L2/L3交換的應用和發展

2019-11-05 01:35:09

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供稿：網友

　　一、網絡交換技術發展歷程
　　1．電路交換技術
　　
　　網絡交換技術共經歷了四個發展階段，電路交換技術、報文交換技術、分組交換技術和ATM技術。公眾電話網（PSTN網）和移動網（包括GSM網和CDMA網）采用的都是電路交換技術，它的基本特點是采用面向連接的方式，在雙方進行通信之前，需要為通信雙方分配一條具有固定帶寬的通信電路，通信雙方在通信過程中將一直占用所分配的資源，直到通信結束，并且在電路的建立和釋放過程中都需要利用相關的信令協議。這種方式的優點是在通信過程中可以保證為用戶提供足夠的帶寬，并且實時性強，時延小，交換設備成本較低，但同時帶來的缺點是網絡的帶寬利用率不高，一旦電路被建立不管通信雙方是否處于通話狀態，分配的電路都一直被占用。
　　
　　2．分組交換技術
　　
　　電路交換技術主要適用于傳送和話音相關的業務，這種網絡交換方式對于數據業務而言，有著很大的局限性。首先數據通信具有很強的突發性，峰值比特率和平均比特率相差較大，假如采用電路交換技術，若按峰值比特率分配電路帶寬則會造成資源的極大浪費，假如按照平均比特率分配帶寬，則會造成數據的大量丟失。其次是和語音業務比較起來，數據業務對時延沒有嚴格的要求，但需要進行無差錯的傳輸，而語音信號可以有一定程度的失真但實時性一定要高。分組交換技術就是針對數據通信業務的特點而提出的一種交換方式，它的基本特點是面向無連接而采用存儲轉發的方式，將需要傳送的數據按照一定的長度分割成許多小段數據，并在數據之前增加相應的用于對數據進行選路和校驗等功能的頭部字段，作為數據傳送的基本單元即分組。采用分組交換技術，在通信之前不需要建立連接，每個節點首先將前一節點送來的分組收下并保存在緩沖區中，然后根據分組頭部中的地址信息選擇適當的鏈路將其發送至下一個節點，這樣在通信過程中可以根據用戶的要求和網絡的能力來動態分配帶寬。分組交換比電路交換的電路利用率高，但時延較大。
　　
　　3．報文交換技術
　　
　　報文交換技術和分組交換技術類似，也是采用存儲轉發機制，但報文交換是以報文作為傳送單元，由于報文長度差異很大，長報文可能導致很大的時延，并且對每個節點來說緩沖區的分配也比較困難，為了滿足各種長度報文的需要并且達到高效的目的，節點需要分配不同大小的緩沖區，否則就有可能造成數據傳送的失敗。在實際應用中報文交換主要用于傳輸報文較短、實時性要求較低的通信業務，如公用電報網。報文交換比分組交換出現的要早一些，分組交換是在報文交換的基礎上，將報文分割成分組進行傳輸，在傳輸時延和傳輸效率上進行了平衡，從而得到廣泛的應用。
　　
　　4．ATM技術
　　
　　分組交換技術的廣泛應用和發展，出現了傳送話音業務的電路交換網絡和傳送數據業務的分組交換網絡兩大網絡共存的局面，語音業務和數據業務的分網傳送，促使人們思考一種新的技術來同時提供電路交換和分組交換的優點，并且同時向用戶提供統一的服務，包括話音業務、數據業務和圖像信息，由此在20世紀80年代末由原CCITT提出了寬帶綜合業務數字網的概念，并提出了一種全新的技術——異步傳輸模式（ATM）。ATM技術將面向連接機制和分組機制相結合，在通信開始之前需要根據用戶的要求建立一定帶寬的連接，但是該連接并不獨占某個物理通道，而是和其他連接統計復用某個物理通道，同時所有的媒體信息，包括語音、數據和圖像信息都被分割并封裝成固定長度的分組在網絡中傳送和交換。ATM另一個突出的特點就是提出了保證QoS的完備機制，同時由于光纖通信提供了低誤碼率的傳輸通道，所以可以將流量控制和差錯控制移到用戶終端，網絡只負責信息的交換和傳送，從而使傳輸時延減少，ATM非常適合傳送高速數據業務。從技術角度來講，ATM幾乎無懈可擊，但ATM技術的復雜性導致了ATM交換機造價極為昂貴，并且在ATM技術上沒有推出新的業務來驅動ATM市場，從而制約了ATM技術的發展。目前ATM交換機主要用在骨干網絡中，主要利用ATM交換的高速和對QoS的保證機制，并且主要是提供半永久的連接。
　　
　　二、電路交換技術和分組交換技術的融合
　　1．綜合交換機技術
　　
　　雖然ATM技術沒有讓人們實現“綜合業務”的夢想，但人們一直在尋找一種途徑試圖實現在一個網絡上提供各種業務，電信運營商也希望能夠充分利用現網資源，盡量為用戶提供豐富的業務。首先提出的技術就是綜合交換機技術，主要是通過對現有的電路交換網絡進行改造，來達到同時支持電路交換和寬帶交換（包括ATM交換和ip交換）的目的。許多廠家也先后開發了綜合交換機，并且相關的行業標準《綜合交換機技術規范》也已經制定和頒布。綜合交換機具有窄帶交換機的功能，同時還要具有寬帶交換機的功能。目前的綜合交換機的實現方式主要有兩種：一種是采用混合交換節點的方式，在交換機內部配置有多個獨立交換矩陣，即電路交換矩陣、ATM和IP分組交換模塊，傳統的PSTN呼叫還主要由電路交換模塊進行處理，和寬帶相關的業務則交由寬帶分組處理模塊進行處理，當兩個模塊之間需要交互時需要進行協議轉換。另一種是采用融合交換節點的方式，綜合交換機內部基本上只有一個單一的ATM或IP交換矩陣，例如上海貝爾的寬帶交換機S12 P3S即直接采用ATM技術作為核心交換技術，所有的媒體信息都轉換成ATM信元在交換機內部進行處理，對外則同時支持電路交換網、ATM網和IP網。采用融合方式的綜合交換機由于內部已改為統一的交換平臺，在靈活快速的業務部署方面有很大的優勢。綜合交換機由于綜合多種功能，所以造價也比較高，主要用在業務量較大的關口局和端局，不適合全網推行。
　　
　　2．IP電話技術
　　
　　綜合交換機主要是采用對電路交換機進行改造的方式來支持分組交換的方式，在探索電路交換技術和分組交換技術融合的過程中，人們同時也希望能夠利用分組網絡來傳送話音業務，此時基于Web應用的出現，Internet網絡以驚人的速度發展起來，并最終發展成為一個全球性的網絡，人們使用Internet網絡來得到各種服務。Internet網絡是基于IP技術，屬于分組交換技術，采用盡力而為的方式，對每個分組根據路由信息和網絡情況獨自進行傳輸和選路。Internet網絡主要用來傳送數據業務，伴隨著Internet的巨大成功，已使IP技術成為未來信息網絡的支柱技術，基于TCP/IP的網絡技術不僅成為傳送數據業務的主導技術，而且傳統的電信運營商開始嘗試使用IP技術來傳送話音業務。現在傳統的電信運營商一般都組建了自己的IP網絡，除了在IP網絡上提供目前利潤相對較低的數據業務之外，運營商希望能夠充分利用現有資源向用戶提供豐富的業務，最主要的是話音業務，目前話音業務仍然屬于運營上最主要的收入來源，最早出現的在分組網上傳送語音業務的應用就是IP電話技術。
　　
　　IP電話技術目前已經成為人們比較熟悉的業務，主要采用H.323系列協議，包括負責呼叫建立的信令協議H.225和負責建立媒體通道的H.245協議，語音業務采用RTP分組的方式在IP網中進行傳輸。IP電話的語音質量雖然沒有傳統電路交換網向用戶提供的語音質量高，但H.323協議被普遍認為是目前在分組網上支持語音、圖像和數據業務最成熟的協議，目前在IP電話領域得到廣泛應用。世界上有很多利用H.323協議組建的VoIP網絡正在運營。但H.323的有些缺點也很明顯。首先，H.323協議中的呼叫控制信令是以Q.931為基礎的。Q.931協議是一種基于UNI接口的協議，協議本身比較簡單，沒有關于NNI接口的定義。這在專用網內實現計算機－計算機的呼叫沒有問題，但要提供全國性業務及PSTN-to-PSTN連接則必須依靠NNI接口。其次，H.323網絡中使用的是集中式的網關，網關要同時處理媒體流和信令流，在處理能力上也限制了H.323網絡的發展。目前，ITU-T借鑒IETF相關規范的經驗，在進一步擴展和修訂H.323系列協議。另外，和SIP相比較，H.323協議的可擴展性較差，并且為了在H.323網絡提供類似在電路交換網絡上向用戶提供的業務，許多廠家都對H.323協議進行了擴展，所以不同廠家的H.323設備之間的互聯也是一個H.323網絡發展所面臨的一個重要問題。
　　
　　但是IP電話的成功應用和相當程度的市場占有份額讓人們看到業務融合的曙光，人們逐漸熟悉在分組網上可以傳送話音業務，并且可以達到較為理想的通信效果。并且分組交換具有很多潛在的性能優點，一個優點是高效利用傳輸通道的通信能力，尤其是對突發傳輸更是如此。盡管語音所表現出的突發性沒有交互式數據那么突出，但還是以突發期/靜音期的方式表現出一定的突發性。平均突發期的長度取決于所使用的靜音偵測器，在典型的電話交談中，單個語音源只有大約35-45%的時間里是活動的。另外一個優點是統計復用，這樣呼叫阻塞是所需平均帶寬，而不是峰值帶寬的函數。因此在傳輸控制，計費等方面的可以更靈活。正因為這些優點，因特網語音應用，尤其是IP電話，已經成為“三網合一”大潮中最引人注目的應用之一。
　　
　　三、軟交換技術
　　隨著IP電話技術的發展，通信業內基本上達成了未來電信網絡的核心將采用分組交換技術的共識，并且在這種共識之下，針對目前IP電話技術所存在的缺點從技術角度進行了改進，首先是將網關呼叫控制和媒體交換的功能相分離，并最終提出了軟交換的概念。軟交換技術雖然仍然采用分組網絡作為承載網絡，但是從技術角度來講，軟交換技術仍然可以看作是交換技術發展的又一個里程碑。傳統的電路交換和分組交換網絡在每個網絡節點上都集中了太多的智能，在電路交換網絡中，網絡節點不僅要負責呼叫控制，處理所有和呼叫相關的信息，同時還需要負責進行話音通路的建立，同時，在電路交換網絡中，許多業務都需要在網絡節點上配置相關的業務邏輯，目前許多業務都需要在端局上作數據，這樣也制約了業務的及時提供。在以H.323網絡為代表的分組交換網絡中，如上所述網關設備也需要同時進行呼叫控制和媒體流的建立，分組的處理時延較長并且對網絡節點的要求也比較高。軟交換技術提出的一個新的概念就是將呼叫控制、承載建立、業務邏輯相分離，各實體之間通過標準的協議進行連接和通信，在網上可更加靈活地提供業務。其中的軟交換設備實際上是一個基于軟件的分布式交換/控制平臺，是實現傳統程控交換機“呼叫控制”功能的實體。它將呼叫控制功能從傳統的網關中分離出來，公開業務、控制、接入和交換間的協議，從而真正實現多廠家的網絡運營環境，并可方便地引入多種業務。
　　
　　采用軟交換技術組建電信網絡正在從試驗階段走向商用階段，國內外的各個運營商都對軟交換技術傾注了極大的熱情，希望能夠利用軟交換技術來達到拓展業務種類、增加市場份額的目的。從標準的角度來講，國內外的標準機構都在加緊制定和軟交換技術相關的一系列技術規范，標準上不僅將軟交換技術作為固定網絡發展的核心技術，而且移動網絡也將軟交換技術作為未來網絡的核心技術。軟交換技術從提出、發展到完善和成熟，還需要經歷技術的考驗和市場的考驗。但從技術的角度來講，軟交換技術的提出有著深厚的歷史背景和技術背景，可以預見，軟交換技術必定會成為未來網絡發展過程中一個重要技術。

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