第3章 广域数据网

3.1.1
数据链路的基本功能
比特填充的分界标志法的做法是：每一帧的 开始和结束都有一个特殊的位模式，即01111110 作为帧的分界符。当发送方的数据链路层碰到数 据中5个连续的位“1”的时候，它自动在输出位流 中填充一个位“0”。图3.1所示为位填充的一个例 子，图（a）为原始数据，图（b）为线路上的数 据，图（c）为删除填充后存储在接收方的数据。
3.3.2
路由选择策略
图3.7
固定路由选择
3.3.2
路由选择策略
2．洪泛路由选择 这种技术不 需要任何网络信 息，其工作过程 如下。一个分组 由源节点发送到 与其相邻的每一 个节点上。在各 个节点上，收到 的分组再次被传 输到除分组到达 时所经过的链路 以外的所有输出 链路。图3.8为 一示例。
3.3.1
路由优化原则
例如，在图3.6所示的网 络中，每对节点之间的双箭 头连线表示的是节点之间的 链路，而对应的数字代表了 该链路在各个方向上的费用。 从节点1到节点6的最短路径 （最少跳数）是1-3-6（费 用 = 5 + 5 = 10），但是最小 费用路径是1-4-5-6（费 用 = 1 + 1 + 2 = 4）。在第1 种情况下，最小费用路由可 以提供最大吞吐量；而在第 2种情况下，最小费用路由 图3.6 分组交换网络的例子 可以使时延达到最小。
3.4.2
拥塞控制与流量控制的关系
拥塞控制与流量控制的关系密切，它们之间 也存在着一些差别。拥塞控制所要做的都有一个 前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞 控制是一个全局性的过程，涉及所有的主机、所 有的路由器以及与降低网络传输性能有关的所有 因素。 流量控制是指在给定的发送端和接收端之间 的点对点通信量的控制，流量控制所要做的就是 抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得 及接收。流量控制几乎总是存在着从接收端到发 送端的某种直接反馈，使发送端知道接收端是处 于怎样的状况。
3.2.2 数据报和虚电路
图3.5
数据报服务和虚电路服务
3.2.2 数据报和虚电路
1．数据报服务 网络提供数据报服务的特点是：网络随时都可 接收主机发送的分组（即数据报）。图3.5（a） 所示为主机H1向H5发送的分组，可以看出，有的 分组可经过节点A-B-E，而另一些则可能经过节 点A-C-E或A-C-B-E。 2．虚电路服务 假设图3.5（b）中所示主机H1要和主机H5通 信，于是，主机H1先向主机H5发出一个特定格式 的控制信息分组，要求进行通信，同时也寻找一 条合适的路由。 数据报服务和虚电路服务还有一些各自的优缺 点，如表3.2所示。
图3.2
HDLC的帧结构
3.1.2
数据链路层协议
HDLC的许多重要功能都靠控制字段 来实现。根据其最前面的两个比特的取值， 可以将HDLC的帧划分为3类：信息帧、管 理帧和无编号帧，其简称分别是I帧、S帧 和U帧。对于这3种帧，控制字段的内容如 图3.3所示，图（a）为信息帧，图（b）为 管理帧，图（c）为无编号帧。图中所示的 Seq字段是帧的序列号，Next字段则是一个 捎带的确认。 P/F位代表查询/结束。各种 不同的管理帧可通过Type（类型）字段来 区分。
3.1 数据链路控制与协议
3.1.1 数据链路的基本功能
数据链路层要完成许多特定的功能，这些功 能包括： ① 向网络层提供一个定义良好的服务接口； ② 处理传输错误； ③ 调节数据流，确保慢速的接收方不会被快速的 发送方淹没。
3.1.1
数据链路的基本功能
1．为网络层提供的服务 数据链路层的设计目标是提供各种服 务，即无确认的无连接服务、有确认的无 连接服务和有确认的面向连接服务。 2．成帧 对于数据链路层，一般的做法是将位 流分解成离散的帧，并计算每一帧的校验 和。当一帧到达目标机器的时候，重新计 算校验和。在实际应用中，通常采用比特 填充的分界标志法。
可以由分组交换网负责，也可 由用户主机负责 以由用户机负责
3.3 路由选择
3.3.1 路由优化原则
路由选择负责确定分组从源到宿的最佳传输 路由。路由选择算法必须做到：正确性、简单性、 健壮性、稳定性、公平性和最优性。 通常路由选择是基于某些性能评估标准的。 最简单的标准是选择经过网络的最小跳数路由 （途经节点的数量最少）。这是一种很容易测量 的标准，并且能够使网络资源的消耗最少。将最 小跳数标准推广到一般情况即是最小费用的路由 选择。
P i Ri Rj
其中，Pi为选择链路i的概率，Rj为链路j的数据率， 式中的总和指的是所有候选的输出链路的数据率总 和。
3.3.2
路由选择策略
4．自适应路由选择 事实上在所有的分组交换网络中，都使用了 某种形式的自适应路由选择技术，影响路由选择 判决的主要条件有故障和拥塞。 要使自适应路由选择成为可能，就必须在节 点和节点之间交换有关网络状态的信息。与固定 路由选择相比，使用自适应路由选择因判决更加 复杂，而增加了网络节点的处理负担。 一种划分自适应路由选择的简单方法是以信 息源为依据，可分为本地的、相邻节点的和所有 节点的。比较常见的路由选择策略是以从相邻节 点上或者是从所有节点上得到的信息为基础的。 这两种策略都使用了各节点上的有关时延和损耗 的当前信息。这一类的自适应策略可以是分布式 的，也可以是集中式的。
准备收下一帧 确认序号为N(R)−1及其以前的各帧
暂停接收下一帧 确认序号为N(R)−1及其以前的各帧 从N(R)起的所有帧都被否认 但确认序号为N(R)−1及其以前的各 帧
0 1
1 1
只否认序号为N(R)的帧 SREJ（Selective Reject） 但确认序号为N(R)−1及其以前的各 选择拒绝 帧
图3.4
由不同类型子网组成的互联网
3.2.2 数据报和虚电路
从层次上看，广域数据子网的最高层就 是网络层。网络层为接在网络上的主机所提 供的服务可以有两大类，即无连接的网络服 务和面向连接的网络服务。这两种服务的具 体实现就是通常所说的数据报服务和虚电路 服务。 图3.5分别画出了网络提供数据报服务和 提供虚电路服务的特点。网络层的用户是运 输层实体，但为方便起见，可用主机作为网 络层的用户。
图3.8 泛洪法示例（跳数=3）
3.3.2
路由选择策略
洪泛式技术具有3个重要属性。 ① 在源站和目的站之间所有可能的路由都被尝试过，因此， 不论发生了什么样的链路或节点的损坏，只要源站和目的站 之间存在至少有一条路径，那么分组必然会到达目的。 ② 因为所有的路由都被尝试过，因此，该分组至少有一个副 本使用的是最小跳数路由到达目的。 ③ 所有直接或间接地与源节点相连的节点全部都被访问到。 正是因为第1个属性，所以说洪泛技术是高度稳健的，并 且可用于发送紧急报文。由于第2个属性，洪泛法可以用于虚 电路路由的最初建立。从第3个属性可以想到，洪泛法对于某 些向所有节点散播的重要信息来说是十分有用的。 洪泛法的缺点是它产生的通信量负荷过高，并且与网络 的连通度成正比关系。
3.3.2
路由选择策略
本节中我们将要介绍4种主要的策略：固定式、 洪泛式、随机式和自适应式。 1．固定式路由选择 固定式路由选择为网络中的每一对源和目的 节点选择一条永久的路由。图3.7说明了固定式路 由选择是如何实现的。需要创建一个中心路由选 择矩阵，它可能保存在网络的控制中心。该矩阵 指出每一对源和目的节点的路由途中的下一个节 点标识。该矩阵指出每一对源和目的节点的路由 途中的下一个节点标识。从这张完整的矩阵中， 可以产生许多路由表，并保存在各个节点中。 使用固定式路由选择，数据报和虚电路在路 由选择时没有区别。
3.字段
管理帧共有4种，它们的名称和功能如表3.1所 示。管理帧主要用来帮助实现流量控制和差错控 制的工作。
3.1.2
数据链路层协议
4种管理帧的名称和功能
帧 名 功 能
表3.1
第3～4比 特 0 0 1 0
RR（Receive Ready） 接收准备就绪
RNR（Receive Not Ready） 接收未就绪 REJ（Reject） 拒绝
图3.1
位填充
3.1.1
数据链路的基本功能
3．差错控制 确保可靠递交的常用方法是向发送方提供一 些有关线路另一端状况的反馈信息。通常情况下， 协议要求接收方送回一些特殊的控制帧，在这些 控制帧中，对于它所接收到的帧进行肯定的或者 否定的确认。 4．流量控制 在数据链路层中另一个重要的设计问题是， 如果发送方发送帧的速度超过了接收方能够接收 这些帧的速度，则发送方该如何处理呢？常用的 办法基于反馈的流控制，接收方给发送方送回信 息，允许它发送更多的数据，或者至少也要告诉 发送方它的情况怎么样，如滑动窗口法。
3.1.2
数据链路层协议
本小节将介绍目前被广泛使用的数据链路协 议，高级数据链路控制（High-level Data Link Control，HDLC）协议。它是一个面向比特的数 据链路层协议。 HDLC的帧结构如图3.2所示，其中，地址字 段被用于标识一个终端，校验和字段是一个循环 冗余码。帧的分界是标志序列01111110。
3.2 数据子网提供的服务
3.2.1 数据子网的概念
数据子网根据其数据链路类型不同，可以分为 广播类型的数据子网，即局域网，以及交换式数 据子网，即广域网。 图3.4所示为异地局域网通过路由器与广域网 相连，组成了一个覆盖范围很广的互联网。广域 数据子网和局域网都是互联网的重要组成构件。
3.2.1 数据子网的概念
3.2.2 数据报和虚电路
表3.2
对比的方面 思路 连接的建立
虚电路服务与数据报服务的对比
虚电路服务 可靠通信应当由网络来保证 必须有 数据报服务
可靠通信应当由用户主机来保 证
不需要
目的站地址
分组的转发 当结点出故 障时 分组的顺序 端到端的差 错处理和流 量控制
仅在连接建立阶段使用，每个 每个分组都有目的站的全地址 分组使用短的虚电路号 属于同一条虚电路的分组均按 每个分组独立选择路由进行转 照同一路由进行转发 发 所有通过出故障的节点的虚电 出故障的节点可能会丢失分组， 路均不能工作 一些路由可能会发生变化 总是按发送顺序到达目的站 到达目的站时不一定按发送顺 序