高速網

智能理論和技術在高速網絡的業務量控制、路由選擇等方面有很好的應用前景。高速網絡的業務量控制和路眭j選擇是高速網絡管理的關鍵問題，直接影響到網絡的效率和性能。它們的最大特點是實時性要求很高，複雜的．耗時的解析算法是難以採用的。為了保證實時性，在選擇控制算法時，主要以簡單快速為目標。但過於一般的簡單算法往往難以提高網絡的利用率，因此人們希望用智能化的方法來解決這類問題。大量研究結果表明，採用神經網絡、遺傳算法、模糊控制等方法的確能夠有效地提高控制的實時性和網絡的利用率，可以預計，高速網的管理和控制將越來越多地採用智能化的方法。 ^[2] 

高速廣域網(WAN)主要包括兩種技術形式：異步轉移模式(ATM)和幀中繼。

ATM是CCITT於1990年1月在日內瓦會議上確定的B-ISDN的最終轉移模式，它可用於B-ISDN中各類信息的複用和交換，是實現B-ISDN的基礎。它在信息格式和交換方式上與分組交換類似，而在網絡構成和控制方式上又與電路交換相似。它不僅能高效地利用傳輸和交換設備，而且還具有很高的靈活性，能實現多種業務的綜合，適於傳送數據、語音、圖像等多媒體信息。

ATM的協議有物理層、ATM層、ALL(ATM 適配層)和高層協議之分。高層協議負責對信息進行編碼，具有獨立的服務功能特性。ATM網絡採用的交換技術是快速分組交換(FPS)。在ATM網絡中，信道的高速率使得信道傳輸延遲與信元傳輸時間之比值明顯增大，網絡的協議處理時間相對於信元的傳輸時問也大大增加，因此傳統的“反應性控制”方法己不適於ATM網絡的擁塞控制，而應採取所謂“預防性控制技術”來解決ATM網絡的擁塞問題。

ATM交換機是構築ATM網絡的關鍵設備，按其功能可分為ATM節點交換機和ATM接入交換機，後者較適於WAN的主幹交換，幀中繼較好地解決了現有公用通信網向ATM網絡的過渡問題。幀中繼有超過現有x.25成為公共數據服務主幹WAN技術的趨勢。

幀中繼網絡的構成主要包括接人設備和交換設備。接人設備主要是指智能用户住宅設備(CPE)。它可包括主機、網橋、路由器、分組交換機等。交換設備主要包括T1/E1一次羣複用器、分組交換機等。幀中繼分為控制平面和用户平面。前者執行數據鏈路呼叫控制功能，後者執行端用户之間的數據傳輸。控制平面使用CCITT的Q.931和Q.932兩個協議。用户平面使用Q922(LAPF)協議的核心部分，其餘部分為可選功能集。幀中繼網絡可提供多媒體、虛擬專用網，提高傳統低速數據通信網的匯接能力以及局域網互聯等功能。

PACS系統和Telemedicine的高速LAN網包括快速以太網、FDDI和ATM-LAN。

(1)圖像傳輸快速以太網技術

快速以太網可泛指100Base-T、100VG-AnyLAN、吉位以太網和交換快速以太網。

100Base-7F 100Base-T(IEEE802.3u)是對傳統10 Base-T的擴充，按採用介質的不同又可分成100Bawse-TX、100Base-T4、100Base-FX三種形式，如圖1所示。

在物理層，100Base-T4採用5類非屏蔽雙絞線(UTP)，並採用RJ-45標準接頭，使用其中的兩對線。若採用1類屏蔽雙絞線(STP)作為傳輸介質，則使用DB-9標準接頭。100Base-T4可採用3類、4類、5類UTP，並採用塒一45標準接頭。

該網採用三態電平(+3.5v、0V、-3.5V)編碼方案，亦即8個二進制位所代表的信息只需6個三態符號來表示。此壓縮方案稱為886T，其傳輸效率是曼徹斯特編碼的2.5倍。100Base-Fx可採用兩芯62.5/125tLm光纖作傳輸介質。

在MAC(介質訪問控制)子層，以上100Base-T仍沿用CSM/CD信道訪問協議。在衝突窗口內發生衝突時，則要求發送站點在一定的時間間隙內接收衝突加強(JAM)信號。

100VG-AnyLAN 100VG-AnyLⅢ(IEEE802.12)中的VG(voice grade)表示採用話音級UTP作傳輸介質；AnyLAN表示它能支持以太網(IEEE802.3)和令牌環(IEEE802.5)中的任意一種(幀格式)。該網可稱作快速以太網，也可稱作快速令牌環。

在物理層，100VG-AnyLAN可用3類、4類、5類UTP，並使用RJ-45標準接頭中的4對線。為了能在話音級UTP上傳送100Mbps數據，該網採用了一種所謂“四分之一信令”(quar—ter signaling)技術，在集線器(Hub)和每個用户之間連接4對雙絞線，用户數據可在4對雙絞線上同時傳送，每對線理論上可提供25Mbps數據傳輸率。在編碼方面，100VG-AnyLAN採用5B/6B、NRZ和擾碼技術。

100VG，AnyLAN在MAC層提供一種所謂“需求優先訪問”(DPMA)機制。欲發送信息的站點先將發送請求傳給Hub，Hub根據網絡的忙閒狀態決定是否發送其信息。若信道空閒(帶寬允許)，則發送；若信道忙，則推遲發送。這種信道訪問機制有效地解決了CSMA/CD衝突，較適於實時信息及多媒體信息傳輸。

吉位快速以太網(IEEE802.3z)該網是100兆位以太網的邏輯升級，它將ATM的路由功能加至吉位以太網交換機中，從而有效地增強了吉位以太網的功能。按採用介質及其傳輸距離的不同，它可分成1000 Base-SX、LX、CX三種形式。

吉位以太網(交換機)除了提供數據傳輸率等基本的網絡功能服務外，還可提供服務級別(CoS)、服務質量(QoS)、多點發送、流控、路由、安全性、優先級等策略服務。

交換快速以太網 傳統局域網大都採用介質共享方式運作。可在100兆位以太網和吉位以太網中引入交換技術，形成快速以太網使某些超級用户或工作組獨佔某一專用的帶寬(10Mbps/100Mbps等)。基於交換技術的各種交換機既可工作於工作組級別，也可作為Intranet主幹上的中心交換設備使用。除帶寬分配外，交換機還應能提供支持基於SNMP的網管協議、VIAN、RMON等策略服務功能。

(2)光纖分佈式數據接口(H3DX)

FDDI是一種較為成熟的高速局域網絡，傳輸速率可達100Mbps以上。FDDI本質上是令牌環(1EEE802．5)與分佈式雙環計算機網絡(DDLCN)的結合物。在正常情況下，它可同時使用雙環和多令牌，以提高網絡效率；在故障情況下，它能較好地重構，具有較強的容錯性能。

FDDI的物理層分為兩個子層：高層為物理協議子層(PHY)，它可獨立於物理介質；低層為物理層相關介質子層(PMD)，它依賴於物理介質。採用5UTP時稱之為CDDI，採用STP時稱：藝為SDDI。其編碼採用MLT-3編碼技術。為了能利用現有的同步光纖網傳輸線路，FDDI還在物理層提供了SPM規範。FDDI在MAC子層採用了一種改進的令牌協議——定時令牌循環協議(TTR)。TTR可支持成批同步傳輸和幀突發異步傳輸，或支持兩者混合傳輸。它還可支持多幀對話傳輸。TTR保證了環上多個節點發送同步幀有足夠的帶寬和響應時間，其響應時間不會超過令牌循環時問(TTRT)的兩倍。

FDDI-II可以同時支持分組交換和電路交換，並增加了等時數據傳送功能，在結構上還增加了混合環控制模塊(HRC)。它的數據傳輸速率可以達到2.4Gb/s或更高。

(3)ATM局域網

IP over ATM IETF(Internet Engineering Task Force)提出的 IP over ATM 技術是實現傳統LAN與ATM-LAN互操作的解決方案之一，在ATM平台上運行IP可使ATM能較好地適應傳統LAN、UNIX系統、Internet等諸多網絡應用環境，保護用户現有投資。IP OVerATM 是利用在終端問建立ATM連接，以交換虛擬連接(SvC)傳送IP分組的通信方式。此種機制雖然能將ATM引入局域網中，但由於IP和ATM畢竟是兩種不同的協議結構，要想做到無縫連接，尚有不少技術難題需要解決。

ATM局域網的第二種形式是ATM局域網仿真。為使多種傳統局域網應用能方便地移植到ATM環境中，ATM提出了局域網仿真技術方案。MAC over ATM，即在ATM網上仿真局域網，提供與傳統局域網的網橋級連接。局域網仿真服務可包括三種形式：①ATM-ATM網問連接，ATM-LAN網問連接，LAN-LAN網間連接。傳統局域網可通過ATM網互聯；②局域網可與ATM主機(插有ATM網卡)通信；③ATM主機可運行現有的網絡軟件。傳統局域網可通過LAN/ATM轉換設備(負責地址及幀格式轉換，並裝有局域網仿真軟件)與ATM網絡相連接。該局域網仿真軟件運行在數據鏈路層，完成類似網橋的功能，它能支持多種上層協議(IP、IPX、Netbios等)，應用時安裝在ATM主機上。’ATM主機上的IP/IPX與局域網仿真間的接15可為開放式數據鏈路接口(ODI)或NDIS，這同傳統局域網用户的IP/IPX與MAC子層間的接口一樣。

ATM局域網仿真比 IP over ATM支持更多的網絡層協議，原LAN客户硬、軟件無需改動即可在ATM主機上運行，能較好地利用ATM的高帶寬和高數據傳輸率。其弊端是不能為用户提供相應的QoS，且在不同程度上可能降低局域網絡效率，或抵消ATM固有的長處。 ^[3] 

在物理層，主要問題是設備間的連接、相關部件(如電纜和連接器)的規範以及互換電路的功能，還有其他一些關鍵因素，如服務器總線的數據傳送率和系統處理器速度等。由EIA/TIA聯合制定的EIA/TIA-568標準具體規定了各種電纜連接參數，如垂直幹線和水平電纜的性能特點，與不同類型的電纜一起使用的連接器類型等。雖然EIA/TIA-568標準可識別四種媒介類型，但最普遍的一種是UTP。第3、第4和第5類UTP電纜分別支持16MHz、20MHz和100MHz的信號發送率。根據568標準，這些類型均由它們支持的信號發送率而不是網絡的數據率來具體規定。

由568定義的每種UTP電纜均有性能限制，這些限制用衰減和近端串音來表示。衰減及NEXT限值按照線對(wire pair)來定義，568不定義支持特定網絡所需的線對數量。用户使用電纜連接超出建議距離幾米也許不會使網絡降低性能，但這種做法可能會導致額外的衰減，從而損害數據傳輸並引起更高的錯誤率。另外，一個以太網網絡不能有一個邏輯上閉合的環路。如果是快速以太網，可以使用兩種不同傳動距離的中繼器。

兩個工作站之間可允許的距離根據用户的網絡類型而各不相同。在一個總線結構的網絡中，工作站之間的距離可以橫跨幾千米。在一個基於集線器的雙絞線網絡中，這種距離可能橫跨數百米。

工作站和服務器是否達到或接近網絡的運行速率取決於兩個因素：總線和處理器。

PCI 是最普通的一種總線。PCI 最新的體系結構支持66MHz甚至更高的時鐘速度，數據傳輸速率達到每秒528兆字節，如果將一個PCI總線的這種數據傳輸速率乘以8，就會發現它可能在理論上支持千兆以太網。但在許多情況下，一個網絡適配器支持每秒100兆位的傳輸速率很難，問題在於許多適配器的設計目標是最多以64個字節通過一條PCI總線向主控制器傳輸數據，這種方案需要24個總線主控制器操作組成的序列在一幀中填滿以太網的1500個字節的信息域。

由於這種設計限制，網絡適配器製造商們於是採取了一種並行任務分配設計。如，利用這種設計使用快速以太網適配器能夠在單一總線主控制器操作期間通過一條總線輸出一個完整的以太網包。這種技術提供的平均吞吐量約為快速以太網的每秒100兆位運行速率的94%。不過，它要求適配器佔用一個服務器7%以上的CPU容量。因此，在安裝一個網絡適配器時，就應當考慮其吞吐量及其CPU對容量的負擔。

在高速網絡中，服務器和工作站的處理能力不容忽視。Windows NT的性能監視器可讓用户檢查處理器利用情況，該信息能夠幫助用户決定某台計算機是否應被升級或替代。

不管用户使用哪種操作系統，重要的是要考慮操作系統和硬件平台的可伸縮性。如果用户使用的操作系統最多支持4個或8個處理器，或者支持多處理器所需的費用極高，那麼用户購買一個能支持16個處理器的硬件產品就毫無意義。

幀長度實際是基於第2層的參數。在數據鏈路層(OSI第2層)，首要問題是幀操作。從網絡性能上講，與網絡幀相關的問題有兩個方面：一是被納人IEEE802.3千兆以太網標準之中的載波擴充，二是幀長度。

千兆以太網的載波擴充可確保512個字節的幀長度，它限制了數據傳輸容量，這一長度是在集線器和工作站之間提供一個合理的電纜連接距離所必需的。在傳輸初期，發送的最初擴充信號為網絡節點提供了觀察另一個節點廣播的足夠時間，所以網絡節點不進行數據傳輸。

這種方法有助於減少衝突率。關於幀長度，以太網在處於每秒10兆位的速度時，要求在幀之間擁有9．6微秒的間隙。因此，每幀的時間為1230微秒。這樣在10兆位的網絡上流動的最小長度的幀最多有14880個。

以太網是一種可伸縮的技術，在一個千兆以太網上流動的最大幀數量是每秒81200幀。克服千兆以太網性能限制的一種非標準的方式是使用特大幀(jumbo frame)。特大幀將以太網1500字節的信息域擴充到9兆字節。對特大幀的支持只侷限於轉換器到服務器的全雙工連接，其目的是為了消除衝突以及對其他以太網工作站產生的不利影響。

然對性能問題採取非標準化的解決方案常常是不明智的，但要獲得接近於千兆以太網的運行速率的數據傳輸率，使用特大幀未必不可。這是因為9兆字節的幀長度不僅極大地減少協議開銷，而且減少了必須處理的幀數。

許多轉換器支持第2層和第3層操作。在檢查轉換器時，重要的是將其傳輸率與它們預定使用的需求進行比較。將轉換器上的端口數除以2，並將結果乘以端口運行速率，以此瞭解轉換器的基幹是否能支持通信負載。但僅僅這樣做是不夠的，對於一個16端口的快速以太網轉換器，其數據傳輸率不可能為每秒800兆位。除非將8台服務器與該轉換器連接，否則數據傳輸率根本不可能達到每秒800兆位。

考察路由器的重點也該放在功能上，市面上有許多所謂的第4層轉換器，但第4層轉換依然是個具有爭議的問題。因為第4層負責確保服務質量(QoS)，最低程度地減少數據丟失、複製和定序問題，所以，任何被定為第4層系統的東西都必須包括QOS條款。

會話層在表示層元素之間建立、管理和終止會話。這些會話由不同類型的應用程序產生的服務請求和服務響應組成。第5層高速聯網的一個重要特徵是設備越來越多樣化，而應用程序則變得越來越複雜，服務請求和響應的密度給第5層帶來了更沉重的負擔。第6層也存在類似的問題。這一層為應用層提供了編碼和轉換功能。這些功能包括數據壓縮和加密方案。這裏可能出現的陷阱是壓縮和加密算法正變得越來越複雜，也越來越流行。隨着這些趨勢的繼續，第6層的任務會變得更加艱鉅。

在應用層發生的事件可能會極大地影響網絡性能，特別是對於高速網絡來説，任何能夠加速應用處理的東西都是有益的。比如，工作站及服務器數據傳輸率可以通過運行像磁盤分段軟件這樣的實用程序來增強應用性能。而隨之出現的主要問題是該應用程序給網絡帶來的負擔。用户在部署一個應用程序之前，應對帶寬要求和允許時延進行仔細分析。像數據庫這種比較龐大的系統，人們越來越難以容忍它訪問遲緩，所幸的是有可擴充標記語言(XML)來提高數據庫訪問的效率。另外，網絡的不同應用程序需要的帶寬也不同，例如QoS機制可以幫助網絡區分高優先級流量和低優先級流量。

總之，用户必須保證每層的功能，這樣才能確保網絡的最佳性能。 ^[3]