一种宽带网络交换技术——DTM交换

赵继春 沈元隆

（南京邮电学院电子工程系 南京210003）

　　摘 要 在电路交换、分组交换和ATM交换的基础上，研究了一种新的交换技术——动态同步传输模式（DTM）。DTM是基于电路交换的宽带网络技术，这种技术可以动态地分配时隙。DTM将IP业务与电路交换下的语音通信融合起来，提供基于多播多速率信道的服务，可以充分利用光纤容量，大大提高现有电路交换系统的性能和效益。

　　关键词 电路交换 分组交换 动态同步传输模式

1 引言

　　在广域范围内，数据通信典型地把数据从源节点经过中间交换节点的网络传送到目的节点。这些交换节点不关心数据的内容，它们的目的是提供在节点间移动数据的交换设施，直到它们到达目的地。在广域交换网络中使用两种相当不同的技术：电路交换和分组交换。这两种技术在把信息从一条链路交换到另一条链路的方式上有明显的差异。

　　电路交换在通信的两个站之间有一条专用的通信通路。通常电路交换的通信要经历三个阶段：电路建立—数据传输—电路释放。电路交换非常适合语音信号的模拟传输，但也有明显的弱点，就是带宽利用率较低。

　　分组交换使用存储—转发技术，数据以短的分组形式传送。实质上是采用了动态分配带宽的策略，使得通信线路的利用率大大提到，和电路交换相比它具有高效、灵活、迅速和可靠的优点。但也有明显的缺点，比如适时性不强等。

　　ATM交换就是电路交换和分组交换结合的产物，它和电路交换一样提供面向连接的服务，而分组交换提供面向无连接的服务。它选择固定长度的信元作为传输单位，可以实现多速率传输的服务。

　　下一代网络既要支持传统的通信服务，又要支持快速发展的数据通信业务。已有的交换技术各有优缺点，而电路交换在电信技术中已取得广泛的统治地位，要抛弃它重建一个新的系统，无疑投入是巨大的，不可行的。所以怎么去改进现有的电路交换就成为一个十分必要的研究课题。本文就是针对这个问题提出了电路交换的一种改进方案——DTM。下面的第一部分我们主要介绍DTM，第二部分对DTM的性能做出评价，第三部分为文章的结语。

2 动态同步传输模式

　　DTM（动态同步传输模式）把IP业务与电路交换下的语音通信融合起来。该传输模式结合了异、同步媒体访问机制的特点。DTM是时分复用（TDM）方案，可以保证每个主机都拥有一定的带宽，并主要提供数据业务；同时，它也具有异步传输的特点，如ATM的动态带宽分配，这就意味着网络可以及时适应流量变化，并在主机之间按照不同的需求分配带宽。DTM网络上的主机以信道形式与其他主机进行通信，DTM信道是一种动态资源，其带宽可以从512kbit/s一直到光纤总容量（间隔为512kbit/s）。 DTM的每个信道都有一组初始时隙，在信道生命周期内，这些时隙会动态变化；由于信道时隙有了保证，DTM网络的实时特性可以达到极高的层次。DTM信道也是一种多播信道，在一个特定时刻，任何信道都可以有一个发送者和若干个接收者，从而实现多播。从功能上讲，DTM与SONET/SDH类似，是一种传输技术，它提供了比ATM更为强大的带宽管理，而且可以方便地对带宽进行扩展。

2.1 DTM的时隙分配

　　DTM面向多址接入的非定向媒体，通过连接节点可以控制各个媒体的容量分配，它可以建立在不同的本地拓扑网络上，包括环型和双总线型等。DTM以信道方式提供服务，一个信道就是一组具有一个发送者和若干个接收者的时隙；共享物理媒体上的信道通过时分复用方式（TDM）实现数据传输。

　　系统的总容量被分割为125μｓ的时帧，这些帧再分割为长64bit的时隙，这样划分可以适应数字语音和ISDN；每个帧所拥有的位时隙数取决于位速率，如果位速率为2.5Gbit/s，那么位时隙的数量约为4800。位时隙分为数据和控制两大类，在任一时刻，每个位时隙可以是数据时隙，或者是控制时隙；每个节点至少可以访问一个控制时隙，以发送控制信息到其他节点，或者对来自其他节点的控制信息做出回应，抑或是发送管理信息等。在整个系统容量中，控制时隙仅占极小的一部分，绝大部分是用于传送负载的数据时隙。在系统建立时，时隙按照预先的比例分配给各个节点，当系统运行时，根据需求再动态地为每个节点分配时隙。

　　DTM采用分布式算法实现时隙的动态分配，每个节点都有自己的自由时隙池，同时保存有一个状态列表，用来存储同一连接上其他节点的自由时隙信息。当接收到用户的请求时，节点首先检查自己的空闲时隙数量，如果足以满足用户请求，即刻发送信息到下一站；否则，它必须根据状态列表向其他节点申请时隙。每个节点都按照一定的周期发送本地时隙池的状态信息。每个节点都有一个控制节点间信令的网络控制器，通过控制时隙发送的信令用于信道管理和时隙预留。

2.2 DTM的信道建立

　　当DTM用户试图建立一个信道时，它向网络控制器发送“creat”请求，网络控制器分配所需的带宽并向目的节点发送“announce”信息；同时，它在DTM链路层建立起信道列表并发回“indication”指示，以通知用户它所需要的信道容量（即每个帧所拥有的时隙数）已分配到位。此后，用户可以等待接收方的确认信息，也可以直接发送数据。数据发送完毕后，用户发出取消信息，通知接收方信道即将关闭，保留的时隙也将重新分配。

　　然而在DTM网络中，吞吐量和访问延迟之间存在着一种平衡关系，信道的建立延迟取决于可用的时隙数和网络中“HOP”的数目。对于小的信道，其所需的时隙数可以迅速获得，而对于大的信道，还要向别的节点请求更多的时隙。假定一个用户有非常大的吞吐量和较高的服务质量需求，比如双向视频信道，可以保证访问延迟不超过10~20ms，另一方面对于频繁到达的IP包数据流，网络可以永久提供不低于512kbit/s的服务。

　　快速电路交换网络的效率在很大程度上取决于与信道建立和删除有关信令的延迟，而DTM信道可以迅速建立，其延迟不到1ms。

2.3 DTM时隙预留

　　DTM使用严格的时隙预留方案，只有拥有足够的自由时隙的信道才允许建立，一旦一个路由建立，用户必须保证预留带宽直到信道拆除。这样就不会出现网络拥塞，而只需要在接入点进行流量控制。

　　DTM可为用户提供以下预留方案：

　　（1）对那些需要稳定比特率和稳定延迟的高级用户，在信道建立时就给予固定的带宽。

　　（2）对那些需要一个最小保证带宽，又可以选择额外带宽的用户，我们先给它预留一定数量的时隙，在可能的情况下再分配额外时隙。

　　（3）为那些突发流量，我们随时分配带宽，发送完毕，立即拆除。

2.4 DTM交换

　　通过交换节点将若干个链路互相连接，就可以对DTM网络进行有效扩展。DTM采用分散式交换，每个节点都有两个以上的链路，以实现它们之间的数据交换。这种交换方式的优点在于，随着交换节点的不断增加，网络的交换容量也将逐步提升。DTM交换是同步的，因此信道的交换延迟也是连续的，这就意味着一个多HOP信道有着如同单一链路一样的特性，区别仅在于延迟稍长一点。只要交换节点为每个链路缓存一个数据帧，该节点就不会发生拥塞或溢出。

2.5 DTM信道特性

　　DTM信道有如下特性：

　　（1）单工：信道的建立是从发送方到接受方，由两个反方单工信道组成的双工连接，它们可以有不同的带宽，从而实现非对称通信。

　　（2）多速率：信道可以有任意数量的数据时隙，因此，信道带宽可以是512kbit/s的任意倍数，直至链路的总容量，且数据传输不会中断。

　　（3）多播：一个信道可以有多个接受者。

　　分配一组数据时隙并发送与信道建立有关的控制信息，节点即可创建信道。控制信息可以发送到单一节点，也可以发到一组节点，并宣布信道已建立以及使用了哪些时隙。为了建立信道，发送者必须为信道分配时隙。沿着信道的每个交换节点也必须如此；随后，交换节点从输入连接复制时隙到输出连接，实现信道的交换。如果任何一个节点不能分配足够的时隙，多HOP信道将无法建立，这时就必须寻找另外一个路由，使用多个物理链路可以实现负载均衡和冗余。

2.6 DTM多播信道

　　传统电路是从发送方到接收方的点到点连接，而DTM因为时隙可以被一个链路上的多个节点读取，并行支持多播。交换机能够复制数据到另一个连接上，因此，多播信道可以方便地跨越几个网络HOP。

　　如果通信在一个链接内完成，那么信道建立就是系统内部的信令问题。在一个多播组中不需要为添加的接受者增加多余的时隙。当信道通过交换节点而实现几个链接的时候，每一个HOP就被递归地看作在新的系统里建立一个新的信道。端到端之间HOP的数量由每一链路的节点基数决定。带有很多节点的精简链路近似于局域网，而具有较少节点的稀疏链路等效于长距离传输，然而从协议的观点来看，几百个节点的校园网和几十个节点的骨干网是没有区别的。一次一个链路可能过载，可以把它一分为二，通过一个交换节点连接，这就实现一个递归可升级网络。

3 DTM的特性和优势

3.1 DTM的传输性能

　　DTM是一种充分利用光纤容量的网络技术，通过光纤技术可以极大程度地增加DTM系统的传输容量。波分复用（WDM）技术的出现，使网络传输速率可达Tbit/s级以上。DTM是基于电路交换的单一硬件交换技术，没有数据的处理和缓存，因此，DTM可以建立容量高达Tbit/s级的分布式交换系统，而对电路交换的简单性和可靠性并不产生任何影响。

　　DTM对信道实行物理分离，从根本上支持区分业务。处理不同流量类型的最简单的办法就是，把突发式流量与实时流量分别在不同的信道中传输，DTM在统一的网络环境中对数据业务和传统电话业务进行有效分离；此外，网络的同步性在整个网络中提供了低而固定的延迟，而且没有拥塞。

　　DTM综合了传统电路交换和分组交换的优点，当传送数据IP流量时，它的利用率得到了极大的提高。DTM网络主要是为了有效地承载数据业务，但由于采用了同步交换和125μｓ的时帧，它也可以与ＳＤＨ等网络实现互操作。ＤＴＭ的高容量和高服务质量也使它可以用于高质量的视频传播。ＤＴＭ类似于ＳＯNET/SDH，它提供了比ＡＴＭ更为强大的带宽管理。

3.2 DTM的网管优势

　　DTM从以下几个方面简化了网络管理：

　　（1）交换和传输集成在同一设备中，减少了需要管理的设备；

　　（2）由于网络可以根据流量要求在节点之间、信道之间动态地分配资源，因此它可以视为一个自治系统，简化网络规划和配置。

　　（3）DTM的网络管理系统采用了基于SNMP的Internet管理结构和基于Web的接口，其信令协议和分布式资源管理使之可以建立端到端的信道，无需逐HOP手工配置。

4 结语

　　DTM是基于电路交换的宽带网络，具有时隙动态分配的功能，它既克服了传统电路交换的缺点，同时也汲取了ATM的诸多优点。DTM可以充分利用光纤容量，它的出现弥补了现有宽带网络在严格QoS需求方面的不足，改善了电路交换的性能和效益，在数据交换中具有极大的可行性。

参 考 文 献

[1] Tanenbaum A S . Computer Networks，3ird Ed . Prentice Hall, Inc . 1996

[2] Kurose, James F. Computer Networking（影印版）. 北京: 高等教育出版社, 2001

[3] 王 . B-ISDN与ATM基础理论及应用 . 北京：中国铁道出版社，2001。

[4] 万博通公司技术部编 . 网络系统集成实用技术与方案设计指南 . 北京：海洋出版社，1999

[5] 李宏乔 等著 . 宽带网络技术原理 . 北京：机械工业出版社，2002

　　赵继春，南京邮电学院电路与系统专业硕士研究生。2001年毕业于安徽大学电子工程系。目前的研究方向为通信网络的可靠性技术。

　　沈元隆，南京邮电学院教授。中国电机工程学会会员。1997年享受政府特殊津贴。目前的研究方向为通信网络的可靠性技术。001。

----《中国数据通信》