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第24章 计算机网络(3)

2.数据链路层协议主要有:

1)IBM公司推出的BISYNC字符控制协议和同步数据链路(SDLC)协议。

2)DEC公司推出的DDCMP字符计数协议。

3)国际标准化组织(ISO)制定的高级数据链路控制(HDLC)协议。

3.网络层协议国际上广泛采用CCITT的X.25和TCP/IP协议中的IP协议。

4.3.3分组交换网和X.25协议

1.分组交换网

分组交换网是一种在较远距离工作站之间进行大量数据传输的有效方式,是一种中速数据网络。目前,美国的TELENET、TYMNET以及中国的CHINAPAC都采用分组交换技术。分组交换就是把用户要传送的数据按一定长度分割成若干个固定长度的数据段,称作“分组”或称“包”(Packet),然后在网络中经各分组交换机逐级以“存储-转发”的方式进行传送,动态分配线路的带宽,最终使数据段到达收信终端。由于数据段较短,在传输出错时,检错容易而且重发花费的时间少,因此分组交换成为当今公用数据交换网中主要的交换技术。而公共分组交换数据网(PSDN,Packet Switched Data Network)就是采用分组交换技术的网络通信系统,简称分组交换网。

分组交换技术在实际应用中又可以分为数据报DG(Datagram)和虚电路VC(Virtual Circuit)两种方式。数据报方式是将每个分组依次发送到与其直接连接的节点,每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址,中间节点接收到该分组后,进行存储转发、路径选择,最终到达目的节点。同一报文的不同分组通过子网的路径可能不同。数据报方式可能使同一报文的不同分组到达目的节点时,出现乱序、重复与丢失现象,而且传输延迟较大,因此适用于突发性通信,而不适用于长报文、会话式通信。因此,人们进一步提出了虚电路交换方式。虚电路方式将数据报方式与线路交换方式结合起来,发挥两种方法的优点。虚电路在分组发送之前,需要在一条物理链路上建立一条逻辑上的电路(虚电路),一次通信的所有报文分组都从这条逻辑连接的虚电路上通过,因此报文分组不必自带目的地址和源地址。传输结束后拆除虚电路。这样报文分组到达目的节点不会出现丢失、重复与乱序现象。由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点,因此得到了广泛的应用。

2.X.25协议

分组交换网诞生于70年代,而ITU-T于1976年推出了X.25建议书。该建议书向用户提供了统一的分组交换接口标准。所以人们习惯上把分组交换网叫做X.25网。当前的公用数据网PDN(Public Data Network)是广域网的主要应用方式,公用数据网的基本网络协议是X.25协议,该协议定义了三个子层,即物理层、链路层和分组层(网络层),对应OSI/RM最低的三层网络。

1)物理层接口

X.25分组交换网的信号传输方式是模拟制式,需要调制解调器(Modem)来完成终端处的数/模转换。X.25物理层定义了二进制流传送的机械、电气功能和操作过程等特性,用于激活和断开数据终端设备DTE(Date Terminal Equipment)和数据通信设备DCE(Date Communication Equipment)之间在物理介质上的连接,为物理层间提供无特征位的二进制流传输。这时X.25物理层接口采用与ITU-T的X.21bis规程兼容的V.24或V.35接口标准,这两个标准都适用于模拟信号。V.24标准实际上与着名的RS-232C串行接口是兼容的,形式上也是25芯接头,V.24标准下还有一个子集V.28标准。V.35标准的接口是36芯的接头,比V.24的接头要大些。

2)数据链路层协议

X.25数据链路层规定了DTE和DCE之间的物理线路上交换分组的过程。链路层的主要功能是在链路的相邻两个节点之间有效地传输数据,数据链路层采用平衡链路访问规程LAPB(Link Access Procedure Balanced),为DTE和DCE链路定义了帧格式。X.25的帧格式非常类似于ISO制定的高级数据链路控制规程HDLC(High-level Data Link Control Procedure)中的异步平衡模式,它允许链接的两端中的任何一端(DTE/DCE)主动呼叫另一端。LAPB仅适用于点对点连接的场合。帧内所含的FCS校验字段采用冗余循环码,具有确认应答机制,以保证帧序列的无差错传送。

其中各字段意义如下:标志F:HDLC是以帧的形式传送的,帧加载开始和结束标志之间,标志由“0111110”7位组成。

地址字段(指令与应答)A:该字段用于识别是指令还是应答,当为指令时,就放置接收地址,为应答就放置发送地址。

控制字段C:作用是识别该帧的种类,帧的分类分为三类。①无编号帧U(Unnumbered)用来提供附加的链路控制功能;②信息帧I(Information)用于信息的传送,信息帧中有发送序号N或S、接收序列号N或R及检查指示用的D/F比特;③监视帧S(Supervisor)用于链路的监控。

信息字段I:写入要发送的数据。网络层的分组就装在这个字段里。

3)分组层协议

X.25分组层协议是负责实现端到端呼叫连接的,类似于电话通信方式。端到端可以表示为从一部电话机到用户交换机,到局间中继交换机,再到另一端用户交换机直至另一部电话机的一整条路径。端到端连接首要先保证路径全部畅通,即路上所有节点之间的联系都要正常。X.25分组层为DTE与DCE之间单一物理链路层提供了复用多条逻辑链路的方法。实现方法是采用异步分时方式复用,使一个DTE能和一个或多个远程DTE之间建立一条或多条虚电路,实现点对点或点对多点的全双工通信,从而使得DTE和DCE之间最多可以有4096条逻辑电路。下面介绍虚电路的建立与流量控制。

(1)虚电路的建立

用户想与其他用户设定呼叫时,首先把呼叫请求CR(Call Request)分组发到网上,被叫方如果愿意建立连接,就发呼叫接收CA(Call Accept)分组给DCE,DCE再给主叫方发送与CA相同的呼叫连接CC(Call Connect)分组。这样,呼叫就连接起来了,虚电路也就建立起来了。

虚电路建立以后,数据分组就可以在虚电路上传送。如果被叫方拒绝建立呼叫,它就发拆线请求分组,而DCE转发给主叫DTE时就会把它变成拆线指示,在通信过程中,任何一方发出拆线指示,虚电路都会被清除。

(2)流量控制

由于分组网处理能力有限,X.25中设有对信息流量进行控制的机制,称为流量控制,它要求网络数据流严格分配均匀,不要超过交换机和通信线路的承受能力,保证网络通信畅通,从而避免造成丢失分组数据、网络性能下降和延时迅速增加等。流量控制算法很多,例如窗口法、许可证法、缓存器预定法、分配缓存器法等。在X.25中主要采用窗口法。有必要说明的是,X.25分组协议中没有对网络层路由方式的叙述,这些部分留给各厂商自己决定。

4.4计算机互连设备

4.4.1网络互连的基本概念

互连网络也称国际互连,它是指两个以上的计算机网络通过网络互连设备(也称中继系统)把不同类型、不同性质的网络互连起来。这是一项系统集成的技术,它可以使网络内部的各用户能够与其它网络上的用户彼此无障碍地通信、交流、协同工作。

尽管国际标准化组织发表了着名的OSI参考模型,但是它只是规定了每一层的功能,不可能详尽地规定每一个局部细节。早期开发的网络产品兼容性很差,于是网络互连问题就被提出。而且随着商业需求的不断增加,在客观上推动了网络互连技术的发展。例如全球性的集团性企业,有着全球性的市场,办事机构遍布世界各地,就需要将分布在世界各地的计算机上网互连起来。网络已从初期的广域网发展到城域网与局域网。局域网已从共享介质局域网向交换式局域网发展。现在已经形成了ATM网络、各种高速网与传统网络并存的局面,ATM网络多协议互连技术成为又一新的课题。

4.4.2网络互连的类型与层次

因为计算机网络分为广域网、城域网和局域网,所以网络互连主要有以下几种:局域网-局域网互连、局域网-广域网互连、局域网-广域网-局域网互连、广域网-广域网互连。网络协议是分层的,那么网络互连一定存在互连层次的问题,根据网络层次的结构模型,网络互连的层次可以分为:

1.链路层互连

数据链路层互连的设备是网桥。用网桥实现数据链路层互连时,允许互连网络的数据链路层与物理层协议可以是相同的,也可以是不同的。

2.网络层互连

网络层互连的设备是路由器。如果网络层协议不同,则需要使用多协议路由器。用路由器实现网络层互连时,允许互连网络的网络层及以下各层协议可以是相同的,也可以是不同的。

3.高层互连

传输层及以上各层协议不同的网络之间的互连属于高层互连,实现高层互连的设备是网关。高层互连使用的网关很多是应用网关。如果使用应用网关来实现两个网络高层互连,则允许两个网络的应用层及以下各层网络协议可以是不同的。

4.4.3网络互连设备

网络互连时,必须解决以下问题:在物理上如何把两种网络连接起来,如何在两种网络之间实现互访与通信;如何解决它们在协议方面的差别。这就需要使用中继器、集线器、网桥、路由器、网关、调制解调器等网络互连设备。

1.中继器(Repeater)

中继器工作于OSI的物理层,是局域网上所有节点的中心,它的作用是放大信号,补偿信号衰减,支持远距离的通信。由于信号在传输线上传输时在线路上传输的信号功率会逐渐衰减,衰减到一定程度时将造成信号失真。因此必须限制每段传输线的最大长度,当网络段已超过规定的最大距离(如双绞线最长距离为100m)就要用中继器来延伸。中继器可以完成物理线路的连接,对信号进行放大和再生,保持与原信号相同。一般情况下中继器连接的是相同的媒体,但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。理论上中继器的使用是无限的,网络也可以无限延长,但事实上由于网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定,中继器只能在此规定范围内进行有效的工作,所以很多网络上都限制了工作站之间加入中继器的数目。例如在以太网中最多使用四个中继器。

2.集线器(Hub)

集线器一词来自英文Hub,意思是中枢或多路交汇点。可以集中完成多台设备连接,并且提供了检错能力和网络管理等有关功能。由于几个集线器可以级联,因此可以作为多个网段的转接设备。集线器是管理网络的最小单元,是局域网的星形连接点。它对工作站进行集中管理,不让出问题的区段影响整个网络的正常运行。作为网络传输介质间的中央节点,是一个信号再生转发的设备。因此它可以说是一种特殊的中继器。早期的Hub通常都是以优化网络布线结构,简化网络管理为目标而设计的。现在的Hub则以高性能、多功能和智能化为设计目标。目前市场上出售的集线器按其功能的强弱可分为三档。

1)低档集线器

低档集线器又称第一代集线器,它只是将分散的、用于连接网络设备的线路集中在一起,以便于管理和维护,故称集线器。低档集线器除了完成集线功能外,还具有信号的放大和定时功能,即中继功能。集线器能够广泛用于局域网中连接各种网络设备。

2)中档集线器

中档集线器不仅能够连接多个设备,而且还能够连接多个同构局域网。此时集线器具有多个插槽,根据网络类型的不同而将相应的网卡插入插槽。例如插入一个以太网卡来连接以太网,插入一个令牌环网卡来连接令牌环网。中档集线器还具有低档的网络管理功能,可以实现对本地网络和少量远地节点的管理。

3)高档集线器

高档集线器也称为高档智能集线器,它是为了满足构建企业网络的要求而设计的。高档集线器不仅具有传统集线器将多个节点汇接到一起的能力,而且采取了模块化结构,可根据需要选择各种模块,包括模块支持的传输媒体、与媒体的连接方式、通信协议等,这样可以互连相同或不同类型的网络。此外,高档集线器有很强的网络管理功能,用来集中管理工作站、服务器和集线器等。高档集线器具备一个或多个高性能的处理器,采用对称多重处理技术,所以它还具有较强的容错能力。随着网络的不断扩大,又出现了可叠加集线器,它是由多个Hub单元组成。

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