1、第7章 分组交换网第7章 分组交换网7.1 分组交换的基本概念和网络结构分组交换的基本概念和网络结构7.2 X.25协议协议7.3 路由选择路由选择7.4 流量控制与拥塞控制流量控制与拥塞控制7.5 ChinaPAC网网思考题思考题第7章 分组交换网7.1 分组交换的基本概念和网络结构分组交换的基本概念和网络结构7.1.1 分组交换原理分组交换原理 分组交换的基本思想是把用户要传送的信息分成若干个小的数据块，即分组(Packet)，这些分组长度较短，并具有统一的格式，每个分组有一个分组头，包含用于控制和选路的有关信息。这些分组以“存储转发”的方式在网内传输，即每个交换节点首先对收到的分组进行暂
2、时存储，检测分组传输中有无差错，分析该分组头中有关选路的信息，进行路由选择，并在选择的路由上进行排队，等到有空闲信道时转发给下一个交换节点或用户终端。第7章 分组交换网 分组交换的设计初衷是为了进行数据通信，其设计思路截然不同于电路交换。分组交换的技术特点可以归纳如下：(1)动态统计时分复用。为了适应数据业务突发性强的特点，分组交换在线路上采用了动态统计时分复用的技术传送各个分组，每个分组都有控制信息，使多个终端可以同时按需进行共享资源，因此提高了传输线路(包括用户线和中继线)的利用率。第7章 分组交换网 (2)存储转发。在数据通信中，通信双方往往是异种终端。为了适应这种特点，分组交换中采用了
3、存储转发方式，因此不必像电路交换那样，通信双方的终端必须具有同样的速率和控制规程，从而可以实现不同类型的数据终端设备(不同的传输速率、不同的代码、不同的通信控制规程等)之间的通信。(3)差错控制和流量控制。数据业务的可靠性要求较高，因此分组交换在网络内中继线和用户线上传输时采用了逐段独立的差错控制和流量控制，使得网内全程的误码率可达10-11以下，提高了传送质量，可以满足数据业务的可靠性要求。第7章 分组交换网 1统计时分复用统计时分复用 正如绪论中所介绍的，在数字传输中，为了提高数字通信线路的利用率，可以采用时分复用方法。而时分复用有同步时分复用和统计时分复用两种。分组交换中采用了统计时分复
4、用的概念，它在给用户分配资源时，不像同步时分那样固定分配，而是采用动态分配，即按需分配，只有在用户有数据传送时才给它分配资源，因此线路的利用率较高。分组交换中，执行统计复用功能的是通过具有存储能力和处理能力的专用计算机-信息接口处理机(IMP)来实现的，IMP要完成对数据流进行缓冲存储和对信息流的控制功能，来解决各用户争用线路资源时产生的冲突。当用户有数据传送时，IMP给用户分配线路资源，一旦停发数据，则线路资源另做它用。图7.1所示为3个终端采用统计时分方式共享线路资源的情况。第7章 分组交换网图7.1 统计时分复用复用器b标记空闲a21yx终端A终端B终端Cb y2 1 xa第7章 分组交
5、换网 我们来看看具体的工作过程。来自终端的各分组按到达的顺序在复用器内进行排队，形成队列。复用器按照FIFO的原则，从队列中逐个取出，并向线路上发送。当存储器空时，线路资源也暂时空闲，当队列中又有了新的分组时，进行发送。图7.1中，起初A用户有a分组要传送，B用户有1、2分组要传送，C用户有x分组要传送，它们按到达顺序进行排队：a、x、1、2，因此在线路上的传送顺序为：a、x、1、2，然后终端均暂时无数据传送，则线路空闲。后来，终端C有y分组要送，终端A有b分组要送，则线路上又顺序传送y分组和b分组。这样，在高速传输线上，形成了各用户分组的交织传输。这些用户数据的区分不是像同步时分复用那样靠位
6、置来区分，而是靠各个用户数据分组的“标记”来区分的。第7章 分组交换网 统计时分复用的优点是可以获得较高的信道利用率。由于每个终端的数据使用一个自己独有的标记，可以把传送的信道按照需要动态地分配给每个终端用户，从而提高了传送信道的利用率。这样每个用户的传输速率可以大于平均速率，最高时可以达到线路的总的传输能力。如线路总的速率为9.6 kb/s，3个用户信息在该线路上进行统计时分复用，平均速率为3.2 kb/s，而一个用户的传输速率最高时可以达到9.6 kb/s。统计时分复用的缺点是会产生附加的随机时延和丢失数据的可能。这是由于用户传送数据的时间是随机的，若多个用户同时发送数据，则需要进行竞争排
7、队，引起排队时延；若排队的数据很多，引起缓冲器溢出，则会有部分数据被丢失。第7章 分组交换网 2逻辑信道逻辑信道 在上述统计时分复用中，对各个用户的数据信息使用标记来区分。这样，在一条共享的物理线路上，实质上形成了逻辑上的多条信道。如图7.1中，在高速的传输线上形成了分别为三个用户传输信息的逻辑上的子信道。我们把这种形式的子信道称为逻辑信道，用逻辑信道号(LCN:Logical Channel Number)来标识。逻辑信道号由逻辑信道群号及群内逻辑信道号组成，二者统称为逻辑信道号LCN。图7.2给出了逻辑信道的形成过程。第7章 分组交换网图7.2 逻辑信道的形成过程终端 1进程线路逻辑信道计
8、算机255255终端 2终端 n254201254201进程进程终端第7章 分组交换网 逻辑信道的特点如下：(1)由于分组交换采用动态复用方法，因此在终端每次呼叫时，根据当时实际情况分配LCN。要说明的是同一个终端可以同时通过网络建立多个数据通路，它们之间通过LCN来进行区分。对同一个终端而言，每次呼叫可以分配不同的逻辑信道号，但在同一次呼叫连接中，来自某一个终端的数据的逻辑信道号应该是相同的。第7章 分组交换网 (2)逻辑信道号是在用户至交换机或交换机之间的网内中继线上可以分配的，代表子信道的一种编号资源，每一条线路上逻辑信道号的分配是独立进行的。也就是说，逻辑信道号并不在全网中有效，而是在
9、每段链路上局部有效，或者说，它只具有局部意义。网内的节点机要负责出入线上逻辑信道号的转换。(3)逻辑信道号是一种客观的存在。逻辑信道总是处于下列状态中的某一种：“准备好”状态、“呼叫建立”状态、“数据传输”状态、“呼叫清除”状态。第7章 分组交换网7.1.2 虚电路与数据报虚电路与数据报 1虚电路方式虚电路方式 所谓虚电路方式，就是指两终端用户在相互传送数据之前要通过网络建立一条端到端的逻辑上的虚连接，称为虚电路。一旦这种虚电路建立以后，属于同一呼叫的数据均沿着这一虚电路传送，当用户不再发送和接收数据时，清除该虚电路。在这种方式中，用户的通信需要经历连接建立、数据传输、连接拆除三个阶段，也就是
10、说，它是面向连接的方式。第7章 分组交换网 需要强调的是，分组交换中的虚电路和电路交换中建立的电路不同，在分组交换中，以统计时分复用的方式在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，两个用户终端之间建立的是虚连接，而电路交换中，是以同步时分方式进行复用的，两用户终端之间建立的是实连接。在电路交换中，多个用户终端的信息在固定的时间段内向所复用的物理线路上发送信息，若某个时间段某终端无信息发送，其他终端也不能在分配给该用户终端的时间段内向线路上发送信息。而虚电路方式则不然，每个终端发送信息没有固定的时间，它们的分组在节点机内部的相应端口进行排队，当某终端暂时无信息发送时，线路的全部带宽资源可以由其他用
11、户共享。换句话说，建立实连接时，不但确定了信息所走的路径，同时还为信息的传送预留了带宽资源；而在建立虚电路时，仅仅是确定了信息所走的端到端的路径，但并不一定要求预留带宽资源。我们之所以称这种连接为虚电路，正是因为每个连接只有在发送数据时才排队竞争占用带宽资源。第7章 分组交换网 如图7.3所示，网中已建立起两条虚电路，VC1：A123B，VC2：C1245D。所有AB的分组均沿着VC1从A到达B，所有CD的分组均沿着VC2从C到达D，在12之间的物理链路上，VC1、VC2共享资源。若VC1暂时无数据可送时，则网络将所有的传送能力和交换机的处理能力交给VC2，此时VC1并不占用带宽资源。第7章
12、分组交换网图7.3 虚电路示意图cba3213 2 13 2 1cba节点机 3节点机 4终端 A终端 C节点机 1节点机 2节点机 5终端 B终端 DVC1VC23 2 1cba3 2 1cba第7章 分组交换网 虚电路的特点如下：(1)虚电路的路由选择仅仅发生在虚电路建立的时候，在以后的传送过程中，路由不再改变，这可以减少节点不必要的通信处理。(2)由于所有分组遵循同一路由，这些分组将以原有的顺序到达目的地，终端不需要进行重新排序，因此分组的传输时延较小。(3)一旦建立了虚电路，每个分组头中不再需要有详细的目的地址，而只需有逻辑信道号就可以区分每个呼叫的信息，这可以减少每一分组的额外开销。
13、第7章 分组交换网 (4)虚电路是由多段逻辑信道构成的，每一个虚电路在它经过的每段物理链路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级连构成了端到端的虚电路。(5)虚电路的缺点是当网络中线路或者设备发生故障时，可能导致虚电路中断，必须重新建立连接。(6)虚电路适用于一次建立后长时间传送数据的场合，其持续时间应显著大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。第7章 分组交换网 虚电路分为两种：交换虚电路(SVC：Switching Virtual Circuit)和永久虚电路(PVC：Permanent Virtual Circuit)。交换虚电路(SVC)是指在每次呼叫时用户通过发送呼叫请求分组来临时建
14、立虚电路的方式。如果应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，就不需要在呼叫时再临时建立虚电路，而可以直接进入数据传送阶段，称之为PVC。这种情况一般适用于业务量较大的集团用户。第7章 分组交换网 2数据报方式数据报方式 在数据报方式中，交换节点将每一个分组独立地进行处理，每一个数据分组中都含有终点地址信息，当分组到达节点后，节点根据分组中包含的终点地址为每一个分组独立地寻找路由，因此同一用户的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，在网络的终点需要重新排队，组合成原来的用户数据信息。如图7.4所示，终端A有三个分组a、b、c要送给B，在网络中，分组a通过节点2进行转接到达节点3，b通过1、3
15、之间的直达路由到达节点3，c通过节点4进行转接到达节点3，由于每条路由上的业务情况(如负荷量、时延等)不尽相同，三个分组的到达不一定按照顺序，因此在节点3要将它们重新排序，再送给B。第7章 分组交换网图7.4 数据报方式示意图cba节点机 1节点机 2节点机 4cba节点机 3cba终端 A终端 B第7章 分组交换网 数据报的特点如下：(1)用户的通信不需要建立连接和清除连接的过程，可以直接传送每个分组，因此对于短报文通信效率比较高。(2)每个节点可以自由地选路，可以避开网中的拥塞部分，因此网络的健壮性较好。对于分组的传送比虚电路更为可靠，如果一个节点出现故障，分组可以通过其他路由传送。(3)
16、数据报方式的缺点是分组的到达不按顺序，终点需重新排队；并且每个分组的分组头要包含详细的目的地址，开销比较大。(4)数据报的使用场合：数据报适用于短报文的传送，如询问/响应型业务等。第7章 分组交换网7.1.3 分组交换网分组交换网 分组交换网的主要功能是转接、传送接入网络的各类计算机和终端的信息。利用分组交换网可以开通多种新业务，如电子信箱、电子数据互换、可视图文、智能用户电报、传真、数据库检索等业务。1分组交换网的构成分组交换网的构成 公用分组交换网的基本组成如图7.5所示，它由分组交换机PS、分组集中器PCE、网络管理中心NMC、终端和数据传输设备及相关协议组成。第7章 分组交换网图7.5
17、 分组交换网的组成PADX.3X.28X.29X.25X.75NPT字符终端 PS 分组交换机；NMC 网络管理中心；PAD 分组拆装设备；PCE 分组集中器；分组终端 PTX.25端口分组终端 PTPCEPSPSPSPSPS其他分组网NPTNMC第7章 分组交换网 1)分组交换机分组交换机(PS：Packet Switching)分组交换机是分组交换网的核心。根据分组交换机在网中所处的地位不同，可分为转接分组交换机(PTS)、本地交换机(PLS)、本地和转接合一交换机(PTLS)等。PTS不接用户，所有的线路端口都是用于交换机之间互连的中继端口，仅用于局间的转接，其通信容量大，每秒能处理的分
18、组数多，路由选择能力强，能支持的线路速率高；PLS大部分端口用于用户终端的接入，只有少数端口作为中继端口与其他交换机相连，其通信容量小，每秒能处理的分组数少，路由选择能力弱，能支持的线路速率较低。本地和转接合一交换机既具有转接功能，又具有本地接入功能。另外，国际出入口局交换机用于与其他国家分组交换网的互连。第7章 分组交换网 分组交换机的主要功能如下：(1)为网络的基本业务即交换虚电路、永久虚电路及可选补充业务等提供支持，在完成对用户服务的同时，收集呼叫业务量、分组业务量、资源利用率等数据。(2)进行路由选择，以便在两个终端之间选择一条合适的路由，并生成转发表；进行流量控制和差错控制，以保证分
19、组的可靠传送。(3)转发控制，在数据传输时，按交换机中的转发表进行分组的转发。第7章 分组交换网 (4)实现X.25、X.75等多种协议。(5)完成局部的维护运行管理、故障报告与诊断、计费与一些网络的统计等功能。(6)分组交换机自身控制功能。交换机可对自身的各个部分测试，如发生故障，即把故障信息存入硬盘，由网络管理中心对交换机系统进行重新配置。第7章 分组交换网 2)网络管理中心网络管理中心(NMC：Network Management Center)网络管理中心是管理分组交换网的工具，用以保证全网有效协调的运行，更好地发挥网络性能，并在部分通信线路及交换机发生故障的时候仍能在性能稍稍降低的条
20、件下正常运行；同时为网络管理者及用户提供友好与方便的服务。其管理功能包括：(1)网络故障管理：提供对网络设备故障的快速响应和预防性维护能力，包括跟踪和诊断故障、测试网络设备和部件、故障原因提示和对故障的查询及修复。第7章 分组交换网 (2)网络配置管理：生成用户端口，定义和管理网络拓扑结构，网络软件硬件配置和网络业务类型，并对它们进行动态控制。(3)网络性能管理：收集和分析网络中数据流的流量、速率、流向和路径的信息。(4)网络计费管理：收集有关网络资源使用的信息，用于网络的规划、预算，并提供用户记账处理系统所需的计费数据。(5)网络安全管理：建立、保持和加强网络访问时所需的网络安全级别和准则。
21、第7章 分组交换网 3)数据终端 分组交换网的数据终端有两类：分组终端和非分组终端。(1)分组终端(PT)。PT是具有X.25协议接口的分组终端，即具有分组处理能力，可以直接接入分组交换网。例如带X.25规程的计算机、专用终端、规程转换器等设备都是分组终端。(2)非分组终端(NPT)。NPT不具有X.25协议接口，即不具有分组处理能力，不能直接进入分组交换网，必须经过分组装拆设备PAD转换才能接入分组交换网。非分组终端的种类很多，如带有异步通信接口的计算机、电传机、可视图文终端等。第7章 分组交换网 4)分组集中器(PCE：Packet Concentrate Equipment)分组集中器又
22、称用户集中器，大多是既有交换功能又有集中功能的设备。它是将多个低速的用户终端进行集中，用1条或2条高速的中继线路与节点机相连，这样可以大大节省线路投资，提高线路利用率。分组集中器适用于用户终端较少的城市或地区，也可用于用户比较集中而线路比较紧缺的大楼或小区。分组集中器是公用分组网上的末端设备之一。分组终端和非分组终端都可以接入PCE，分组终端通过PCE的X.25端口接入，而对于非分组终端，要通过PCE内的分组装拆设备(PAD：Packet Assembler and Disassembler)来接入。第7章 分组交换网 PAD的功能是将NPT所使用的用户协议与X.25协议进行转换。发送时，将N
23、PT发出的字符通过PAD组装成X.25的分组形式，送入交换机；在接收时，将来自交换机的X.25的分组进行拆卸，以用户终端所要求的字符形式送给终端。ITU-T专门对PAD制定了一组建议，称为X.3/X.28/X.29，即3X建议。其中，X.3描述PAD功能及其控制参数；X.28描述PAD到本地字符终端的协议；X.29描述PAD到远端PT或PAD之间的协议。第7章 分组交换网 5)传输线路 传输线路是构成分组交换网的主要组成部分之一。交换机之间的中继传输线路主要有两种形式：一种是PCM数字信道，速率为64 kb/s、128 kb/s、2 Mb/s等；另一种是模拟信道利用调制解调器转换为数字信道，速
24、率为9.6 kb/s、48 kb/s、64 kb/s等。用户线路也有两种形式，一种是数字数据电路，另一种是模拟电话用户线加装调制解调器。第7章 分组交换网 6)相关协议 有关分组交换网的协议包括X.25、X.75等协议。其中X.25协议是数据终端设备DTE与数据电路终接设备DCE之间的接口协议。所谓DCE，是指传输线路上的终接设备。在物理上，如果是模拟传输线路，则DCE就是Modem；若是数字传输线路，则DCE就是多路复用器或者数字信道接口设备。DCE从功能上来讲，属于网络设备。因此可以说，X.25是DTE和分组交换网之间的接口规程；X.75是分组交换网之间互连时的网间接口协议。对于分组交换网
25、的内部协议，没有统一的国际标准，而是由各个厂家自行规定的。第7章 分组交换网 2网络的外部服务和内部操作网络的外部服务和内部操作 分组交换网的一个重要特点是它使用的是数据报还是虚电路。事实上，在网络内部和接口处可以采用不同的方式。在用户和网络的接口处，网络可能会提供面向连接的虚电路服务或无连接的数据报服务。使用虚电路服务时，终端需要执行呼叫请求，以建立与其他终端的逻辑连接。所有提交到网络上的分组都要标识为属于某个特定的逻辑连接，并且按顺序编号，由网络负责将分组按顺序传递到终端，我们将这种类型的服务称为外部虚电路服务。而使用数据报服务时，网络只愿意独立地处理各个分组，并且有可能无法按顺序、可靠地
26、将这些分组交付到终端，我们称这种类型的服务为外部数据报服务。在网络内部，既可以采用虚电路方式，也可以采用数据报方式。我们将这种操作称为内部虚电路操作或数据报操作。第7章 分组交换网 这样，总共有四种组合：(1)外部虚电路，内部虚电路：当用户请求一条虚电路时，就会构造一条经过网络的专用路由，所有分组沿该路由前进。(2)外部虚电路，内部数据报：网络分别处理每个分组。因此，同一条外部虚电路上的不同分组可能会选择不同的路由。不过，如果需要，网络会在目的节点处将这些分组缓存起来，这样它们就可以按照正确的顺序交付到目的终端。(3)外部数据报，内部数据报：从用户和网络这两个角度来看，每个分组都是被独立处理的
27、。第7章 分组交换网 (4)外部数据报，内部虚电路：外部用户看不到任何连接的迹象，因为网络只是简单地每次发送一个分组。然而网络在源节点与终节点之间建立了一条逻辑连接，用来传递分组，并且还可能长期保留此类连接，以满足未来需求。对于使用X.25协议的公用分组交换网而言，给用户提供的是面向连接的外部虚电路服务。但在网络内部，每个厂家不尽相同，既可以采用虚电路方式，也可以采用数据报方式。下面我们介绍这两种组合的实现方式。(1)虚电路方法。采用这种方法时，需要先进行呼叫建立过程，在沿着该路径的所有节点机里建立连接状态。后续的每个分组都沿着这一建好的连接从通信的源点传送到终点，因此，每个分组在网络内部都是
28、按顺序到达终端节点机的。第7章 分组交换网 (2)数据报方法。另外一种方法是建立一个无连接的网络，但是在连向端节点的节点机中增加一些代码，附加的代码有点像提供端到端服务的运输层协议。在源节点和终节点之间建立一个连接，它们之间的端到端服务保证了发送的分组可以按顺序被终节点接收，且可保证不被丢失，也不重复，或者乱序。但在网络内部传送这些分组时，可能经过不同的路由，终节点会暂时保留每个分组，直到在它前面的分组都已到达。然后送给终端。这种方法的一个典型例子是我国分组交换网CHINAPAC中使用的北方电信的DPN-100分组交换机。第7章 分组交换网7.2 X.25 协协 议议7.2.1 协议分层结构协
29、议分层结构分组层数据链路层帧级协议分组层数 据链路层物理层物理层物理级协议物理媒介X.25高层协议与远程 DTE 之间的高层协议分组级协议DTEDCE图7.6 X.25的协议结构 第7章 分组交换网 第一层为物理层，定义了DTE和DCE之间建立物理信息传输通路的过程，可以采用X.21、X.21bis以及V系列等建议。物理层提供了一条传送比特流的管道，进行比特传输。第二层为数据链路层，是在物理层提供的双向的比特传输管道上实施信息传输的控制，X.25的数据链路层采用了高级数据链路控制规程(HDLC：High-level Data Link Control)的子集平衡型链路接入协议(LAPB：Lin
30、k Access Procedures Balanced)作为它的数据链路层的规程。第三层为分组层，X.25的分组层对应于OSI的网络层，二者叫法不同，但其功能是一致的。分组层是利用链路层提供的服务在DTE-DCE接口上交换分组。它是将一条数据链路按动态时分复用的方法划分为许多个逻辑信道，允许多台计算机或终端同时使用高速的数据信道，以充分地利用逻辑链路的传输能力和交换机资源，实现通信能力和资源的按需分配。第7章 分组交换网7.2.2 物理层物理层 物理层定义了DTE和DCE之间建立、维持、释放物理链路的过程，包括机械、电气、功能和规程等特性。X.25的物理层接口采用ITU-T X.21、X.2
31、1bis和V系列建议。而X.21bis和V系列建议实际上是兼容的，因此可以认为是两种接口。其中X.21建议用于数字传输信道，接口线少，可定义的接口功能多，是较理想的接口标准。但考虑到目前仍在大量使用模拟信道传输数据的实际情况，ITU-T又制定了X.21bis接口标准，它与V.24或RS-232兼容，主要用于模拟传输信道。X.25物理层就像是一条输送信息的管道，它不执行重要的控制功能。控制功能主要由链路层和分组层来完成。第7章 分组交换网7.2.3 数据链路层数据链路层 数据链路层规定了在DTE和DCE之间的线路上交换帧的过程。链路层规程要在物理层的基础上执行一些控制功能，以保证帧的正确传送。链
32、路层的主要功能有：(1)在DTE和DCE之间有效地传输数据；(2)确保接收器和发送器之间信息的同步；(3)监测和纠正传输中产生的差错；(4)识别并向高层协议报告规程性错误；(5)向分组层通知链路层的状态。第7章 分组交换网 1HDLC简介简介 HDLC是由ISO定义的面向比特的数据链路协议的总称。面向比特的协议是指传输时，以比特作为传输的基本单位，HDLC是最重要的数据链路控制协议，它的传输效率较高，能适应数据通信的发展，因此广泛地应用在公用数据网上。同时，它还是其他许多重要数据链路控制协议的基础。为了满足各种应用的需要，HDLC定义了三种类型的站点(Station)、两种链路配置及三种数据传
33、送模式。第7章 分组交换网 1)站点的类型 所谓站，是指链路两端的通信设备，HDLC定义的三种站如下：(1)主站：负责控制链路的操作。主站只能有一个，由主站发出的帧称为命令。(2)从站：在主站的控制下操作。从站可以有多个，由从站发出的帧称为响应。主站为链路上的每个从站维护一条独立的逻辑链路。(3)复合站：兼具主站和从站的特点。复合站发出的帧可能是命令，也可能是响应。第7章 分组交换网 2)链路配置 (1)非平衡配置：由一个主站和一个或多个从站组成，可以是点到点链路，也可以是点到多点链路。(2)平衡配置：由两个复合站组成，只能是点到点链路。第7章 分组交换网 3)数据传送模式 (1)正常响应方式
34、：适用于非平衡配置，只有主站才能启动数据传输，从站只有在收到主站发给它的命令帧时，才能向主站发送数据。(2)异步平衡方式：适用于平衡配置，任何一个复合站都可以启动数据传输过程，而不需要得到对方复合站的许可。(3)异步响应方式：适用于非平衡配置，在主站没有发来命令帧时，从站可以主动向主站发送数据，但主站仍负责对链路的管理。LAPB采用平衡配置方式，用于点到点链路，采用异步平衡方式来传输数据。第7章 分组交换网2LAPB的帧结构的帧结构图7.7 LAPB的帧结构FACIFCSF888N168信息字段帧头帧尾第7章 分组交换网 1)标志(F)F为帧标志，编码为01111110。F为帧的限定符，所有的
35、帧都应以F开始和结束。一个标志可作为一个帧的结束标志，同时也可以作为下一帧的开始标志；F还可以作为帧之间的填充字符，当DTE或DCE没有信息要发送时，可连续发送F。正常情况下，为了防止在其他字段出现伪标志码，要进行插0/删0操作，即在发送站将5个连1之后插入一个0；在接收端，再进行相反的操作，将5个连1之后的0删掉。但是，如果发送方想要放弃正在发送的帧，则发送715(包括7，不包括15)个连1来表示，即当接收端检测到大于等于7但小于15个连1之后，就放弃收到的帧。而如果出现15个以上的连1，则表示该链路进入空闲状态。第7章 分组交换网 2)地址字段(A)地址字段由一个8 bit组组成。在HDL
36、C中点到多点的链路上，该字段表示的是送出响应信息的从站的地址。在LAPB中，是点到点的链路，它表示的总是响应站的地址，其作用是用于区分两个传输方向上的命令帧/响应帧，即它表示的是命令帧的接收者和响应帧的发送者的地址。第7章 分组交换网 3)控制字段(C)控制字段由一个8 bit组组成，主要作用是指示帧的类型。LAPB控制字段的分类格式如表7.1所示。表表7.1 LAPB的帧类型的帧类型控制字段比特 8 7 6 5 4 3 2 1 信息帧(I 帧)N(R)P N(S)0 监控帧(S 帧)N(R)P/F S S 0 1 无编号帧(U 帧)M M M P/F M M 1 1 第7章 分组交换网 (1
37、)信息帧(I帧：Information frame)。由帧头、信息字段I和帧尾组成。I帧用于传输高层用户的信息，即在分组层之间交换的分组，分组包含在I帧的信息字段中。I帧的C字段的第1个比特为“0”，这是识别I帧的惟一标志，第28 bit用于提供I帧的控制信息，其中包括发送顺序号N(S)，接收顺序号N(R)，探寻位P。其中N(S)是所发送帧的编号，以供双方核对有无遗漏及重复。N(R)是下一个期望正确接收帧的编号，发送N(R)的站用它表示已正确接收编号为N(R)以前的帧，即编号到N(R)-1的全部帧已正确接收。I帧可以是命令帧，也可以是响应帧。第7章 分组交换网 (2)监控帧(S帧：Superv
38、isory frame)没有信息字段，它的作用是用来保护I帧的正确传送。监控帧的标志是C字段的第2、1位为“01”，SS用来进一步区分监控帧的类型。监控帧有三种：接收准备好(RR)，接收未准备好(RNR)和拒绝帧(REJ)。RR用于在没有I帧发送时向对端发送肯定证实信息，REJ用于重发请求，RNR用于流量控制，通知对端暂停发送I帧。监控帧带有N(R)，但没有N(S)。第5 bit为探寻/最终位P/F。S帧既可以是命令帧，也可以是响应帧。第7章 分组交换网 (3)无编号帧(U帧：Unnumbered frame)的作用不是用于实现信息传输的控制，而是用于实现对链路的建立和断开过程的控制。识别无编
39、号帧的标志是C字段的第2、1位为11。第5 bit为P/F位，M用于区分不同的无编号帧，其中包括：置异步平衡方式(SABM)、断链(DISC)、已断链方式(DM)、无编号确认(UA)、帧拒绝(FRMR)等。其中，SABM、DISC分别用于建立链路和断开链路，均为命令帧，后三种为响应帧，其中UA和DM分别为对前两个命令帧的肯定和否定响应，FRMR表示接收到语法正确但语义不正确的帧，它将引起链路的复原。第7章 分组交换网 所有的帧都含有探寻/最终比特(P/F)。在命令帧中，P/F位为探寻(P)，如P=1，就是向对方请求响应帧；在响应帧中，P/F位为最终(F)，如F=1，表示发送的这个帧是一个对命令
40、帧的响应结果。后面将详细介绍P/F位的功能。第7章 分组交换网 4)信息字段(I)信息字段是为传输用户信息而设置的，它用来装载分组层的数据分组，其长度可变。在X.25中，长度限额一般装一个分组长度，即128字节或256字节。5)帧校验序列(FCS)每个帧的尾部都包含一个16 bit的帧校验序列(FCS)，用来检测帧的传送过程是否有错。FCS采用循环冗余码，可以用移位寄存器实现。第7章 分组交换网表表7.2 帧帧 的的 类类 型型分类 名 称 缩写 命令/响应帧(C/R)作 用 信息帧 I 帧 C/R 传输用户数据 接收准备好 RR C/R 向对方表示已经准备好接收下一个 I 帧 接收未准备好
41、RNR C/R 向对方表示“忙”状态，这意味着暂时不能接收新的 I 帧 监控帧 拒绝帧 REJ C/R 要求对方重发编号从 N(R)开始的 I 帧 置异步平衡方式 SABM C 用于在两个方向上建立链路 断链 DISC C 用于通知对方，断开链路的连接 已断链方式 DM R 表示本方已与链路处于断开状态，并对SABM 做否定应答 无编号确认 UA R 对 SABM 和 DISC 的肯定应答 无编号帧 帧拒绝 FRMR R 向对方报告出现了用重发帧的办法不能恢复的差错状态，将引起链路的复原 第7章 分组交换网 3链路操作过程链路操作过程 数据链路层的操作分为三个阶段：链路建立、信息传输和链路断开
42、。1)链路建立 DTE通过发送连续的标志(F)来表示它能够建立数据链路。原则上DTE或DCE都可以启动数据链路的建立，但通常是由DTE启动的。在开始数据链路建立之前，DCE或DTE都应当启动链路断开过程，以确保双方处于同一阶段。DCE还能主动发起DM响应帧，要求DTE启动链路建立过程。第7章 分组交换网 以DTE发起过程为例。如图7.8所示，DTE通过向DCE发送置异步平衡方式(SABM)命令启动数据链路建立过程，DCE接收到后，如果认为它能够进入信息传送阶段，将向DTE回送一个UA响应帧，数据链路建立成功；DCE接收到后，如果它认为不能进入信息传送阶段，它将向DTE回送一个DM响应帧，数据链
43、路未建立。为了区分DCE主动发送的要求DTE启动建链的DM帧和作为对DTE发来的SABM的否定证实的DM帧，一般要求SABM命令帧置P=1，DCE的响应帧UA或DM的F bit为1。这样根据收到DM的F bit是否为1即可知道其含义，从而做出不同的处理。第7章 分组交换网图7.8 链路建立过程DTEDCESABMUA第7章 分组交换网 2)信息传输 当链路建立之后，就进入信息传输阶段，在DTE和DCE之间交换I帧和S帧。双方都可以通过I帧开始发送用户数据，帧的序号从0开始。I帧的N(S)和N(R)字段是用于支持流量控制和差错控制的序号。LAPB在发送I帧序列时，会按顺序对它们编号，并将序号放在
44、N(S)中，这些编号以8还是128为模，取决于使用的是3 bit序号还是7 bit序号。N(R)是对接收到的I帧的确认。有了N(R)，LAPB就能够指出自己希望接收的下一个I帧的序号。第7章 分组交换网 S帧同样也用于流量控制和差错控制。其中，接收就绪(RR)帧通过指出希望接收到的下一个帧来确认接收到的最后一个I帧。在接收端无I帧发送时就需要使用RR帧。接收未准备就绪(RNR)帧和 RR帧一样，都可用于对I帧的确认，但它同时还要求对等实体暂停I帧的传输。当发出RNR的实体再次准备就绪之后，会发送一个 RR。REJ的作用是指出最后一个接收到的I帧已经被拒绝，并要求重发以N(R)序号为首的所有后续
45、I帧。第7章 分组交换网 3)链路断开过程 链路断开过程是一个双向的过程，任何一方均可启动拆链操作。这既可能是由于LAPB本身因某种错误而引起的中断，也可能是由于高层用户的请求。以DTE发起为例，如图7.9所示，若DTE要求断开链路，它向DCE发送DISC命令帧，DCE若原来处于信息传输阶段，则用UA响应帧确认，即完成断链过程；若DCE原来已经处于断开阶段，则用DM响应帧确认。基于和建链同样的考虑，要求DISC命令帧置P=1，其对应的响应帧UA或DM置F=1。拆链后要通知第三层用户，说明该连接已经中止。所有未被确认的I帧都会丢失，而这些帧的恢复工作则由高层负责。第7章 分组交换网图7.9 链路
46、断开过程DTEDCEDISCUA第7章 分组交换网 4)链路恢复 链路恢复指的是在信息传送阶段收到协议出错帧或者FRMR帧，即遇到无法通过重发予以校正的错帧时，自动启动链路建立过程，使链路恢复初始状态，两端发送的I帧和S帧的N(S)和N(R)值恢复为零。第7章 分组交换网 5)链路层控制操作举例 链路层的功能是保证I帧的正确传输，而I帧的传输控制是通过帧的顺序编号和确认、链路层的窗口机制和链路传输定时器等功能来实现的。(1)帧的确认。在每个I帧中，既有N(S)，又有N(R)，因此I帧一方面可以表示自己所发送帧的序号，另一方面可以对对方的帧进行确认。如果有I帧发送，通常都是用I帧确认；如果要对对
47、方的帧进行确认，而自己又没有需要发送的数据，则采用S帧(RR或RNR)来进行确认。I帧和S帧中的N(R)表示编号为N(R)-1及以前的帧均已正确接收。为了提高传输效率，可以在连续接收多个I帧之后，对于顺序号正确的多个I帧进行一次确认，确认帧的N(R)等于正确接收的最后一个帧的N(S)加1。帧的确认过程的例子如图7.10(a)所示。第7章 分组交换网 图7.10(b)显示了有忙状态存在的情况。导致这种状态的原因可能是由于接收端处理I帧的速度不如I帧数据到达的速度快。此时接收端缓存器会填满，它不得不使用RNR命令帧来要求发送端停止发送I帧。当忙状态清除后，DTE返回一个RR帧，这时来自DCE的I帧
48、传输可以继续进行。第7章 分组交换网图7.10 帧的确认过程(a)双向数据交换；(b)出现忙的情况DTEDTEDCEDCE(a)N(S)N(R)(b)I,0,0I,0,1I,2,1I,1,1I,1,3I,3,2I,2,4I,3,4RR,41,3,0RNR,4RR，41,4,0第7章 分组交换网 (2)链路层窗口。在数据链路上对信息流进行控制，经常采用的方法是滑动窗口(Sliding Window)控制。窗口控制的主要作用是在数据链路上限制发送帧的最大数目。采用窗口控制协议时，要求通信的两节点设置窗口，这种窗口实质上是一个缓冲区，采用循环队列的方式。发送端的发送窗口用于保存已发送但未确认的帧，在
49、发送一个帧的同时，将该帧存入缓冲区，当收到相应的确认后再从缓冲区中清除。接收端的接收窗口则指示准备接收的帧的序号。发送端每发送一帧，就在缓冲区中保存一帧，当缓冲区满时，发送端不能继续发送帧。在接收到确认信号以后，已证实的帧从缓冲区中清除，则又可以进行后续帧的传输。第7章 分组交换网 链路层窗口是由系统参数K定义的，它表示DTE或DCE可以发送的未被证实的顺序编号I帧的最大数量，也称为窗口尺寸。K的最小值为“1”，最大值为“模数-1”(对于模8的情况即为“7”)。对于模 8的情况，I帧的顺序编号总是由07这8个数字循环，我们可以把窗口看作是由一个圆的连续的八等分扇面组成，如图7.11所示。每个1
50、/8圆代表一个序号，并按顺时针方向编号，图中我们假定窗口尺寸K=3，最后接收到的I帧或S帧的N(R)=6，表示发送的编号为5及以前的帧已正确接收。我们把最后收到的帧的N(R)号作为窗口下沿，则窗口的上沿=N(R)+K-1=0(模8)(注意：此N(R)是接收到的帧的N(R)，而不是发送帧中的N(R)，表示可以发送的I帧的编号是6、7、0。如果现在编号为 6、7的I帧已经发送，则还可以继续发送编号为0的I帧。第7章 分组交换网 当发送的I帧的N(S)等于窗口的上沿时即停止发送(相当于窗口关闭)，待接收到新的I帧或S帧，N(R)大于上一次的N(R)，则窗口的下沿按顺时针方向移到新的N(R)(例如N(
