[科普中国]-高速网

高速网的智能控制

智能理论和技术在高速网络的业务量控制、路由选择等方面有很好的应用前景。高速网络的业务量控制和路眭j选择是高速网络管理的关键问题，直接影响到网络的效率和性能。它们的最大特点是实时性要求很高，复杂的．耗时的解析算法是难以采用的。为了保证实时性，目前在选择控制算法时，主要以简单快速为目标。但过于一般的简单算法往往难以提高网络的利用率，因此人们希望用智能化的方法来解决这类问题。大量研究结果表明，采用神经网络、遗传算法、模糊控制等方法的确能够有效地提高控制的实时性和网络的利用率，可以预计，高速网的管理和控制将越来越多地采用智能化的方法。2

高速网技术高速广域网高速广域网(WAN)主要包括两种技术形式：异步转移模式(ATM)和帧中继。

ATM是CCITT于1990年1月在日内瓦会议上确定的B-ISDN的最终转移模式，它可用于B-ISDN中各类信息的复用和交换，是实现B-ISDN的基础。它在信息格式和交换方式上与分组交换类似，而在网络构成和控制方式上又与电路交换相似。它不仅能高效地利用传输和交换设备，而且还具有很高的灵活性，能实现多种业务的综合，适于传送数据、语音、图像等多媒体信息。

ATM的协议有物理层、ATM层、ALL(ATM 适配层)和高层协议之分。高层协议负责对信息进行编码，具有独立的服务功能特性。ATM网络采用的交换技术是快速分组交换(FPS)。在ATM网络中，信道的高速率使得信道传输延迟与信元传输时间之比值明显增大，网络的协议处理时间相对于信元的传输时问也大大增加，因此传统的“反应性控制”方法己不适于ATM网络的拥塞控制，而应采取所谓“预防性控制技术”来解决ATM网络的拥塞问题。

ATM交换机是构筑ATM网络的关键设备，按其功能可分为ATM节点交换机和ATM接入交换机，后者较适于WAN的主干交换，帧中继较好地解决了现有公用通信网向ATM网络的过渡问题。帧中继有超过现有x.25成为公共数据服务主干WAN技术的趋势。

帧中继网络的构成主要包括接人设备和交换设备。接人设备主要是指智能用户住宅设备(CPE)。它可包括主机、网桥、路由器、分组交换机等。交换设备主要包括T1/E1一次群复用器、分组交换机等。帧中继分为控制平面和用户平面。前者执行数据链路呼叫控制功能，后者执行端用户之间的数据传输。控制平面使用CCITT的Q.931和Q.932两个协议。用户平面使用Q922(LAPF)协议的核心部分，其余部分为可选功能集。帧中继网络可提供多媒体、虚拟专用网，提高传统低速数据通信网的汇接能力以及局域网互联等功能。

高速LAN网PACS系统和Telemedicine的高速LAN网包括快速以太网、FDDI和ATM-LAN。

(1)图像传输快速以太网技术

快速以太网可泛指100Base-T、100VG-AnyLAN、吉位以太网和交换快速以太网。

100Base-7F 100Base-T(IEEE802.3u)是对传统10 Base-T的扩充，按采用介质的不同又可分成100Bawse-TX、100Base-T4、100Base-FX三种形式，如右图所示。

在物理层，100Base-T4采用5类非屏蔽双绞线(UTP)，并采用RJ-45标准接头，使用其中的两对线。若采用1类屏蔽双绞线(STP)作为传输介质，则使用DB-9标准接头。100Base-T4可采用3类、4类、5类UTP，并采用埘一45标准接头。

该网采用三态电平(+3.5v、0V、-3.5V)编码方案，亦即8个二进制位所代表的信息只需6个三态符号来表示。此压缩方案称为886T，其传输效率是曼彻斯特编码的2.5倍。100Base-Fx可采用两芯62.5/125tLm光纤作传输介质。

在MAC(介质访问控制)子层，以上100Base-T仍沿用CSM/CD信道访问协议。在冲突窗口内发生冲突时，则要求发送站点在一定的时间间隙内接收冲突加强(JAM)信号。

100VG-AnyLAN 100VG-AnyLⅢ(IEEE802.12)中的VG(voice grade)表示采用话音级UTP作传输介质；AnyLAN表示它能支持以太网(IEEE802.3)和令牌环(IEEE802.5)中的任意一种(帧格式)。该网可称作快速以太网，也可称作快速令牌环。

在物理层，100VG-AnyLAN可用3类、4类、5类UTP，并使用RJ-45标准接头中的4对线。为了能在话音级UTP上传送100Mbps数据，该网采用了一种所谓“四分之一信令”(quar—ter signaling)技术，在集线器(Hub)和每个用户之间连接4对双绞线，用户数据可在4对双绞线上同时传送，每对线理论上可提供25Mbps数据传输率。在编码方面，100VG-AnyLAN采用5B/6B、NRZ和扰码技术。

100VG，AnyLAN在MAC层提供一种所谓“需求优先访问”(DPMA)机制。欲发送信息的站点先将发送请求传给Hub，Hub根据网络的忙闲状态决定是否发送其信息。若信道空闲(带宽允许)，则发送；若信道忙，则推迟发送。这种信道访问机制有效地解决了CSMA/CD冲突，较适于实时信息及多媒体信息传输。

吉位快速以太网(IEEE802.3z)该网是100兆位以太网的逻辑升级，它将ATM的路由功能加至吉位以太网交换机中，从而有效地增强了吉位以太网的功能。按采用介质及其传输距离的不同，它可分成1000 Base-SX、LX、CX三种形式。

吉位以太网(交换机)除了提供数据传输率等基本的网络功能服务外，还可提供服务级别(CoS)、服务质量(QoS)、多点发送、流控、路由、安全性、优先级等策略服务。

交换快速以太网 传统局域网大都采用介质共享方式运作。可在100兆位以太网和吉位以太网中引入交换技术，形成快速以太网使某些超级用户或工作组独占某一专用的带宽(10Mbps/100Mbps等)。基于交换技术的各种交换机既可工作于工作组级别，也可作为Intranet主干上的中心交换设备使用。除带宽分配外，交换机还应能提供支持基于SNMP的网管协议、VIAN、RMON等策略服务功能。

(2)光纤分布式数据接口(H3DX)

FDDI是一种较为成熟的高速局域网络，传输速率可达100Mbps以上。FDDI本质上是令牌环(1EEE802．5)与分布式双环计算机网络(DDLCN)的结合物。在正常情况下，它可同时使用双环和多令牌，以提高网络效率；在故障情况下，它能较好地重构，具有较强的容错性能。

FDDI的物理层分为两个子层：高层为物理协议子层(PHY)，它可独立于物理介质；低层为物理层相关介质子层(PMD)，它依赖于物理介质。采用5UTP时称之为CDDI，采用STP时称：艺为SDDI。其编码采用MLT-3编码技术。为了能利用现有的同步光纤网传输线路，FDDI还在物理层提供了SPM规范。FDDI在MAC子层采用了一种改进的令牌协议——定时令牌循环协议(TTR)。TTR可支持成批同步传输和帧突发异步传输，或支持两者混合传输。它还可支持多帧对话传输。TTR保证了环上多个节点发送同步帧有足够的带宽和响应时间，其响应时间不会超过令牌循环时问(TTRT)的两倍。

FDDI-II可以同时支持分组交换和电路交换，并增加了等时数据传送功能，在结构上还增加了混合环控制模块(HRC)。它的数据传输速率可以达到2.4Gb/s或更高。

(3)ATM局域网

IP over ATM IETF(Internet Engineering Task Force)提出的 IP over ATM 技术是实现传统LAN与ATM-LAN互操作的解决方案之一，在ATM平台上运行IP可使ATM能较好地适应传统LAN、UNIX系统、Internet等诸多网络应用环境，保护用户现有投资。IP OVerATM 是利用在终端问建立ATM连接，以交换虚拟连接(SvC)传送IP分组的通信方式。此种机制虽然能将ATM引入局域网中，但由于IP和ATM毕竟是两种不同的协议结构，要想做到无缝连接，尚有不少技术难题需要解决。

ATM局域网的第二种形式是ATM局域网仿真。为使多种传统局域网应用能方便地移植到ATM环境中，ATM提出了局域网仿真技术方案。MAC over ATM，即在ATM网上仿真局域网，提供与传统局域网的网桥级连接。局域网仿真服务可包括三种形式：①ATM-ATM网问连接，ATM-LAN网问连接，LAN-LAN网间连接。传统局域网可通过ATM网互联；②局域网可与ATM主机(插有ATM网卡)通信；③ATM主机可运行现有的网络软件。传统局域网可通过LAN/ATM转换设备(负责地址及帧格式转换，并装有局域网仿真软件)与ATM网络相连接。该局域网仿真软件运行在数据链路层，完成类似网桥的功能，它能支持多种上层协议(IP、IPX、Netbios等)，应用时安装在ATM主机上。’ATM主机上的IP/IPX与局域网仿真间的接15可为开放式数据链路接口(ODI)或NDIS，这同传统局域网用户的IP/IPX与MAC子层间的接口一样。

ATM局域网仿真比 IP over ATM支持更多的网络层协议，原LAN客户硬、软件无需改动即可在ATM主机上运行，能较好地利用ATM的高带宽和高数据传输率。其弊端是不能为用户提供相应的QoS，且在不同程度上可能降低局域网络效率，或抵消ATM固有的长处。3

高速网建设物理层问题在物理层，主要问题是设备间的连接、相关部件(如电缆和连接器)的规范以及互换电路的功能，还有其他一些关键因素，如服务器总线的数据传送率和系统处理器速度等。由EIA/TIA联合制定的EIA/TIA-568标准具体规定了各种电缆连接参数，如垂直干线和水平电缆的性能特点，与不同类型的电缆一起使用的连接器类型等。虽然EIA/TIA-568标准可识别四种媒介类型，但最普遍的一种是UTP。第3、第4和第5类UTP电缆分别支持16MHz、20MHz和100MHz的信号发送率。根据568标准，这些类型均由它们支持的信号发送率而不是网络的数据率来具体规定。

由568定义的每种UTP电缆均有性能限制，这些限制用衰减和近端串音来表示。衰减及NEXT限值按照线对(wire pair)来定义，568不定义支持特定网络所需的线对数量。用户使用电缆连接超出建议距离几米也许不会使网络降低性能，但这种做法可能会导致额外的衰减，从而损害数据传输并引起更高的错误率。另外，一个以太网网络不能有一个逻辑上闭合的环路。如果是快速以太网，可以使用两种不同传动距离的中继器。

两个工作站之间可允许的距离根据用户的网络类型而各不相同。在一个总线结构的网络中，工作站之间的距离可以横跨几千米。在一个基于集线器的双绞线网络中，这种距离可能横跨数百米。

总线与服务器问题工作站和服务器是否达到或接近网络的运行速率取决于两个因素：总线和处理器。

PCI 是最普通的一种总线。PCI 最新的体系结构支持66MHz甚至更高的时钟速度，数据传输速率达到每秒528兆字节，如果将一个PCI总线的这种数据传输速率乘以8，就会发现它可能在理论上支持千兆以太网。但在许多情况下，一个网络适配器支持每秒100兆位的传输速率很难，问题在于许多适配器的设计目标是最多以64个字节通过一条PCI总线向主控制器传输数据，这种方案需要24个总线主控制器操作组成的序列在一帧中填满以太网的1500个字节的信息域。

由于这种设计限制，网络适配器制造商们于是采取了一种并行任务分配设计。如，利用这种设计使用快速以太网适配器能够在单一总线主控制器操作期间通过一条总线输出一个完整的以太网包。这种技术提供的平均吞吐量约为快速以太网的每秒100兆位运行速率的94%。不过，它要求适配器占用一个服务器7%以上的CPU容量。因此，在安装一个网络适配器时，就应当考虑其吞吐量及其CPU对容量的负担。

CPU问题在高速网络中，服务器和工作站的处理能力不容忽视。Windows NT的性能监视器可让用户检查处理器利用情况，该信息能够帮助用户决定某台计算机是否应被升级或替代。

不管用户使用哪种操作系统，重要的是要考虑操作系统和硬件平台的可伸缩性。如果用户使用的操作系统最多支持4个或8个处理器，或者支持多处理器所需的费用极高，那么用户购买一个能支持16个处理器的硬件产品就毫无意义。

帧长度问题帧长度实际是基于第2层的参数。在数据链路层(OSI第2层)，首要问题是帧操作。从网络性能上讲，与网络帧相关的问题有两个方面：一是被纳人IEEE802.3千兆以太网标准之中的载波扩充，二是帧长度。

千兆以太网的载波扩充可确保512个字节的帧长度，它限制了数据传输容量，这一长度是在集线器和工作站之间提供一个合理的电缆连接距离所必需的。在传输初期，发送的最初扩充信号为网络节点提供了观察另一个节点广播的足够时间，所以网络节点不进行数据传输。

这种方法有助于减少冲突率。关于帧长度，以太网在处于每秒10兆位的速度时，要求在帧之间拥有9．6微秒的间隙。因此，每帧的时间为1230微秒。这样在10兆位的网络上流动的最小长度的帧最多有14880个。

以太网是一种可伸缩的技术，在一个千兆以太网上流动的最大帧数量是每秒81200帧。克服千兆以太网性能限制的一种非标准的方式是使用特大帧(jumbo frame)。特大帧将以太网1500字节的信息域扩充到9兆字节。对特大帧的支持只局限于转换器到服务器的全双工连接，其目的是为了消除冲突以及对其他以太网工作站产生的不利影响。

然对性能问题采取非标准化的解决方案常常是不明智的，但要获得接近于千兆以太网的运行速率的数据传输率，使用特大帧未必不可。这是因为9兆字节的帧长度不仅极大地减少协议开销，而且减少了必须处理的帧数。

转换器与路由器许多转换器现在支持第2层和第3层操作。在检查转换器时，重要的是将其传输率与它们预定使用的需求进行比较。将转换器上的端口数除以2，并将结果乘以端口运行速率，以此了解转换器的基干是否能支持通信负载。但仅仅这样做是不够的，对于一个16端口的快速以太网转换器，其数据传输率不可能为每秒800兆位。除非将8台服务器与该转换器连接，否则数据传输率根本不可能达到每秒800兆位。

考察路由器的重点也该放在功能上，市面上有许多所谓的第4层转换器，但第4层转换依然是个具有争议的问题。因为第4层负责确保服务质量(QoS)，最低程度地减少数据丢失、复制和定序问题，所以，任何被定为第4层系统的东西都必须包括QOS条款。

应用层的问题会话层在表示层元素之间建立、管理和终止会话。这些会话由不同类型的应用程序产生的服务请求和服务响应组成。第5层高速联网的一个重要特征是设备越来越多样化，而应用程序则变得越来越复杂，服务请求和响应的密度给第5层带来了更沉重的负担。第6层也存在类似的问题。这一层为应用层提供了编码和转换功能。这些功能包括数据压缩和加密方案。这里可能出现的陷阱是压缩和加密算法正变得越来越复杂，也越来越流行。随着这些趋势的继续，第6层的任务会变得更加艰巨。

在应用层发生的事件可能会极大地影响网络性能，特别是对于高速网络来说，任何能够加速应用处理的东西都是有益的。比如，工作站及服务器数据传输率可以通过运行像磁盘分段软件这样的实用程序来增强应用性能。而随之出现的主要问题是该应用程序给网络带来的负担。用户在部署一个应用程序之前，应对带宽要求和允许时延进行仔细分析。像数据库这种比较庞大的系统，人们越来越难以容忍它访问迟缓，所幸的是现在有可扩充标记语言(XML)来提高数据库访问的效率。另外，网络的不同应用程序需要的带宽也不同，例如QoS机制可以帮助网络区分高优先级流量和低优先级流量。

总之，用户必须保证每层的功能，这样才能确保网络的最佳性能。3