現(xiàn)代交換原理論文

1、現(xiàn)代交換原理幀中繼技術(shù)鍵入作者姓名選取日期幀中繼技術(shù)及其應(yīng)用摘要 幀中繼是一種在OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層工作的高性能WAN技術(shù)，也是一種典型的包交換技術(shù)。幀中繼是有 Sprint International的工程師發(fā)明的，是X.25協(xié)議的簡(jiǎn)化版本，起初用于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN接口。如今，在其他各種接口上也得到了廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)提供商通常利用幀中繼作為WAN上各個(gè)LAN之間的數(shù)據(jù)流量的封裝技術(shù)。本文簡(jiǎn)要介紹了幀中繼技術(shù)產(chǎn)生的技術(shù)背景，發(fā)展的必要性; 較詳細(xì)地?cái)⑹隽藥欣^的原理, 幀中繼的技術(shù)特點(diǎn), 闡述了幀中繼的未來發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞 幀中繼 X.25 綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng) 封裝技術(shù)

2、 實(shí)際應(yīng)用幀中繼技術(shù)背景數(shù)據(jù)通信最早是基于模擬電話網(wǎng)進(jìn)行的,傳輸?shù)慕橘|(zhì)利用電纜和架空明線，第一個(gè)廣泛應(yīng)用的規(guī)程是CCITT 的X. 25 協(xié)議。用模擬網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的缺點(diǎn)是, 誤碼率高, 約為10- 4 10- 5( 即每傳輸104 105 個(gè)比特信息就會(huì)產(chǎn)生1 比特的誤碼) ; 傳輸速率低( 9. 6kbps) , 而且網(wǎng)絡(luò)終端亦是非智能化( 無控制流量和糾錯(cuò)檢錯(cuò)功能) 的設(shè)備。X. 25 采用分組交換、存貯轉(zhuǎn)發(fā)方式, 為了在高誤碼的通信網(wǎng)上保證較可靠的通信, X. 25 分組網(wǎng)提供誤差校驗(yàn)和流量控制, 故X. 25 協(xié)議相當(dāng)復(fù)雜, 且不可避免干涉到網(wǎng)絡(luò)分層中的高層協(xié)議。由于光纖通信和計(jì)算機(jī)

3、技術(shù)的迅速發(fā)展, 使網(wǎng)絡(luò)的誤碼率誤碼率下降到10- 9 10- 10, 速率卻高達(dá)幾百M(fèi)bps。加上光纖的帶寬極高, 數(shù)據(jù)終端又發(fā)展到高智能化, 故X. 25 已不能適應(yīng)信息時(shí)代高速、低價(jià)、有效傳輸?shù)囊蟆，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)可以將誤碼校驗(yàn)、流量控制等工作交給智能化的終端設(shè)備去處理, 從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。幀中繼技術(shù)就是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。幀中繼的原理幀中繼是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向連接的虛擬電路分組業(yè)務(wù),它既提供交換虛擬連接( switched v irtual connection,SVC) , 也提供永久虛擬電路( permanent virtual circuit, PVC) , 作為ISDN 的支撐業(yè)

4、務(wù), 幀中繼還遵循ISDN 的原則, 使用戶數(shù)據(jù)與信令分離。（1）幀中繼的分成結(jié)構(gòu)幀中繼的分層結(jié)構(gòu)與OSI 參考模型大致相對(duì)應(yīng),如圖1 所示。在OSI 下三層中, 幀中繼網(wǎng)只用下2 層物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的一半功能而去掉了網(wǎng)絡(luò)層, 將端到端的確認(rèn)放在第2 層。（2）幀中繼的體系結(jié)構(gòu) 因?yàn)橛脩粜畔⒑托帕钤诰W(wǎng)絡(luò)端到端之間保持邏輯分離, 用戶信息在用戶平面( U- 平面) 內(nèi)傳輸, 而信令在控制平面( C- 平面) 內(nèi)傳輸, ITU- T 標(biāo)準(zhǔn)亦從用戶側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)兩方面描述FR, 如圖2 所示。FR 體系結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要的協(xié)議為鍵路層協(xié)議, 通常叫做LAPF或Q. 972, 其核心功能為: 幀定界, 幀對(duì)

5、齊, 數(shù)據(jù)透明,用地址域?qū)崿F(xiàn)復(fù)用與解復(fù)用, 幀檢查, 檢錯(cuò)不重傳, 阻塞控制等。幀中繼的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議幀中繼的幀格式在FR中,信息以格式簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度可變的幀方式進(jìn)行傳輸, 幀格式如圖3 所示。每幀由幀定位、幀頭、幀尾和用戶信息四個(gè)部分組成。FLAG 標(biāo)志( 011110) : 表示每個(gè)幀的開始和結(jié)束,并填充幀之間的信道空隙。用戶信息: 一幀含有的用戶信息最短1 字節(jié), 缺省260 字節(jié), 大多數(shù)幀中繼產(chǎn)品最多支持1600 用戶字節(jié)。幀尾: 含2 字節(jié)的幀檢驗(yàn)序列( frame check sequence,FCS) , 其計(jì)算方法與X. 25 相同。幀頭: 由2 4 字節(jié)組成。含有一個(gè)10 位長(zhǎng)的

6、數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識(shí)符( data link connection identifer, DLCI), 是在呼叫建立時(shí)( SVC, 若為PVC 則是網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營者允許時(shí)) 終端與網(wǎng)絡(luò)協(xié)商好的虛擬呼叫標(biāo)識(shí), 終端通過DLCI 標(biāo)識(shí)每個(gè)幀所屬的虛擬連接, 并支持同時(shí)對(duì)不同目的地發(fā)出的許多呼叫。在建立SVC 時(shí), DLCI只具有本地意義。幀頭中其它位的含義如下:EA：地址擴(kuò)展位。如為1,則表示這是最后一個(gè)地址字節(jié); 如為0,則表示下一字節(jié)仍為地址字節(jié);C/ R：命令/ 響應(yīng)位, 被透明地從一個(gè)終端傳至另一個(gè)終端;FECN:如為1, 表示正向有可能發(fā)生擁塞顯示;BECN:如為1, 表示反向有可能發(fā)生擁塞顯示;

7、DE:擁塞發(fā)生時(shí)丟棄一些幀, DE= 1 的幀被優(yōu)先丟棄。幀中繼的協(xié)議幀中繼的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議在體系結(jié)構(gòu)中屬于Q.922的一個(gè)很小的子集, 稱數(shù)據(jù)鏈路核心協(xié)議, 它提供了終端之間幀雙向固定順序傳輸, 協(xié)議有檢錯(cuò)但無糾錯(cuò)和流量控制功能, 糾錯(cuò)和流量控制均在高層協(xié)議中完成。幀中繼原理如圖4 所示。圖4 比較清楚地表示一幀的傳輸原理( 假設(shè)終端向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)幀序列) , 其中幀頭用a 表示, 它含有DLCI 和一些其它信息, 帶X的長(zhǎng)方形表示幀中繼交換機(jī), 當(dāng)交換機(jī)收到此幀后按順序完成下幾項(xiàng)工作。(1)利用幀尾FCS 檢驗(yàn)是否有傳輸錯(cuò)誤, 若有則丟棄此幀。( 2) 查幀長(zhǎng)是否太長(zhǎng)或太短, DLCI= a

8、 是否已經(jīng)分配, 發(fā)現(xiàn)有任何一種錯(cuò)誤即丟棄此幀。( 3) 參照路徑查閱表, 確立通過哪個(gè)出口鏈路向下一站發(fā)送。圖中對(duì)于端口Y, DLCI= a 的幀從端口y輸出, 并換上新的標(biāo)識(shí)符DLCI= b, 在發(fā)送此幀前因DLCI 的改變需重新計(jì)算FCS。( 4) 在呼叫建立時(shí), 沿途經(jīng)過的每一幀中繼交換機(jī)均需在路徑查閱表中增加一頁, 交換一個(gè)不同的DLCI 值, 如此一直交送到目的終端。在這里說的是一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳送過程, 另一方向的傳送過程與此完全相同。概括說來, 幀中繼數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可簡(jiǎn)單表述如下:( 1) 通過FLAG 標(biāo)志標(biāo)識(shí)幀的開始和結(jié)束;( 2) 使用0 位的插入和刪除, 避免標(biāo)識(shí)序列與幀內(nèi)

9、其它字節(jié)相混淆;( 3) 使用FCS 檢查傳輸錯(cuò)誤, 查幀長(zhǎng)度及其它參數(shù)的有效性;( 4) 利用DLCI 為不同的虛擬連接進(jìn)行幀的多路復(fù)用與分解;( 5) 進(jìn)行擁塞控制幀中繼術(shù)語(1) 永久虛電路（PVC）：虛電路是永久建立的鏈路，由ISP 在其幀中繼交換機(jī)靜態(tài)配置交換表實(shí)現(xiàn)。不管電路兩端的設(shè)備是否連接上，它總是為它保留相應(yīng)的帶寬。(2) 數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識(shí)符（DLCI）：一個(gè)在路由器和幀中繼交換機(jī)之間標(biāo)識(shí)PVC 或者SVC的數(shù)值。DLCI（Data Link Circiut Identification，數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識(shí)符）實(shí)際上就是幀中繼網(wǎng)絡(luò)中的第2 層地址。如上圖，當(dāng)路由器R1 要把數(shù)據(jù)發(fā)

10、向路由器R2（IP 為123.123.123.2）時(shí)，路由器R1 可以用DLCI=102 來對(duì)IP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行第2 層的封裝。數(shù)據(jù)幀到了幀中繼交換機(jī)，幀中繼交換機(jī)根據(jù)幀中繼交換表進(jìn)行交換：從S1 接口收到一個(gè)DLCI 為102 的幀時(shí)，交換機(jī)將把幀從S2 接口發(fā)送出去，并且發(fā)送出去的幀的DLCI 改為201。這樣路由器R2 就會(huì)接收到R1 發(fā)來的數(shù)據(jù)包。而當(dāng)路由器R2 要發(fā)送數(shù)據(jù)給R1（IP 為123.123.123.1）時(shí)，路由器R2 可以用DLCI=201 來對(duì)IP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行第2 層的封裝，數(shù)據(jù)幀到了幀中繼交換機(jī)，幀中繼交換機(jī)同樣根據(jù)幀中繼交換表進(jìn)行交換：從S2 接口收到一個(gè)DLCI 為

11、201 的幀時(shí)，交換機(jī)將把幀從S1 接口發(fā)送出去，并且發(fā)送出去的幀的DLCI 改為102。這樣路由器R1 就會(huì)接收到R2 發(fā)來的數(shù)據(jù)包。通過以上分析可以知道DLCI 實(shí)際上就是IP 數(shù)據(jù)包在幀中繼鏈路上進(jìn)行封裝時(shí)所需的第2 層地址。圖8-2 各路由器中的第3 層地址和第2 層地址映射如下：R1： 123.123.123.2102123.123.123.3103R2： 123.123.123.1201123.123.123.3203R3： 123.123.123.1301123.123.123.2302幀中繼的一個(gè)非常重要特性是NBMA（非廣播多路訪問）。在圖8-2 中，如果路由器在DLCI為1

12、02 的PVC 上發(fā)送一個(gè)廣播，R2 路由器可以收到，然而R3 是無法收到的。如果R1 想發(fā)送的廣播讓R2 和R3 都收到，必須分別在DLCI 為102 和103 的PVC 上各發(fā)送一次，這就是非廣播的含義。多路訪問的意思是幀中繼網(wǎng)絡(luò)是多個(gè)設(shè)備接在同一網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上，以太網(wǎng)也是多路訪問網(wǎng)絡(luò)。(3) 本地管理接口（Local Management Interface）：是路由器和幀中繼交換機(jī)之間的一種信令標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)管理設(shè)備之間的連接及維護(hù)其連接狀態(tài)。LMI提供了一個(gè)幀中繼交換機(jī)和路由器之間的簡(jiǎn)單信令。在幀中繼交換機(jī)和路由器之間必須采用相同的LMI 類型，配置接口LMI 類型的命令為 frame-re

13、lay lmi-type cisco | ansi | q933a 。路由器從幀中繼交換機(jī)收到LMI 信息后，可以得知PVC 狀態(tài)。三種PVC 狀態(tài)是:激活狀態(tài)（Active）：本地路由器與幀中繼交換機(jī)的連接是啟動(dòng)且激活的?？梢耘c幀中繼交換機(jī)交換數(shù)據(jù)。非激活狀態(tài)（Inactive）：本地路由器與幀中繼交換機(jī)的連接是啟動(dòng)且激活的，但PVC另一端的路由器未能與它的幀中繼交換機(jī)通信。刪除狀態(tài)（Deleted）：本地路由器沒有從幀中繼交換機(jī)上收到任何LMI，可能線路或網(wǎng)絡(luò)有問題，或者配置了不存在的PVC。(4) 承諾信息速率（CIR，Committed Information Rate）：也叫保證速率

14、，是服務(wù)提供商承諾將要提供的有保證的速率，一般為一段時(shí)間內(nèi)（承諾速率測(cè)量間隔T）的平均值，其單位為bps。(5) 超量突發(fā)（EB，Excess Brust）：在承諾信息速率之外，幀中繼交換機(jī)試圖發(fā)送而未被準(zhǔn)許的最大額外數(shù)據(jù)量，單位為bit。超量突發(fā)依賴于服務(wù)提供商提供的服務(wù)狀況，但它通常受到本地接入環(huán)路端口速率的限制。幀中繼映射DLCI 是幀中繼網(wǎng)絡(luò)中的第2 層地址。路由器要通過幀中繼網(wǎng)絡(luò)把IP 數(shù)據(jù)包發(fā)到下一跳路由器時(shí)，它必須知道IP 和DLCI 的映射才能進(jìn)行幀的封裝。有兩種方法可以獲得該映射：一種是靜態(tài)映射，由管理員手工輸入；另一種是動(dòng)態(tài)映射。默認(rèn)時(shí)，路由器幀中繼接口是開啟動(dòng)態(tài)映射的。1

15、靜態(tài)映射管理員手工輸入的映射就為靜態(tài)映射，其命令為：frame-relay map ip protocol address dlci broadcast 其中：protocol：協(xié)議類型address：網(wǎng)絡(luò)地址dlci：為所需要交換逆向ARP 信息的本地接口的DLCI 號(hào)broadcast：參數(shù)表示允許在幀中繼線路上傳送路由廣播或組播信息2動(dòng)態(tài)映射IARP（Inverse ARP，逆向ARP）允許路由器自動(dòng)建立幀中繼映射，其工作原理如圖所示：(1) R1 路由器從DLCI=102 的PVC 上發(fā)送IARP 包，IARP 包中有R1 的IP 地址12.12.12.1 ；(2) 幀中繼云對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)

16、行交換，最終把IARP 包通過DLCI=201 的PVC 發(fā)送給R2；(3) 由于R2 是從201 的PVC 上接收到該IARP 包，R2 就自動(dòng)建立一個(gè)映射：12.12.12.1201(4) 同樣R2 也發(fā)送IARP 數(shù)據(jù)包，R1 收到該IARP 包，也會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)映射：12.12.12.2102幀中繼的應(yīng)用幀中繼比較典型的應(yīng)用有兩種幀中繼接入和幀中繼交換幀中繼接入即作為用戶端承載上層報(bào)文接入到幀中繼網(wǎng)絡(luò)中幀中繼交換指在幀中繼網(wǎng)絡(luò)中直接在鏈路層通過PVC交換轉(zhuǎn)發(fā)用戶的報(bào)文幀中繼網(wǎng)提供了用戶設(shè)備如路由器橋主機(jī)等之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的能力用戶設(shè)備被稱作數(shù)據(jù)終端設(shè)備即DTE 為用戶設(shè)備提供接入的設(shè)備

17、屬于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被稱為數(shù)據(jù)通信設(shè)備即DCE DTE和DCE之間的接口被稱為用戶網(wǎng)絡(luò)接口即UNI 網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間的接口被稱為網(wǎng)間網(wǎng)接口即NNI 幀中繼網(wǎng)絡(luò)可以是公用網(wǎng)絡(luò)或者是某一企業(yè)的私有網(wǎng)絡(luò)如圖。 通過幀中繼網(wǎng)絡(luò)互連局域網(wǎng)幀中繼的工程實(shí)現(xiàn)以下以思科的7200系列路由器作為幀中繼交換機(jī),實(shí)現(xiàn)部分互聯(lián)拓?fù)洹Ｈ鐖D,R1作為幀中繼交換機(jī),R2與R4、R3實(shí)現(xiàn)連接，R3與R4不互通。下面給出其配置過程及幀中繼交換機(jī)和路由器CLI中的運(yùn)行配置信息和其他一些與幀中繼有關(guān)的參數(shù)。(1) 步驟1：開啟幀中繼交換功能R1(config)#frame-relay switching /注：把該路由器當(dāng)成幀中繼交換機(jī)R1

18、(config)#int s1/0R1(config-if)#no shutdownR1(config-if)#clock rate 128000 /注：該接口為DCE，要配置時(shí)鐘R1(config-if)#encapsulation frame-relayR1(config-if)#frame-relay lmi-type ciscoR1(config-if)#frame-relay intf-type dceR1(config-if)#frame-relay route 203 interface s1/2 302R1(config-if)#frame-relay route 204 in

19、terface s1/1 402R1(config)#int s1/1R1(config-if)#no shutdownR1(config-if)#clock rate 128000R1(config-if)#encapsulation frame-relayR1(config-if)#frame-relay lmi-type ciscoR1(config-if)#frame-relay intf-type dceR1(config-if)#frame-relay route 402 interface s1/0 204R1(config)#int s1/2R1(config-if)#no shutdownR1(config-if)#clock rate 128000R1(config-if)#encapsulation frame-relayR1(config-if)#frame-relay lmi-type ciscoR1(config-if)#frame-relay intf-type dceR1(config-if)#frame-relay route 302 interface s1/0 203R2(config)#int s1/0R2(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.25