（机械工程专业论文）多种网络互连互通互操作网关设备的研究与实现.pdf

四川大学工程硕士专业学位论文 多种网络互连互通互操作网关设备的研究与实现 机械工程 工程硕士李强指导教师韩震宇 a t m 、x 2 5 、帧中继、以太网等网络在现实中均获得广泛应用，如何可靠、 安全地解决异构网络之间的互连互通及互操作，成为需要解决的现实问题。现 阶段的异构网络互联都是基于i p 的，对于一些较早的如x 2 5 协议则不能顺利 就接入。 本课题是应用户的特殊需求提出的，一方面要实现用户在不同时期建立的 a t m 、x 2 5 、帧中继、以太网四种网络的互连互通和互操作，一方面还要保证异 构网络之间传输的安全性以及对传输内容的加密传送。因此在本课题中首先对 四种不同网络协议进行了研究，详细分析了各种协议原理及报文( 信元) 结构， 通过自制硬件卡以及编写设备驱动程序，实现了四种智能化的网络接口卡，具 体为a t m 、x 2 5 、f r 及e t h e r n e t 网卡，文中将介绍a t m 接口卡的实现。在有了 各种网卡后，接下来的主要工作便是对各协议网络接口模块的实现以支持不同 网络的接入。在确定网关设备的软件总体架构后，将四种网络模块统一于一个 程序中，同时，通过自定义传输层头，采用类似i p 协议的分组机制实现了路由 及交换模块的各项功能，在编程时注意了不同网络速度的差别，采用缓冲机制 来确保报文转发的可靠性。最后嵌入了实现多级安全保密功能的安全保密模块， 由于m s g 具有4 种协议的接入功能，所以在m s g 上定义了四个安全级别，每一 种网络分配一个安全级别，以此实现了多协议密网关( m s g ) 设备的研制。 研究的m s g 网关设备采用了高性能计算机，开发时采用了v c + + 6 0 、以及 s d k 驱动开发套件，遵循软件工程的方法，采用模块化的设计思想编制。 本文从研究各种网络协议原理入手，详细的叙述了m s g 的功能、组成和 实现，同时通过各种试验，验证了m s g 的功能与性能。 关键词：多协议密网关、a t m 、帧中继、x 2 5 、以太网、路由与交换 四川大学工程硕士专业学位论文 t h er e s e ar c ha n dr e ai iz a tio no f in t e r c o m m u nic a tio n g a t e w a yd e v ic ef o rs e v e r aikin d s o fn e t w o r k s m a j o r ：m a c h a n i c s p o s t g r a d u a t el iq i a n g t u t o rh a nz h e n g 。y u a t m ，f r ，x 。2 5 ，e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa l ea p p l i e d w i d e l y i ti sak e yq u e s t i o nt h a th o wt or e a l i z ec o m m u n i c a t i o ne a c ho t h e rs a f e l ya n d r e l i a b l y c u r r e n t l y , m a n y i s o m e r o u sn e t w o r k sc o m m u n i c a t ee a c ho t h e rb yi p p r o t o c o l s ，b u ti ti sd i f f i c u l tf o rs o m en e t w o r k sl i k ex 2 5 f o rt h ec o n s u m e r sr e q u e s t ，i tn e e d st or e a l i z et h ei n t e r - c o m m u n i c a t i o nf o rt h e s e k i n d so fn e t w o r k sf i r s t l y ，o nt h eo t h e rh a n d ，i tn e e d st h e s ec o m m u n i c a t i o n ss a f e l y a n ds e c r e t l y t h i sp a g e rr e s e a r c h e dt h e s en e t w o r kp r o t o c o l sa n dp a c k e t s ( c e l l s ) s t r u c t u r e t h r o u g hd e s i g n e dn e t w o r k s i n t e r f a c eh a r d w a r ec a r d sa n di t sd e v i c e d r i v e r , d e v e l o p p e d f o u r i n t e l l i g e n t n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d s ，i nt h i sp a g e r ，w e i n t r o d u c e dt h ea t mn e t w o r kc a r d t h e s ei n t e r f a c ec a r d sc a nc o n n e c tr e l e v a n t n e t w o r k t h e n ，w ed e s i g n e dt h et o t a ls t r u c t u r eo ft h eg a t e w a yd e v i c e ，a n da p p l i e d t h e s ec a r d si no u rd e v i c e d e f i n e do u rt r a n s p o r tl a y e r , a c h i e v e dt h er o u t ea n d s w i t c hf u n c t i o nt h a tl i k ei pp r o t o c 0 1 b e c a u s et h en e t w o r k ss p e e di fd i f f e r e n t ，i t s n e c e s s a r yt ou s eb u f f e rm e c h a n i s mf o rc o m m u n i c a t i o nr e l i a b l y l a s t l y , a d d e dt h e 2 四川大学工程硕士专业学位论文 s a f ef u n c t i o nm o d e li n t ot h em u l t i - p r o t o c o ls e c u r i t yg a t e w a y ( m s g ) ，i th a v ef o u r s a f el e v e l sc o r r e s p o n d i n ge v e r yn e t w o r k ，a n dc o m p l e t e da l lo fw o r k sf o rt h em s g t h em s gb a s e do nah i g h - p o w e r e di n d u s t r yc o n t r o l l e d c o m p u t e r , a n da l l s 0 1 a r ed e s i g n su s e dt h ev c + + 6 0a n ds d kd r i v e rd e v e l o pt o o l s a l l s o f t w a r e d e v e l o p i n g f o l l o w e dt h em i n d so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n ga n dm o d u l a r i z a t i o n t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h et h e o r yo fa l lk i n do fn e t w o r k p r o t o c o l s ，i n t r o d u c e d d e t a i l e d l yt h ef u n c t i o n 、c o m p o s ea n dr e a l i z a t i o no f m s gs i m u l t a n e i t y , v a l i d a t e dt h e m s g sf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c et h r o u g hm a n y e x p e r i m e n t a t i o n s k e yw o r d s ：m s g 、a t m 、f r 、x 2 5 、e t h e r n e t 、r o u t ea n ds w i t c h 3 四川大学工程硕士专业学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 7 5 研究生签名：夕銮蕊 u 导师签名：韩震乎 日期：砷年5 、月 四川大学工程硕士专业学位论文 1 1 项目概述 第一章引言 通信网络技术的发展规律总是循序渐进、螺旋式上升的。因此在同一时期， 由于历史的原因，用户同时使用的网络类型往往不是单一的，而总是多种多样 的。由于不同通信网络的设计都是根据自身的特点进行的，完全无法做到自然 的互连互通，这样就导致了不同网络之间的业务和应用难以直接互通的问题。 本研究项目根据用户的需求，就是要研究解决在现有多种网络并存情况下， 实现网络的互连互通及互操作，具体涉及的网络种类有：a t m 网络、帧中继( f r ) 网络、x 2 5 网络以及以太网( e t h e m e t ) 网络等。因此，依据多种网络并存及 较高的安全性要求，设计为典型网络环境及典型应用业务互操作提供互连互通 方法及通信平台，实现信息安全保密的功能。具体要求是：对用户现有的多种 网络技术进行深入研究，提出实现网络之间的互连互通的网关设备的研究方案， 实现多协议密网关通信硬件平台，基于通信平台的a t m 、x 2 5 、f r 、e t h e r n e t 等协议软件及路由交换软件。从而达到使用此网关设备能够实现将a t m 、x 2 5 、 f r 、e t h e r n e t 等多种网络之间的互连互通互操作能力。 1 2 本人工作介绍 由于该网关设备的功能复杂，经过项目方案的划分，本人在项目中承担与 完成其中部分功能，主要包括： 深入研究和分析了4 种网络技术的基本原理； 设计了网关设备的软件构架； 整合4 种硬件接口模块的驱动程序于一个程序之中； 完成网关路由转发功能的开发、调试； 进行了部分整机功能的调试。 l 四川大学工程硕士专业学位论文 1 3 论文组成 根据个人的工作内容，本论文第二章详细介绍了对4 种通信网络技术的研 究；第三章列出了网关设备的总体功能与技术指标；第四章给出了网关设备的 设计方案与关键技术的具体实现；最后提供了对设备的调试与测试结果。 2 四川大学工程硕士专业学位论文 第二章各种网络技术原理研究 2 1a i m 网络技术原理研究 在现代社会中，人们需要传递和处理的信息量越来越大，信息的种类也越 来越多，其中对会议电视、高速数据传输、远程教学、v o d 等宽带新业务的需 求正迅速增长。原来的各种网络都只能传输一种业务，如电话网只能提供 业务，数据通信网只能提供数据通信业务。这种情况对于用户和网络运营 者来说都是不方便和不经济的，人们因此提出了i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a ln e t w o r k ) 的概念，希望能够用一种网络来传送各种业务。 i s d n 的概念是于1 9 7 2 年提出的，由于当时的技术和业务需求的限制，首先 提出的是窄带i s d n ( n i s d n ) 。目前n - i s d n 技术已经非常成熟，世界上已经有 了许多比较成熟的n - i s d n 网。但是由于n - i s d n 存在着带宽有限、业务综合能 力有限、中继网种类繁多、对新业务的适应性差等局限性，要求人们提出有更 大的灵活性、更宽的带宽、更强的业务综合能力的新网络。自8 0 年代以来，一 些与通信相关的基础技术，如微电子、光电子技术等的发展和光纤的传输距离 和传输容量的提高，为新网络的实现提供了基础。 就是在这种环境下，出现了宽带i s d n ( b i s d n ) 。b - i s d n 能够满足：提 供高速传输业务的能力。网络设备与业务特性无关。信息的转移方式与业 务种类无关。为了研究开发适应b - i s d n 的传输模式，人们提出了很多种解决方 案，如多速率电路交换、帧中继、快速分组交换等。最后得到了一个最适合 b _ i s d n 的传输模式一t m ( a s y n c h r o n 叫st r a n s f e rm o d e ) 。 a t m 技术作为b - i s d n 的核心技术，已经由i t u t 于1 9 9 2 年规定为b i s d n 统一的信息转移模式。a t m 技术克服了电路模式和分组模式的技术局限性，采 用光通信技术，提高了传输质量，同时，在网络节点上简化操作，使网络时延 四川大学工程硕士专业学位论文 减小，而且采取了一系列其它技术，从而达到了b - i s d n 的要求。 2 。1 1a i m 信元( c o li ) a t m 信元是a t m 传送信息的基本载体。a t m 信元采用了固定长度的信元格式， 只有5 3 字节，其中5 个字节为信头，其余的4 8 个字节为信元净荷。信元的主 要功能为确定虚通道，并完成相应的路由控制。 a t m 信元的格式如图1 所示： ( a ) u n i 信头格式 v p i v p iv c i v c i v c i p t ic l p h e c p a y l o a d c b ) n n l 信头格式 图i a t m 信元 信头内容在u n i ( 用户网络接口) 和n n i ( 网络节点接口) 略有区别，主要 由以下几部分构成： g f c ：一般流量控制，4 比特。只用于u n i 接口，目前置为“0 0 0 0 将 来可能用于流量控制。 v p i ：虚通道标识，其中n n i 为1 2 比特，u n i 为8 比特。 v c i ：虚通路标识，1 6 比特，标识虚通道内的虚通路，v c i 与v p i 组合 4 四川大学工程硕士专业学位论文 起来标识一个虚连接。 p t i - 净荷类型指示，3 比特，用来指示信元类型，如表1 所示。 表1 净负荷类型 编码意义 0 0 0 用户数据信元无拥塞s d u 类型= 0 0 0 1 用户数据信元无拥塞s o u 类型= 1 0 1 0 用户数据信元拥塞s o u 类型= o 0 1 1 用户数据信元拥塞s o u 类型= l 1 0 0分段0 a u 信息流相关信元 1 0 1 端到端0 a m 信息流相关信元 1 1 0 刚信元资源管理用 1 1 1 保留 c l p 信元丢失优先级，1 比特。用于信元丢失级别的区别，c l p 是1 ， 表示该信元为低优先级，是0 则为高优先级，当传输超限时，首先丢弃 的是低优先级信元。 h e c 信头差错控制，8 比特，监测出有错误的信头，可以纠正信头中1 比特的错误。h e c 还被用于信元定界。 下面附上u n i 信元信头预赋值( 表2 ) 和n n i 信元信头预赋值( 表3 ) ，信 元信头预赋值用于区别a t m 层使用的信元和物理层使用的信元。 四川大学工程硕士专业学位论文 表2u n ia t m 信元信头预赋值 八位组l八位组2八位组3八位组4 用法 g f c v p iv c ip tc l p oo0o1 空闲信元 ooo1 0 01 物理层o a m 信元 p oop p p l 预留给物理层 o0x x xo 无赋值信元 yox x x 0 1无效信元 o0 0 0 1 0 从 c 无信令 o0 0 1 00 a ac 广播信令 o0 1 0 1ac 点到点信令 o0 0 1 1o a o a 段o a mf 4 o0 1 0 0o a oa 端到端0 a mf 4 g f c o0 1 1 0 1 1 0 a 、，p 资源管理 o0 1 1 10 从a 保留v p 未来功能 o1 s s s例认a 保留未来功能 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1s s s so a aa 保留未来功能 xzl o oa 段0 a mf 5 z1 0 1 a 端到端o a mf 5 z1 l oa v c 资源管理 xz 1 1 1 a 保留v c 未来功能 注：p留给物理层使用x任意值x = o 时为本地 a 由a t m 层使用 y 除o 外任意值 c 始端为0 ，可由网络改变s ( s s s ) o ( 0 0 - 1 ( 1 1 1 ) 任意值 z除0 ，0 1 1 。0 1 0 0 ，0 1 1 0 ，0 1 1 1 外的任意值 6 四川大学工程硕士专业学位论文 表3n n ia n i 信元信头预赋值 八位组l八位组2八位组3八位组4 用法 v p iv c ip t ic l p 000l 空闲信元 o 01 0 0l物理层o a m 信元 oop p pl 预留给物理层 00xo 无赋值信元 y o x 0 1无效信元 x00 1 0 10 从c n n i 信令 x00 0 1 lq a 0c 段o a mf 4 信元 xo 0 1 0 0 o a o c端到端o a mf 4 xo0 1 1 0l l oa v p 资源管理 xo0 1 1 l0 从a 保留v p 未来功能 xol s s s0 从a 保留未来功能 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1s s s s o a a a 保留未来功能 xy1 0 0a 段o a mf 5 信元 xy1 0 1a 端到端0 a if 5 xz1 l oa v c 资源管理 xy1 1 1a 保留v c 未来功能 注：p a c 留给物理层使用 由 t m 层使用 始端为0 ，由网络改变 s ( a s s ) 0 ( 0 0 0 ) - 1 ( 1 1 1 ) 的任意值 x 任意值x = o 时为本地 y 除o 外的任意值 z 除0 ，0 1 1 0 外的任意值 a t m 信元中信头的功能比分组交换中分组头的功能大大简化了，不需要进行 逐链路的差错控制。只进行端到端的差错控制，h e c 只负责信头的差错控制， 7f 四川大学工程硕士专业学位论文 另外只用v p i 、v c i 标识一个连接，不需要源地址、目的地址和包序号，信元顺 序由网络保证。 2 1 2b - - - i s d n 参考模型 b - i s d n 的协议参考模型如图2 所示。它包括一个用户平面、一个控制平面 和一个管理平面。用户平面主要提供用户信息流的传输，以及相应的控制( 如 流量控制、差错控制) 。控制平面主要是完成呼叫控制和连接控制的功能，通 过处理信令来建立、管理和释放呼叫与连接。管理平面提供两种功能，即层管 理和面管理功能。面管理完成与整个系统相关的管理功能，并提供所有平面间 的协调功能。层管理完成与协议实体内的资源和参数相关的管理功能，处理与 特定的层相关的操作和管理( o a m ) 信息流。“ 图2b - i s d n 协议参考模型 用户平面又分为物理层、a t u 层、a a l 层及高层，其各层间的数据传输如图 3 所示。下面介绍各层功能。 8 四川大学工程硕士专业学位论文 丸也层 高层信息 5 3 字节信元 f 5 3 字节信元 比特流 2 。1 2 1 物理层 图3a t m 网络协议分层之间的数据传输 物理层是承运信息流的载体，物理层有传输会聚t c 和物理媒体连接两个子 目 ，石o ( 1 ) 传输会聚t c 子层 t c 子层负责将7 a t m 信元嵌入正在使用的传输媒体的传输帧中，或相反 从传输媒体的传输帧中提取有效的a t m 层信元。a t m 层信元嵌入传输帧的过 程如下：a t m 信元解调( 缓存) 专信头差错控制h e c 产生寸信元定界一传输 9 四川大学工程硕士专业学位论文 帧适配_ 传输帧生成。从传输帧中提取有效a t m 层信元的过程如下：传输帧 接收一传输帧适配专信元定界信头差错控制h e c 检 - a t m 信元排队。哪传 输会聚t c 子层的主要功能是信元定界和信头差错控制h e c 。 ( 2 ) 物理媒体主要由i t u - t 和a t mf 建议的规范执行，共有以下类型的连 接： 基于直接信元传输的连接 基于p d h 网传输的连接 基于s d h 网传输的连接 直接信元光纤传输 u t o p i a 接口( 通用测试和运行物理接口) 管理和监控信息流o a m 传输接口 2 1 2 2a l t m 层 a t m 层利用物理层提供的信元( 5 3 字节) 传送功能，向外部提供传送a t m 业务数据单元( 4 8 字节) 的功能。a t m 业务数据部分( a t m s d u ) 是任意的4 8 字节长的数据段，它在a t m 层中成为a t m 信元的负载区部分。如图3 所示。 2 1 2 3 l a l 层 从l 层的主要作用是将高层的用户信息分段装配成信元，吸收信元延时抖动 和信元丢失，并进行流量控制和差错控制。网络只提供到a t m 层为止的功能。 从l 层的功能由用户本身提供，或由网络与外部的接口提供。 从l 用于增强a t m 层的能力，以适合各种特定业务的需要。这些业务可能是 用户业务，也可能是控制平面和管理平面所需的功能业务。在a t m 层上传送的 业务可能有很多种，但根据三个基本参数来划分，可分为四类业务。三个参数 1 0 四川大学工程硕士专业学位论文 是：源和目的之间的定时要求、比特率要求和连接方式。业务类划分为a 、b 、 c 、d 四类。睇。 a 类：固定比特率( c b r ) 业务：a t m 适配层1 ( 从l 1 ) ，支持面向连接的业务， 其比特率固定，常见业务为6 4 k b it s 话音业务，固定码率非压缩的视频通信及 专用数据网的租用电路。 b 类：可变比特率( v b r ) 业务：a t m 适配层2 ( a a l 2 ) 。支持面向连接的业务， 其比特率是可变的。常见业务为压缩的分组语音通信和压缩的视频传输。该业 务具有传递介面延迟物性，其原因是接收器需要重新组装原来的非压缩语音和 视频信息。 c 类：面向连接的数据服务：a a l 3 4 。该业务为面向连接的业务，适用于文 件传递和数据网业务，其连接是在数据被传送以前建立的。它是可变比特率的， 但是没是介面传递延迟。 d 类：无连接数据业务：常见业务为数据报业务和数据网业务。在传递数 据前，其连接不会建立。a a l 3 4 或从l 5 均支持此业务。 参数、业务类别和相应的a a l 适配类型可由图4 所示。 业务 a 类b 类c 类d 类 参数 源和目的定时需要不需要 比特率固定可变 连接方式面向连接无连接 a a l3a a l4 从l 类型 从l1a a l2 从l5 运动图象视频 面向连接数据 用户业务举例电路仿真无连接数据传输 声频传输 四川大学工程硕士专业学位论文 注： i i服务质量q o s io o s 2q o s 3q o s 4 i 从l l ：恒定比特率实时业务适配协议 a a l 3 4 , 数据业务传送适配协议 从l 2 ：可变比特率实时业务适配协议 a a l 5 ：高效数据业务传送适配协议 图4 业务分类、从l 类型和服务质量 各种a t m 服务类型的特性比较如表4 所示。 表4a t m 服务类型的特性比较 服务特性 c b rr t v b rn r t v b ra b ru b r 带宽保证是是是可选 不 适用于实时通信是 是不不不 适用于突发通信不 不 是是是 一 有关于拥塞的反馈 不 不 不是 不 根据a t m 层传送业务量的要求，i t u - t 和a t m f 按业务要求的比特率各自提 出了业务的分类。相互关系可参见图5 。 业务 a 类b 类c 类 d 类 s b r 统计比 t ：率块箬能力 i t u t 分类d b r 确定比特率 特率 r t v b r 可 罗等；比特率喜u b 茎r 定比 a t m f 分类c b r 恒定比特率 变比特率 实时 图5a t m 层承载业务分类方式 1 2 四川大学工程硕士专业学位论文 恒定比特率c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) 主要用来模仿铜线或者光导纤维。 没有差错校验，没有流量控制，也没有其余的处理。这个类别在当前的电话系 统和将来的b - i s d n 系统中作了一个比较圆滑的过渡，因为话音级的p c m 通道， t l 电路以及其余的电话系统都使用恒定速率的同步数据传输。 可变比特率v b r ( v a r i a b l eb i tr a t e ) 被划分为两个子组别，分别是为实时 传输和非实时传输而设立的。r t - v b r 主要用来描述具有可变数据流并且要求 严格实时的服务，比如交互式的压缩视频( 例如电视会议) 。n r t - v b r 用于主 要是定时发送的通信场合，在这种场合下，一定数量的延迟及其变化是可以被 应用程序所忍受的，如电子邮件。 可用比特率a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e ) 术语是为带宽范围已大体知道的 突发性信息传输而设计的。a b r 是唯一一种网络会向发送者提供速度反馈的服 务类型。当网络中拥塞发生时会要求发送者减小发送速率。假设发送者遵守这 些请求，采用a b r 通信的信元丢失就会很低。运行着的a b r 有点象等待机会的 机动旅客：如果有空余的座位( 空间) ，机动的旅客就会无延迟地被送到空余座 位处；如果没有足够的容量，他们就必须等待( 除非有些最低带宽是可用的) 。 未指定比特率u b r ( u n s p e c i f i e db i tr a t e ) 不做任何承诺，对拥塞也没 有反馈，这种类型很适合于发送i p 数据报。如果发生拥塞，u b r 信元也会被丢 弃，但是并不给发送者发送反馈，也不给发送者希望放慢速度的期望。瞄。 以上各层的功能与协议参考模型的关系如表5 所示。 表5b - i s d n 各层的功能与协议参考模型的关系 高层高层功能 c s 子层会聚功能，即将业务数据变换成c s 数据单元 a a l 层 s a r 子层分段与重组，在此层以信元为单位对c s 数据分段或重组 a t m 层通用流量控制 四川大学工程硕士专业学位论文 信头头的产生提取 信元v p v c 变换 信元复用与分解 信元速率解耦 h e c 信头序列产生检验 t c 予层信元定界 物理层传输帧适配 传输帧产生恢复 比特定时 p m 子层 物理媒体 2 2 3a i m 标准 a t m 标准主要是由国际电信联盟i t u - t 开发和制定的。a t m f 主要目的是通 过可互操作的技术规范，加速a t m 产品的开发和扩展。 用于a t m 交换系统，由i t u t 提供的协议，至今为止，有关的建议还在继 续研究和制订过程中。尤其是关于多媒体信令的建议，当前大致完成能力集 c s - i 的部分，即关于点到点的基本呼叫连接控制。能力集c s - 2 即扩展到点到 多点，并增附加业务参量，服务质量q o s 等控制功能的协议族，部分已通过， 部分等待审议，部分需重新制订。能力集c s - 3 即能实现a t m 交换全部六种连接 类型的信令协议族，尚在研究过程中。 a t m f 所制定的技术规范集中在宽带互连接口b i c i ：各类物理层接口，如 d s i 、d s 3 、e l 、e 3 、1 5 5 5 2 m b i t s 、6 2 2 0 8 1 v l b i t s 和通用测试和运行物理接口 u t o p i a 等；各类互通接口，如局域网仿真、电路仿真和帧中继仿真等；a t m 用 1 4 四川大学工程硕士专业学位论文 户网络接口技术规范，用户网络接口信令u n i4 0 ；专用网络网络接口p n - n i 等。此外还制订了相应的测试规范。 2 2f r 网络技术原理研究 2 2 1 帧中继技术的起源 x 2 5 分组交换技术具有很多的优点，例如流量控制可有效防止网络拥塞； 路由选择可建立最佳传输路径；统计时分复用及虚电路可提高信道利用率；差 错控制提高了可靠性等。然而这些优点是有代价的，x 2 5 建议规定的丰富的控 制功能，增加了分组交换机处理的负担，使分组交换机的吞吐量和中继线速率 的进一步提高受到了限制，而且分组的传输时延比较大。中继线上的速率一般 为6 4 k b i t s ，少数2 m b i t s ，甚至为9 6 0 0 b i t s 。但是我们不能因此说x 2 5 不 好。x 2 5 建议是在通信网以模拟通信为主的时代背景下提出的，可提供数据传 输的信道大多数是频分制电话信道，信道带宽为3 0 0 3 4 0 0 h z ，这种信道的数 据传输速率一般不超过9 6 0 0 b i t s ，误码率为1 矿l 矿。这样的信道不能满足 数据通信的要求，通过x 。2 5 建议的控制，一方面实现了信道的多路复用，另一 方面把误码率提高到小于1 0 。1 1 水平，满足了绝大多数数据通信的要求，所以说 x 2 5 建议发挥了巨大的作用。u 。 为了进一步提高分组交换网的吞吐量和传输速率，可从两个方面来考虑。 一方面提高信道的传输能力，另一方面发展新的交换技术。对于传输来说，采 用光纤通信技术，它具有容量大、质量高的特点，这种通信信道为分组交换的 发展提供了有利条件，于是快速分组交换技术迅速发展起来，以满足高容量、 高带宽的广域网要求，适应多媒体通信、宽带综合业务、局域网高速互连等。 目前广为采用的快速分组交换技术主要有两类，即帧中继( f r a m er e l a y ，简称 f r ) 和异步传输模式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，简称a t m ) 。 帧中继将x 2 5 网络的下三层协议进一步简化，差错控制、流量控制推到 1 5 四川大学工程硕士专业学位论文 网络的边界，从而实现轻载协议网络，如图6 所示。 分组层 数据链路层 - 物理层 ( a ) x 2 5 协议 数据成帧、路由选择 - 电气机械等特性、比特流传 - ( b ) 帧中继协议 图6 帧中继协议与x 2 5 分组层 数据链路层 物理层 数据链路层 物理层 x 2 5 数据链路层采用l a p b ( 平衡链路访问规程) ，帧中继数据链路层规程 采用l a p d ( d 信道链路访问规程，是综合业务数字网i s d n 的第二层协议) 的核心部分，称l a p f ( 帧方式链路访问规程) ，它们都是h d l c 的子集。 与x 2 5 相比，帧中继在第二层增加了路由的功能，但它取消了其它功能， 例如在帧中继节点不进行差错纠正，因为帧中继技术建立在误码率很低的传输 信道上，差错纠正的功能由端到端的计算机完成。在帧中继网络中的节点将舍 弃有错的帧，由终端的计算机负责差错的恢复，这样就减轻了帧中继交换机的 负担。 与x 2 5 相比，帧中继不需要进行第三层的处理，它能够让帧在每个交换 机中直接通过，即交换机在帧的尾部还未收到之前就可以把帧的头部发送给下 一个交换机，一些第三层的处理，如流量控制，留给智能终端去完成。 正是因为处理方面工作的减少，给帧中继带来了明显的效果。首先帧中继 有较高的吞吐量，能够达到e l t 1 ( 2 0 4 8 1 5 4 4 m b s ) 、e 3 t 3 的传输速率；其 次帧中继网络中的时延很小，在x 2 5 网络中每个节点进行帧校验产生的时延为 1 6 四川大学工程硕士专业学位论文 5 一- l o m s ，而帧中继节点小于2 m s 。 帧中继与x 2 5 也有相同的地方。例如二者采用的均是面向连接的通信方式， 即采用虚电路交换；可以有交换虚电路( s v c ) 和永久虚电路( p v c ) 两种。 通过以上比较可见帧中继( f r a m er e l a y ，f r ) 技术是在o s i 第二层上用简化 的方法传送和交换数据单元的一种技术。帧中继技术适用于以下三种情况： ( 1 ) 用户需要数据通信，其带宽要求为6 4 k b i t s - - - 2 m b i t s ，而参 与通信的各方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。应为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。 2 2 2 帧中继业务 帧中继业务是在用户一网络接口( u n 0 之间提供用户信息流的双向传送，并 保持原顺序不变的一种承载业务。用户信息流以帧为单位在网络内传送，用户 一网络接口之间以虚电路进行连接，对用户信息流进行统计复用。 帧中继网络提供的业务有两种：永久虚电路和交换虚电路。目前已建成的 帧中继网络大多只提供永久虚电路业务，对交换虚电路及有关用户可选业务的 研究正在进行之中。图7 为帧中继永久虚电路业务模型。 1 7 四川大学工程硕士专业学位论文 f r 网络 f r 仰：帧中继姐装和拆分 r v c ：永久虚电路工蟠：局域网 图7 永久虚电路业务模型 2 2 3 帧中继基本功能 图8 是帧中继的协议结构。 第二层 第一层 广1 i上层 i 用户 i 十 十 i l i u 舡 l 图8 帧中继的协议结构 1 8 广1 l上层 i 用户 l+十；一 四川大学工程硕士专业学位论文 帧中继在o s i 第二层以简化的方式传送数据，仅完成物理层和链路层核心 层的功能，智能化的终端设备把数据发送到链路层，并封装在l a p d 帧结构中， 实施以帧为单位的信息传送。网络不进行纠错、重发、流量控制等。 帧不需要确认，就能够在每个交换机中直接通过，若网络检查出错误帧， 直接将其丢弃；一些第二、三层的处理，如纠错、流量控制等，留给智能终端 去处理，从而简化了节点机之间的处理过程。 2 2 4 帧中继的带宽管理 帧中继网络通过为用户分配带宽控制参数，对每条虚电路上传送的用户信 息进行监视和控制，实施带宽管理，以合理地利用带宽资源。 2 2 4 1 虚电路带宽控制 帧中继网络为每个用户分配三个带宽控制参数：b c 、b e 和c i r 。同时，每 隔t c 时间间隔对虚电路上的数据流量进行监视和控制。t c 值是通过计算得到 的，t c = b c c i r 。 c i r 是网络与用户约定的用户信息传送速率。如果用户o a d , 于等于c i r 的速 率传送信息，正常情况下，应保证这部分信息的传送。b c 是网络允许用户在t c 时间间隔传送的数据量，b c 是网络允许拥护在t c 时间间隔内传送的超过b c 的 数据量。 2 2 4 2 网络容量配置 在网络运行初期，网络运营部门为保证c i r 范围内用户数据信息的传送， 在提供可靠服务的基础上积累网管经验，使中继线容量等于经过该中继线的所 有p v c 的c i r 之和，为用户提供充裕的数据带宽，以防止拥塞的发生。同时， 1 9 四川大学工程硕士专业学位论文 还可以多提供一些c i r = o 的虚电路业务，充分利用帧中继动态分配带宽资源的 特点，降低拥护通信费用，以吸引更多用户。 随着用户数量的增加，在运营过程中，随着经验的积累，可逐步增加p v c 数量，以保证网络资源的充分利用；同时，c i r = o 的业务应尽量提供给那些利 用空闲时间( 例如夜间) 进行通信的用户，对要求较高的用户应尽量提供有一定 c i r 值的业务，以防止因发生阻塞而造成用户信息的丢失。 2 2 5 帧中继帧的格式 l a p f ( l i n ka c c e s sp r o c e d u r e st of r a m em o d eb e a r e rs e r v i c e s ) 是帧方式 承载业务的数据链路层协议和规程，包含在i t u - t 建议q 9 2 2 中，其帧格式如 图9 所示。 i 标志i 地址i 信息 l帧校验序列l 标志i 字节 12 4 可变21 87654321 图9l a p f 帧格式 下面简要介绍各字段的情况。 四川大学工程硕士专业学位论文 标志字段( f ) 标志字段是一个独特的0 1 1 1 1 1 1 0 比特序列，用于指示一帧的开始与结束。 为了实现透明传输采用比特填充技术。 地址字段 一般为两个字节，也可扩展为3 或4 字节。地址字段由以下几部分组 成： 数据链路连接标识符( d l c i ) d l c i 的长度取决于地址字段的长度，图7 中地址字段为2 字节，d l c i 占1 0 b i t 。d l c i 值用于标识节点与节点之间的逻辑链路、呼叫控制和管理信息 ( 见表6 ) 。 表6 帧中继的o i z i 说明( 2 字节地址字段) d l c i用途 o传递帧中继呼叫控制报文 l 1 5 保留 1 6 1 0 0 7 分配给帧中继过程使用 l 0 0 8 1 0 2 2 保留 1 0 2 4链路管理 可见，对于2 字节地址字段的d l c i ，从1 6 到1 0 0 7 共9 9 2 个地址供帧中 继使用，采用统计时分复用技术。 。 命令响应( c r ) c r 与高层的应用有关，帧中继本身并不使用。 地址扩展( e a ) 当e a 为0 时表示下一个字节仍为地址字段，当e a 为l 时表示地址 字段到此为止 2 1 四川大学工程硕士专业学位论文 前向拥塞通知( f e c n ) 若某节点将f e c n 置1 ，则表明与该帧同方向传输的帧可能受到网络拥塞 的影响而产生时延。 后向拥塞通知( b e c n ) 若某节点将b e c n 置1 ，则指示接收者与该帧相反方向传输的帧可能受到 网络拥塞的影响而产生时延。 丢弃指示( d e ) 当d e 置1 ，表明在网络发生拥塞时，为了维持网络的服务水平，该帧与 d e 为0 的帧相比应先丢弃。由于采用了d e 比特，用户就可以比通常允许的情 况多发送一些帧，并将这些帧的d e 你特置1 。当然d e 为1 的帧属于不太重要 的帧，必要时可以丢弃。 信息字段( i ) 信息字段长度为16 0 0 字节到2 0 4 8 字节不等。信息字段可传送多种规程信 息，如x 2 5 、局域网等，为帧中继与其它网络的互连提供了方便。 帧校验字段( f c s ) f c s 为2 字节的循环冗余校验( c r c 校验) 。f c s 并不是要使网络从差错 中恢复过来，而是为网络节点所用，作为网络管理的一部分，检测链路上差错 出现的频度。当f c s 检测出差错时，就将此帧丢弃，差错的恢复由终端去完成。 2 2 6l a p f 帧交换过程 l p f 中进行交换的帧有i 帧、s 帧和u 帧。当采用非确认信息传送方式时， l a p f 的工作方程十分简单，用到的帧只有一种，即无编号信号帧u i 。u i 帧的i 段包含了用户发送的数据，u i 帧到达接收端后，l a p f 实体按f c s 字段的内容检 查传输错误，如没有错误，则将i 字段的内容送到第3 层实体，如有错误，则 四川大学工程硕士专业学位论文 将该帧丢弃，但不论接收是否正确，接收端都不给发送端任何回答。当采用确 认信息传送方式时，l a p f 的帧交换分为3 个阶段：连接建立、数据传送和连接 释放。 连接建立 任何一端都可以通过发送一个s a b m e 帧来申请一条逻辑连接，这通常是对 来自一个第3 层实体的申请的响应。s a b m e 帧含有数据链路连接标识符( d l c i ) 。 l a p f 实体接收该s a b m e 帧，并发送一个连接申请指示给合适的第3 层实体；如 果该第3 层实体以接受连接来响应，则该l a p f 实体发送一个u a 帧返回给对方。 当对方的l a p f 实体收到表示接受的u a 帧时，就向上送一个证实信息给提出申 请的用户。如果终点用户拒绝该连接申请，其l a p f 实体就回送一个d m 帧，接 收d m 的l a p f 实体则通知其用户对方拒绝建立连接。 数据传递 当连接请求已被接受和证实，就建立起该连接，双方就可以在i 帧中发送 用户数据，并以序号0 开始，i 帧中的n ( s ) 及n ( r ) 两个字段用于流量控制和差 错控制，一个发送i 帧序列的l a p f 将对这些帧编制序号( 模1 2 8 ) ，并将顺序号 放进n ( s ) 中，n ( r ) 是已接收的i 帧的捎带确认，它使l a p f 实体能够指示它期 望接收的下一个i 帧的序号。 连接释放 任何一方l a p f 实体均可启动一次切断( 操作) ，可以是出于它本身的原( 例 如出了某种故障) ，或者根据它的第3 层用户