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  • 2018-09-20 23:37:39

    虚电路

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    虚电路是分组交换的两种传输方式中的一种。在通信和网络中,虚电路是由分组交换通信所提供的面向连接的通信服务。在两个节点或应用进程之间建立起一个逻辑上的连接或虚电路后,就可以在两个节点之间依次发送每一个分组,接收端收到分组的顺序必然与发送端的发送顺序一致,因此接收端无须负责在接收分组后重新进行排序。虚电路协议向高层协议隐藏了将数据分割成段,包或帧的过程。

    虚电路是建立一条逻辑连接,发送方与接收方不需要预先建立连接。

    中文名

    虚电路

    外文名

    Virtual Circuit

    别    名

    虚连接或虚通道

    领    域

    通讯、计算机网络

    特    点

    同电路交换类似、面向连接

    目录

    1. 特点
    2. 分类
    3. 特点

    特点

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    虚电路通信与电路交换类似,两者都是面向连接的,即数据按照正确的顺序发送,并且在连接建立阶段都需要额外开销。但是,电路交换提供稳定的比特率和延迟时间,而虚电路服务的比特率和延迟时间要取决于以下因素:

    1.网络节点上包队列的长度;

    2.应用程序产生数据的比特率;

    3.使用统计多路复用技术时,共享同一网络资源的其他用户的负荷;

    4.许多虚电路协议通过数据重传,包括检错纠错和自动重传请求(ARQ),提供可靠的通信服务。

    虚电路是在分组交换网络上的两个或多个端点站点间的链路。它为两个端点间提供临时或专用面向连接的会话。提前定义好一条路径,可以改进性能,并且消除了帧和分组对头的需求,从而增加了吞吐率。从技术上看,可以通过分组交换网络的物理路径进行改变,以避免拥挤和失效线路,但是两个端系统要保持一条连接,并根据需要改变路径描述。

    分类

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    永久性虚电路(PVC,Permanent Virtual Circuit)是一种提前定义好的,基本上不需要任何建立时间的端点站点间的连接。在公共-长途电信服务,例如异步传输模式(ATM)或帧中继中,顾客提前和这些电信局签订关于PVC的端点合同,并且如果这些顾客需要重新配置这些PVC的端点时,他们就必须和电信局联系。

    交换型虚电路(SVC)是端点站点之间的一种临时性连接。这些连接只持续所需的时间,并且当会话结束时就取消这种连接。虚电路必须在数据传送之前建立。一些电信局提供的分组交换服务允许用户根据自己的需要动态定义SVC。

    在ATM环境,在端点站点之间的逻辑连接称为虚拟信道(VC)。虚拟路径(VP)是一个或多个VC通过一个散列网络到达相同目的地的一条定义好的路径,虽然每个VC可以连接到不同的端系统或在这个目的地的应用处理。可以将VP想象为包含一束电线的电缆。在这个比喻中,该电缆将两点和此电缆连接端系统内的独立电路相连。它的优点是,共享穿越网络的相同路径的连接被组织在一起,并使用相同的管理功能。如果已经建立了VP,就可以很轻易地增加新的VC,这时因为已经完成了定义穿越这个网络路径的工作。另外,如果这个网络为了避免拥挤或失效的线路而需要改变一条路径时,所有为这个VP建立的VC都被定向到这个新的路径。

    PVC是在帧中继环境中传统的连接方式,虽然1993年末SVC被支持加入这个规范。PVC具有特定服务特点。在与提供商建立了服务时,就定义PVC和这里列出的服务特点。这个链路的服务特点:承约信息大小(committed burst size)、承约信息率(committed information rate)、过量信息大小(excess burst size)和帧大小(frame size)。它们是在协商时定义的。

    承约信息大小(CBS)是网络提供商同意在时间间隔内的正常网络状态进行传输的最大数据(按位)的数量。

    承约信息率(CIR)是网络提供商同意的在一个PVC的正常网络状态期间传输CBS承约数据的传输率。

    过量信息大小(EBS)是最大允许的超出CBS的未承约数据(按位)的数量,这个网络将试图在一个时间间隔期间传送它们。EBS数据将在网络拥挤期间被网络按照可抛弃数据对待。

    帧大小是传送顾客数据穿越分组交换网络的帧的体积。

    特点

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    1.利用一个RTT时间来建立虚拟信道。

    2.如果交换失败,必须重新建立连接。

    3.能够通过以下方式提前避免信道阻塞:为每一个虚拟信道分配缓冲区;权限控制;对每一连接进行计费。

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    在前面的文章中我们知道运输层能够为应用程序提供无连接服务或面向连接服务。类似的是,网络层也能够在两台主机之间提供无连接服务或连接服务。但是网络层与运输层还是有差异的,具体为:
    (1)在网络层中,这些服务是由网络层向运输层提供的主机到主机的服务。在运输层中,这些服务是运输层向应用层提供的进程到进程的服务。
    (2)网络层或者提供主机到主机的无连接服务,或者提供主机到主机的连接服务,而不同时提供这两种服务。数据报网络提供网络层的无连接服务;虚电路网络提供网络层的连接服务。
    (3)运输层面向连接服务是位于网络边缘的端系统中实现的;而网络层面向连接服务在端系统及网络核心的路由器中实现。
    (4)运输层的连接建立仅涉及到两个端系统,连接建立期间,两个端系统独自决定运输层连接的参数,如初始序号与流量控制窗口长度;而对于虚电路的连接建立,沿两个端系统之间路径上的路由器都要参与虚电路的建立,且每台路由器都完全知道经过它的所有虚电路。

    一、虚电路

    虽然因特网是数据报网络,但许多其它网络体系结构例如ATM、帧中继却是虚电路网络。
    源主机到目的主机路径的行为类似于电话网络的行为,它们在性能上相似,网络行为也相似。

    1、虚电路的组成

    (1)源和目的主机之间的路径,即一系列链路和路由器。
    (2)VC号,沿着该路径的每段链路的一个号码。
    (3)沿着该路径的每台路由器中的转发表表项。

    2、使用虚电路的通信过程

    属于一条虚电路的分组将在它首部携带一个VC号。因为一条虚电路在每条链路上可能具有不同的VC号,每台中间路由器必须用一个新的VC号替代每个传输分组的VC号。该新的VC号从转发表获得。
    在这里插入图片描述
    如上图所示,靠经R1链路的号码是该连接链路的编号。假定主机A请求该网络在它自己与主机B之间建立一条虚电路,路径为A->R1->R2->B,3个链路分配VC号12、22、32。这种情况下,当在这条虚电路中的分组离开主机A时,在该分组首部中的VC字段是12;当它离开R1时VC字段是22;当它离开R2时VC字段是32.
    分组VC号变化过程为:
    在这里插入图片描述
    那么对于通过路由器的分组,该路由器是怎样决定更换其VC号呢,对于虚电路网络,每台路由器的转发表包括了VC号的转换。
    在这里插入图片描述
    图为R1路由器的转发表,入接口是1,VC号是12,出接口为2,则VC号转换为22。
    在虚电路网络中,该网络的路由器必须为进行中的连接维持连接状态信息,每当跨越一台路由器创建一个新连接,必须在该路由器的转发表中增加一个新的连接项;每当释放一个连接,必须从该表中删除该项。

    3、虚电路的3个阶段

    (1)虚电路建立:发送运输层与网络层联系,指定接收方地址,等待网络建立虚电路。网络层决定发送方与接收方之间的路径,即虚电路的所有分组要通过一系列的链路和路由器。网络层为该路径的每条链路决定一个VC号。最后,网络层在沿着路径的每台路由器的转发表中增加一个表项。在虚电路建立期间,网络层还可以预留该虚电路路径上的资源。
    (2)数据传送
    在这里插入图片描述
    一旦创建了虚电路,分组就可以开始沿着该虚电路流动了。
    (3)虚电路拆除:当发送方或接收方通知网络层它希望终止该虚电路时,就启动这个阶段。然后网络层通常将通知网络另一侧的端系统结束呼叫,并更新路径上每台分组路由器中的转发表以表明该虚电路已经不存在了。

    二、数据报

    1、数据报特点

    (1)在网络层无呼叫过程。
    (2)路由器不需要维护端到端连接的状态。
    (3)没有网络等级的”连接“的概念。
    (4)使用目的主机的地址进行分组转发。

    2、使用数据报通信过程

    当分组从源到目的地传输,它通过一系列路由器传递。这些路由器中的每台都使用分组的目的地址来转发该分组。每台路由器有一个将目的地址映射到链路接口的转发表;当分组到达路由器时,路由器使用该分组的目的地址在转发表中查找适当的输出链路接口。然后路由器有意将分组向该输出链路接口转发。如下图所示
    在这里插入图片描述
    采用地址范围来建立表项如下图:
    在这里插入图片描述
    我们看到表中的目的地址范围前面几位都是相同的,只有后面几位不同。我们可以更简化为如下:
    在这里插入图片描述
    每行代表的所有数据都在所对应的目的地址范围内。例如第一行后面*号是多少,都在11001000 00010111 00010000 00000000到11001000 00010111 00010111 11111111范围内。
    那么路由器查表方法是什么呢?
    对于给定的目的地址,我们使用最长地址前缀匹配来完成输出端口的查找。
    (1)存在匹配:例如11001000 00010111 00010110 10100001由链路接口0转发该分组。
    (2)不存在匹配:选择”其它“项对应的链路转发。
    (3)存在多个匹配:使用最长前缀匹配原则,即向与最长前缀匹配的链路接口转发分组。
    例如11001000 00010111 00011000 10101010虽然前21比特与表中的第三项匹配,但是前24比特与表中的第二项匹配,我们按照最长前缀匹配原则由链路接口1转发该分组。
    这里有几点说明:
    (1)路由器转发表只维持转发状态信息。
    (2)转发表由选路算法修改,每1到5分组更新一次;虚电路网络转发表随需电路的建立和拆除更新。
    (3)一个端系统发送给另一个端系统的一批分组可能在因特网中选择不同的路径,到达的顺序可能不一致。

    三、虚电路网络与数据报网络

    1、虚电路网络的特点

    虚电路网络源于电话产业界。
    (1)呼叫建立及每次呼叫的状态要在网络中的路由器上维持,比面向数据报的网络更复杂。
    (2)网络功能复杂,端系统设备简单。

    2、数据报网络的特点

    数据报网路由互连计算机的需求发展而来。与电话网相反。
    (1)网络层服务模型简单。
    (2)端系统功能复杂:高层实现许多功能,如按序传送、可靠数据传输、拥塞控制与DNS名字解析等。
    (3)数据报网络带来的结果是因特网服务模型提供的服务保证最少,甚至可能没有,对网络层的需求最小,使得互连使用各种不同链路层技术的网络变得更加容易。
    (4)许多应用都在位于网络边缘的主机上实现。

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    TIPS:大部分知识出自哈尔滨工业大学李全龙老师的课程讲解。

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    • 虚电路网络提供网络层连接服务
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      • 主机到主机服务
      • 网络核心实现

    虚电路(virtual circuits)

    **定义:**一条从源主机到目的主机,类似于电路的路径(逻辑连接)

    • 分组交换

    • 每个分组的传输利用链路的全部带宽

    • 源到目的路径经过的网络层功能设备共同完成虚电路功能
      效果图

    • 通信过程:

      • 呼叫建立(call setup)→数据传输→拆除呼叫
    • 每个分组携带虚电路标识(VCID),而不是目的主机地址

    • 虚电路经过的每个网络设备(如路由器),维护每条经过它的虚电路连接状态

    • 链路、网络设备资源(如带宽、缓存等)可以面向VC进行预分配

      • 预分配资源 = 可预期服务性能
      • 如ATM的电路仿真(CBR)

    效果图

    VC(虚电路)的具体实现

    每条虚电路包括:

    1. 从源主机到目的主机的一条路径
    2. 虚电路号(VCID),沿路每条链路一个编号
    3. 沿路每个网络层设备(如路由器),利用转发表记录经过的每条虚电路
    • 沿某条虚电路传输的分组,携带对应虚电路的VCID,而不是目的地址。
    • 同一条VC,在每段链路上的VCID通常不同
      • 路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号

    VC(虚电路)转发表

    效果图

    虚电路信令协议(signaling protocols)

    • 用于VC的建立、维护与拆除
    • 应用于虚电路网络
      • 如ATM、帧中继(frame-relay)网络等
    • 目前的internet不采用

    效果图

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    虚电路服务

    虚电路服务与数据报服务的本质差别表现为:是将顺序控制、差错控制和流量控制等通信功能交由通信子网完成,还是由端系统自己来完成。

    虚电路服务向端系统保证了数据的按序到达,免去了端系统在顺序控制上的开销。但是,当端系统本身并不关心数据的顺序时,这项功能便成了多余,反倒影响了无序数据的整体效率。

    070433a6zaa3eadr6aa7iq.png

    网络层向传输层提供的一种面向连接的,使所有分组有序到达目的系统的可靠的数据传输服务。

    虚电路服务的特点:

    虚电路服务与数据报服务的本质差别表现为:是将顺序控制、差错控制和流量控制等通信功能交由通信子网完成,还是由端系统自己来完成。

    虚电路服务向端系统保证了数据的按序到达,免去了端系统在顺序控制上的开销。但是,当端系统本身并不关心数据的顺序时,这项功能便成了多余,反倒影响了无序数据的整体效率。

    虚电路服务向端系统提供了无差错的数据传送,但是,在端系统只要求快速的数据传送,而不在乎个别数据块丢失的情况下,虚电路服务所提供的差错控制也就并不很必要了。相反,有的端系统却要求很高的数据传送质量,虚电路服务所提供的差错控制还不能满足要求,端系统仍需要自己来进行更严格的差错控制,此时虚电路服务所做的工作又略嫌多余。不过,这种情况下,虚电路服务毕竟在一定程度上为端系统分担了一部分工作,为降低差错概率还是起了一定作用。

    至于虚电路服务所提供的流量控制,有时对端系统来说也并不适宜,比如在要求数据交换速率尽可能高的情况下。因为,虚电路服务将数据总是按固定路径传送,而不灵活地走捷径;另外,流量控制本身就可能规定了交换速率的上限。

    虚电路服务提供了可靠的数据传送和方便的进网接口。但是,虚电路服务中电路的建立与拆除在交互式应用中会影响通信效率。

    数据报服务

    思路:可靠通信应当有用户主机来保证连接的建立:不需要终点地址:每个分组都有终点的完整的地

    070433t00f2h9zx22rofm4.png址分组的转发:每个分组独立选择路由进行转发当结点出故障时:出故障的结点可能会丢失分组,一些路由可能会发生变化。分组的顺序:到达结点时不一定按发送顺序。

    端到端的差错处理和流量控制:由用户主机负责。数据报服务是由数据报交换网来提供。端系统的网络层同网络节点中的网络层之间,一致地按照数据报操作方式交换数据。当端系统要发送数据时,网络层给该数据附加上地址、序号等信息,然后作为数据报发送给网络节点;目的端系统收到数据报可能是不按照顺序到达,也有可能出现数据报丢失。数据报服务与OSI的无连接网络服务类似。

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