发送数据,1.5 Mb/s 链路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1H2,1.

20、5 Mb/s 链路,输出队列,1 Mb/s的实时音频数据,高优先级的 FTP 文件数据,应当使路由器增加分类(classification)机制，即路由器根据某些准则（例如，根据发送数据的地址）对输入分组进行分类，然后对不同类别的通信量给予不同的优先级。,主机 H1 和 H2 分别向主机 H3 和 H4 发送数据,1.5 Mb/s 链路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1H2,1.5 Mb/s 链路,输出队列,数据率异常的实时音频数据,FTP 文件数据,路由器应能将对数据流进行通信量的管制(policing)，使该数据流不影响其他正常数据流在网络中通过。例如，可将 H1 的数据率限定为

21、1 Mb/s。R1 不停地监视 H1 的数据率。只要其数据率超过规定的 1 Mb/s，R1 就将其中的某些分组丢弃。,主机 H1 和 H2 分别向主机 H3 和 H4 发送数据,1.5 Mb/s 链路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1H2,1.5 Mb/s 链路,输出队列,数据率异常的实时音频数据,FTP 文件数据,应在路由器中再增加调度(scheduling)机制。利用调度功能给实时音频分配 1.0 Mb/s 的带宽，给文件传送分配 0.5 Mb/s 的带宽（相当于在带宽为 1.5 Mb/s 的链路中划分出两个逻辑链路），因而对这两种应用都有相应的服务质量保证。,主机 H1 和 H2

22、 分别向主机 H3 和 H4 发送数据,1.5 Mb/s 链路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1H2,1.5 Mb/s 链路,输出队列,1 Mb/s 的实时数据,总数据率已超过了 1.5 Mb/s 链路的带宽。比较合理的做法是让一个数据流通过 1.5 Mb/s 的链路，而阻止另一个数据流的通过。这就需要呼叫接纳(call admission)机制。数据流要预先声明所需的服务质量，然后或者被准许进入网络，或者被拒绝进入网络。,10.4.2 调度和管制机制1.调度机制,“调度”就是指排队的规则。如不采用专门的调度机制，则默认排队规则就是先进先出 FIFO(First In First Ou

23、t)。当队列已满时，后到达的分组就被丢弃。先进先出的最大缺点就是不能区分时间敏感分组和一般数据分组，并且也不公平。在先进先出的基础上增加按优先级排队，就能使优先级高的分组优先得到服务。,按优先级排队的例子,高优先级队列,低优先级队列,分组到达路由器,调度,分组离开路由器,分类器,（服务员）,路由器,低,低,低,低,高,高,高,高,高,高,t,分组到达路由器,分组离开路由器,路由器,高 高 高高,低 低 低 低,加权公平排队 WFQ(Weighted Fair Queuing),分组到达路由器,调度,分组离开路由器,分类器,w1,w2,w3,1,2,3,路由器,加权公平排队 WFQ,分组到达后就

24、将分组进行分类，然后送交与其类别对应的队列。队列按顺序依次将队首的分组发送到链路。遇到队列空就跳过去。给队列 i 指派一个权重 wi。队列 i 得到的平均服务时间为 wi/(wj)，这里wj 是对所有的非空队列的权重求和。队列 i 将得到的有保证的带宽 Ri 应为（10-1）,WFQ 与 FIFO 的比较,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,11,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,分组流 1,分组流 2,分组流 11,FIFO,WFQ,(a)

25、分组流 1 的分组连续输入,t,t,t,t,t,WFQ 与 FIFO 的比较,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,11,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,分组流 1,分组流 2,分组流 11,FIFO,WFQ,t,t,t,t,t,(b)分组流 1 的分组断续输入,2.管制机制,(1)平均速率 网络需要控制一个数据流的平均速率。这里的平均速率是指在一定的时间间隔内通过的分组数。(2)峰值速率 峰值速率限制了数据流在非常短的时间间隔内的流量。(3

26、)突发长度 网络也限制在非常短的时间间隔内连续注入到网络中的分组数。,漏桶管制器(leaky bucket policer),分组到达,漏桶中最多装入 b 个权标,拿走权标,准许分组进入网络,等待权标,在任何时间间隔 t 内准许进入网络的分组数=r t+b,标记注入漏桶的速率为每秒 r 个权标,漏桶机制与加权公平排队相结合,现假定有 n 个分组流输入到一个路由器，复用后从一条链路输出。每一个分组流使用漏桶机制进行管制，漏桶参数为 bi 和 ri，i=1,2,n。设漏桶 I 已装满了 bi 个权标。因此 bi 个分组可马上从路由器输出。但分组流 I 得到的带宽是由公式(10-1)给出。这 bi

27、个分组中的最后一个分组所经受的时延最大，它等于传输这 bi 个分组所需的时间 dmax，即 bi 除以公式(10-1)给出的传输速率：,(10-2),10.4.3 综合服务 IntServ 与资源预留协议 RSVP,IntServ(Integrated Services)可对单个的应用会话提供服务质量的保证，其主要特点有二，即：资源预留。路由器需要知道不断出现的会话已预留了多少资源（即链路带宽和缓存空间）。呼叫建立。需要服务质量保证的会话必须首先在源站到目的站的路径上的每个路由器预留足够的资源，以保证其端到端的服务质量要求。,IntServ 定义了两类服务,有保证的服务(guaranteed

28、service)，可保证一个分组在通过路由器时的排队时延有一个严格的上限。受控负载的服务(controlled-load service)，可以使应用程序得到比通常的“尽最大努力”更加可靠的服务。,IntServ 由四个组成部分,(1)资源预留协议 RSVP，它是 IntServ 的信令协议。(2)接纳控制(admission control)，用来决定是否同意对某一资源的请求。(3)分类器(classifier)，用来将进入路由器的分组进行分类，并根据分类的结果将不同类别的分组放入特定的队列。(4)调度器(scheduler)，根据服务质量要求决定分组发送的前后顺序。,流(flow),“流”

29、是在多媒体通信中的一个常用的名词，一般定义为“具有同样的源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号、协议标识符以及服务质量需求的一连串分组”。,RSVP 协议的工作原理,H1,H2 50 kb/s,R2,R1,H3 100 kb/s,H4 3 Mb/s,R3,R4,H5 3 Mb/s,源站,(a)源点用多播发送PATH报文,表示 PATH 报文,IntServ 体系结构在路由器中的实现,路由选择协议,路由选择数据库,RSVP,接纳控制,管理代理,通信量控制数据库,分类器与分组转发,调度器,分组入,分组出,综合服务 IntServ 体系结构存在的主要问题,(1)状态信息的数量与流的数目成正比

30、。因此在大型网络中，按每个流进行资源预留会产生很大的开销。(2)IntServ 体系结构复杂。若要得到有保证的服务，所有的路由器都必须装有 RSVP、接纳控制、分类器和调度器。(3)综合服务 IntServ 所定义的服务质量等级数量太少，不够灵活。,10.4.4 区分服务 DiffServ(Differentiated Services),1.区分服务的基本概念由于综合服务 IntServ 和资源预留协议 RSVP 都较复杂，很难在大规模的网络中实现，因此 IETF 提出了新的策略，即区分服务 DiffServ。区分服务有时也简写为 DS。因此，具有区分服务功能的结点就称为 DS 结点。,区分

31、服务 DiffServ 的要点,(1)DiffServ 在路由器中增加区分服务的功能。DiffServ 将 IPv4 协议中原有的服务类型字段和 IPv6 的通信量类字段定义为区分服务字段 DS。路由器根据 DS 字段的值来转发分组。利用 DS 字段可提供不同等级的服务质量。DS 字段现只使用前 6 bit，即区分服务码点 DSCP(Differentiated Services CodePoint)。,CU,DSCP,比特 0 5 6 7,暂不使用,服务等级协定SLA(Service Level Agreement),在使用 DS 字段之前，因特网的 ISP 要和用户商定一个服务等级协定 S

32、LA。在 SLA 中指明了被支持的服务类别（可包括吞吐量、分组丢失率、时延和时延抖动、网络的可用性等）和每一类所容许的通信量。,DS 域(DS Domain)(2)网络被划分为许多个 DS 域,DiffServ 将所有的复杂性放在 DS 域的边界结点(boundary node)中，而使 DS 域内部路由器工作得尽可能地简单。,内部路由器,边界路由器,内部路由器,B,B,B,B,DS 域,DS 域,(3)边界路由器中的功能,边界路由器中的功能较多，可分为：分类器(classifier)通信量调节器(conditioner)两大部分。调节器的组成：标记器(marker)整形器(shaper)测定

33、器(meter),边界路由器中的各功能块的关系,内部路由器,边界路由器（入口）,边界路由器（出口）,分类器,标记器,整形器,测定器,根据 DS 值进行转发,调节器,分组入,分组出,丢弃,(4)聚合(aggregation),DiffServ 提供了一种聚合功能。DiffServ 不是为网络中的每一个流维持供转发时使用的状态信息，而是将若干个流根据其 DS 值聚合成少量的流。路由器对相同 DS 值的流都按相同的优先级进行转发。这就大大简化了网络内部的路由器的转发机制。区分服务 DiffServ 不需要使用 RSVP 信令。,每跳行为 PHB(Per-Hop Behavior),“行为”就是指在转

34、发分组时路由器对分组是怎样处理的。“每跳”是强调这里所说的行为只涉及到本路由器转发的这一跳的行为，而下一个路由器再怎样处理则与本路由器的处理无关。这和 IntServ/RSVP 考虑的服务质量是“端到端”的很不一样。,DiffServ 定义的两种 PHB,迅速转发 PBH 即 EF PHB，或 EF。EF 指明离开一个路由器的通信量的数据率必须等于或大于某一数值。因此 EF PHB 用来构造通过 DS 域的低丢失率、低时延、低时延抖动、确保带宽的端到端服务。像点对点连接或“虚拟租用线”，又称为 Premium 服务。,DiffServ 定义的两种 PHB,确保转发 PHB 即 AF PHB，或

35、 AF。AF 用 DSCP 的比特 02 将通信量划分为四个等级，并给每一种等级提供最低数量的带宽和缓存空间。对于其中的每一个等级再用 DSCP 的比特 35划分出三个“丢弃优先级”。当发生网络拥塞时，对于每个等级的 AF，路由器首先把“丢弃优先级”较高的分组丢弃。,10.5 多协议标记交换 MPLS10.5.1 MPLS 的产生背景,在 20 世纪 90 年代问世的面向连接的 ATM 技术在传送实时数据时能够保证服务质量 QoS。但 ATM 网络未能取代现有的电信网络和计算机网络。这不仅是因为 ATM 网络价格昂贵，而且还因为 ATM 网络和上层的应用结合得很不好。相反，基于 IP 的因特网

36、与各种应用已经结合得很好。因此 ATM 网络必须与IP网络相结合才有出路。在 90 年代中期 ATM 交换机已广泛地使用在宽带因特网的主干网中。,ATM 用作主干网,PoP,PoP,PoP,ATM 交换机,ATM 主干网,PoP,汇接点,主干路由器,PoP,接入路由器,汇接点 PoP(Point of Presence),由于 ATM 主干网的速率很高，因此大量的低速路由器需要通过一些汇接点 PoP 进行汇接后才能和 ATM 主干网相连接。汇接点 PoP 包含有两种路由器。接入路由器或边沿路由器，这类路由器数量较多且速率较低。主干路由器或核心路由器，这类路由器在一个汇接点中一般只有一个，且速率

37、较高。在汇接点中这两种路由器常通过 ATM 交换机相连。,ATM 的永久虚通路 PVC 相当于路由器间的直通链路,PoP,PoP,PoP,PoP,PoP,ATM 主干网,PVC,覆盖模型很难协调 IP 和 ATM 网络的巨大差异,IP 是无连接的，而 ATM 是面向连接的；IP 只提供尽最大努力交付的服务，而 ATM 能确保服务质量 QoS。随着网络规模的不断扩大，和 ATM 主干网连接的主干路由器的数目就大大增多，以致需要建立非常多的永久虚通路，导致难以维持庞大的 ATM 地址到 VCI 的映射表。从分组转换为信元时每一个信元的 5 字节首部开销相当大，这常称为信元税(cell tax)。同

38、时维护两种体系结构完全不同的网络也很不方便。,多协议标记交换 MPLS(MultiProtocol Label Switching),IETF 于 1997 年成立了 MPLS 工作组。MPLS 使用综合模型，它把第三层的路由选择功能与面向连接的第二层的交换功能综合在一起。,MPLS 的特殊功能,(1)支持面向连接的服务质量。(2)支持流量工程，平衡网络负载。(3)有效地支持虚拟专用网 VPN。(4)支持多种网络协议。,10.5.2 MPLS 的工作原理1.基本工作过程,MPLS 对打上固定长度“标记”的分组用硬件进行转发，使分组转发过程中省去了每到达一个结点都要查找路由表的过程，因而分组转发

39、的速率大大加快。采用硬件技术对打上标记的分组进行转发称为标记交换。“交换”也表示在转发分组时不再上升到第三层用软件分析 IP 首部和查找转发表，而是根据第二层的标记用硬件进行转发。,MPLS 协议的基本原理,MPLS 域,普通 IP 分组,LDP,LDP,LDP,MPLS入口结点,打上标记,去除标记,MPLS出口结点,标记交换,标记交换,标记交换,A,B,C,D,普通路由器,标记交换路由器 LSR,打上标记的分组,MPLS 的基本工作过程,(1)MPLS 域中的各 LSR 使用专门的标记分配协议 LDP 交换报文，并找出标记交换路径LSP。各 LSR 根据这些路径构造出分组转发表。(2)分组进

40、入到 MPLS 域时，MPLS 入口结点把分组打上标记，并按照转发表将分组转发给下一个 LSR。(3)以后的所有LSR都按照标记进行转发。每经过一个 LSR，要换一个新的标记。(4)当分组离开 MPLS 域时，MPLS 出口结点把分组的标记去除。再以后就按照一般分组的转发方法进行转发。,转发等价类 FEC(Forwarding Equivalence Class),“转发等价类”就是路由器按照同样方式对待的分组的集合。划分 FEC 的方法不受什么限制，这都由网络管理员来控制，因此非常灵活。入口结点并不是给每一个分组指派一个不同的标记，而是将属于同样 FEC 的分组都指派同样的标记。FEC 和标

41、记是一一对应的关系。,FEC 用于负载平衡,C,B,A,H1,E,D,H2,H3,H4,(a)传统路由选择协议使最短路径 ABC 过载,栈底,3.标记栈(label stack),MPLS 的一个重要功能就可以构成标记栈。MPLS 标记的格式以及标记栈：,栈顶,链路层首部 MPLS标记 MPLS标记 IP 首部 数 据 部 分 链路层尾部,标 记 值,生存时间 TTL,试 验,S,比特 20 3 1 8,MPLS 标记栈,MPLS 帧,IP 数据报,MPLS 标记,MPLS 标记一旦产生就压入到标记栈中，而整个标记栈放在数据链路层首部和IP首部之间。栈是一种后进先出的数据结构。MPLS 协议规

42、定，标记栈的栈顶（最后进入栈的标记）最靠近数据链路层首部，而栈底最靠近 IP 首部。在最简单的情况下，标记栈中只有一个标记。,MPLS 标记栈的使用,MPLS 域 2,MPLS 域 1,A,B,C,D,E,F,G,压入,压入,弹出,弹出,分组入,分组出,数据 170.12.3.4,数据 168.74.2.1,数据 170.12.3.4,数据 168.74.2.1,4,4.标记对换(label swapping),FEC 输出 输出 接口 标记 a 1 4 b 1 5,输入 输入 输出 输出接口 标记 标记 端口 2 4 8 1 2 5 6 3,1,2,1,3,1,2,数据 168.74.2.1

43、,入口结点,LSR1,LSR2,LSR3,出口结点,数据 168.74.2.1,数据 170.12.3.4,5,8,6,LSR4,输入 输入 输出 输出接口 标记 标记 端口 2 8 1 2 3 1,168.74,170.12,10.6 居民接入网 RAN(Residential Access Network),居民接入网就是从居民住宅至某个 ISP 之间的一个中间网络，它起到接口作用，目的是使用户能够方便和经济地享用各种宽带多媒体信息。现在居民接入网 RAN 往往是宽带上网的一个瓶颈。居民接入网有多种实现方案，但居民接入网到底应采用何种技术方案，目前既无定论，也无统一的国际标准。,10.6.

44、1 xDSL 技术,xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。DSL 是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。而字母 x 表示 DSL 的前缀可以是多种不同字母，用不同的前缀表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。,xDSL 的几种类型,ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线HDSL(High speed DSL)：高速数字用户线SDSL(Single-line DSL)：1 对线的数字用户线VDSL(Very high speed DSL)：甚高速数字用户线DSL：

45、ISDN 用户线。RADSL(Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）。,ADSL 调制解调器的频谱利用的划分,频谱,频率(kHz),下行,上行,传统电话,6.3 Mb/s,1.5 Mb/s,0,4,20,50,500,1100,140,150,ADSL 采用两种调制技术,无载波振幅相位调制 CAP(Carrierless Amplitude Phase)，而另一种是离散多音调制 DMT(Discrete Multi-Tone)。CAP 早就使用在第一代 ADSL 调制解调器中，在商品化方面更加成熟。DMT 则被美国 ANSI 选

46、择为 ADSL 的标准。,离散多音调制 DMT,DM T将可用带宽划分为 256 个子信道（每个子信道带宽为 4 kHz），然后将数据自适应地动态分配给每个子信道，这就使得在约 1 MHz 的可用频带内实现超过 6 Mb/s 的数据率。ADSL 技术还支持前向纠错 FEC(Forward Error Correction)。,ADSL 的组成,ATU-C,ATU-C,ATU-R,ATU-C,用户线,电话分路器,区域宽带网,至 ISP,居民家庭,基于 ADSL 的接入网,端局或远端站,DSLAM,至本地电话局,PS,PS,数字用户线接入复用器 DSLAM(DSL Access Multiplex

47、er)接入端接单元 ATU(Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表远端 Remote）电话分路器 PS(POTS Splitter),10.6.2 光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax),HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造，,H

48、FC 的主要特点,(1)HFC网的主干线路采用光纤HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN(Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。,(2)HFC 网采用结点体系结构,同轴电缆,头端,模拟光纤,放大器,引入线,分路器,光纤结点,服务区,服务区,服务区,(3)HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能,下行信道,上行信道,5 40

49、50 550 750 1000,原有模拟电视,数字信号,频率(MHz),保留,(4)每个家庭要安装一个用户接口盒,用户接口盒 UIB(User Interface Box)要提供三种连接，即：使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。使用双绞线连接到用户的电话机。使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。,电缆调制解调器(cable modem),电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.22 Mb/s，最高可达 10 Mb/s

50、。电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。,HFC 网的最大优点,具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛），也需要相当的资金和时间。在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。,10.6.3 FTTx 技术,FTTx（光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。光纤到家 FTTH(Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用