数据通信原理

吉林大学通信工程学院赵蓉

Zr_jlu@sina.com

第 6 章 数据通信网

6.1 数据通信网概述6.1.1 数据通信网的构成

数据通信网是一个由分布在各地的数据终端设备、数据交换设备和数据传输链路所构成的网络，在网络协议 ( 软件 ) 的支持下实现数据终端间的数据传输和交换。 硬件构成：数据终端设备、数据交换设备及传输链路。

6.1.2 数据通信网的分类1. 按网络拓扑结构分类

（ 1 ）网状网与不完全网状网

数据通信网按网络拓扑结构分类，有以下几种基本形式：

（ 2 ）星形网 （ 3 ）树形网 （ 4 ）环形网

2. 按传输技术分类按传输技术分类，数据通信网可分为交换网和广播网。

交换网：根据采用的交换方式不同，交换网可分为电路交换网、 报文交换网、分组交换网、帧中继网和数字数据网。广播网：每个数据站的收发信机共享同一传输媒质，从任一数据站 发出的信号可被所有的其他数据站接收。 广播网中没有中间交换节点。

6.2 分组交换网

6.2.1 分组交换网的构成

使用分组交换的数据通信网称为分组交换网。

1. 设备组成及功能

分组交换机的主要功能： ① 提供网络交换虚电路和永久虚电路； ② 实现 X.25 、 X.75 建议的各项功能； ③ 应有 X.3 、 X.28 、 X.29 、 X.32 建议的功能； ④ 路由选择； ⑤ 流量控制； ⑥ 完成局部维护、运行管理、故障报告与诊断、计费及网络的统计等功能。

（ 1 ）分组交换机转接交换机 具有路由选择功能（用于交换机之间的互

连）本地交换机 只有局部交换功能， 不具备理由选择功能。（可接至数据终端，也可接至转接交换机）

（ 2 ）用户终端

分组型终端 :

发送和接收的均是规格化的分组，可以按照X.25 建议直接与分组交换网相连。

非分组型终端： 产生的用户数据不是

分组，而是一连串字符，不能直接接入分组交换网，必须通过 PAD 设备。

（ 3 ）远程集中器(RCU)

可将离分组交换机较远地区的低速数据终端的数据集中后，通过一条中、高速电路送往分组交换机。

RCU 含有 PAD 的功能，可使非分组型终端进入分组交换网。

RCU 的功能介于分组交换机和 PAD 之间，可以李姐为 PAD 功能与容量的扩大。

（ 4 ）网络管理中心（ NMC ）

① 收集全网信息； ② 路由选择与拥塞控制； ③ 网络配置的管理及用户 管理。 ④ 用户运行状态的监视与 故障检测。

（ 5 ）传输线路

中继传输线路； 用户线路。

中继传输线路： 交换机之间的传输线路。 中继线路的传输方式： ① 频带传输 速率为 4.8kbit/s ， 9.6kbit/s ， 19.2kbit/s ， 现在可达 64kbit/s ； ② 数字数据传输 (DDN) 速率： 64 kbit/s ， 128 kbit/s ， 2M bit/s, 甚至更高。

2. 分组交换网的结构

分组交换网通常采用两级结构，根据业务流量、流向和地区情况设立一级和二级交换中心。

一级交换中心：可采用转接交换机。 一般设在大、中城市，它们之间相互连接构成的网络通常称为骨干

网。骨干网采用网状网或不完全网状网的分布式结构。 二级交换中心：可采用本地交换机， 一般设在中、小城市。从一级交换中心到二级交换中心之间一般采

用星形结构，必要时也可采用不完全网状结构。

6.2.2 分组交换网的路由选择

1. 对路由选择算法的一般要求

(1) 在最短时间内使分组到达目的地； (2) 算法简单，易于实现，以减少额外开销； (3) 使网中各节点的工作量均衡； (4) 算法应能适应通信量和网络拓扑等的变化，即要有自适应性； (5) 算法应对所有用户都是平等的。

2. 常见的几种路由选择算法

（ 1 ）扩散式路由算法（非自适应型）

分类：自适应型和非自适应型。

（ 2 ）静态路由表法

在每个节点中使用路由表，路由表指明从该节点到网络中任何终点应当选择的路径。

常用的确定路由的准则是：最短路径算法和最小时延算法等。 具体说明：

当网络结构发生变化或网络故障时，网络控制中心自动地重新生成路由表。

（ 3 ）动态路由表法（查表法）

常用的确定路由的准则是：最小时延算法等。

概念：交换机的路由表随着网络的数据流或其他因素的变化而自动修改。

3. 数据报与虚电路方式的路由选择

（ 1 ）数据报方式的路由选择

在数据报方式中，由于每个分组可以在网内独立传输，所以交换节点对每个数据分组都要进行路由选择。

节点收到数据分组时，根据分组头中的目的地址，查节点内的路由表为分组选择路由。

（ 2 ）虚电路方式的路由选择

分组传送的路由是在虚电路建立时确定的。

6.2.3 分组交换网的流量控制

1. 流量控制的必要性

防止网络出现拥塞和死锁。

2. 流量控制的类型

网内存在着如下四级流量控制结构 ( 即流量控制的类型 ) ：

(1) 段级控制。

(2)“ 网一端”级控制。

(3)“ 源一目的”级控制。

(4)“ 端一端”级控制。

节点收到数据分组时，根据分组头中的目的地址，查节点内的路由表为分组选择路由。

3. 流量控制的方式

流量控制的方式：

(1) 证实法；

(2) 预约法；

(3) 许可证法；

(4) 窗口方式。

4. 窗口方式流量控制

6.3 帧中继网6.3.1 帧中继基本原理

1. 帧中继的概念

帧中继 (FR) 技术是分组交换的升级技术，它是在 OSI 第二层上用筒化的方法传送和交换数据单元的一种技术，以帧为单位存储 - 转发。 帧中继交换机仅完成 OSI 物理层和链路层核心层的功能，将流量控制、纠错控制等留给终端去完成，大大简化了节点机之间的协议，缩短了传输时延，提高了传输效率。

2. 帧中继发展的必要条件

（ 1 ）光纤传输线路的使用

（ 2 ）用户终端的智能化

3. 帧中继技术的功能 （ 1 ）帧中继技术主要用于传递数据业务。 （ 2 ）帧中继交换机取消了 X.25 的第三层功能，只采用物理层和链路层

的两级结构，在链路层也仅保留了核心子集部分。 帧中继节点在链路层完成统计时分复用、帧透明传输和错误检测，但不提供发现错误后的重传操作 ( 检测出错误帧，便将其丢弃 ) ，省去了帧编号、流量控制、应答和监视等机制。

（ 3 ）帧中继传送数据信息所使用的传输链路是逻辑连接，而不是物理连接，在一个物理连接上可以复用多个逻辑连接。帧中继采用统计时分复用，动态分配带宽（即按需分配带宽）。

（ 4 ）提供一套合理的带宽管理和防止阻塞的机制，用户有效地利用预先约定的带宽，并且还允许用户的突发数据占用未预定的带宽，以提高整个网络资源的利用率。

（ 5 ）与分组交换一样， FR 采用面向连接的虚电路交换技术，可以提供 SVC 业务和 PVC 业务。目前世界上已建成的帧中继网络大多只提供PVC 业务，对 SVC 业务的研究正在进行之中，将来可以提供 SVC 业务。

4. 帧中继的特点(1 ）高效性 具体体现： ●有效的带宽利用率 ●传输速率高 ●网络时延小（ 2 ）经济法（ 3 ）可靠性（ 4 ）灵活性 ●帧中继网组建方面——灵活方便。 ●用户接入方面——用户可方便接入，不必担心协议的不兼容性。 ●帧中继所提供的业务方面——帧中继网为用户提供了灵活的。 (5 ）长远性

5. 帧中继的适用场合

（ 1 ）当用户需要数据通信，其带宽要求为 64kbit/s-2Mbit/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。因为帧中继的高效性是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。

6. 帧中继技术与分组交换的比较

6.3.2 帧中继协议1. 帧中继的协议结构 帧中继协议分为用户（ U）平面和控制（ C ）平面两部分。 用户平面是完成用户信息的传递所需功能及协议； 控制平面则是有关控制信令的功能及协议。 帧中继用户平面的协议结构如图所示

帧中继用户平面的协议结构分为两层：物理层和数据链路层（ DL ）。 其中数据链路层又可分为两个子层： DL 控制子层（ DL-CONTROL ）和 DL 核心子层（ DL-CORE ）。

2. 帧中继的帧结构

Q.922 核心层的帧格式（即帧结构）如下图所示

3. 数据链路层的核心协议

帧中继采用 Q.922 核心层协议作为数据链路层协议， Q.922 核心层功能主要包括：

（ 1 ）帧的定界、同步和透明性。 （ 2 ）使用地址字段进行帧的复用／分路。 即允许在同一通路（物理连接）上建立多条数据链路连接（逻辑 连接），并使它们相互独立工作。 （ 3 ）帧传输差错检测（但不纠错）。 （ 4 ）检测传输帧在“ 0”比特插入之前和删除之后，是否由整数个八比特组组成。

（ 5 ）检测帧长是否正确。

4. 帧中继对无效帧的处理

1 ）没有用两个标志所分界的帧； 2 ）在地址字段和结束标志之间的字节数少于 3 个； 3 ）在“ 0”比特插入之前和删除之后，帧不是由整数个字节组成； 4 ）包含一个帧校验序列（ FCS ）的差错； 5 ）只包含一个字节的地址字段； 6 ）包含一个不为接收机所支持的 DLCI 。

5. 帧中继的寻址方式

6.3.3 帧中继网的业务管理1.带宽管理

2. 拥塞管理

3.PVC 管理

6.3.4 帧中继网的应用1. 局域网互连

2. 虚拟专用网

3. 作为分组交换节点机之间的中继传输4. 其他应用

帧中继的应用还有： （ 1 ）可为高分辨可视图文、 CAD/CAM 等需要传送高分辨率图形数据的用户，提供高吞吐量（ 500~2048Kbit/s ）、低时延（小于几十ms ）的数据传送业务。 （ 2 ）可为时延要求不高、数据量大的大型文件的用户提供高吞吐量（ 16~2048Kbit/s ）的数据传送业务。 （ 3 ）可为帧短、时延要求高、数据量少的文本编辑用户提供低时延的数据传送业务。

6.3.5 帧中继网的组成1. 典型的帧中继网拓扑

2. 网络组成帧中继网根据网络的运营、管理和地理区域等因素分为三层：国家骨干网、省内网和本地网。

3. 帧中继网络设备帧中继交换机帧中继网内的局间中继线。

6.3.6 帧中继用户接入

（ 1 ）帧中继的用户 - 网络接口1. 帧中继的用户 - 网络接口规程

（ 2 ）用户 - 网络接口规程

2. 用户入网方式

（ 1 ）局域网接入方式（ 2 ）计算机终端接入方式

FRAD-帧中继装拆设备

3. 帧中继用户接入设备 路由器 网桥 帧中继装 /拆设备 (FRAD)

4. 用户接入电路

(1) 二线（四线）话带 调制解调传输方式

(2) 基带传输方式

(3) 2B+D 线路终端 传输方式

(4)ISDN拨号接入方式

(5)PCM 数字线路 传输方式

(6) 其他数字接入方式

6.3.7 帧中继网的网间互连1. 帧中继网与分组交换公用数据网之间的互连

（ 1 ）端口接入 FR PVC 方式

（ 2 ）两个 PSPDN 节点经由帧中继网进行互连。

2. 帧中继网间的互连

3. 帧中继网与 ISDN 之间的互连

4. 帧中继网与 B-ISDN 之间的互连

建议： I.555

建议： I.555

6.4 数字数据网

6.4.1 DDN 的基本概念

1.DDN 的概念

数字数据网 (DDN) 是利用数字信道来传输数据信号的数据传输网 ( 即利用 PCM 信道传输数据信号 ) 。

更确切地讲， DDN 是以满足开放系统互连 (OSI) 数据通信环境为基本需要，采用数字交叉连接技术和数字传输系统，提供高速数据传输业务的数字数据传输网。

公用 DDN 提供多种业务，能向用户提供 200bit/s~2Mbit/

s速率任选的半永久性连接的数字数据传输信道。

2 ． DDN 的特点 (1) 传输速率高，网络时延小 (2) 传输质量好 (3) 传输距离远 (4) 传输安全可靠 (5)透明传输 (6)DDN 的网络运行管理简便

3.DDN 的用途 适合与数据信息流量大的数据通信场合。（ 1 ） DDN 用于向用户提供专用的数字数据信道

（ 2 ） DDN 可作为公用数据交换网提供交换节点间的数据传输信道

（ 3 ） DDN 可提供将用户接入公用数据交换网的接入信道。（ 4 ）利用 DDN 可以进行局域网的互连。

6.4.2 DDN 的网络业务

DDN 的网络业务主要是时分复用 (TDM)专用电路业务以及在此基础上通过引入相应服务模块 ( 如帧中继服务模块、语音服务模块 )

而提供的网络增值业务：帧中继业务及话音／ G3 传真业务。

1．时分复用 (TDM)专用电路业务 (1) 基本 TDM专用电路 点对点 TDM专用电路， （在两个用户间提供双向、 对称的 TDM专用电路） (2)特殊要求的 TDM专用电路 ①广播多点专用电路 ②双向多点专用电路 ③N向多点专用电路

2. 帧中继业务

DDN 可通过在 DDN 节点上安装帧中继模块（ FRM ）和 / 或帧中继装 /拆（ FRAD ）模块来提供帧中继业务。

3.话音 /G3 传真业务

DDN 通过在用户入网处设置语音服务模块（ VSM ）来提供话音 G3 传真业务。

VSM （语音服务模块）的主要功能有： (1) 电话机和 PBX连接的二 / 四线模拟接口； (2)话音压缩编解码；（ ADPCM 或其他编码方式） (3)模拟接口的信令和集合信道上的信令间转换； (4)G3 传真机标准的调制解调器； (5)话音 / 传真信号识别的自动切换。

6.4.3 DDN 的网络结构1.DDN 的三级网络结构

2.DDN 节点 (1)DDN 节点的功能 ①复用和解复用； ② 交叉连接； ③ 提供各种数字通道接口和用户接口，接入各种业务； ④保持网络同步。

(2)DDN 节点机分类 ① 骨干节点机 ( 大型 2Mbit ／ s 节点机 ) 。骨干节点机是高层骨干网的节点机，它主要执行网络业务的转接功能。 ② 接入节点机 ( 中型节点机 ) 。接入节点机主要提供接入功能。 ③ 用户节点机 ( 小型节点机 ) ：用户节点机为 DDN 用户入网提供接口和必要的协议转换。 它可能是一个复用器，可以接入多种业务。

3 ． DDN 的构成 一个 DDN 主要由 4 个部分组成： (1) 本地传输系统 (2)复用及数字交叉连接系统 ( 即 DDN 节点 )

(3) 局间传输及网同步系统 (4) 网络管理系统 DDN 的网络组成如图 6-40 所示。

6.4.4 本地传输系统1. 本地传输系统的组成及作用 组成：用户设备和用户环路2. 用户入网方式

用户设备直接接入（ DDN 节点直接与用户终端相连）； 用户设备通过两个用户网络接入单元 (NAU)接入； 用户设备通过单个 NAU接入。

(2) 二线（四线）话带 调制解调传输方式 (3) 基带传输方式

(7) 2B+D 线路终接（ LT ） 传输方式

(8) 路由器（网桥）接入

(6)PCM 数字线路 传输方式

(1) 二线模拟传输方式

(4)模拟话音和数据 复用传输方式

(5) 数字话音和数据 复用传输方式

(9)利用 HDSL 、 ADSL接入

6.4.5 局间传输与网同步1. 局间传输

概念：指节点间的数字信道以及由各节点通过与数字信道的各种连接方式组成的网络拓扑。

局间传输要考虑合理的网络拓扑结构，以保证网络安全。一旦连接某节点与相邻节点的一条数字信道发生故障或相邻节点发生故障，该节点会自动启用与另一节点相连的数字信道进行迂回。以免原通信中断。

2.DDN 的网同步系统（ 1 ）网同步的基本概念

网同步的实现方式： (1) 准同步网 (2) 主从同步网

(3) 互同步网

（ 2 ） DDN 的网同步

DDN 是同步传输网络，必须保证全网各节点的定时信号一致。

6.4.6 DDN 的网间互连1. DDN 与分组交换网的互连（ 1 ） DDN 终端通过 DDN接入

PSPDN

（ 2 ）分组交换机通过 DDN互连

2. 公用 DDN 与专用 DDN 的互连

一般由公用 DDN 为专用 DDN 提供数字传输信道，对信道的传输速率、接口标准、时延及所经路由等方面按专用网的要求而定。

3. DDN 与局域网的互连

6.5 分组交换网、帧中继网及 DDN 之间的关系6.5.1 分组交换网、帧中继网及 DDN 的性能比

较

6.5.2 分组交换网、帧中继网及 DDN 的适用场合

分组交换网主要适用于数据传输速率在 64kbit/s 以下、且能容忍一定的网络传输时延的交互式通信的场合；

帧中继最典型的应用是局域网互连，分组交换网节点机之间的高速中继及虚拟专用网等；

DDN 主要适用于业务量大，且业务量持续、稳定或实时性强的中、高速点到点、点到多点的数据通信场合。

分组交换网主要是业务网； DDN 主要作为传输网； 帧中继则既是业务网又可以做中继传输网。 三种网络之间的关系： 分组交换网和帧中继网均可作为业务网用来传输和交换数据信息等； DDN也可以作为业务网，向用户提供专用的数字数据信道； 帧中继网和 DDN又都可作为分组交换网节点之间的中继传输网，为分组交换节点间提供高速、可靠的数据传输。

6.5.3 分组交换网、帧中继网及 DDN 之间的关系

通信理论教研室 518