软考第三章 广域通信网

广域通信网

1.公共交换电话网

公共交换电话网PSTN：是为了话音通信而建立的网络，在有些地方用户仍然通过电话线拨号上网

1.1 电话系统的结构

电话系统是一个高度冗余的分级网络。用户电话通过一对铜线连接到最近的端局。

公共电话网由本地网和长途网组成。

1.2 本地回路

• 数据终端设备（DTE）：代表通信链路的端点，例如用户计算机
• 数据电路设备（DCE）：用于管理网络的接口，通常指调制解调器、数传机、基带传输器、信号变换器、自动呼叫和应答设备等。它们提供波形变换和编码功能，以及建立、维持和释放连接的能力。

对于这些与设备之间通信有关的技术细节，CCITT和ISO用4个技术特性来描述：

• 机械特性：表示DTE和DCE之间的物理分界线，规定连接器的几何形状、尺寸大小、引线数等
• 电气特性：电气特性规定这些信号的连接方式以及驱动器和接收器的电气参数
• 功能特性：对接口连线的功能给出确切的描述。从大的方面，接口线的功能可分为数据线、控制线、定时线和地线
• 过程特性：规定了使用接口线实现数据传输的操作过程

1.3 调制解调器

通常由电源、发送电路和接收电路组成。调制解调器的功能是把计算机产生的数字脉冲转换成已调制的模拟信号。

2.X.25公共数据网

公共数据网是在一个国家或世界范围内提供公共电信服务的数据通信网。CCITT于1974年提出了访问分组交换网的协议标准，即X.25建议。这个标准分为3个协议层，即物理层、链路层和分组层，分别对应于ISO/OSI参考模型的低三层。

• 物理层：规定用户终端与网络之间的物理接口，这一层协议采用X.21或X.21bis建议。
• 链路层：提供可靠的数据传输服务功能，这一层的标准叫做LAP-B，是HDLC的子集。
• 分组层：提供外部虚电路服务，这一层协议是X.25协议的核心，特别称为X.25PLP协议。

2.1 流量控制与差错控制

• 停等协议：发送站每发出一帧，等待应答信号到达后再发送下一帧。
• 滑动窗口协议：允许连续发送多个帧而无需等待应答
• 差错控制：
  • 停等ARQ协议
  • 选择重发ARQ协议
  • 后退N帧ARQ协议

这一部分基本对应计算机网络自顶向下方法的内容

2.2 HDLC协议

高级数据链路控制（HDLC）

HDLC的基本配置

HDLC定义了3种类型的站、2种链路配置和3种数据传输方式

三种站：

• 主站：对链路进行控制，主站发出的帧叫命令帧
• 从站：在主站控制下进行操作，从站发出的帧叫响应帧
• 复合站：具有主站和从站的双重功能。复合站既可以发送命令帧也可以发送响应帧

两种链路配置是指：

• 不平衡配置：适用于点对点和点对多点链路。这种链路由一个主站和一个或多个从站组成，支持全双工或半双工传输。
• 平衡配置：仅用于点对点链路，这种配置由两个复合站组成，支持全双工或半双工传输。

三种数据传输方式：

• 正常响应方式（NRM）：适用于不平衡配置，只有主站能启动数据传输过程，从站收到主站的询问命令时才能发送数据。
• 异步平衡方式（ABM）：适用于平衡配置，任何一个复合站都无需取得另一个复合站的允许就可以启动数据传输过程。
• 异步响应方式（ARM）：适用于不平衡配置，从站无需获得主站的明确指示就可以启动数据传输，主站的任务只是对线路进行管理。

HDLC帧结构

• 两端的标志字段：作为帧的边界

• 帧标志：HDLC用一种特殊的位模式01111110作为帧的边界标志。链路上所有的站都在不断地探索标志模式，一旦得到一个标志就开始接收帧。由于帧中间出现位模式01111110时也会被当作标志，所以要使用位填充技术。发送站的数据位序列中一旦发现0后有5个1，则在第7位插入一个0。

• 地址：用于标识从站的地址，用在点对多点链路中。

• 控制字段：HDLC定义了3种帧，控制字段第一位或前两位用于区别3种不同格式的帧，比如下面的帧它们的前两位分别是0x，10，11

  • 信息帧（I帧）承载着要传送的数据
  • 管理帧（S帧）用于提供ARQ控制信息
  • 无编号帧（U帧）提供建立、释放等链路控制功能，以及少量信息的无连接传送功能

• 信息字段：只有I帧和某些无编号帧含有信息字段

• FCS：校验，一般用CRC

HDLC帧类型

• 信息帧：信息帧除承载用户数据之外还包含该帧的编号N(S)，以及捎带的肯定应答顺序号N®。
• 管理帧：管理帧用于进行流量和差错控制，当没有足够多的信息帧捎带管理命令/响应时，要发送专门的管理帧来实现控制。例如RR帧表示接收就绪，是对N（R）之前帧的确认，也是准备接收N（R）及其后续帧的肯定应答。RNR帧表示接收未就绪，在对N（R）之前的帧给予肯定应答的同时，拒绝接受后续帧。REJ帧表示拒绝接收N（R）帧，要求重发N（R）及其后续帧。
• 无编号帧：用于链路控制，这类帧不包含编号字段，也不改变信息帧流动的顺序。可分为：
  • 设置数据传输方式的命令和响应帧
  • 传输信息的命令和响应帧
  • 用于链路恢复的命令和响应帧
  • 其他命令和响应帧

2.3 X.25PLP协议

X.25的分组层提供虚电路服务，共有两种形式的虚电路，一种是交换虚电路，一种是永久虚电路。交换虚电路是动态建立的虚电路。永久虚电路是网络指定的孤星虚电路，像专用线一样，无须建立和清除连接，可直接传送数据。

PLP协议把用户数据分成一定大小的块（一般为128字节），再加24位或32位的分组头组成数据分组。分组头中第3个字节的最低位用来区分数据分组和其他的控制分组。对数据分组，这一位为0，其他分组为1。分组头中包含12位的虚电路号，这12位划分为组号和信道号。P（R）和P（S）字段分别表示接收和发送顺序号，用于支持流量控制和差错控制。

X.25的流控和差错控制机制与HDLC类似。P(S)字段由发送DTE按递增的次序依次指定给每个发出的数据分组，P®字段捎带了DTE期望从另一端接收的下一个分组的序号。如果一端没有数据分组要发送，则可以用RR(接收就绪)或RNR(接收未就绪)控制分组回送应答信息。X.25默认窗口大小为2，但是对于3位顺序号窗口最大可设置为7（2³-1），对于7位控制号最大可设置为127。

X.25的差错控制采用后退N帧ARQ协议。如果节点收到否定应答REJ，则重传P（R）字段指明的分组及其之后的所有分组。

3.帧中继网

帧中继最初是作为ISDN的一种承载业务而定义的。

什么是ISDN？后面会详细说，这里简单介绍

PSTN只能承载电话这一种业务（这也是它本来的设计目的，虽然也可以通过modem实现拨号上网，但成本很高，效率极低，还影响接电话），随着数据通信的需求的增加，逐步已不能满足对运营商网络的要求。

于是ISDN应运而生了。

ISDN综合业务数字网。ISDN的主要设计目的就是弥补PSTN的不足，可以同时提供电话业务与数据通信业务，即所谓综合业务。

与PSTN相比，ISDN的最重要特征是端到端的数字化，终端基于数字话机（即ISDN终端），终端与交换机之间采用数字化的方式连接（即通常所谓2B+D的BRI接口），能同时传送话音和数据（电话上网两不误）。

按照ISDN的体系结构，用户与网络的接口分为两个平面，其目的是把信令和用户数据分开。控制平面在用户和网络之间建立和释放逻辑链接，而用户平面在两个端系统之间传送数据。

帧中继在第二层（数据链路层）建立虚电路，用帧方式承载数据业务，因而第三层（网络层）就被简化掉了。同时，FR的帧层也比HDLC操作简单，只做检错，不再重传，没有滑动窗口式的流控，只有拥塞控制。

3.1 帧中继业务

帧中继网络提供虚电路业务，虚电路是端到端的连接，不同的数据链路连接标识符（DLCI）代表不同的虚电路。在用户-网络接口（UNI）上的DLCI用于区分用户建立的不同虚电路，在网络-网络接口（NNI）上的DLCI用于区分网络之间的不同虚电路，DLCI的范围仅限于本地的链路段。

虚电路分为永久虚电路和交换虚电路，PVC是在两个端用户之间建立的固定逻辑连接，为用户提供约定的服务。帧中继交换设备根据预先配置的DLCI表把数据帧从一段链路交换到另外一段链路，最终传送到接受的用户。SVC是一种可选的服务，有些帧中继服务只提供PVC业务，而不提供SVC业务。

服务质量参数：

• 接入速率（$AR$）：指DTE可以获得的最大数据速率，实际上就是用户——网络接口的物理速率
• 约定突发量（$B_c$）：指在$T_c$内允许用户发送的数据量
• 超突发量（$B_e$）:指在$T_c$内超过$B_c$部分的数据量，对这部分数据网络将尽力传送
• 约定数据速率（$CIR$）:指正常状态下的数据速率，取$T_c$内的平均值
• 扩展的数据速率（$EIR$）：指允许用户增加的速率
• 约定速率测量时间（$T_c$）：指测量$B_c$和$B_e$的时间间隔。
• 信息字段最大长度：指每个帧中包含的信息字段的最大字节数，默认为1600子节。

$$\begin{gathered} B_c=T_c\times CIR \\ {B}_e=T_c\times EIR \end{gathered}$$

总的来说，网络应该可靠地保证用户以等于或低于$CIR$的速率传送数据。对于超过$CIR$的$B_c$部分，在正常情况下也能可靠地传送，但是若出现网络拥塞，则会被优先丢弃。对于$B_e$部分的数据，网络将尽量传送，但不保证传送成功。对于超过$B_c$+$B_e$的部分，网络拒绝接收。

在帧中继网上，用户的数据速率可以在一定范围内变化，从而既可以适应流式业务，又可以适应突发式业务，这使得帧中继成为远程传输的理想形式。

3.2 帧中继协议

与HDLC一样，帧中继采用帧作为传输的基本单位，帧中继协议叫做LAP-D，比LAP-B简单，省去了控制字段。（就是把上面HDLC那个图删去控制字段）

LAP-D的地址字段中包含DLDI、FECN（向前拥塞位）、BECN（向后拥塞位）、DE（优先丢弃位）等。FECN和BECN分别指示了帧传送方向和相反方向上是否出现了拥塞，这个叫做显式拥塞控制。另外，用户终端可以根据ISDN上层建立的序列号检测帧丢失的概率，一旦帧的丢失超过一定程度，用户中断要自动降低发送速率，这叫做隐式流控。

LAP-D帧的作用：

1. 通过帧标志字节对帧进行封装，通过0位插入技术做到透明传输
2. 利用地址字段实现对物理链路的多路复用
3. 利用帧校验和检查传输错误，丢弃出错的帧
4. 检查帧的长度在0位插入之前或删除之后是否为整数个字节，丢弃长度出错的帧
5. 检查太长和太短的帧并丢弃
6. 对网络拥塞进行控制

3.3 帧中继的应用

优点：

• 基于分组交换的透明传输，可提供面向连接的服务
• 帧长可变
• 可以达到很高的数据速率
• 既可以按需要提供带宽，也可以应付突发的数据传输
• 没有流控和重传机制，开销很小

帧中继协议在第二层实现，没有定义专门的物理层接口，可以用X.21、V.35等协议。在帧中继上可以承载IP数据报，而且其他协议（LLC、SNAP、IPX、ARP等）甚至远程网桥协议都可以在帧中继上透明地传输。

缺点：

• 不适合对延迟敏感的应用
• 不保证可靠的提交
• 数据的丢失与否依赖于运营商对虚电路的配置

4.ISDN和ATM

4.1 综合业务数字网

ISDN系统主要提供两种用户接口：

• 基本速率2B+D：B信道是64kbps的话音或数据信道，而D信道是16kbps/64kbps的信令信道。家庭用户通常使用基本速率
• 基群速率30B+D：大型商业用户

ISDN分为窄带ISDN（N-ISDN）和宽带ISDN(B-ISDN)

• N-ISDN：开发它的目的是以数字系统代替模拟电话系统，把音频、视频和数据业务放在一个网络上统一传输。
• B-ISDN：窄带ISDN的缺点是数据速率太低，不适合视频信息等需要高带宽的应用，它仍然是一种基于电路交换网的技术。B-ISDN分为高层、ATM适配层、ATM层和物理层。接下来讲讲ATM

4.2ATM虚电路

首先，之所以叫ATM，是因为它是一种异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode），与同步传输模式（STM）分配时槽的方式不同，它把用户数据组织成53字节长的信源，从各种数据源随机到达的信元没有预定的顺序，而且信元之间可以有间隙，信元只要准备好就可以进入信道。在没有数据时，向信道中发送空信元或者发送OAM信元。所以ATM就是以信元为传输单位的统计时分复用技术。信元也是交换的信息单位，由于信元是固定的53字节长度，所以可以高速的进行处理和交换。

ATM的网络层以虚电路提供面向连接的服务。ATM支持两级连接，即虚通路和虚信道。虚信道相当于X.25的虚电路，一组虚信道捆绑在一起形成虚通路。

特点：

• 面向连接
• ATM不提供应答，因为光纤通信是可靠的，只有很少的错误可以留给高层处理
• ATM的目的是实现实时通信，所以偶然的错误不必重传

4.3 ATM高层

ATM4.0规定的用户业务分为4类：

• CBR：固定比特率业务

• VBR：可变比特率业务

  • 实时性：交互式压缩视频信号
  • 非实时性：例如电子邮件

• ABR：有效比特率业务：用于突发式通信

• UBR：不定比特率通信：可用于传送IP分组

4.4 ATM适配层

ATM适配层负责处理高层来的信息，发送方把高层来的数据分成48字节长的ATM负载，接收方把ATM信元的有效负载重新组装成用户数据包。

ATM适配层分成以下两个子层：

• CS子层：也叫汇聚子层，提供标准的接口
• SAR子层：也叫拆装子层，对数据进行分段和重装配

4.5 ATM通信管理

• 连接准入控制：用户在请求建立一个VPC或VCC时，必须说明通信流的特征，从网络提供的各种QoS参数类中选择适合自己需求的类别。当且仅当网络在维护已有的连接正常运行的前提下能够满足用户的需求时才接受新的连接请求。
• 使用参数控制：监控用户是否遵守通信合约，避免由于用户滥用资源而引起网络拥塞。
• 通信量整形：平滑通信流，减少信元的堆积，公平地分配资源，缩小平均延迟时间。