第5章ISP 网络设计方法和实现过程 Inent服务提供者(nentSriePoieISP) treItreevcrvdr,网络设计涉及广域网技术和自治 系统划分,因此ISP 网络设计过程主要包括广域网实现路由器互联的过程与分层路由设计 和实现过程。 5.SP 网络结构 1I ISP 网络结构包含自治系统、广域网技术和分层路由结构等。由于ISP 网络由多个自 治系统组成,因此存在由内部网关协议创建的用于指明通往自治系统内各个网络的传输路 径的内部路由项和由外部网关协议创建的用于指明通往其他自治系统中网络的传输路径的 外部路由项。 5.1 自治系统 1. ISP 网络结构如图5.由4个自治系统组成。自治系统的详细介绍参见2.5 1所示, 3. 节。 图5. 1ISP 网络结构 在图5.路由器R14 和R41 分别是自治系统AS1 和自治系统AS4 中的自治系统 1中, 边界路由器,它们的功能是实现自治系统AS1 和自治系统AS4 的互联。一般情况下,需要 第5 章 ISP 网络设计方法和实现过程 103 路由器R14的接口3和路由器R41的接口1连接在同一个网络上,因此通过路由器R14和 路由器R41因为配置接口IP地址和子网掩码而自动生成的直连路由项就可实现路由器 R14和路由器R41之间的IP分组传输过程。 5.1.2 广域网技术 对于ISP网络,路由器之间的间隔可能很远,因此互联路由器的链路常采用远距离点对 点链路。目前常见的远距离点对点链路有ATM 网络提供的虚电路和SDH 网络提供的物 理链路。因此,需要通过IPoverATM 或IPoverSDH 技术实现路由器之间的IP分组传 输过程。 IPoverATM 需要实现以下三个功能:一是根据下一跳IP地址确定连接下一跳路由 器的虚电路;二是需要将IP分组封装成ATM 信元;三是通过路由器之间已经建立的ATM 虚电路实现封装IP分组的ATM 信元当前跳至下一跳的传输过程。 IPoverSDH 需要实现以下四个功能:一是根据IP分组的输出接口确定连接下一跳路 由器的点对点物理链路;二是通过PPP建立与下一跳路由器之间的PPP链路,其中包括相 邻路由器的双向身份鉴别过程;三是需要将IP分组封装成PPP帧;四是通过与下一跳路由 器之间的PPP链路实现PPP帧当前跳至下一跳的传输过程。 5.1.3 分层路由结构 每一个自治系统中的路由器通过两层路由协议创建用于指明通往其他自治系统中网络 的传输路径的路由项,例如自治系统AS1中路由器R12创建用于指明通往自治系统AS3 中网络193.1.3.0/24的传输路径的路由项的过程如下。 1. 内部网关协议创建自治系统内部路由项 每一个自治系统通过内部网关协议创建用于指明通往该自治系统内所有网络的传输路 径的路由项,如自治系统AS1中路由器R12通过内部网关协议创建用于指明通往路由器 R14接口3连接的网络(这里假定为NET9)的传输路径的路由项<NET9,R11,3>,其中 目的网络为路由器R14接口3连接的网络NET9,下一跳路由器为R11,距离为3。同样, 自治系统AS4中路由器R41通过内部网关协议创建用于指明通往路由器R43接口4连接 的网络(这里假定为NET11)的传输路径的路由项<NET11,R45,3>。自治系统AS3中路 由器R31通过内部网关协议创建用于指明通往网络193.1.3.0/24的传输路径的路由项 <193.1.3.0/24,R32,2>。 2. 自治系统边界路由器交换路由消息 通过配置确定R43为自治系统AS4中的边界路由器,R31为自治系统AS3中的边界 路由器,且R43和R31互为相邻路由器。R43和R31之间通过外部网关协议交换路由消 息。R31发送给R43的路由消息中包含以下信息:目的网络193.1.3.0/24、所在自治系统的 自治系统号AS3和R31接口1的IP地址。需要指出的是,由于R31的接口1和R43的接 口4连接在同一个网络上,因此AS4中路由器在建立通往R43接口4连接的网络的传输路 径的同时,也建立了通往R31接口1的传输路径。一般情况下,R43通过BGP将R31发送 给它的有关目的网络193.1.3.0/24的路由消息转发给R41。 同样,通过配置确定R41为自治系统AS4中的边界路由器,R14为自治系统AS1中的 计算机网络工程(第2 版) 104 边界路由器,且R41和R14互为相邻路由器。R41和R14之间通过外部网关协议交换路由 消息。R41发送给R14的路由消息中包含以下信息:目的网络193.1.3.0/24、通往目的网络 传输路径经过的自治系统AS3和AS4以及R41接口1的IP地址。R14通过内部网关协议 将用于指明通往外部网络193.1.3.0/24的传输路径的路由项<类型=外部网络,目的网络 =193.1.3.0/24,下一跳=R41接口1的IP地址>扩散到AS1中的所有其他路由器。路由 器R12通过内部网关协议建立的用于指明通往R14接口3连接的网络的传输路径的路由 项<类型=内部网络,目的网络=NET9,下一跳=R11>和路由项<类型=外部网络,目的 网络=193.1.3.0/24,下一跳=R41接口1的IP地址(属于网络地址NET9)>建立用于指 明通往外部网络193.1.3.0/24的传输路径的路由项<类型=外部网络,目的网络=193.1.3. 0/24,下一跳=R11>。同样,R41或R43在AS4中通过内部网关协议扩散用于指明通往 外部网络193.1.3.0/24的传输路径的路由项<类型=外部网络,目的网络=193.1.3.0/24, 下一跳=R31接口1的IP地址>,AS4中的路由器通过内部网关协议建立的用于指明通往 R43接口4连接的网络的传输路径的路由项和路由项<类型=外部网络,目的网络=193. 1.3.0/24,下一跳=R31接口1的IP地址>建立用于指明通往外部网络193.1.3.0/24的传 输路径的路由项。 3. 通往外部网络的传输路径 在AS1中建立的R12通往外部网络193.1.3.0/24的传输路径为R12→R11→R14→ R41,该传输路径由路由器R12、R11和R14通过内部网关协议建立的通往R14接口3连接 的网络NET9的传输路径和路由项<类型=外部网络,目的网络=193.1.3.0/24,下一跳= R41接口1的IP地址>创建。 在AS4中建立的R12通往外部网络193.1.3.0/24的传输路径为R41→R45→R43→ R31,该传输路径由路由器R41、R45和R43通过内部网关协议建立的通往R43接口4连接 的网络NET11的传输路径和路由项<类型=外部网络,目的网络=193.1.3.0/24,下一跳 =R31接口1的IP地址>创建。 在AS3中建立的R12通往外部网络193.1.3.0/24的传输路径为R31→R32→网络193. 1.3.0/24,该传输路径由路由器R31和R32通过内部网关协议建立。 5.2 IPoverATM 和IPoverSDH ATM 和SDH 是两种广域网技术,ATM 是虚电路分组交换网络,SDH 是电路交换网 络。随着路由器之间流量的增加,路由器之间物理链路的带宽日益成为瓶颈,这使得SDH 成为实现路由器远距离互联的主流广域网技术。 5.2.1 SDH 1. 产生SDH 的原因 通过分析PSTN 可以发现,PSTN 实际上是由数字传输系统互联PSTN 交换机而成的 一个网络系统,如图5.2所示。当然,可以直接用一对点对点光纤(或优质同轴电缆)互联 PSTN交换机,但这种互联方式比较复杂,如互联N 台PSTN 交换机需要N ×(N -1)/2 对光纤,因此互联PSTN 交换机的E系列链路采用复用和交换技术。在图5.3中,需要用两 第5 章 ISP 网络设计方法和实现过程 105 条E3链路分别互联PSTN 交换机1和3与PSTN 交换机2和4,但不需要单独铺设这两条 E3链路,而是通过复用一条E4链路实现。PSTN 交换机1连接的复用/分离器需要将E4 帧中某个位置的E3信号和连接PSTN 交换机1的E3链路绑定在一起,同样PSTN 交换机 3连接的复用/分离器需要将E4帧中同一位置的E3信号和连接PSTN 交换机3的E3链 路绑定在一起。复用技术要求参与复用的E 链路两端的终端设备位于同一物理区域,如 图5.3中的PSTN 交换机1和2与PSTN 交换机3和4。如果参与复用的E链路两端的终 端设备位于不同的物理区域,例如图5.4中,连接PSTN 交换机3的E3链路的另一端是 PSTN交换机7,连接PSTN 交换机4的E3链路的另一端是PSTN 交换机5。虽然PSTN 交换机3和4位于相同的物理区域,但PSTN 交换机5和7位于不同的物理区域。这种情 况下,如果要求将两条E3链路复用到同一条E4链路,则需要交叉连接交换设备实现不同 E4链路之间E3信号的交换。这种交换过程和PSTN 交换机的时隙交换过程相似,即从一 条E4链路中分离出E3信号,然后将E3信号重新复用到另一条E4链路中,转接项用于指 明E3信号在这两条E4链路中的对应关系。E4链路由4个E3信号复用而成,每一个E3 信号在E4帧中都有固定位置,这一点和每一个时隙在E1帧中有固定位置是一样的。转接 项给出同一E3信号在不同E4帧中的位置关系,如转接项<1.1:3.1>表明端口1连接的 E4链路中位置1的E3信号和端口3连接的E4链路中位置1的E3信号是对应的,即需要 从端口1连接的E4链路中分离出位置1的E3信号,然后将其复用到端口3连接的E4链 图5.2 PSTN结构 图5.3 复用技术 计算机网络工程(第2 版) 106 路的位置1中,反之亦然。PSTN 交换机中的转接项在建立呼叫连接时生成,在释放呼叫连 接时删除,而交叉连接交换设备中的转接项往往由人工静态配置。PSTN 交换机间通过复 用和交换技术建立的E3链路是电路交换网络按需建立的点对点物理链路。 图5.4 复用和交换技术 目前世界上常用的数字传输系统有两大系列:E系列和T系列。中国和欧洲使用的是 E系列,北美和日本使用的是T系列,这两个系列并不兼容。表5.1和表5.2分别给出E系 列和T系列链路的传输速率与支持同时通信的语音路数。从中可以发现,不同系列数字传 输系统之间不能直接相互通信,需要进行转换,这会对全球通信带来困扰。另外,从高次群 表5.1 E系列链路的传输速率和语音路数 速率类型一次群(E1) 二次群(E2) 三次群(E3) 四次群(E4) 五次群(E5) 传输速率/(Mb/s) 2.048 8.448 34.368 139.264 565.148 语音路数30 120 480 1920 7680 表5.2 T系列链路的传输速率和语音路数 速率类型一次群(T1) 二次群(T2) 三次群(T3) 四次群(T4) 传输速率/(Mb/s) 1.544 6.312 44.736 274.176 语音路数24 96 672 4032 第5 章 ISP 网络设计方法和实现过程 107 帧中提取低次群信号的过程也十分困难,必须逐次分离。需要从E4帧中提取E1信号,首 先需要分离出E4帧中的4个E3信号,然后从包含E1信号的E3帧中分离出4个E2信号, 再从包含E1信号的E2帧中分离出该E1信号。为解决数字传输系统的不兼容问题,简化 信号复用、分离和交换过程,需要提供一种标准的数字传输系统,这种标准的数字传输系统 就是同步数字体系。 2.SDH 帧结构 既然同步数字体系是一种通用的数字传输系统,它的帧结构必须是非常灵活的,就像是 一条滚装船必须能够同时搭乘旅客、汽车、货物甚至火车,而且应该比滚装船更加灵活。可 以把SDH 帧结构想象成具有这样一种功能的滚装船:如果只搭乘旅客,可以搭乘5000名 旅客;如果只搭乘汽车,可以搭乘500辆汽车;如果只搭乘货物,可以搭乘100t货物;如果只 搭乘火车,可以搭乘10节车厢,如果混装,按照500名旅客∶50辆汽车∶10t货物∶1节车 箱的比例,任意安排旅客、汽车、货物和火车的数量。 图5.5 SDHSTM-1帧结构 基于这样的思路,人们提出图5.5 所示的SDH 同步传送模块等级1(Synchronous TransportModulelevel-1,STM-1)帧结构,SDH 每一帧的传输时间为125μs,这完全是为了 和PSTN 中8kHz的采样频率相吻合。SDH STM-1每一帧共有9×270=2430字节,这 2430字节在传输时是逐字节、逐位传输,但在表示其帧结构时,将2430字节安排成9行,每 行270列的矩阵格式。由于每125μs传输2430字节,因此可算出其传输速率=2430× 8000×8=155.52Mb/s。155.52Mb/s传输速率中包含9列开销字节,实际净荷传输速率= 261×9×8000×8=150.336Mb/s。净荷传输速率是实际为网络结点提供的数字传输速率, 就像滚装船中真正用于搭乘旅客、汽车、货物和火车的空间,而开销字节数就像滚装船中一 些服务设施所占用的空间。不同网络结点要求的传输速率是不同的,如PSTN 交换机X要 求E2传输速率(8.448Mb/s),而PSTN 交换机Y要求E3传输速率(34.368Mb/s)。这就像 多个用户同时通过某条滚装船运送物品时,不同用户有不同的运输要求,如用户X 要求运 送20辆汽车,而用户Y要求运送2节火车车厢。对滚装船而言,需要用一种方法将不同尺 寸、不同类型的物品混装在一起;而且,为方便装卸,需要将滚装船的空间分隔成不同类型的 标准子空间,以对应不同尺寸、不同类型的物品。当然,这种子空间的分隔可以动态改变。 很显然,每一标准子空间的大小肯定不会和实际物品尺寸完全一致,应该是稍大于实际物品 尺寸。我们将实际物品放入对应标准子空间的过程称为封装,将标准子空间尺寸称为封装 计算机网络工程(第2 版) 108 空间尺寸。同样,当SDH 汇聚不同传输速率要求的数字传输服务请求时,也需要将这些不 同的传输速率要求封装成对应的标准子速率,这些标准子速率是实际的传输速率要求+作 为开销的传输速率。因此,在图5.5中,当净荷传输速率用于提供VC-4标准子速率时,真正 可以为网络结点提供数字传输服务的传输速率只有260×9×8000×8=149.760Mb/s。这 个传输速率可以支持E4传输速率。但如果要求支持E5传输速率,就需要更高速的数字传 输系统。实际上,155.52Mb/s传输速率只是SDH 的基本传输速率(STM-1),有点类似于 PSTN 中的E1传输速率。SDH 可以提供更高速的传输速率,这些高速传输速率必须是基 本传输速率的整数倍。表5.3是目前SDH 可以提供的传输速率。 表5.3 SDH 信号结构 信号速率/(Mb/s) 容量 STM-1,OC-3 155.520 1E4、84T1或3T3 STM-4,OC-12 622.080 4E4、336T1或12T3 STM-16,OC-48 2488.320 16E4、1344T1或48T3 STM-64,OC-192 9953.280 64E4、5376T1或192T3 STM-256,OC-768 39813.12 256E4、21504T1或768T3 SDHSTM-1的传输速率是由STM-1帧结构决定的,图5.6所示是支持STM-4传输速率 的STM-4帧结构。STM-4帧结构表明STM-4每125μs传输4×270×9=9720字节,可算出 其传输速率=4×2430×8000×8=622.08Mb/s。从图5.6中也可以看出,STM-4的开销也是 STM-1的4倍。通过STM-4,不难推出支持STM-N的传输速率的STM-N帧结构。 图5.6 STM-4帧结构 3.SDH 复用结构 SDH 作为标准的数字传输系统必须能够同时支持E系统和T 系列信号结构。当然, STM-1只能支持E1、E2、E3、E4和T1、T2、T3,而STM-4可以支持E5和T4。 SDH 复用过程就是将多个E系列或T 系列信号复用成单一的STM-1或STM-N 信 号的过程。对于STM-1信号,根据它的传输速率,可以得出表5.4所对应的关系。 表5.4 STM-1信号能够支持的E系列和T系列信号 信号类型E1 E3 E4 T1 T2 T3 数量63 3 1 84 21 3 第5 章 ISP 网络设计方法和实现过程 109 从表5.4中可以看出,目前能够复用为STM-1信号的E系列和T系列信号只能是E1、 E3、E4和T1、T2、T3。E2由于在实际应用中并不常见,因此SDH 目前不支持E2信号的 复用。表 5.4列出的数量是将单个信号复用为STM-1信号时支持的信号数量,即可以将63 个E1信号复用为一个STM-1信号。但实际应用中,往往是将多种信号复用成单一STM-1 信号,图5.7给出了多种信号复用为STM-1信号的过程。从图5.7中可以看出,当多种信号 复用成单一STM-1信号时,每一种信号的数量并不是任意分配的。当T1信号参与复用过 程时,它的数量必须是4的整数倍,而当E1信号参与复用过程时,它的数量必须是3的整 数倍。 图5.7 SDH 复用结构 在讨论滚装船装卸过程时也讲过,不可能在一个毫无分割的大空间内将人、汽车、货物 及火车车厢堆放在一起,应该分别为人、货物、汽车、火车车厢分割出独立的子空间。一方面 这种分割是动态的,另一方面这种分割是有基本单位的,如分隔出的旅客房间是4人间的。 因此,旅客人数最好是4的倍数,否则就会造成浪费。对于汽车、货物、火车车厢也同样 如此。因 此,当确定旅客、汽车、货物、火车车厢数量后,首先对滚装船进行空间分割(当然目前 的滚装船是固定分割好的,但为了和SDH 结构相一致,才要求它具有动态分割功能),然后 再将旅客、汽车、货物、火车车厢装入对应的子空间。将多种信号复用为单一STM-1信号的 过程也是相似的。 在SDH 结构中,对应每一种信号的基本装载结构为容器(C),对应T1、E1,T2、E3,T3、 E4的容器分别为C11(T1)、C12(E1)、C2(T2)、C3(E3和T3)和C4(E4)。容器应该有一定 的伸缩性,因为不同设备的T系列或E系列信号存在一定的传输速率误差,它必须能够装 载下误差范围内的对应信号。 计算机网络工程(第2 版) 110 虚容器(VC)由容器和通道开销(Path OverHead,POH)组成(VCn =Cn +VCn POH),通道开销的作用在于能够更方便地插入或取出信号。容器和POH 对应图5.5中一 定数量的字节数,字节数的多少决定了容器的传输速率和POH 占用的带宽。 支路单元(TU)由低阶虚容器(VC-11、VC-12、VC-2、VC-3)和支路单元指针(TU-n PTR)组成(TU-n=VC-n+TU-n PTR),支路单元指针用于指出虚容器在图5.5所示矩阵 中的位置。将虚容器变成支路单元的目的是为了更方便地存取对应信号,支路单元组 (TUG)由若干支路单元组成。 管理单元(AU)由高阶虚容器(VC-n,n =3,4)和管理单元指针(AU-n PTR)组成 (AU-n=VC-n+AU-n PTR),管理单元组(AUG)由若干管理单元组成。 以滚装船为例,可以简单说明一下管理单元组、管理单元、支路单元组、支路单元、虚容 器和容器之间的关系。一般情况下,将滚装船划分成若干层,每一层的面积相等,位置固定, 如管理单元组。在每一层,为充分使用该层空间,将该层分隔成若干独立的子空间(管理单 元),这些子空间用于装载对应的物品或旅客。不同类型的物品利用子空间的方式不同,如 用于装载火车车厢的子空间,单个子空间只能装载一节火车车厢,类似VC-3或VC-4构成 的AU-3或AU-4。有的子空间可能需要进一步分割,如装载旅客的子空间可能需要进一步 分成二等舱区、三等舱区(支路单元组),每一个舱区需要分割成多个房间(支路单元),每一 个房间分成若干床位(虚容器),床的大小又要适应不同身高的旅客。床位和床的区别在于 床位是指房间中用于固定存放床并使旅客能够方便上、下床的一个空间范围。滚装船如此 组织空间的目的在于既有效地利用空间,又方便装卸货物(或上、下旅客)。同样,SDH 如此 组织帧结构的目的也在于既要充分利用传输速率,又要方便信号的存取。 图5.8是基于SDH 实现的PSTN,它和图5.2所示的基于E系列数字传输系统实现的 PSTN结构十分相似。PSTN 交换机间的E3链路首先被复用到STM-N 帧中,传输给交叉 连接交换设备,交叉连接交换设备通过转接表在各个STM-N 帧间完成VC-3(E3信号的虚 容器封装格式)交换。图5.8所示的转接项<1.1VC-3:3.1VC-3>表明将端口1连接的 STM-N 帧中位置1的VC-3交换到端口3连接的STM-N 帧中位置1的VC-3。同样, PSTN交换机6连接的复用/分离器将STM-N 帧中位置1的VC-3和连接PSTN 交换机6 的E3链路关联在一起。从SDH 帧结构和复用过程中可以看出,SDH 一是解决了统一传 输E系列和T系列信号的问题,二是解决了直接在STM-N 帧中分插和交换任何次群E系 列和T系列信号的问题。 5.2.2 ATM 1. 引出ATM 的原因 目前,许多国家通常由不同的公司经营PSTN 和SDH,这种情况下,选择PSTN 交换 机间用于传输语音信号的数字信号结构显得十分重要。如果数字信号速率太低,而跨 PSTN交换机呼叫很密集,则大量呼叫不能连接成功,影响用户通信。反之,如果数字信号 速率太高,而跨PSTN 交换机呼叫没有密集到充分利用数字信号传输能力的程度,则导致 PSTN 交换机间传输通路的带宽浪费,经营成本增大。选择合适的PSTN 交换机间传输通 路带宽的困难之处在于跨PSTN 交换机的呼叫密度不是恒定的,而是变化的。 为提高互联PSTN 交换机的E系列链路的传输效率,应该由另一种复用设备而不是由 第5 章 ISP 网络设计方法和实现过程 111 图5.8 基于SDH 实现的PSTN结构 PSTN 交换机直接占用SDH 提供的E3链路传输带宽,PSTN 交换机和其他终端设备(如路 由器)通过该复用设备共享E3链路传输带宽,当然,为保证用户的语音通信质量,语音信号 优先占用E3链路传输带宽。图5.9所示是这种应用的结构图。 图5.9 多种终端设备共享E3信号带宽的结构图