计算机广域网第6章

第六章帧中继,桂林电子科技大学信息科技学院,2,本章内容提要,6.1帧中继概念6.2帧中继原理6.3帧中继体系结构6.4帧中继协议6.5帧中继载荷控制6.6帧中继拓扑6.7帧中继的实现6.8帧中继用户接入规程,桂林电子科技大学信息科技学院,3,分组交换技术是针对长距离信息传输时的错误率较高而产生的。因此，在分组交换中存在相当数量的附加内容以弥补错误。这些附加内容包括附加数据和终端工作站的附加操作以及网络中间节点的监测和错误恢复。这些内容极大地提高了传输的可靠性，带来的问题是传输延迟大和传输延迟不确定。类似X.25的分组交换方式非常适合于早期低速，而且传输错误率高的物理链路中，但已经不适合于当前的数字通信网络。现代的数字通信网络主要采用数字传输技术，使用光纤作为传输媒体，其特点是高速和可靠。帧中继正是为了充分利用现代数字网络高速和可靠的特点而发展起来的。,4,6.1帧中继概念,帧中继是在用户与网络接口之间提供用户信息流的双向传送，保持其顺序不变，并对用户信息流进行统计复用的一种承载业务。用户信息以帧为单位进行传输。帧中继是综合业务数字网标准化过程中产生的一种重要技术，它是在数字光纤传输线路逐渐代替原有的模拟线路，用户终端逐渐智能化的情况下，为适应各类网络的互联和大容量通信，由X.25分组交换技术发展起来的一种传输技术。它是一种以快速分组技术为基础的分组交换网络设施。帧中继只存于OSI模型的最低两层，各个终端使用路由器将各自的网络连到帧中继网络上。,5,帧中继网是基于数字传输和光纤传输介质，删除了不必要的开支以得到速度上的提高，帧中继网可在单条链路上（如租用线路）实现多个连接。从物理层次上讲，帧中继是一个连接到3条或更多条高速链路的盒子，并在它们之间路由数据流。,6,1.帧中继的特点按照ITU-T的定义，帧中继可以是T1或E1带宽。然而，现在的帧中继服务提供商都在承诺提供T3带宽，因此帧中继在高端将和信源中继重叠。帧中继最终的目的是为了进行数据传输，而不是进行语音、视频或其他对时间敏感的信息的传输。帧中继仅提供面向连接的服务。与其他的ISDN分组服务不同，帧中继网络不提供全连接模式的数据链路服务。虽然帧中继是面向连接的，但一帧既可以通过网络，也可以不通过网络（它的地址字段和CRC相对于每个接口都是本地的，随后被网络改变。）能检测到传输错误，但是不能纠正这些错误（帧被丢弃），DLC级的发送方并不知道帧被丢弃。帧中继速度比X.25要快因为它只需要数据链路层，而且网络不执行纠错的功能。当前大部分电信公司都提供帧中继服务。由于帧长度是可变的，因此不适合于语音和视频。,7,2帧中继网的应用帧中继网的应用主要在如下3方面。（1）通常用于广域网连接远程站点。（2）帧中继网常用于为早期的网络互联而设计的已过时的X.25网进行升级。（3）帧中继网适用于处理突发性信息和可变长度帧的信息，特别适用于局域网的互联。,8,3帧中继的使用范围帧中继网适合在下列情况下使用。（1）当用户需要数据通信，其带宽要求为64Kbps2Mbps，而通信节点多于两个的时候，使用帧中继是一种较好的解决方案。（2）通信距离较长时，应优选帧中继。因为帧中继是一种网络，帧中继的高效性使用户可以享有较好的经济性。（3）当数据业务量为突发性时，由于帧中继具有动态分配带宽的功能，选用帧中继可以有效地处理突发性数据。（4）帧中继的灵活计费方式非常适用于突发性的数据通信。帧中继网络提供永久虚电路连接。永久虚电路是指在帧中继终端用户之间建立固定的虚电路连接，并由此提供数据传送业务。,9,6.2帧中继原理,帧中继的原理：假设帧的传送基本上不出差错，一旦知道帧的目的地址后，就立即开始发送该帧。实验结果表明，采用帧中继可使一个帧的处理时间减少一个数量级，但却使帧中继网络的吞吐量提高一个数量级以上。这种传输数据的帧中继方式也称为X.25的流水线方式。使用这种方法的一个最明显的问题是如果在传输帧的过程中发生了错误，那么该如何处理错误？解决这一问题的办法很简单，就是检测到错误的站点立即终止这次传输，当终止传输的指示到达下一个站点后，下个站点立即中止对该帧的传输这个过程不断重复进行直到该帧从网络中消除。即使上述出错的帧已经到达了目的站点，用这种终止传输的方法也不会引起不可弥补的损失。,10,当一个站点还在接收一个帧时就转发该帧的方法称为快速分组交换，实现快速分组交换的关键是简化通信协议和发展高速交换机。帧中继是X.25在新的传输条件下的发展，它保存了X.25链路层HDLC的帧格式，但并不采用LAPB标准，而是使用LAPD标准，该标准能在链路层实现链路的复用和转接，而且X.25则是在网络层实现复用和转接。也正因为如此，帧中继可以不用网络层而只使用链路层实现复用传送。,11,图6.1是一般分组交换网的存储转发方式和帧中继方式的比较，没有考虑传输出错的情况。（a）图是一般的分组交换网的情况，每一个站点在收到一帧后都发回确认，而目的站点在收到一帧后发回端到端的确认时，也要逐站进行确认。(b)是帧中继的情况，每个节点只转发帧而不发送确认，即中间站点没有逐段的链路控制能力，只有目的站收到一帧后才向源站发回端到端的确认，所以帧中继不需要第3层。,12,6.3帧中继体系结构,帧中继是在综合业务数字网(ISDN)标准化过程中在I.122建议中提出来的，它遵循ISDN用户数据与信令分离的原则，即将终端与交换机的功能分成与用户信息传输有关的U（User：用户）功能及与呼叫控制有关的C(Control：控制)功能。,13,通信网中全部U功能的集合称为U面（U-plane），C功能的集合称为C面（C-plane）。C面在用户与网络之间操作，用于建立、维持和终止交换虚电路，交换虚电路在需要进行数据通信时建立，并由C面规程在建立时和网络协商该虚电路的服务质量；U面提供端到端的功能，用于传送用户数据。U面提供从一个用户到另一个用户传送帧的基本服务，其服务的特点是保待网络入口处和出口处的帧顺序；保证不交付重帧且侦丢失率很小。但用户面不提供流控制和差错控制，用户必须通过其他的数据链路层或网络层来提供这些服务，而这些已不是帧中继服务的一部分。,14,这种体系结构的特点是将网络的处理工作减少到了最小程度。在X.25网中，每个站点对用户数据进行检错和纠错，并按照连接号确定路由；但帧中继网络中的站点对用户帧基本上不作处理，只是简单地抛弃有错的帧，差错恢复由高层进行。,15,6.4帧中继协议,6.4.1永久线路和虚拟线路帧中继在两个用户前端设备(CPE)之间建立的端到端的连接称为虚拟电路（VC）。这种连接是逻辑连接，它可分为永久虚电路(PVC)和交换虚电路(SVC)，但最常用的还是PVC。,16,6.4.2帧中继帧1.帧中继帧格式帧中继帧格式包含一个在LAPD（ISDN链路层）帧内的长度为2字节的报头信息字段。报头信息包括用于数据链路连接标识符（DLCI）的10比特。DLCI的10比特允许每个物理接口上有1000多个虚拟线路地址。剩余的比特用于拥塞控制和其他控制功能。图6.3显示了帧中继的帧格式。,17,2.LMI特性:本地管理接口(LMI)是提供PVC状态信息的协议，其最重要的目的是管理CPE和帧中继交换机之间的连接，如图6.4所示。,18,管理任务包括下列信令功能：状态信令：路由器给本地的帧中继交换机发送LMI消息，以报告路由器的状态并向交换机询问到达远程站点所需的DLCI。活动信令：在路由器和交换机之间交换LMI活动消息，以避免链路的空闲计时器超时。多点播送信令：LMI提供了一个多点播送机制，允许DLCI具有全局有效性。而且，LMI允许利用特殊的多点播送DLCl将多个目的地联系到一个组内。,19,3LMI扩展这个协议定义了一些扩展特性，叙述如下：PVS状态消息（公共）：周期性地报告新增加的PVC和原来存在的PVC被删除的消息，同时提供有关PVC完整性的消息，以通告哪个PVC可用，避免将数据发送到一个本不存在的PVC上。全局寻址（可选）：DLCI是全局有效的，使用全局有效的DLCI，在帧中继网络中VC是可唯一定位的。多点播送（可选）：一个包含多点播送地址的包能被发送到多个设备。如果将包发送到每个单一的设备，将需要较高的带宽。XONXOFF流控制（可选）：它为不能识别帧中继的拥塞通告位的设备提供了一个基本的流控机制。,20,4.LMI帧格式在LMI帧中需要注意的一个重要的域是消息类型域。LMI包括两种消息类型：状态和状态查询。状态查询消息允许用户设备去查询网络状态，状态消息用来响应状态查询消息。用户设备通过和帧中继交换机相互交换状态查询消息和状态消息来确认双方都处于活跃状态，并通报PVC的状态。这两种消息类型属于LMI的公共部分，所有的用户网络接口都应该支持这两种消息类型。除了被用作应答状态查询消息，状态消息也可用来作为活动通告。每10秒钟在路由器和交换机之间交换一次状态消息，以确保链路的空闲计时器不会超时。如果因为某些原因，例如，接口失败，空闲计时器超时，那么链路将进入一种非活动状态，并且不再传输载荷。,21,22,5.LMI连接状态LMI的连接状态如下：活动：意味着在两个路由器之间的连接是可用的，可以传输数据。非活动：表示在本地路由器和本地帧中继交换机之间的链路可用，但对远程路由器的链路不可用。删除：表示在本地路由器和本地帧中继交换机之间的一个失败连接。,23,6.反向地址解析协议(InverseARP)当路由器被初始化时，它给本地帧中继交换机发送一个LMI状态查询消息，以获得能用来在帧中继网络中同远程路由器通信的DLCI号。在这种情况下，路由器并不知道哪一个DLCI能同远程站点连接（假设路由器没有被手工预配置这种信息）。因为路由器必须知道哪一个DLCI能用来同远端站点建立连接，所以路由器必须要知道关于在本地DLCI和远程对等站点的网络地址之间的映射的知识。如图6.7所示。图6.8显示了反向地址解析的步骤,24,25,7.映射DLCI交换机映射DLCI的主要原因是因为DLCI的本地有效性。DLCI是路由器用来标识到达远程路由器的VC的标识符，两个路由器都有它们自己的DLCI来表示VC。因为在同一VC上的路由器都用它们自己的DLCI，所以它们每一个都不需要知道对方用什么来表示VC。因此，当远程交换机接收到一个帧中继分组时，它就映射DLCI，用目的路由器的DLCI代替源路由器的DLCI。,26,8.帧中继交换表图6.9是帧中继交换表如何工作的例子。,27,6.4.3帧中继寻址帧中继连接是一种虚电路，称为数据链路连接（DLC）。在大多数帧中继设备和服务中，DLC是永久虚电路（PVC），由连接的两端预先定义好。每个DLC，无论是PVC还是SVC，都有一个标识码DLCI。要记住的是，DLCI只在本地有意义，即帧中继连接的DLCI在本地和远程终端可能不一样（通常都是不同的)。DLCI是帧的一部分，用来标识终端设备与网络间的逻辑信道。由于DLCI仅标识到网络的连接，所以映射两个正在通信的DLCI的任务就由网络设备来完成。所有在VC上传输的数据包都必须在包的帧中继头中包含一个DLCI，这是因为帧中继交换机需要使用DLCI来决定向哪里和怎样发送所接收到的包。如果帧中继交换机接收到一个包，它将根据包中的DLCI查看它的交换表，以决定将该包发往哪里。可将DLCI类比以太网或令牌环网中的MAC地址来理解。,28,1.DLCI的本地有效牲DLCI不仅可以用在PVC的终端，同时远程站点也可利用DLCI。远程站点也利用DLCI来作为VC标识符。VC的远端站点可以用也可以不用和本地相同的DLCI。这个特性说明DLCI具有本地有效性。2DLCI的全局有效牲常规上，DLCI都具有本地有效性。但DLCI也可具有全局有效性。使用全局有效性，一个VC的每一端都用一个DLCI唯一标识，就好像在一个IP网络中，用IP地址来唯一的标识网络中的一个接口。在这种情况下，类似于打电话时必须知道对方的电话号码，如果路由器要同对等端连接，它就必须知道远程对等端的DLCI号。,29,30,6.4.4通过帧中继连接局域网将局域网连接到帧中继网络的设备都要封装数据帧或者帧中继内的分组，并把封装后的分组在网络中传输，如图6.11所示。,31,6.5帧中继载荷控制,1.帧中继的错误控制帧中继是被假设用在可靠的服务供应商网络（如使用高效设备和光纤/数字传输介质的网络）上的流线型协议，因此不提供任何内置的错误纠正能力（当然具有任何广域网协议都有的错误检测机制，但不具有错误纠正能力）。这意味着，帧中继必须依靠上层协议来提供对错误和丢失帧的重传机制。,32,2.帧中继的流/拥塞控制虽然帧中继的错误控制机制很不完善但它仍然通过协仪帧地址域内的FECN和BECN位提供了伪流控能力（它并不是真正的流控机制，因为仍需要上层协议去承担控制传输速率的任务）。协议帧的地址域也提供了可丢弃位（DE）来实现拥塞控制机制。除了前面提到的流控和拥塞控制机制，也可通过配置特定的载荷承载能力，给路由器较大的能力和弹性，以使它能很好地调整传输速率和解决与拥塞相关的问题。,33,6.6帧中继拓扑,帧中继支持下列拓扑结构：星型拓扑全网状拓扑部分网状拓扑,34,35,6.7帧中继的实现,大多数组织采用的既不是单纯的公共网络，也不是单纯的专用网络体系结构，而是二者的结合一个混合网络设计。这已成为一个大组织的工业化标准体系结构。这就是为什么在设计和实施广域网时同时评估公共交换电话网络服务和专用线路网络服务非常重要的原因。,36,6.7.1帧中继实现方案概念上来说，建立一个帧中继网络有三种方法:专用网络解决方案；使用公共设施的解决方案；混合解决方案，既使用专用设备又使用公共设施。,37,38,39,40,6.7.2终端用户对帧中继网络的访问,41,6.7.3帧中继和专线网的比较,42,6.7.4公用帧中继服务帧中继可提供高速率数据传输的服务。源节点和目的节点之间使用租用线路进行通信，这些租用线路一般是部分或全部T1连接。为使数据传送到正确的目的地帧中继分组包含寻址信息，根据这些信息，网络可以保证通过服务供应商的交换线路正确传送数据，可让用户建立虚电路来在相同的访问链路上进行通信。帧中继网络对网络管理者非常有诱惑力，部分原因是它利用公共数据网络，能使线路、设备和维护具有复杂的网络拓扑的广域网的管理开销减到最小。这种省钱方法是可行的，这是因为设计、维护网状数据网络的重担落在了服务供应商肩上。这种安排的优点：其一，减轻了网络管理者管理整个基础设施的负担。其二，减少了在网络中做必要改动所花费的精力。,43,第一个公共帧中继服务是1991年在美国引入的。如今，帧中继服务主要包括：基本帧中继传输；多种访问方式选择；客户网络管理；Internet访问；国际连接；网络管理服务；帧中继与ATM的互联技术。如图6.18所示，使用帧中继的方法很多。用调制解调器模拟拨号访问对于流动工作人员、远程通信和临时网络用户来说是一个非常合适的选择。也可使用交换访问选择，如ISDN等。,44,45,6.7.5随时带宽帧中继能提供随时带宽，这种能力使得它非常适应于突发性数据通信。之所以能提供额外带宽是因为帧中继使用了统计多路复用技术，这种技术不需要全时段的专用链路。帧中继只在需要数据传送时才用带宽。传统广域网传输使用的是时分多路复用技术，因此每个广域网上的数据传输过程都需要专用带宽。这种方法的缺点是在“数据沉默”（即没有数据传输）时也要占用链路。可以用两种连接速率建立帧中继：承诺信息速率（CIR）和额外的信息速率（EIR）。CIR保证可获得的最小带宽，它取决于对正常的通信量的估计。如果网络通信量超过CIR时，帧中继网络会试着建立额外线路来完成传输任务。,46,6.7.6条件突发仅当网络不发生拥塞时（通常在非高峰期），才能以超过CIR的速率发送突发数据。这种能力对位于不同时区的分局特别有用。由于位于不同的时区，因此每个分局将间隔性地达到高峰期和突发期。当网络不拥塞时，实际上，有时突发数据速率可达到CIR两倍的容量。如果在几个地理上相距遥远的地区有多个站点，那么如果采用帧中继网络，将会为远程通信预算节省开销。帧中继是一种非常有效的本地访问传输区域之间的技术。如果在同一个城域内有多个站点，采用帧中继并不经济，甚至不可行。决定帧中继技术开销的关键是从用户到帧中继服务提供者的56Kbps或T1（1.544Mbps）专用租用线路使用的费用。如果所有网络在同一区域，使用专用线路当然要比用帧中继便宜。,47,6.7.7运营商选择1.承诺信息速率2.拥塞控制3.交换虚电路（SVC）,48,6.7.8帧中继网络需求连接到帧中继网络上所需的硬件和软件配置并不复杂，甚至可以说是非常简单。