《現代網絡技術》課件第7章

第7章廣域網與路由技術7.1廣域網的體系結構7.2廣域網的路由問題7.3路由選擇算法7.4擁塞控制7.5X.25分組交換網7.6幀中繼7.7ISDN習題

7.1廣域網的體系結構7.1.1廣域網的組成廣域網一般由主機(Host)和通信子網(CommunicationSubnet)組成。其中主機稱做端系統。通信子網由一些結點交換機(也叫交換機、分組交換結點、數據交換設備)以及連接這些交換機的鏈路組成(簡稱子網)。結點交換機完成分組存儲轉發(fā)功能。結點之間都是點到點的連接，但為了提高網絡可靠性，通常一個結點交換機往往與多個結點交換機相連。因此可以這樣來理解，通信子網的作用是在主機與主機之間傳送信息，而主機主要負責數據處理，面向網絡應用，是網絡資源的擁有者。通信子網和主機組成了網絡的資源子網。所以，將網絡的通信(通信子網)和應用(主機)分離開來，可簡化整個網絡系統的設計和分析。從層次上考慮，廣域網和局域網的區(qū)別很大，因為局域網使用的協議主要在數據鏈路層及一部分物理層上，而廣域網主要靠通信子網實現低3層的功能，其使用的核心協議集中在網絡層。由于在廣域網中兩臺主機之間可能存在多條通信鏈路，因此要解決的一個非常重要的問題就是路由選擇。從這個意義上說，廣域網的拓撲決定了它不能使用局域網普遍采用的多點接入技術。由主機組成的資源子網主要完成高層協議功能。傳輸層成為通信子網和資源子網的界面。圖7-1表示相距較遠的局域網通過路由器與廣域網相連，組成了一個覆蓋范圍更廣的互聯網(互聯網技術將在第8章中討論)。這樣，局域網就可通過廣域網與另一個相隔很遠的局域網進行通信。路由器是一種特殊用途的計算機，在圖中將它畫在兩種網絡之外，其實它既屬于局域網也屬于廣域網，局域網通過它接入廣域網，廣域網中的結點交換機在某種意義上也是路由器。廣域網和局域網都是互聯網的重要組成構件，盡管它們的結構和作用距離相差很遠，但從互聯網的角度來看，它們都是平等的(這點在學習第8章后才能真正理解)。圖7-1由局域網和廣域網組成的互聯網7.1.2廣域網的通信服務廣域網向上可提供兩類服務：無連接服務和面向連接服務。無連接服務好比郵政系統。每個分組(信件)帶有完整的目的地址，經由系統選擇的路徑傳送。一般場合，若多個分組發(fā)往同一目的地時，則應是先發(fā)先到。但也不盡然，有的分組可能在途中延誤了，則會發(fā)生先發(fā)后到的情況。面向連接服務好比電話系統。當要通話時，先要撥號建立連接，接著談話，然后掛斷。這與數據通信中的建立連接、數據傳送、拆除連接的過程是類似的。目前，大多數網絡系統都為面向連接服務提供了數據流界面，例如Internet中TCP協議的調用接口套接字(Socket)。使用這種接口，用戶不用考慮如何劃分數據的分組或低層如何傳輸。面向連接服務又可分成兩種形式：永久性連接服務和非永久性連接服務。前者只是在第一次通信之前進行連接，此連接路徑被存儲起來。以后這兩臺計算機之間的通信就不用再進行連接了。后者在每個應用(或數據流)開始之前，都需要先進行連接。目前常用的IP協議是無連接的，而低層的通信子網則既有面向連接的(如ATM、幀中繼等)，也有無連接的(如傳統以太網、交換式以太網、千兆位以太網、令牌環(huán)、FDDI等)。對于高層而言，TCP協議則提供面向連接的服務，這樣，IP協議的無連接特性可被TCP所屏蔽。無連接服務和面向連接服務的具體實現就是所謂的數據報(Datagram)服務和虛電路(VirtualCircuit)服務。

1)數據報服務數據報服務的特點是：

(1)主機只要想發(fā)送數據就可隨時發(fā)送，無需在源站和目的站之間建立虛連接。

(2)每個分組根據其標識的地址獨立地選擇路由。

(3)數據報不保證按發(fā)送順序到達目的站，即先發(fā)送出去的分組不一定先到達目的站。同樣，也不保證不丟失和不重復。

(4)當網絡發(fā)生擁塞時，網絡中的某個結點可以將一些分組丟棄。因此，數據報提供的服務是不可靠的，它不能保證服務質量(QoS)，而是一種“盡最大努力傳輸”的服務。

(5)端到端的流量和差錯控制由主機負責。當需要把數據按發(fā)送順序交付給目的主機時，在目的站還必須把收到的分組緩存一下，等到能夠按順序交付主機時再進行交付。

(6)適用于批量短報文傳送、電子郵件及多播等應用環(huán)境。當然，數據報服務中也可以作帶有確認的數據報服務，這好比寄出的掛號信又要求回執(zhí)一樣，當收到回執(zhí)后，才確認信被無誤地接收到了。

2)虛電路服務虛電路服務的特點是：

(1)源主機與目的主機通信之前，源主機要先請求一個虛呼叫，即發(fā)送一個特定格式的呼叫分組到目的主機請求進行通信，同時通過這個請求也尋找到一條合適的路由。若目的主機同意通信，就發(fā)回響應，然后雙方就可以傳送數據了。通信雙方建立的這條路由就是所謂的“虛電路”，它是一條邏輯連接。

(2)發(fā)送的所有分組都必須走這條虛電路傳送，數據傳送結束后，還要釋放這條虛電路。這一點很像電話通信，先撥號建立連接，后通話，通話結束后要掛機。

(3)能保證按順序交付，不丟失和不重復。

(4)提供可靠、有質量保證的服務，適用于文件傳送的應用場合。

(5)端到端的流量和差錯控制由通信子網負責。需要注意的是，由于采用了存儲轉發(fā)技術，所以這種虛電路就和電路交換的連接有很大的不同。在電路交換的電話網上打電話時，兩個用戶在通話期間自始至終地占用一條端到端的物理信道。但當我們占用一條虛電路進行計算機通信時，由于采用的是存儲轉發(fā)的分組交換，所以只是斷續(xù)地占用一段又一段的鏈路，雖然我們感覺好像(但并沒有真正地)占用了一條端到端的物理電路。建立虛電路的好處是可以在有關的交換結點預先保留一定數量的緩沖區(qū)，作為對分組的存儲轉發(fā)之用。這兩種服務適用于不同的通信場合。很多情況下，網絡上傳送的報文長度都是很短的，若采用128個字節(jié)為分組長度，則往往一次傳送一個分組就夠了。在這種情況下，用數據報既迅速又經濟。若用虛電路，為了傳送一個分組而建立虛電路和釋放虛電路明顯要浪費網絡資源。但從另一個角度看，為了在交換結點進行存儲轉發(fā)，在使用數據報時，每個分組必須攜帶完整的地址信息。而在使用虛電路的情況下，每個分組不需要攜帶完整的目的地址，而僅需要有虛電路號的標志，這樣就使分組的控制信息部分的比特數減少，因而減少了額外開銷。這兩種服務對于差錯處理的方法也有差別。在數據鏈路層雖然使用了鏈路的差錯處理方法，保證其可靠傳輸，但由一段段可靠的鏈路組成的網絡端到端通信時，仍有可能出現差錯，這樣的差錯主要發(fā)生在某個結點的處理機故障。由于數據報服務是一種不可靠服務(不能保證按序交付，也不保證不丟失和不重復)，所以在使用數據報的情況下，主機要承擔端到端的差錯控制。而虛電路服務是一種可靠服務(保證分組按序交付，且不丟失和不重復)，所以當采用虛電路服務時，端到端的差錯控制由網絡負責，即途經虛電路的每個結點都要進行差錯處理，只要每條虛電路事先保留足夠的緩沖區(qū)，那么差錯控制就比較容易處理。此外，由于數據報服務的每個分組可獨立地選擇路由，當某個結點發(fā)生故障時，后續(xù)的分組就可另選路由，因而提高了可靠性。但在使用虛電路時，結點發(fā)生故障就必須重新建立另一條虛電路。利用數據報服務還能將一個分組發(fā)送到多個地址(即廣播或多播)。表7-1歸納了虛電路服務與數據報服務的主要區(qū)別。7.2廣域網的路由問題7.2.1分層編址與路由表從連接計算機的角度來看，連接到廣域網上的每一臺計算機(與局域網一樣)都被指定一個地址，發(fā)送方計算機必須給出目的計算機地址才能發(fā)送數據。廣域網使用的編址方案是把地址分成幾部分。比如最簡單的編址是把地址分為前后兩部分，前一部分表示結點交換機，后一部分表示連接在交換機上的計算機。如圖7-2表示網上有三個交換機(編號分別為1、2和3)，每個交換機所接入的計算機按端口號進行編號，用一對十進制整數表示一個地址，比如[2，6]代表連接到交換機2上端口號為6的計算機地址。不難看出，采用這種編址方法，在整個廣域網中的每一臺計算機的地址一定是惟一的。在實際應用中用二進制數來表示一個地址，這個二進制數的前幾位表示地址的第一部分(交換機號)，而剩下的后面幾位表示地址的第二部分(端口號)。因此，對用戶和應用程序來說這個地址被視為一個數，而不必知道這個地址是分層的。圖7-2廣域網中的地址和交換機中的路由表總之，在廣域網中必須依靠這樣的分層地址結構才能保證計算機之間的通信，否則將無法實現通信。因此，結點交換機的一個極其重要的作用就是提供一張路由表，通過它進行分組轉發(fā)。網中的每一個結點交換機都有一張路由表，圖7-2給出了交換機2的路由表，為簡便起見，表中只列出了最重要的兩項內容，第一項為分組要發(fā)往的目的站地址，第二項為分組應轉發(fā)的下一站。下一站用交換機號(或轉發(fā)端口號)表示，也稱做下一跳。如果目的站是直接發(fā)往連接在本交換機上的計算機，那么不作轉發(fā)而直接交給本交換機相應的端口。7.2.2廣域網的路由問題歸根到底，解決廣域網的路由問題就是如何實現分組在交換機中的轉發(fā)，那么設置路由表就是為了實現這種轉發(fā)。為了清楚地分析、研究廣域網的路由問題，通常采用圖論中“圖”的方法來表示一個廣域網并加以分析。圖中的結點表示廣域網中的交換機，結點之間的邊表示廣域網中的鏈路。圖中沒有標名計算機，因為路由問題與計算機無關。圖7-2的廣域網所對應的“圖”表示成圖7-3所示。根據這個圖，可以得到每一個結點的路由表，路由表中“下一跳”符號“－”表示發(fā)往本交換機的分組不再需要轉發(fā)，直接交給計算機。圖7-3用圖表示圖7-2所對應的廣域網圖7-4是針對圖7-3得到的各個結點路由表。分析圖7-4的路由表，發(fā)現還可以將路由表進一步簡化。比如，在結點4的路由表中，當目的站為1、2、3時，分組都要轉發(fā)到結點1。這是因為結點4只有惟一一跳鏈路連接到結點1，也就是說從結點4發(fā)往其他任何結點的分組都必須先轉發(fā)到結點1。為此，將路由表中所有具有相同“下一跳”的表項合并為一個路由，這個路由稱為“默認路由”(表中用符號“*”代替)。默認路由比其他路由的優(yōu)先級低，若被轉發(fā)的分組在路由表中找不到明確的“下一跳”，那么就使用默認路由。圖7-5為使用了默認路由的路由表。對于大型網絡，路由表中有很多重復項，使用默認路由消除這些重復項可以加快搜索路由表時間，這是對路由的一種優(yōu)化措施之一。圖7-4針對圖7-3中各個結點得到的路由表圖7-5針對圖7-4使用默認路由得到的路由表從圖7-4可看出，對于目的站有超過一個以上具有相同“下一跳”的轉發(fā)才使用默認路由。除結點1路由表外，其余結點都使用了默認路由。至此已經很清楚，通過結點交換機進行分組轉發(fā)，實際上就是查找路由表，找到匹配的“下一跳”，轉發(fā)給下一個結點交換機，這樣分組一步一步地被轉發(fā)，直至目的結點。值得注意的是，分組在到達某一個特定的交換機之前，路由的下一跳并不依賴于分組中的源地址，也不依賴于前面所走過的路徑，而下一跳僅僅依賴于分組的目的地址，這被稱為“源地址獨立性”。它使得網絡中的轉發(fā)變得更緊湊、更有效。因為所有沿同樣路徑的分組只需一個路由，因此，轉發(fā)不需要源地址信息，只需檢查分組中的目的地址即可。7.2.3路由選擇算法種類有了轉發(fā)機制，還要解決路由表的生成問題。有兩種構造路由表的方法：

(1)靜態(tài)路由選擇(StaticRouting)。結點交換機啟動時由程序計算并設置路由，以后路由不再改變。它是一種非自適應路由選擇策略。

(2)動態(tài)路由選擇(DynamicRouting)。結點交換機啟動時由程序建立初始路由，當網絡結點發(fā)生變化時隨時更新。它是一種自適應路由選擇策略。每種類型路由選擇都有優(yōu)缺點。靜態(tài)路由選擇簡單，開銷小，但缺乏靈活性，路由不易改變。大多數網絡采用動態(tài)路由選擇，它能自動適應網絡結點的變化，隨時檢測網絡中的流量及硬件狀態(tài)，可根據實際情況修改路由。一個理想的路由算法應具有以下特點：

(1)算法必須是正確的、完整的。每一個結點交換機中的路由表，都必須給出到所有可能的目的站的下一站的走法，并且所給出的走法應是正確的。即沿著各交換機中路由表所指引的路由，分組一定能夠最終到達目的計算機所在的那個交換機，并且該交換機可以根據自己的路由表識別出目的計算機并直接與自己相連，不會再向其他交換機轉發(fā)該分組。

(2)算法在計算上應簡單。由于在每個結點上都要進行路由選擇的計算，所以必然要增加分組的時延。因此，路由選擇的計算不應使網絡通信量增加太多的額外開銷。若為了計算合適的路由必須使用網絡其他結點發(fā)來的大量狀態(tài)信息時，額外開銷就會較大。

(3)算法應能適應通信量和網絡拓撲的變化。這就是說，要有自適應性。當網絡中的通信量發(fā)生變化時，算法能自適應地改變路由，以均衡各鏈路的負載。當某個或某些結點、鏈路發(fā)生故障不能工作，或者故障恢復后再投入運行時，算法也能及時地改變路由。稱這種自適應性為“穩(wěn)健性”。

(4)算法應具有穩(wěn)定性。在網絡通信量和網絡拓撲相對穩(wěn)定的情況下，路由算法應收斂于一個可以接受的解，而不應產生過多的振蕩。所謂振蕩，就是指由算法得出的路由是在一些路由之間來回不停地變化。

(5)算法應是公平的。這就是說，算法應對所有用戶(少數優(yōu)先級高的用戶除外)都是平等的。

(6)算法應是最佳的。最佳是指以最低的費用來實現路由算法。通常為每一條鏈路指定一定的費用，而這個費用又是由許多的因素綜合起來決定的。如鏈路長度、數據率、鏈路容量、是否要保密、傳播時延等，還有結點緩沖區(qū)被占用的程度、鏈路的差錯率情況等?？梢愿鶕脩舻木唧w情況來設置每一條鏈路的“費用”。從以上所述可以看出，不存在一種絕對的最佳路由算法。所謂“最佳”只能是相對于某一種特定要求下得出的較為合理的選擇而已。一個實際的路由選擇算法，應盡可能接近于理想的算法。在不同的應用條件下，對以上提出的六個方面也可能有不同的側重。應當指出，路由選擇是一個非常復雜的問題。這是因為，路由選擇是網絡中的所有結點共同協調工作的結果。其次，路由選擇的環(huán)境往往是在變化的，而這種變化有時無法事先預知，例如網絡中發(fā)生了某些故障。此外，當網絡發(fā)生擁塞時，就特別需要有能緩解這種擁塞的路由選擇策略，但恰好在這種條件下，很難從網絡中的各結點獲得所需的路由選擇信息。網絡有兩個最主要的性能指標：吞吐量(通信數量)和平均時延(通信質量)。路由選擇和流量控制對這兩個性能指標有直接影響。圖7-6說明了好的流量控制可以使更多的通信量流入網絡，而好的路由選擇可以使網絡的平均時延較低。當輸入到網絡的負載增大時，網絡的平均時延將增大，這就要對輸入的通信量作進一步的流量控制，要拒絕一些負載進入網絡。網絡的平均時延總是隨網絡的通信量增大而增大。良好的路由選擇可以提高網絡的吞吐量。圖7-7說明了路由選擇對網絡性能的影響。圖7-6路由選擇與流量控制的相互作用

圖7-7路由選擇對網絡性能的影響7.3路由選擇算法7.3.1非自適應路由選擇

1．固定路由算法固定路由算法的基本思想是在每個結點上建立一張路由表，表中指出對每一個目的站地址應走哪條鏈路進行轉發(fā)。這些表是在整個系統進行配置時生成的，并且在此后相當長的一段時間保持固定不變。當網絡拓撲固定不變并且通信量也相對穩(wěn)定時，采用固定路由法是最好的。建立路由表是根據網絡內任意兩個結點之間存在有多條路徑，從中選擇最短路徑，然后將其做成路由表，存放在各個結點中。每一個分組都可在所到達的結點中查找到下一步應轉發(fā)到哪一個結點?？梢娺@種路由選擇策略的關鍵就是要算出給定網絡中任意兩個結點之間的最短路徑。求最短路徑的算法是由Dijkstra提出的。已知整個網絡拓撲和各結點間鏈路的長度，求從源結點到網絡中其他各結點的最短路徑。如果將已知的各鏈路長度改為鏈路時延或費用，這就相當于求任意兩結點之間具有最小時延或最小費用的路徑。因此，求最短路徑算法具有普遍的應用價值。圖7-8網絡拓撲和鏈路長度下面以圖7-8的網絡為例來討論。為方便起見，設源結點為結點1，然后一步一步地尋找，每找一個結點，求該結點到源結點的最短路徑，直到把所有的結點都找完為止。表7-2是對圖7-8的網絡進行求解的詳細步驟?？梢钥闯觯鲜龅牟襟E(2)共執(zhí)行了5次。表中帶圓圈的數字是在每一次執(zhí)行步驟(2)時所尋找的具有最小值的D(w)值。當第5次執(zhí)行步驟(2)并得出了結果后，所有網絡結點都已包含在N之中，整個算法即告結束。最后就得出以結點1為根的最短路徑樹(見圖7-9(a))。從最短路徑樹可清楚地看出從源結點(結點1)到網內任何一個結點的最短路徑。圖中每個結點旁邊用括號注明的數字表示該結點是在執(zhí)行第幾步算法時加入到集合N中去的。初始化步驟算做是第0步。圖7-9(b)是在結點1中形成的路由表。此路由表指出對于發(fā)往某個目的站的分組，從結點1轉發(fā)出去的下一跳應當是哪個結點。像這樣的路由表，所有其它各結點都需要分別以這些結點為源結點按照上述算法重復計算一遍，形成各結點的路由表。圖7-9(a)最短路徑樹；(b)結點1的路由表

2．分散通信量法該算法的基本思想是：事先在每個結點中設置一個路由表，此路由表中給出幾個可供采用的輸出鏈路，并且對每條鏈路賦予一個概率。當一個分組到達該結點時，此結點即產生一個從0到1之間的隨機數，然后按此隨機數的大小，查表找出相應的輸出鏈路。圖7-10用一個例子說明這種方法。當一個分組到達結點K時，先取它的目的地址(設它的目的地址為B站)。查路由表從中可得到，它共有3條輸出鏈路可供選擇，即K→M、K→N和K→L。若在結點K產生的隨機數在0.00～0.34之間，則選擇K→M作為輸出鏈路。若隨機數在0.35～0.69或0.70～0.99之間，則分別選擇K→N或K→L鏈路作為輸出鏈路。因此，對于以B站為目的站的分組，在到達結點K后，有35%的可能走K→M鏈路，35%的可能走K→N鏈路，而30%的可能走K→L鏈路。這種方法與固定路由相比，可使網內的通信量更加平衡，因而可得到較小的平均分組時延。圖7-10用分散通信量法確定路由

3．洪泛法這個算法的思想是：當某個結點收到一個不是發(fā)給它的分組時，就向所有與此結點相連的鏈路轉發(fā)出去。當然，不能再把這個分組發(fā)到它剛剛離開的那個結點，否則就永遠有一些分組來回不停地在各條鏈路上“振蕩”。當網絡的通信量很小時，洪泛法可使分組的時延為最小。此外，在許多條并行發(fā)送的路由中，顯然會有一條是最佳的。實際上在運行的網絡中很少采用洪泛法。這是因為采用洪泛法后，網絡中的分組數目會迅速增長，導致網絡出現擁塞現象?？梢圆捎脙煞N方法來限制分組的數目。一種方法是在每個分組的首部中設置一個計數器。每當分組到達一個結點時，計數器即自動加1。當計數器所計的數達到規(guī)定值時(如達到端到端所能達到的最大段數)，即將此分組丟棄。另一種方法是在每一個結點建立一個登記表，凡經過此結點的分組均進行登記。當某個分組再次通過該結點時，即將該分組丟棄。當然，這種方法所付出的代價是各結點都要用去不少的存儲空間。建立登記表的方法可以有效地防止分組在網內無限制地循環(huán)。其實洪泛法在軍用網中很有用，因為它有很好的穩(wěn)健性。洪泛法可以修改成有選擇的洪泛法。它的特點是僅在滿足某些事先確定的條件的鏈路上轉發(fā)分組，因此分組不會向不希望去的方向轉發(fā)。

4．隨機走動法這個算法又稱為隨機徘徊，其思想是當分組到達某個結點時就隨機地選擇一條鏈路作為轉發(fā)的路由。例如，分組到達某個結點后，可供轉發(fā)的輸出鏈路共有3條，那么就以平均概率0.33選擇任一條鏈路作為其轉發(fā)的路由。在非自適應的路由策略中，若可能發(fā)生結點或鏈路的故障，那么隨機走動法已被證明是非常有效的，它使得路由算法具有較好的穩(wěn)健性。7.3.2自適應路由選擇

1．分布式路由選擇它的基本思想是每個結點周期性地從相鄰的結點獲得網絡狀態(tài)信息，同時也將本結點做出的決定周期性地通知周圍的各結點，以使這些結點不斷地根據網絡的最新狀態(tài)更新其路由。因此，整個網絡的路由選擇經常處于一種動態(tài)變化的狀況。各個結點的路由表相互作用，當網絡狀態(tài)發(fā)生變化時，必然會影響到許多結點的路由表。例如，結點A路由表要用到結點B路由表中的信息，而結點B路由表又要用到結點A路由表中的信息。因此，動態(tài)情況下要經過一定的時間以后，各路由表中的數據才能達到穩(wěn)定的數值。分布式路由選擇有兩個最基本的算法，即距離向量算法和鏈路狀態(tài)算法。距離向量算法最早在ARPANET網中曾作為路由選擇方法使用，它在計算機通信中有過重要的作用，并由此改進和出現了新的路由算法。仍以圖7-8所示的網絡為例?，F在把每條鏈路旁邊注明的數字看成是時延(單位是ms)，圖7-11是網絡的拓撲以及更新前結點1的路由表。從中可以看到，從結點1到結點3、5和6的時延并不是所能得到的最小時延，這是由某些原因(如某條鏈路暫時有故障)造成的。圖7-11網絡拓撲和結點1的路由表圖7-12結點1收到的3個時延向量和更新后的路由表一般說來，分布式路由選擇方法包括以下三個要素：●對于網絡的某種特性的測量過程。●關于如何傳播上述特性的測量結果的協議?！袢绾斡嬎愠鏊_定的路由。

ARPANET網的路由選擇方法具有這三個要素，這里比較復雜的是對網絡的某種特性的測量。具體說來如下：

(1)?ARPANET把在一個結點中向某條鏈路發(fā)送的等待隊列內的分組數目再加上一個常數(即偏移)作為此鏈路的時延。顯然，若鏈路的數據率不同或分組長度不同，則當隊列中分組數目相同時，并不一定能保證其時延也是相同的。

(2)當一個分組到達某一個結點時，還需要經過一段處理時間(這時間是可變的)才能進入等待隊列。因此，用隊列長度表示鏈路的時延是不夠準確的。

(3)等待隊列長度的瞬時值(在測量瞬間得到的值)并不能精確代表鏈路的平均時延。實際測量結果表明，在高負載下，雖然網絡的平均時延很大，但仍有不少分組具有很小的時延，而有的隊列長度有時甚至下降到零。總而言之，等待隊列的長度僅僅是影響分組時延的因素之一，僅就這一因素進行測量是不能得出精確結果的。針對以上缺點，ARPANET后來采用了一個改進的路由選擇算法。它仍是自適應分布式的路由算法，但不再用隊列長度來表示時延，而是將時延實際測量出來。當一個分組到達某一個結點時，立即在分組上寫入到達時間，即打上時間戳。當該分組被發(fā)送出時，再記錄發(fā)出的時間。發(fā)出時間減去到達時間再加上分組的發(fā)送時間(即分組長度除以數據率)和傳播時間，即得出時延。若收到否認的響應，則在進行重發(fā)時將發(fā)送時間更新。也就是說，時延是一次成功的發(fā)送所經歷的時間。在新的路由算法中，不再是128ms更新一次，而是10?s更新一次，而時延信息是在10?s內的平均值。時延信息采用廣播方法傳給網內所有其他結點。當網絡拓撲發(fā)生變化時，立即將此信息廣播出去。由于通常每隔10?s才更新一次路由選擇，而所發(fā)送的更新分組長度僅176?bit，這就大大減少了為進行路由選擇而產生的開銷。這種方法還解決了路由反復振蕩的問題，因為現在采用時延的平均值，而不是隊列長度的瞬時值作為計算路由的依據。由于采用新的算法時每個結點都必須保留全網拓撲的數據庫，因而新算法比舊算法多使用不少的內存空間。

2．集中式路由選擇集中式路由選擇策略的核心是網控中心(NCC，NetworkControlCenter)。NCC負責全網狀態(tài)信息的收集、路由計算以及路由選擇的實現。集中式路由選擇策略有多種，這取決于儲存在NCC中的網絡信息的類型、路由的計算方法以及路由選擇實現的技術。例如，路由選擇實現的技術可以是從NCC周期性地把路由表發(fā)到所有的結點，也可以是以一次虛呼叫為基礎實現路由選擇(只適用于虛電路網絡)。集中式路由選擇策略的最大好處是：各個結點不需要進行路由選擇計算，較容易得到更精確的路由最優(yōu)化，同時還消除了路由不斷變來變去的振蕩現象，而這些問題在網絡狀態(tài)不太明確時最容易發(fā)生。集中式路由選擇策略還可起到對進入網絡的通信量的某種流量控制的作用。這一特點使得集中式路由選擇策略很有吸引力。集中式的路由選擇策略存在著兩個主要缺點。第一是在離NCC較近的地方通信量的開銷較大。這是因為要周期性地從所有結點收集網絡狀態(tài)信息的報告，同時還要將路由選擇的命令從NCC送到網內的每一個結點。第二是可靠性問題。一旦NCC出故障，則整個網絡即失去控制。為了解決這一問題，可按不同等級設置若干個NCC，它們彼此不間斷地互相監(jiān)視著。當高級別的NCC出故障時，比它低一級的NCC馬上接替工作。用這種方法花費較大，并且仍會產生一些問題。在軍事環(huán)境下，NCC顯然是個非常容易受到打擊的目標。

3．混合式路由選擇從原則上講，在一個網絡中可以將一些不同類型的路由選擇方法混合。這時只要在每一個結點明確定義：對于何種類型的通信量、負載以及網絡的連通條件，應當采用何種的路由選擇策略。出于對線路和處理機開銷的考慮，限制了可行的混合式路由選擇策略只能是將集中式的和孤立的路由選擇策略結合起來。集中式的路由選擇策略用來尋找在穩(wěn)定狀態(tài)下的最佳路由，然后由NCC將路由表送到每一個結點去。而孤立的路由選擇策略則用來提供對局部的擁塞和故障的迅速響應。這種響應只是暫時的，因而并不要求很精確(例如，出現兜圈子也是允許的)。不需要很長時間，NCC就會發(fā)現通信量以及網絡拓撲的變化情況，于是就對路由表進行更新。7.4擁塞控制7.4.1擁塞控制的意義計算機網絡中的鏈路容量、交換結點中的緩沖區(qū)和處理機等，都是網絡的資源。在某段時間，如果對網絡中某一資源的需求超過了該資源所能提供的能力，網絡的性能就要變壞。這種情況就叫做擁塞(Congestion)。產生資源擁塞的條件是：＞可用資源(7-5)若網絡中有許多資源同時產生擁塞，網絡的性能就要明顯變差，整個網絡的吞吐量將隨輸入負載的增大而下降。對網絡擁塞不能用簡單的任意增加一些資源(如擴大結點緩沖區(qū)空間，或更換高速鏈路，或提高結點處理機速度等)的方法來解決。這是因為網絡擁塞是一個非常復雜的問題，簡單地采用一些做法，在許多情況下，不但不能解決擁塞問題，而且還可能使網絡的性能更壞。網絡擁塞往往是由許多因素引起的。例如，當某個結點緩沖區(qū)的容量太小時，到達該結點的分組因無空間暫存而不得不被丟棄。設想將該結點緩沖區(qū)的容量擴展到非常大，于是凡到達該結點的分組均可在這緩沖區(qū)的隊列中排隊，不受任何限制。由于輸出鏈路的容量和處理機的速度并未提高，因此在這隊列中的絕大多數分組的排隊等待時間將會很長，結果上層軟件只好將它們進行重傳(因為早就超時了)。由此可見，簡單地擴大緩沖區(qū)的存儲空間不但解決不了網絡擁塞的問題，而且會造成網絡資源的嚴重浪費。又如，處理機處理的速率太慢可能引起網絡的擁塞。比如某個路由器CPU運行太慢，使得緩沖區(qū)中的隊列變得很長，即使線路的容量還很富裕。簡單地將處理機的速率提高，可能會使上述情況緩解一些，但往往又會將瓶頸轉移到其他的地方。擁塞的實質往往是整個系統各個部分不匹配。只有各個部分都平衡了，問題才會得到解決。擁塞常常使網絡趨于惡化。如果一個路由器沒有足夠的緩沖區(qū)，它就會丟棄一些新到的分組。但當分組被丟棄時，發(fā)送這一分組的相鄰路由器就會重發(fā)這一分組，可能還要重發(fā)多次。發(fā)送端在未收到確認之前必須保留所發(fā)分組的副本以便重發(fā)?？梢娫诮邮斩水a生的擁塞反過來會引起發(fā)送端緩沖區(qū)的擁塞。擁塞控制與流量控制是相輔相成的。擁塞控制要解決網絡所能夠承受的網絡負載，它是一個全局性的過程，涉及到所有的主機、路由器以及與降低網絡傳輸性能有關的所有因素。而流量控制要解決網絡發(fā)送端和接收端之間的點對點通信量，它要保證發(fā)送端發(fā)送數據的速率能使接收端及時接收，并且在發(fā)送端到接收端之間存在直接反饋，使發(fā)送端知道接收端當前的狀況。舉個簡單例子：設有一個光纖網絡，其鏈路傳輸速率為1000?Gb/s。有一個巨型計算機向一個PC機以1?Gb/s的速率傳送一個文件。顯然，網絡本身不存在擁塞問題，但流量控制是必須的，巨型計算機有時要停下來與PC機接收速率匹配。但如果有另一個網絡，其鏈路傳輸速率為1?Mb/s，而有1000臺大型計算機連接在這個網絡上。假定有500臺計算機分別向其余的500臺計算機以100?kb/s的速率發(fā)送文件，那么現在的問題已不是接收端是否來得及接收，而是整個網絡的輸入負載是否超過網絡所能承受的負載。解決擁塞問題也有利于流量問題的解決。因為某些擁塞控制算法是向發(fā)送端發(fā)送控制報文，并告訴發(fā)送端網絡已出現擁塞，必須放慢發(fā)送速率，這點又和流量控制是很相似的。解決擁塞控制需要付出一定代價。首先需要獲得網絡內部流量分布的信息，在實施擁塞控制時，還需要在結點之間交換信息和各種命令以便選擇控制策略和實施控制。這樣就產生了額外開銷。擁塞控制有時需要將一些資源(如緩沖器、帶寬等)分配給個別用戶(或一類用戶)單獨使用，這樣就使得網絡資源不能更好地實現共享。顯然，在設計擁塞控制策略時，必須全面衡量得失。圖7-13是網絡負載與吞吐量對擁塞的影響。圖中的橫坐標是網絡負載，代表單位時間內輸入給網絡的分組數目(也稱為輸入負載)。縱坐標是吞吐量，代表單位時間內從網絡輸出的分組數目。具有理想擁塞控制的網絡，在吞吐量飽和之前，網絡吞吐量應等于網絡負載，故吞吐量曲線是45°的斜線。但當網絡負載超過某一限度時，由于網絡資源受限，吞吐量不再增長而保持為水平線，即吞吐量達到飽和。這就表明網絡負載中有一部分損失掉了(例如，輸入到網絡的某些分組被某個結點丟棄了)。雖然如此，在這種理想的擁塞控制作用下，網絡的吞吐量仍然維持在其所能達到的最大值。圖7-13擁塞控制所起的作用但是，實際網絡的情況不是這樣。從圖7-13可以看出，隨著網絡負載的增大，網絡吞吐量的增長速率逐漸減小。也就是說，在網絡吞吐量還未達到飽和時，就已經有一部分的輸入分組被丟棄了。當網絡的吞吐量明顯地小于理想的吞吐量時，網絡就進入了輕度擁塞的狀態(tài)。更值得注意的是，當網絡負載達到某一數值時，網絡的吞吐量反而隨網絡負載的增大而下降，這時網絡就進入了擁塞狀態(tài)。當網絡負載繼續(xù)增大到某一數值時，網絡的吞吐量就下降到零，這時網絡已無法工作，出現所謂的死鎖(Deadlock)。死鎖中有一種是直接死鎖，即因互相占用了對方需要的資源而造成的死鎖。例如兩個結點A和B都有大量的分組要發(fā)往對方，但兩個結點中的緩沖區(qū)在發(fā)送之前就已經全部被待發(fā)分組占滿了。這樣，當每個分組到達對方時，由于沒有地方存放，只好被丟棄。發(fā)送分組的一方因收不到對方發(fā)來的確認信息，只能將發(fā)送過的分組依然保存在自己結點的緩沖區(qū)中。這兩個結點就這樣一直互相僵持著，誰也無法成功地發(fā)送出一個分組。還有一種死鎖是由于路由器的緩沖區(qū)的擁塞而引起的重裝死鎖。圖7-14為重裝死鎖的例子說明。設三個報文A、B和C，它們經過路由器P、Q和R發(fā)往主機H。每一個報文由四個分組構成。又設每個路由器的緩沖區(qū)只能容納4個分組。從圖7-14可看出，路由器R已為報文A預留了4個分組的緩沖區(qū)。由于分組A3還未到達，所以目前還不能交付給主機H。目前分組A3暫存于路由器P的緩沖區(qū)中，它無法轉發(fā)到路由器Q，因為路由器Q的緩沖區(qū)已全占滿了。路由器Q的緩沖區(qū)中的任何一個分組都不能向前轉發(fā)，因為路由器R的緩沖區(qū)全是給報文A預留的。圖7-14重裝死鎖的例子加上合適的擁塞控制后，網絡就不易出現擁塞現象和死鎖。即當網絡負載較小時，有擁塞控制的吞吐量反而比無擁塞控制時要小。在分組交換網中，網絡性能惡化有時是由于網絡資源白白地被浪費所造成的。最常被浪費的網絡資源是通信信道容量和結點的存儲空間。7.4.2擁塞控制的基本原理從原理上講，尋找擁塞控制的方法無非是尋找使不等式(7-5)不再成立的條件，或者增大網絡的某些可用資源(如業(yè)務繁忙時增加一些鏈路，增大鏈路的帶寬，使額外的通信量從另外的通路分流)，或者減少一些用戶對某些資源的需求(如拒絕接受新的建立連接請求，要求用戶減輕其負載，這屬于降低服務質量)。但在采用某種措施時，還必須考慮到該措施所帶來的其他影響。實踐證明，擁塞控制是很難設計的，因為它是一個動態(tài)的問題。當前網絡正朝著高速化的方向發(fā)展，很容易出現因緩沖區(qū)不夠大而造成分組的丟失。但分組的丟失是網絡發(fā)生擁塞的征兆，而不是原因。在許多情況下，正是擁塞控制本身成為引起網絡性能惡化，甚至發(fā)生死鎖的原因。由于計算機網絡是一個很復雜的系統，因此可以從控制理論的角度來看擁塞控制問題。這樣，從大的方面看，可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種方法。開環(huán)控制方法就是在設計網絡時事先將有關發(fā)生擁塞的因素考慮周到，力求網絡在工作時不產生擁塞。一旦整個系統運行起來，就不再中途進行改正了。閉環(huán)控制是基于反饋環(huán)路的概念。屬于閉環(huán)控制的有以下幾種措施：●監(jiān)測網絡系統以便檢測到擁塞在何時、何處發(fā)生。●將擁塞發(fā)生的信息傳送到可采取行動的地方。●調整網絡系統的運行以解決出現的問題。有很多的方法可用來監(jiān)測網絡的擁塞。監(jiān)測內容主要有：因缺少緩沖空間而被丟棄的分組的百分率；平均隊列長度；超時重傳的分組數；平均分組時延；分組時延的標準差等。一般在監(jiān)測到擁塞發(fā)生時，要將擁塞發(fā)生的信息傳送到產生分組的源站。當然，通知擁塞發(fā)生的分組同樣會使網絡更加擁塞。另一種方法是在路由器轉發(fā)的分組中保留一個比特或字段，用該比特或字段的值表示網絡沒有擁塞或產生了擁塞。也可以由一些主機或路由器周期性地發(fā)出分組，以詢問擁塞是否發(fā)生。此外，過于頻繁地采取行動以緩和網絡的擁塞會使系統產生不穩(wěn)定的振蕩，但過于遲緩地采取行動又不具有任何實用價值。因此，要采用某種折中的方法，但選擇正確的時間常數是相當困難的。7.5X.25分組交換網7.5.1X.25網概述

X.25是一個對公用分組交換網接口的規(guī)格說明。它不涉及網絡內部的結構，這由網絡自己決定。因此，X.25標準只定義了在公用數據網上以分組方式工作的數據終端設備DTE與數據通信設備之間的接口，如圖7-15所示。圖7-15X.25定義DTE-DCE之間接口實際上，DTE與DCE的接口也是DTE和公用分組交換網的接口，因為DCE屬于通信網環(huán)境的一部分，所以也可將DCE劃歸為網絡部分。但由于DCE通常被安置在用戶端，因此圖中將DCE畫在網絡外面。

X.25接口標準劃分三個層次(如圖7-16所示)。最下面是物理層，其協議標準是X.21，用于定義主機與物理網絡之間的物理、電氣、功能以及過程特性。它是基于數字信道傳輸，但目前大多數用戶線都是使用模擬信道，因此X.21標準用得很少，通常使用大家熟知的RS-232接口標準。中間一層是數據鏈路層，采用的接口標準是平衡型鏈路接入規(guī)程LAPB，它定義主機與分組交換機之間可靠數據傳輸，包括幀格式定義、差錯控制等。它是高級數據鏈路控制規(guī)程HDLC的子集。頂層是分組層，它描述主機與網絡之間的相互作用，處理分組定義、尋址、流量控制、擁塞控制等問題。它允許DTE與DCE之間建立多達4096條邏輯信道，這樣可使一個DTE同時和網上其它多個DTE建立虛電路并進行通信。圖7-16X.25的分層關系7.5.2X.25的虛連接

X.25提供面向連接的服務，它支持交換虛電路(SVC，SwitchedVirtualCircuit)和永久虛電路(PVC，PermanentVirtualCircuit)。交換虛電路是在發(fā)送方向網絡發(fā)送請求建立連接報文要求與遠程主機通信時建立的，一旦虛電路建立起來，就可以在建立的連接上發(fā)送數據，而且可以保證數據可靠到達接收方。它同時提供流量控制機制，以防止快速的發(fā)送方淹沒慢速的接收方。永久虛電路的用法與SVC相同，但它是由用戶和電信公司交換局之間預先建立的一條專用信道，因而它時刻存在，用戶不需要建立鏈路就可以直接使用它。它很類似于租用的專用線路。使用虛電路工作時，整個的通信過程可分為三個階段：呼叫建立、數據傳送和虛電路釋放。將發(fā)起虛呼叫的一方稱為主叫方，而接受虛呼叫的一方稱為被叫方。整個呼叫過程為：

(1)主叫DTE向其DCE發(fā)送一個“呼叫請求分組”(CallRequest)。這個分組攜帶的信息有：虛電路號、主叫DTE地址和被叫DTE地址等。在連接建立后，數據分組就只寫上虛電路號而不需要寫上主叫或被叫DTE的地址。虛電路號也就是邏輯信道號(LCN，LogicalChannelNumber)。X.25規(guī)定主叫DTE發(fā)起呼叫時，應從空閑的邏輯信道號中按“先大后小”的順序選擇一個空閑的號碼作為邏輯信道號。

(2)網絡選擇合適的路由將“呼叫請求分組”傳送到被叫DCE。

(3)被叫DCE在收到“呼叫請求分組”后，就向被叫DTE發(fā)送一個“呼入分組”(IncomingCall)。呼入分組格式與呼叫請求分組的一樣，只是換了一個虛電路號。按規(guī)定，被叫DCE應在本地空閑邏輯信道號中按“先小后大”的順序選擇一個號碼。

(4)被叫DTE若接受呼叫，則發(fā)出“呼叫接受分組”(CallAccept)，其邏輯信道號與呼入分組的相同。

(5)網絡按呼叫建立時的路由將“呼叫接受分組”傳到主叫DCE。

(6)主叫DCE向主叫DTE發(fā)送“呼叫接通分組”(CallConnected)，宣告呼叫建立階段結束。此時所用的邏輯信道號與呼叫請求分組所用的一樣。呼叫建立之后就是數據傳送階段。這時可全雙工地傳送數據分組。需要注意的是，數據分組在使用已建立的虛電路時，其邏輯信道號雖然在主叫方和被叫方是不一樣的，但是它們分別和呼叫建立階段所采用的邏輯信道號相同。當數據傳送結束后，主叫和被叫中的任一方都可以發(fā)起釋放虛電路的請求。這里需要指出兩點：

(1)主叫(或被叫)DTE發(fā)出“釋放請求分組”(ClearRequest)，然后就收到本地DCE發(fā)回的“釋放證實分組”(ClearConfirmation)。釋放動作相當于打電話的掛機。

(2)被叫(或主叫)DTE收到“釋放指示分組”(CallIndication)后，就發(fā)給本地DCE一個釋放證實分組。這樣，已用過的邏輯信道號在本次虛電路釋放后可供其它需建立虛電路的DTE使用。對于經常需要進行通信的兩個DTE之間可以建立永久虛電路，因為其虛電路預先已建立好了，因此每次通信時就只有數據傳輸階段。

X.25分組可分為兩大類，即控制分組與數據分組。虛電路的建立、數據傳送時的流量控制、中斷、數據傳送完畢后的虛電路釋放等，都屬于控制分組。

X.25分組由分組首部和分組的數據部分組成。分組首部包含各種控制字段，包括虛電路號、地址信息以及分組序號等。在分組的后面沒有尾部，這點和HDLC幀不一樣。盡管在DTE和DCE之間可以建立多條虛電路，但在DTE與DCE之間的數據鏈路層，一般卻只有一條全雙工的數據鏈路。也就是說，X.25把分組層的所有虛電路(每條虛電路對應于不同應用進程或終端)復用到一條數據鏈路層的鏈路上。在數據鏈路層區(qū)分不出哪個分組是屬于哪條虛電路，因此，在數據鏈路層根本不知道虛電路的存在。數據鏈路層對所有虛電路的所有分組(控制分組和數據分組)進行復用，同時提供無差錯的可靠傳輸。7.5.3X.25網絡結構

X.25網絡要求進入網絡的數據或控制信息都必須按照X.25規(guī)定的格式分組。這些分組以同步的方式進入X.25網絡，然后又以同樣方式離開網絡傳到另一個主機。但由于許多用戶所使用的終端是按字符方式工作的(即所謂的異步終端)，這些終端每次向網絡發(fā)送一個字符而不是發(fā)送連續(xù)的分組流。顯然，這種字符方式終端是不能與X.25網絡直接相連的。為了解決這一問題，CCITT制定了另一組標準，通過一個稱為分組裝拆器(PAD，PacketAssemblerDisassembler)(俗稱“黑盒子”)接入X.25網。圖7-17是X.25網的結構圖，從圖中看到字符終端與X.25網絡之間加入了一個接口設備PAD。PAD的作用主要是為了適應以下兩種情況：

(1)許多字符方式終端是非智能的，不能像主機那樣實現X.25協議，但通過PAD提供了智能，使這些終端能夠用X.25協議同網上的其他主機通信。

(2)終端的種類繁多，性能各異，通過PAD提供的許多參數可供各種不同的字符方式終端來選擇，使它們都可以很方便地接入到X.25網。圖7-17X.25網絡的結構用于描述PAD的標準有三個：

(1)X.3：描述PAD的功能以及控制它工作的一些參數。

(2)X.28：描述PAD到字符方式終端的協議。

(3)X.29：描述PAD到主機(同步終端)的協議。字符終端向PAD發(fā)送的字符，先存儲在PAD的緩沖區(qū)中，再裝配成一個X.25分組，然后進入X.25網絡。當X.25網絡向字符終端遞交分組時，則先把分組送到PAD緩沖區(qū)中，將分組中的數據信息變成字符，然后逐個字符地發(fā)往字符終端。每個與PAD相連的字符終端都有一個存放在PAD中的參數表。而X.28規(guī)定了怎樣選擇這些參數，并詳細規(guī)定了終端與PAD的電氣接口以及字符的方法。X.29詳細規(guī)定了主機怎樣為每個不同的終端選擇合適的參數以及規(guī)定主機到PAD的端到端的通信過程。7.6幀中繼7.6.1幀中繼概述在X.25網絡發(fā)展初期，網絡傳輸設施基本是借用模擬電話線路，這種線路非常容易受到噪聲的干擾而產生誤碼。為了確保傳輸無差錯，X.25在每個結點都需要作大量的處理，保證數據幀在結點間無差錯傳輸。這樣數據幀經過多個結點處理后，導致較長的時延才能到達目的站。當今，數字光纖網與早期的電話網相比具有極低的誤碼率，因此，完全可以省去X.25中差錯控制和流量控制功能，減少結點對每個分組的處理時間，這樣各分組通過網絡的時延就可以減少，同時結點對分組的處理能力也就增強了。實質上，幀中繼就是一種減少結點處理時間的技術。它的基本策略是認為幀的傳送基本上不會出錯，只要知道幀的目的地址就立即轉發(fā)該幀，結點基本不做什么處理，某些工作留給用戶端去處理。這顯然減少了幀在結點的時延。實驗結果表明，采用幀中繼時，一個幀的處理時間可以減少一個數量級。這種傳輸數據的幀中繼方式也稱為X.25的流水線方式，但幀中繼網絡的吞吐量要比X.25網絡至少提高一個數量級。通常使用幀中繼要有一個前提條件，那就是僅當幀中繼網絡本身的誤碼率非常低時，幀中繼技術才是可行的。從協議層次上來比較幀中繼和一般分組交換網(如圖7-18所示)。前者網絡中的各結點沒有網絡層，其數據鏈路層只具有有限的差錯控制功能，只有在通信兩端的主機中的數據鏈路層才具有完全的差錯控制功能。而后者網絡中的每個結點，其數據鏈路層具有完全的差錯控制功能。這意味著幀中繼只有物理和數據鏈路兩層。圖7-18一般分組交換網與幀中繼在層次上的差別圖7-19說明幀中繼與一般分組交換網在傳送數據幀時從源站到目的站的各鏈路上所要傳送的信息過程。若在傳送的過程中出現差錯，則二者的差別就更大。圖7-19(a)說明一般分組交換網的情況，每一個結點在收到一幀后都要發(fā)回確認幀，最后目的站在收到一個幀后還要向源站發(fā)回確認，同樣也要逐站進行確認。圖7-19(b)說明幀中繼的情況，它的中間站只轉發(fā)幀而不發(fā)送確認幀，即中間站沒有逐段的鏈路控制能力。只有最后目的站收到一幀后才向源站發(fā)回端到端的確認，因此幀中繼不需要第3層。圖7-19一般分組交換網存儲轉發(fā)方式與幀中繼對比圖7-20說明了X.25和幀中繼在收到一個幀后需進行的主要處理過程。需要注意的是，習慣上流程圖是自上而下的，因此將第3層畫在第2層的下面。從這個簡略的處理過程圖，可以進一步理解幀中繼的效率比X.25提高了很多。圖7-20X.25和幀中繼處理數據幀的過程幀中繼的數據鏈路層沒有流量控制能力。其流量控制也由高層來完成。幀中繼的呼叫控制信令是在與用戶數據分開的另一個邏輯連接上傳送的。因此，在傳送用戶數據時，中間的一些結點不需要維持有關呼叫控制的狀態(tài)表，這點和X.25有很大不同。X.25使用的是帶內信令，即呼叫控制分組與用戶數據分組都在同一條虛電路上傳送。綜上所述，幀中繼具有如下特點：

(1)減少網絡互連的費用。當使用專用幀中繼網絡時，將不同的源站產生的通信量復用到專用的主干網上，可以減少在廣域網中使用的電路數。多條邏輯連接復用到一條物理連接上可以減少接入費用。

(2)網絡的復雜性減少了，性能提高了。與X.25相比，由于減少了網絡結點的處理量，更加有效地利用高速數據傳輸線路，幀中繼明顯改善了網絡的性能和響應時間。

(3)由于使用了國際標準，增加了互操作性，幀中繼的簡化鏈路協議實現起來不難。

(4)協議的獨立性。幀中繼可以很容易地配置成容納多種不同的網絡協議(如IP、IPX和SNA等)?？梢杂脦欣^作為公共的主干網，這樣可統一所使用的硬件，也更加便于進行網絡管理。

根據幀中繼的特點，幀中繼適用于以下的一些應用：●塊交互數據：這類應用主要是高分辨率圖形數據傳輸，如高分辨率可視圖文和一些CAD/CAM。這種應用的特點是短時延和大流量?！裎募魉停阂话阌糜趥魉烷L文件，對于長文件，要獲得比較滿意的傳輸時延，必須有較大的流量?！裰С侄鄠€低速率復用：利用幀中繼服務的復用能力，可為較多的低速率應用提供更經濟的服務。●字符交互：如文字編輯，其特點是短幀、短時延和低流量?！窕ミB局域網：通過網橋和路由器互連局域網時采用幀中繼是比較有效的。幀中繼協議的流水線特性特別適用于局域網產生的突發(fā)性、高速率和大流量的數據。對局域網的數據幀進行中繼轉發(fā)時，需要采用可變長度的幀格式，并盡可能減少轉換處理軟件，這也正是幀中繼的特點。7.6.2幀中繼的組成圖7-21給出了幀中繼的幾個主要組成部分。

(1)用戶網絡接口UNI(User-to-NetworkInterface)，也稱為用戶接入電路(UserAccessCircuit)。用戶要通過UNI才能連接到幀中繼網絡。常用的用戶接入電路的速率是64?Kb/s和2.048?Mb/s

(或T1速率1.544?Mb/s)。理論上也可使用T3或E3的速率。圖7-21幀中繼的組成

(2)一個UNI中可以有一條或多條虛電路(永久的或交換的)PVC。從用戶的角度來看，一條永久虛電路PVC就是跨接在兩個用戶接入端口之間，每一條虛電路都是雙向的，并且每一個方向都有一個指派的許諾信息速率CIR(CommittedInformationRate)。為了區(qū)分開不同的PVC，每一條PVC的兩個端點都各有一個數據鏈路連接標識符DLCI(DataLinkConnectionIdentifier)。7.6.3幀中繼的呼叫控制幀中繼用戶在進行呼叫時不是直接與被叫用戶連接，而是連接到一個幀處理模塊，有兩種接入方法(如圖7-22所示)：●交換接入(SwitchedAccess)：這是指用戶所連接的是交換網絡(如ISDN)，其本地的交換機并沒有處理幀中繼的能力。在這種情況下，交換接入必須使用戶能夠連接到網絡中某個幀處理模塊。這可以是一種按需的連接(在呼叫時建立)，也可以是半永久的連接。無論是哪種情況，幀中繼服務都是通過B通道或H通道來提供的。圖7-22幀中繼的接入方法(a)交換接入；(b)綜合接入●綜合接入(IntegrateAccess)：這是指用戶所連接的網絡是一個幀中繼網絡，或者是一個交換網絡，其本地交換機具有處理幀中繼的功能，在這種情況下，用戶可以與幀處理模塊直接建立邏輯連接。無論是哪種接入，用戶都要與幀處理模塊先建立一條接入連接(AccessConnection)。而一旦接入連接存在了，就可在此基礎上再建立幀中繼連接(FrameRelayConnection)。與X.25分組交換的虛電路很相似，幀中繼連接是在兩個用戶交換數據幀之前必須建立的一種邏輯連接。幀中繼支持將多條邏輯連接(叫做數據鏈路連接)復用在一條鏈路上，并為每一個連接賦給惟一的數據鏈路連接標識符DLCI。用戶之間的數據傳輸包括以下三個階段：

(1)兩端用戶之間建立一條邏輯連接，并對這個連接賦給一個惟一的DLCI。

(2)以數據幀為單位交換數據。每一個幀包括一個DLCI字段以標識這個連接。

(3)數據交換完畢后，釋放邏輯連接。連接和釋放邏輯連接必須在為呼叫控制使用的邏輯連接上傳送DLCI＝0的報文。凡是DLCI=0的報文就是在信息字段包含呼叫控制報文。幀中繼的控制信令交換可分為四個階段：

(1)建立接入連接，即在網絡端接設備和幀中繼網絡之間(即在用戶和幀處理模塊之間)建立電路交換連接。

(2)建立幀中繼連接，即兩個網絡端接設備之間(即在兩個用戶之間)幀中繼連接。幀中繼連接建立后就可以傳送幀中繼的數據了。

(3)釋放幀中繼連接，即兩個網絡端接設備之間(即在兩個用戶之間)釋放已建立的幀中繼連接。

(4)釋放接入連接，即在網絡端接設備和幀中繼網絡之間(即在用戶和幀處理模塊之間)釋放已建立的接入連接。7.6.4幀中繼的幀格式幀中繼的幀格式與HDLC幀格式類似，其最主要的區(qū)別是沒有控制字段。這是因為幀中繼沒有使用帶內信令，因此幀中繼的邏輯連接只能攜帶用戶的數據，同時由于沒有幀的序號，也不進行流量控制和差錯控制。幀中繼的幀格式如圖7-23(a)所示。圖7-23幀中繼的幀格式(a)幀格式；(b)?2字節(jié)地址字段(默認)；(c)?3字節(jié)地址字段；(d)?4字節(jié)地址字段

(1)標志字段：是一個獨特的01111110比特序列，用于指示一個幀的起始和結束。它的惟一性是通過比特填充法來確保的。

(2)信息字段：是長度可變的用戶數據。如果用戶要選擇實現附加的端到端的數據鏈路控制功能，那么可以在信息字段中再放入一個數據鏈路幀。特別是，用戶通常選擇使用“完全的LAPF協議”(即LAPF控制協議)以便完成在LAPF核心功能之上的一些功能。

(3)幀校驗序列字段：包括2字節(jié)的循環(huán)冗余校驗。它并不是要使網絡從差錯中恢復過來，而是為網絡結點所用，作為網絡管理的一部分，檢測鏈路上差錯出現的頻度。當檢測出幀出現差錯時，就將此幀丟棄。

(4)地址字段：一般為2字節(jié)，但也可擴展為3或4字節(jié)(見圖7-23(b)、(c)、(d))。地址字段由以下幾部分組成：●數據鏈路連接標識符DLCI：它的長度取決于整個地址字段的長度，用于標識永久虛電路PVC、呼叫控制或管理信息?！衩?響應C/R：與高層的應用有關，但幀中繼本身并不使用。●擴展地址EA：該字段可擴充到3或4字節(jié)。當EA為0時即表示下一個字節(jié)還是地址字段，當EA為1時就表示地址字段到此為止?！馜/C比特：即DLCI控制指示。當地址字段長度為3或4字節(jié)時，它指出地址字段中最后一個字節(jié)的比特8～3是低位DLCI還是DL核心控制。●前向顯式擁塞通知FECN(ForwardExplicitCongestionNotification)：若某結點將FECN置為1，表明與該幀在同方向傳輸的幀可能受網絡擁塞的影響而產生時延?！穹聪蝻@式擁塞通知BECN(BackwardExplicitCongestionNotification)：若某結點將BECN置為1(即指示接受者)，表明與該幀在相反方向傳輸的幀可能受網絡擁塞的影響而產生時延?！駚G棄指示DE(DiscardEligibility)：當DE比特置為1時，表明在網絡發(fā)生擁塞時，為了維持網絡的服務水平，該幀與DE為0的幀相比應先丟棄。由于采用了DE比特，用戶就可以比通常允許的情況多發(fā)送一些幀，并將這些幀的DE比特置l。DE為1的幀表明它屬于不太重要的幀，在必要時可以丟棄。7.6.5幀中繼的擁塞控制幀中繼的擁塞控制由I.370定義，它實現的目標是：●使幀的丟棄最少。●以高的概率和小的方差維持一個商定的服務質量?！袷挂粋€用戶在犧牲其他用戶利益的前提下壟斷網絡資源的概率最小?！駥崿F起來簡單，給用戶和網絡造成的開銷都很小?！癞a生盡可能小的附加的網絡通信量。●在各個用戶之間公平地分配網絡資源?！裣拗茡砣蚱渌W絡和這些網絡中的元素擴散的速率?！裨诟饔脩糁g無論對哪個方向的通信量，擁塞控制都應當是有效的?！駥欣^網絡中的其他系統的交互和影響應最小?！裨诎l(fā)生擁塞時，對每一條幀中繼連接來說，服務質量的變化應最小。擁塞控制對于幀中繼特別重要。由于幀中繼的目標是盡量提高網絡的吞吐量和效率，結果幀處理模塊就無法控制從用戶或從相鄰的幀處理模塊發(fā)來的幀，也不能使用典型的滑動窗口技術進行流量控制。實際上擁塞控制是網絡和用戶共同負責來實現的。網絡(即幀處理模塊的集合)可以非常清楚地監(jiān)視全網的擁塞程度，而用戶則在限制通信量方面是最有效的。幀中繼使用的擁塞控制方法有三種：

(1)丟棄策略。當擁塞足夠嚴重時，網絡就要被迫將幀丟棄。這是網絡對擁塞的最基本的響應。但在具體操作時應當對所有用戶都是公平的。

(2)擁塞避免。在剛一出現輕微的擁塞跡象時可采取擁塞避免的方法。這時，幀中繼網絡應當有一些信令機制及時地使擁塞避免過程開始工作。

(3)擁塞恢復。在已經出現擁塞時，擁塞恢復過程可以阻止網絡的徹底崩潰。當網絡由于擁塞開始將幀丟棄時，擁塞恢復過程就應開始工作。7.6.6幀中繼的應用

1．局域網互連利用幀中繼網絡進行局域網互連，是幀中繼最典型的一種應用。在已建成的幀中繼網絡中，進行局域網互連的用戶數量占90%以上，因為幀中繼很適合為局域網用戶傳送大量的突發(fā)性數據。在許多大型企業(yè)、銀行和政府部門中，其總部和各地分支機構所建立的局域網需要互連，而局域網中往往會產生大量的突發(fā)數據來爭用網絡的帶寬資源。如果采用幀中繼技術進行互連的話，既可以節(jié)省費用，又可以充分利用網絡資源。幀中繼網絡在業(yè)務量少時，通過帶寬的動態(tài)分配技術，允許某些用戶利用其他用戶的空閑帶寬來傳送突發(fā)數據，實現帶寬資源共享，從而可降低通信費用。幀中繼網絡在業(yè)務量大甚至發(fā)生擁塞時，由于每個用戶都已分配了網絡的許諾信息速率CIR(CommittedInformationRate)，因此網絡將按照用戶信息的優(yōu)先級及公平性原則，把某些超過CIR的幀丟棄，并盡量保證未超過CIR的幀能可靠地傳輸，從而使用戶不會因擁塞而造成不合理的數據丟棄。由此可見，幀中繼網絡非常適合為局域網用戶提供互連服務。

2．圖像傳送幀中繼網絡可提供圖像、圖表的傳送業(yè)務，這些信息的傳送往往要占用較大的網絡帶寬。例如，醫(yī)療機構要傳送一張X光胸透照片往往要占用8Mb/s的帶寬。如果用分組交換網傳送，則端對端的延遲過長，用戶也會難以接受。如果采用電路交換網傳送，則費用太高，用戶也會難以承受。幀中繼網絡由于具有高速率、低延遲、動態(tài)分配帶寬、成本低等特點，很適合傳輸這類圖像信息，因而，諸如遠程醫(yī)療診斷等方面的應用，也可以采用幀中繼網絡來實現。

3．虛擬專用網幀中繼網絡可以將網絡中的若干個結點劃分為一個分區(qū)，并設置相對獨立的管理機構，對分區(qū)內的數據流量及各種資源進行管理。分區(qū)內各個節(jié)點共享分區(qū)內的網絡資源，分區(qū)之間相對獨立，這種分區(qū)結構就是虛擬專用網(VPN)。采用虛擬專用網比建立一個實際的專用網要經濟合算，尤其適合于大型企業(yè)的用戶。綜上所述，幀中繼是簡化的分組交換技術，其設計目標是傳送面向協議的用戶數據。該類交換技術在保留傳統分組交換技術的優(yōu)點(如帶寬和設備利用率)的同時，大幅度提高了網絡的吞吐量，減少了傳輸設備與設施費用，可提供更高的性能與可靠性，縮短了響應時間。總之，幀中繼與現有的通信方式相比，優(yōu)點是顯然的。表7-3是簡單的比較，表中的“√”表示具有某項優(yōu)點。7.7ISDN7.7.1ISDN概述

20世紀70年代初期，ITU-T(CCITT)提出了將話音、數據、圖像等信息綜合在一個通信網的設想，即建立綜合業(yè)務數字網ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork)。引入ISDN后，用戶只需提出一次申請，僅用一條用戶線和一個號碼就可將不同業(yè)務類型的終端接入網內，并按統一的規(guī)范進行通信。經過10多年的努力，ISDN的概念逐漸具體化，并發(fā)現從用戶的角度認識“綜合業(yè)務”具有重要意義，提出了“提供標準的用戶網絡接口是實現綜合業(yè)務的關鍵”的觀點，并開始致力于ISDN網絡接口的標準化。只要電信部門設置了能夠與現有各種通信網連接的數字用戶交換機，并提供了標準的用戶-網絡接口，用戶就可通過一條用戶線利用各種終端進行通信。這類通信對用戶是透明的，簡化了各種通信業(yè)務的綜合服務。

1984年，ITU-T提出了第一版本的I系列建議，基本內容包括ISDN的概念、原則、業(yè)務能力、網絡概況與功能以及用戶網絡接口，重點是基本速率(2B＋D)和基群速率(30B＋D)或(23B＋D)方面。自1984年起，美、日、英、法、德等國先后建立了ISDN的實驗網，在此基礎上，ITU-T于1988年提出了有關ISDN的I系列建議修訂版，主要在寬帶ISDN、ISDN與其他網互連以及維護等方面，詳細規(guī)定了ISDN的技術標準。1989年～1992年，重點研究了ATM、ISDN信息傳送性能指標及ISDN協議參考模型等內容。通常將只提供一次群速率(1.5～2?Mb/s)以內電信業(yè)務的ISDN稱為窄帶綜合業(yè)務數字網N-ISDN(Narrowband-ISDN)，也常簡稱為ISDN。隨著人們對以圖像信息為中心的各種高速通信業(yè)務的需求日益迫切，ITU-T開始著手制定基于異步傳輸模式(ATM)的寬帶綜合業(yè)務數字網B-ISDN(Broadband-ISDN)技術標準。

ITU-T把ISDN定義為：ISDN是由綜合數字網(IDN)發(fā)展起來的一種網絡，它提供端到端的數字連接以支持廣泛的服務，包括電話和非話業(yè)務。用戶的訪問是通過一組有限的多用途的用戶-網絡接口標準實現的。

ISDN的主要特點是：

(1)用有限的多用途的用戶-網絡接口提供一條端到端的數字鏈路，以支持電話和非話業(yè)務。

(2)?ISDN不僅適用于電路交換與分組交換業(yè)務，而且也適用于非交換的專用線。

(3)當新業(yè)務引入ISDN時，滿足64kb/s數字交換連接的條件。

(4)具有智能功能，以提高業(yè)務性能。還具有維護功能和網絡管理功能。

(5)用戶出入口以OSI為基準的分層協議結構表示，可根據業(yè)務要求和本國ISDN情況設置用戶到ISDN的出入口。從現存的電信網、專用的傳輸設施以及數字通信網到ISDN的過渡，是基于數字傳輸和數字交換這兩個技術的發(fā)展。7.7.2ISDN的功能

1．ISDN標準的功能

ISDN中的“綜合”是指在同一數字傳輸鏈路上，通過同一數字交換機來同時傳送數字化的語音信號和各種數據業(yè)務。ISDN的關鍵在于數字電話網，只要花費很小的費用就可以提供數據業(yè)務服務，而對于已在IDN上傳送的語音業(yè)務既不增加費用也不影響其功能。ISDN基本上是對電話系統的再設計。國際間的協作是由ITU-T來完成的，根據ITU-T的ISDN基本推薦標準I系列建議。

ISDN的主要業(yè)務仍是語音，但其功能必須加以擴展。例如：電話機上增設內部通信系統的按鈕，一按此按鈕立即與內部某一指定電話機接通，而沒有呼叫建立時間；此外還設有可立即建立與外地通話的多個按鈕。另外，當電話鈴響時，屏幕上能顯示發(fā)話人的電話號碼、地址、姓名等。

ISDN還具有更復雜的功能，即將電話連到計算機上，呼叫到來時，顯示數據庫內有關發(fā)話人的若干記錄。更進一步的語音業(yè)務有：將電話轉接或改接到世界上任何號碼的電話機以及會議電話(兩個以上通話人)上；當發(fā)話人聽到忙音或發(fā)現受話人不在家時能留言。

ISDN的數據傳輸業(yè)務允許用戶將他們的ISDN終端或計算機，連接到世界上任何別的ISDN終端或計算機上。

ISDN的另一個重要功能特點是實現封閉用戶組，即一個部門或一個集團的ISDN終端或計算機只能與其內部通信，這樣對保密和安全都十分有利。

ISDN的新業(yè)務有：交互電視，即操作人員通過終端交互訪問遠程數據庫；用戶電傳，它基本上是電子郵件的一種形式。此外，還可以提供傳真服務，把圖形、圖像用電子掃描和數字化，得到的比特流通過ISDN系統傳送到目的地，然后再還原畫在紙上。傳真不僅限于復制紙上的文件，也可以復現來自攝像機的信息。ISDN系統還可以提供報警業(yè)務。設想中的ISDN業(yè)務，有些已實現，但提供服務的方式還沒有能很好地統一起來，ISDN的目標是把上面提到的所有這些業(yè)務結合在一起，使它們能像現在的電話那樣普及。下面給出一個適用于家庭的