第三章 分组交换数据网

数据通信技术 第三章 分组交换数据网 第三章 分组交换数据网 3.1 分组交换数据网的构成 3.1.1 分组交换数据网的基本结构 计算机通信的特点是传送信息的突发性，信息的传送希望在短时间内完成。分组交换方式的动态复用信道特性非常适合计算机通信，因此分组交换网得到了迅速发展，当前已开通世界范围的分组交换数据网。 图3-1 公用分组交换网的基本结构 分组交换网的基本结构如图3-1所示。通常采用分级结构，根据业务流量、流向和行政地区设立各级分组交换中心。一级交换中心可用中转分组交换机或中转与本地合一的分组交换机。一级交换中心相互连接构成的网通常称为骨干网。一级中心一般设在大中城市。由于大中城市之间的业务量一般较大，且各个方向都有，所以骨干网一般采用全连通的不完全网状网的拓扑结构。二级以下的交换中心一般设在中小城市。由于中小城市间业务量一般较少，而它与大城市之间的业务量一般较多，所以它们之间一般采用星状拓扑结构，必要时也可采用不完全网状拓扑结构。分组交换网由分组交换机、网络管理中心、远程集中器与分组装拆设备、分组终端和传输信道等组成。 3.1.2 分组交换数据网的主要设备 1. 分组交换机 分组交换机是分组数据网的枢纽。根据交换机在网中所处地位的不同，可分为中转交换机和本地交换机。前者容量大，每秒能处理的分组数目多，所有通路端口都是用于分组交换机之间互连的中继端口，为此该机的路由选择功能强，能支持的线路速率高；后者通信容量小，每秒能处理的分组数目少，绝大部分的线路端口为用户端口，主要接至用户数据终端，只允许一个或几个通路端口作为中继端口接至中转交换机，它具有本地交换的功能，所以它们无路由选择功能或仅有简单的路由选择功能。有时，为了网路的灵活，把上述两种交换机功能合二而一，称为本地与中转合一的分组交换机，它既有中转交换机的功能，又有用户端口。 分组交换机主要有下列功能： 1) 其支持网路的基本业务(虚呼叫、永久虚电路)及补充业务，如闭合电路群、快速选择、网路用户识别等； 2) 其可进行路由选择，以便在两个DTE之间选择一条较合适的路由；进行流量控制，以使不同速率的终端也能进行互相通信； 3) 其可实现X.25、X.75等多种； 4) 其可完成局部的维护、运行管理、与诊断、计费及一些网路的统计等功能。 2. 网管中心 为了使全网有效、协调地运行，甚至在网路中发生故障时仍能正常运行，同时也为网路管理者和用户提供友好与方便的服务，全网设立网络管理中心(NMC)。网络管理有两种方式，即集中管理和集中与分散相结合管理。集中管理方式适合于网络规模较小场合，全网只设一个网管中心。网络规模较大时采用集中与分散相结合的管理方式，如图3-2所示。这种方式中，全网设立一个全网管理中心(NMC－C)及若干个区域网络管理中心(NMC－R)。通过NMC－C可管理全网的骨干网及各区域的NMC－R，但它可以通过相关命令了解全网运行情况及有关信息。若网中某个NMC－R发生故障时，可由NMC－C或另外的NMC－R代替其工作。 图3-2 集中与分散相结合的网路管理方式 网路管理中心的功能一部分由该设备自动完成，另一部分通过操作员终端由人工对网路进行管理与控制。其主要功能有： 1) 网路配置管理与用户管理 2) 日常运行数据的收集与统计 3) 路由选择管理 4) NMC通过网络对各交换机软件加载及修改 5) 网络监测、故障告警与网络状态显示 6) 计费管理 3. 分组装拆设备和远程集中器 计算机和智能终端与分组网之间的接口是按ITU-TX.25建议实施的，它们都称为分组终端。对于较简单的异步字符终端(无X.25接口的终端)，可通过分组装拆设备(PAD)接入分组网内。 1) 分组装拆设备(PAD) PAD可以安装在分组交换机内，也可设在远离分组交换机的地方，采用X.25协议接至分组交换机，PAD主要有两个功能： a) 规程转换功能 PAD可把非分组终端的简单接口规程与X.25协议进行相互转换。完成字符的组装和分组的拆卸。 b) 数据集中功能 PAD可把各终端的字符数据流组成的分组，按照X.25协议在PAD至分组交换机的中、高速线路上交织复用。 2) 远程集中器(RCU) RCU的功能介于分组交换机与PAD之间，也可将其理解为PAD的功能与容量的扩充。它不仅允许非分组终端接入(通过RCU内的PAD)，也允许分组终端接入(通过RCU的X.25同步端口)。 RCU的主要功能有两项： a) 数据集中功能和规程转换功能 b) 本地交换功能 4. 分组终端 具有X.25协议接口的分组终端是能接入分组数据交换网的数据通信终端设备。它可以是一个独立的设备也可以在个人计算机(PC)的插槽内插入一块通信接口板并配有X.25软件所构成。分组终端是具有X.25接口的设备总称。一般分组终端都有基本的键盘会话、文件传送、支持多用户操作、支持多窗口和友好的人—机界面等功能。 5. 传输信道 传输信道是构成分组数据交换网的主要组成部分之一。交换机之间的传输信道主要有两种形式，一种是PCM数字信道，另一种是模拟信道加调制解调器构成的信道。用户线路也有两种形式，一种是数字信道，另一种是市话线路加装调制解调器构成的信道。 3.2 通信协议及OSI参考模式 3.2.1 通信协议的概念 分组交换数据网要能有效、快速、可靠地工作，更需要一套通信规约。按计算机通信的术语，该通信规约称为通信协议。 计算机之间的通信规约有两类：一类是同等功能层间的通信规约，称为通信协议，它是为完成该功能层的特定功能而双方必须遵守的规定。另一类是不同功能层之间的通信规约，称为接口或服务，它规定了两层之间接口关系及利用下层功能提供给上层的服务。关于计算机通信功能的分层将在下面讨论。这里仅就传送层以下各层对数据可靠传送的分工为例，来说明各层协议在数据可靠传送方面的作用。 在实际信道中，由于受到干扰等的影响，总会使传输的信号产生一些差错，所以要设法检测差错并加以纠正，这是链路层的主要功能之一。为了使网内的设备互相通信，必须有该层内规定划分码组(帧)的方法，所使用的检错码的类型、发现差错后的纠正方法等。通过该层的工作，把实际信道的绝大部分差错加以纠正，某些剩余的差错交网络层处理。网络层再采用流水号的方法核对双方流水号是否一致，进一步检查某些剩余的差错并加以纠正。通过这两层的工作，把实际信道改造成近于理想的信道。链路层与网路层都是采用接力（中继）方式传递的，为了防止报文中途丢失，在传送层中还要用流水号再次进行端－端检查，确保数据的可靠传送。上述例子中的具体方法就是通信协议，它是确保网路正常工作所必须的。 3.2.2 开放系统互连(OSI)参考模式 为了计算机之间的互通，1977年国际标准化组织(ISO)提出了开放系统互连基本参考模式(OSI-RM)，随后，其又与原CCITT（现ITU-T）协同提出了各层协议等。各计算机厂生产的计算机及终端需遵守同一标准。若某个系统在与其它系统通信中遵守OSI标准，则该系统称为开放系统。OSI－RM把计算机网络在功能上分为七个层次。每层有特定的功能，并且上一层可以利用下一层的功能提供的服务，直到最高的应用层，为应用进程使用网路环境交换信息提供服务。功能的分层有利于某一层功能的变化不会影响整个系统标准化工作的进展。开放系统互连的七层模式如图3-3所示。 图3-3 开放系统互连七层模式示意图 同一系统层与层之间的关系由接口或下一层为上一层提供的服务所规定。不同系统的相同层之间的关系由协议或规程描述。 物理层是OSI的最下层。由于所有各种形式的DTE及交换机等都需要物理层，所以它所包含的内容是相当多的。物理层的功能是提供DTE之间、DTE与数据终接设备之间的机械的连接设备插头、插座的尺寸和端头数及排列（如ISO所规定的连接器标准和电气接口电路等）。 物理层要保证发送的比特流送上物理信道，并能在另一端取下它们。它只关心比特流的传输而不涉及比特流中各比特之间的关系。由于传输信道有数字和模拟之分，因而有不同的接口标准等。 数据链路层是OSI的第二层。它是在物理层的基础上建立的。数据链路层是数据的发生点与接收点之间所经过的全部途径。它是由通信实体中实现链路层协议的硬件、软件，调制解调器或其它的数据电路终接设备、数据传输链路与设备等构成。 数据链路层是通信双方有效、可靠、正确工作的基础。如第一章所介绍的HDLC协议就在此层。 网络层是OSI的第三层。有时也称通信子网层，其用于控制通信子网的运行。从第四层来的报文在此转换为分组而进行传送，然后在收信节点再装配成报文转给第四层。报文分组在发信节点与收信节点之间建立起的网络连接上传送，在X.25中将这种连接的逻辑信道称为虚电路。为此网络层(在X.25中称分组层)需完成网路的寻址并建立虚电路，通信完毕时拆除虚电路。当两个数据的传输速率不相同时，还需要实施流量控制；链路层差错控制后剩余的差错由网络层进一步纠正，并保证分组按顺序正确传送。 传送层是第四层。有时也称计算机－计算机层，或端－端层。OSI的前三层可组成公共网络(分组网中的节点机只有前三层)，可实现资源共享。计算机－节点机、节点机－节点机的报文是按“接力”方式传送的，为了防止传送途中报文丢失，两计算机之间可实行端－端控制。传送层的主要功能是建立、拆除和管理连接，它是建立在网络连接的基础上工作的，一条传送连接通道可以建立在一条或多条网路连接通道上，以提高传送报文的能力；也可以几条传送连接通道改用一条网络连接通道，以降低通信费用，使用户进程之间交换的数据能可靠而经济地传送。 会晤层是第五层。用户与用户的逻辑联系(两个表示层进程的逻辑联系)通常称为会晤。如果忽略掉执行一定的数据转换功能的表示层，则会晤层是用户(应用进程)进网的接口。它与前面几层一起提供分布式进程之间通信可靠的环境。会晤层的主要功能是：在建立会晤时核实对方是否有权参加会晤；确定何方支付通信费用；并在各种选择功能方面(是全双工方式通信还是双向交替通信，即有时也称之为单工通信)取得一致；会晤建立后，需对进程间的对话进行管理与控制，如对话中某个环节出了故障，会晤层应采取处理措施（或储存对话数据，或终止对话）。 表示层是第六层。它涉及所用的字符集与数据信码、数据在屏幕上的显示或打印方式、使用的颜色和所用的格式等。该层的主要功能有字符集转换、对有剩余的字符流进行压缩与恢复、数据的加密与解密以及实终端与虚终端之间的转换，从而使在字符、格式等有差异的设备之间能相互通信，以提高通信效能，增强保密性等。 应用层是第七层。它为应用进程访问网络环境提供工具并提供应用的全部OSI的服务。应用层的内容直接取决于各个用户，在特定的应用场合需制定出相应的标准（例如智能用户电报、电子邮件系统等都已制定出属于应用层的标准）。 各层功能实现的一般方法是：较低层协议特别是第一、二层，主要由硬件实现；较高层协议则主要靠软件实现。 3.3 X.25建议 ITU-T的X.25建议即“用专用电路连接到公用数据网上的分组式数据终端设备(DTE)与数据终接设备(DCE)之间的接口”，是分组数据交换网中最重要的协议之一，有人把分组数据交换网简称为X.25网。 3.3.1 X.25结构 X.25建议明确规定DTE与DCE之间的接口。DTE是用户终端设备的总称。在电话交换网的数据通信系统中，DCE是一个信号变换设备。因此如DTE与交换节点之间的传输信道采用模拟信道，那么DCE也把用户连接到远端交换节点的调制解调器包括在内。 X.25包含三个不同的、独立的层，相应于开放系统互连七层模式中下面三层所规定的具体内容，即规定了DTE与DCE同层之间交换信息的协议。 从高层来的信息在X.25的第三层一般分为128字节（八位）的数据块，并在其前面加上分组标题而成为一个分组，在该层作适当处理后送往X.25的第二层，分组在该层进行处理，加上HDLC标题、FCS以及01111110帧标志构成一帧，送往X.25的第一层，最后送往线路进行传输。 实际信息是从同一系统的高层→低层及低层→高层传送的，但逻辑上按开放系统互连层次模式的概念，信息是两个系统的同等层之间传送的。 3.3.2 X.25第一层的X.21 ITU-T的X.21建议规定了在公用数据网外采用同步工作方式的DTE与DCE之间的通用接口，它是以数字传输链路作为基础而制定的。DCE装设在用户处，DTE与DCE的接口如图3-4所示。 图3-4 X.21规定的DTE－DCE主要接口线 DTE－DCE之间的主要接口线有6条，发送线T用于发送数据，接收线R用于接收数据，控制线C用于显示传统的摘机/挂机状态，指示线I用于显示数据传送阶段开始与结束，信号码元定时线S用于DCE向DTE提供码元定时，以便使DTE与DCE实现码元同步。 DTE与DCE之间的数据通信分为三个时间阶段，即空闲阶段(DTE待用)、控制阶段(呼叫的建立和拆除)和数据传送阶段。这三个阶段由C线和I线加以指示。在数据传送阶段，X.21接口可提供比特序列的数字传送。 在采用调制解调器的模拟传输线路或使用具有V系列接口的DTE情况下，可采用X.21bis建议，这时DTE与DCE的接口实际采用V.24建议。 3.3.3 X.25第二层的LAPB及MLP X.25中的LAPB就是HDLC中的异步平衡方式。多链路规程MLP是ITU-T（原CCITT）1984年在X.25中新加的内容。一条链路最多可存在4096条逻辑信道，实际上，当链路传输速率较低时达不到这个上限。要增加实际的逻辑信道数及通过链路的业务量，可提高链路的传输速率，但有时受到链路传输能力的限制，必须更换更高容量的传输链路，这会使得扩容不方便。为了提高DTE和DCE之间的传输能力，增加传输的可靠性，并使扩容简单，因此便产生了MLP。 多链路是指多条链路平行工作，一般用多条物理链路，所以一条链路出故障只影响局部工作。MLP的基本原理是把传送的分组分散通过多个LAPB的单链路，为了能在接收站正确排序，必须要在原LAPB的单链路帧上加上多链路控制字段MLC，如图3-5所示。 图3-5 多链路帧格式 MLC中的V、S比特用以控制是否排序，而R、C比特用作为多链路复位联络，MNH(S)及MNL(S)用作为多链路帧序列的编号，其中MNH(S)表示高位，共4位，MNL(S)表示低位，共8位。由于多链路的帧分散通过多个单链路，所以必须对每个多链路的帧进行编号，以便对方能正确识别并进行排序，MNH(S)和MNL（S）就是用于各帧编号以及排序用。 3.3.4 X.25第三层 X.25的第三层规定了分组层DTE/DCE的接口、虚电路的业务规程、分组格式、任选的用户补充业务规程及其相应的格式等内容。 3.4 分组交换机主要性能指标 分组交换机的主要性能指标如下： · 端口数 这包括同步与异步端口数。 · 吞吐量 这表示该交换机每秒处理的分组数。在给出该指标时，必须指出分组长度，通常为128字节/分组。 · 每秒能处理的呼叫次数 在一般情况下，该指标是在不传送数据分组时给出的值。 · 路由数 这表示该交换机能与其它交换机相连接并能进行路由选择的数目。一般它等于中继端口数。 · 平均分组处理迟延 这是指在传送一个数据分组从输入端口至输出端口的所需平均处理时间。在给出该指标时也需指出分组长度。 · 提供用户可选的补充业务的能力 · 支持X.25等协议的版本（版本的执行日期） · 提供非标准接口的能力（如SDLC、BSC等） 3.5 我国的公用分组交换网(CHINAPAC) 3.5.1 我国分组交换网的发展 我国第一个公用分组交换数据网(CNPAC)是1989年11月从法国SESA公司引进设备并投入试用的试验网络。该网设有三个节点机八个集中器和一个网络管理中心。三个节点机分别安装在北京、上海和广州。八个集中器分别安装在北京、天津、武汉、南京、西安、成都、沈阳和深圳；网络管理中心设在北京；国际出入口局也设在北京。全网端口数为580个，其中同步端口256个，异步端口324个。 由于业务量不断发展，CNPAC试用三年后已经过负荷，加上该网技术较为陈旧，速率较低，同步端口数量少，网路复盖面小，网路性能较差，不能满足我国分组交换数据通信日益增长的要求。从1992年开始，邮电部开始着手建设新的公用分组交换数据骨干网(CHINAPAC)，该网于1993年建成正式投入使用。 3.5.2 CHINAPAC的网路组成 CHINAPAC用DPN－100系列设备，由全国31个省、市、自治区的32个交换中心组成(其中北京有两个)。网路管理中心设在北京。建网初期采用不完全的网状网络结构。网中的北京、上海、南京、武汉、广州、西安、成都、沈阳等八个城市为汇接中心。北京为国际出入口局，上海为辅助出入口局，广州为港澳地区出入口局。汇接中心采用完全网状的拓扑结构，网内每个交换中心都具有两个或两个以上不同汇接方向的中继电路，以确保网路安全可靠。交换中心之间根据业务量的大小和网路可靠性的要求可设置高效路由。CHINAPAC骨干网结构如图3-8所示。 图3-8 CHINAPAC骨干网结构图 从广义上讲，CHINAPAC除了骨干网外，尚有各省、市的地区网，地区网由各省、市地区交换中心组成。骨干网与各省、市地区的各交换中心采用辐射式连接。地区的每个交换机可具有两个或两个以上不同方向的中继电路。 3.5.3 CHINAPAC可提供的业务 CHINAPAC可与公用电话交换网(PSTN)、甚小口径卫星地球站(VSAT)网、用户电报网、各地区分组交换网、国际及港澳地区分组交换网及局域网(LAN)相连，也可以与计算机的各种主机及终端相连，可通过PAD与非分组终端相连。CHINAPAC除可以提供基本业务(可交换虚电路、永久虚电路和任选业务闭合用户群、快速选择业务、反向计费业务、阻止呼入/呼出业务及呼叫转移)以外，还可提供以下新业务：虚拟专用网、广播业务、帧中继、SNA网络环境、令牌环形局域网的智能桥功能、异步轮询接口功能及中继线带宽的动态分配等功能。另外，CHINAPAC上还可以开放电子邮件系统和存储转发传真系统等增值业务。 34 35 _978934703.doc F A C MLC 信息 PCS F MNH(S) V S R C MNL(S) 1 ～ 4 5 6 7 8 9 ～ 16