7.1.3　帧中继网

帧中继是一种用于连接计算机系统的面向分组的通信方法。它主要用在公共或专用网上的局域网互联以及广域网连接。大多数公共电信局都提供帧中继服务，把它作为建立高性能的虚拟广域连接的一种途径。帧中继是进入带宽范围从56Kbit/s到1.544Mbit/s的广域分组交换网的用户接口。

1．帧中继网络概述

帧中继是在数字光纤传输线路逐渐代替原有的模拟线路，用户终端智能化的情况下，X.25分组交换技术发展起来的一种传输技术。它在用户—网络接口之间提供用户信息流的双向传送，并可对用户信息流进行统计复用。

帧中继和分组交换类似，但以比分组容量大的帧为单位（而不是以分组为单位）进行数据传输，而且它在网络上的中间节点对数据不进行误码纠错。图7-5a所示的是一般分组交换方式，每个节点在收到一帧后都要发回确认帧，而目的站在收到一帧后发回端到端的确认时，也要逐站进行确认。图7-5b所示的是帧中继方式，它的中间站只转发帧而不确认帧，即中间站没有逐段的链路控制能力，只有在目的站收到一帧后才向源站发回端到端的确认。

图7-5　一般分组交换方式与帧中继方式的比较

帧中继技术在保持了分组交换技术的灵活及较低的费用的同时，缩短了传输时延，提高了传输速度，在很长一段时间是实现局域网（local area network，LAN）互连、局域网与广域网（Wide Area Network，WAN）连接等应用较理想的解决方案。

近年来，数据通信网中的用户类型发生了很大的变化，用户终端——智能主机（User-Host）用户所占比例逐年下降，而客户机/服务器（Client/Server，C/S）用户的比例不断增加。在这种情况下，现代用户的需求有以下特点。

·要求传输速率高，时延低。

·信息传送的突发性高。

·用户端智能化高。

传统的方法是采用租用专线和分组网来满足用户需求，但这两种方法都有其不可克服的缺点。对于租用专线方式，其成本较昂贵，线路利用率很低，对突发性业务量的传送不利。对于分组网方式，X.25协议过于复杂，交换机和业务成本都很高，复杂的协议影响了传输速率，网络时延大，难以实现高速数据传送。帧中继技术正是在这种用户需求提高而现有网络技术又难以满足的情况下应运而生的。

由于帧中继协议简单，不存在纠错及流量控制等功能，为保证用户数据的正确传送，必须具备以下两个条件。

·传输线路质量高，误比特率要达到108数量级。

·用户终端本身可进行端到端的纠错和流量控制。

一方面，宽频带、高质量、数字化的光纤传输技术日益普及，为帧中继的实现提供了很好的物理基础，光纤的数字传输误码率小于10⁹ 。另一方面，用户终端日益智能化，如在LAN中的TCP/IP、SNA等协议本身就是三层以上，将原有网络中进行的纠错、流量控制等由网内移至端到端的用户是完全有可能的。

表7-1所示为电路交换、分组交换、帧中继技术的比较。

表7-1　电路交换、分组交换、帧中继技术的比较

相对电路交换和X.25而言，解决目前用户需求，帧中继是较经济有效的办法。帧中继能给用户带来的主要益处如下。

·降低网络互连费用。

·在减少网络复杂性的基础上提高网络功能。

·有统一的国际标准，易于互通和兼容。

·网络与协议无关。

2．帧中继技术原理

帧中继技术原理这一小节中，主要了解帧中继帧格式和数据链路连接标识（Data Link Connection Identifier，DLCI）。

（1）帧中继和X.25的比较

帧中继是X.25分组交换网在光纤传输条件下的发展，可以看做是X.25分组交换技术及其功能的子集。它保存了X.25链路层HDLC帧格式，但不采用LAPB规程，而是按照ISDN标准使用D通道链路接入规程（Link Access Procedure Of D-Channel，LAPD）。LAPD是OSI参考模型中的第二层协议，用于ISDN的D信道通信。X.25在网络层实现复用和转接，而帧中继在链路层实现链路的复用和转接，它可以完全不用网络层而只用链路层（帧级）实现复用传递。

图7-6a和图7-6b分别是X.25分组交换网与帧中继网两种方式端到端传输层次上的对比。

图7-6　帧中继与X.25分组交换网的比较

（2）帧中继的帧结构

帧中继的帧结构是由ITU-TQ.922建议的，也称为Q.922HDLC帧。它与HDLC帧的格式类似，其主要区别是没有控制字段，而且它使用扩充寻址字段，以实现链路层复用和“共路信令”。帧格式如图7-7所示。

图7-7　帧中继的帧格式

帧中继的帧由标志F、信息I、帧校验FCS和地址A组成。地址段（A）一般为2Byte，也可扩展为3～4Byte，其内容包括如下几点。

·DLCI——数据链路连接标识符。帧中继采用虚电路方式来传送数据帧，帧中继的每一个帧沿着各自的虚电路在网络中传送。为此每个帧必须携带一个叫DLCI的“虚电路号”来标识每个帧的通信地址。

·C/R——命令响应位，与高层应用有关，帧中继本身并不使用。

·EA——地址扩展表示，可扩展到3~4Byte。EA=0，表示下一字节仍然是地址字节。EA=1，表示地址字段到此为止。

·FECN——正向阻塞显式通知，FECN=1，可能有正向阻塞而延迟。

·BECN——反向阻塞显式通知，BECN=1，可能有反向阻塞而延迟。

·DE——倾丢弃许可指示，用户终端根据FECN和BECN的指示结果，使用DE来告诉网络，若网络发生阻塞，可优先传送（DE=0）那些对时延敏感的帧，而丢弃（DE=1）那些次要的帧。

信息字段（I）是可变长度的，理论上最大长度为4096Byte（取决于FCS的检验能力），具体实现的最大长度可由各厂家决定。I字段用来装载用户数据，可以包括接入设备使用的各种协议类型（协议数据单元协议数据单元）。

（3）帧中继原理

帧中继原理示意图如图7-8所示。

帧中继数据传输的初始情况是：已知帧中继终端接到端口x，在已建立的一条虚电路连接上，按10比特DLCI的“虚电路号”标识分配协定，帧中继交换前、后的DLCI值分别为a和b。

帧中继交换机实现帧数据传输的过程是：先使用帧尾的2字节　FCS检査是否有传输错误，如有则丢弃该帧；然后査看路由表，以确定输出链路号。根据路由表，由端口x输入的DLCI=a的帧应在端口y上送出，其帧的新DLCI=b。显然，DLCI改变了，故在发送该帧前，需要重新计算FCS。从呼叫建立起，沿途所有帧中继交换机的路由表皆形成登录项。帧通过网络向前传递，直到到达目的端。

图7-8只表示出一个方向上的传输，另一个方向上的传输可用同样方式进行。DLCI仅具有本地意义，一般，在一条虚连接的每一端，DLCI是不相同的。网络本身不执行任何流量控制，而且不会试图去纠正可能发现的任何错误。差错控制和流量控制留给在终端之间进行端到端操作的更高层协议去执行。

图7-8　帧中继的原理示意图

（4）用户接入帧中继网

用户接入帧中继网通常需具备用户住宅设备、传输设备和帧中继网络3种基本设施。用户住宅设备可以是任何类型的接入设备，如具有帧中继接口的桥接器或路由器。用户接入帧中继网的形式，通常采用以下几种形式，如图7-9所示。

图7-9　用户接入帧中继网的形式

1）局域网接入方式

局域网用户一般通过桥接器/路由器接入帧中继网，也可通过其他的帧中继接入设备（如集线器、PAD和规程转换器等）接入帧中继网。

2）计算机接入方式

各类计算机通过帧中继接入设备（Frame Relay Access Device，FRAD），将非标准的接口规程转换为标准的用户网络接口（User Network Interface，UNI）接口规程后接入帧中继网络。如果计算机自身带有标准的UNI规程，则可作为帧中继终端直接接入帧中继网。

3）用户帧中继交换机接入公用帧中继网

用户专用的帧中继网接入公用帧中继网时，将专用网络中的一台交换机作为公用帧中继网的用户，以标准的UNI规程接入。

3．帧中继业务应用

帧中继业务应用十分广泛，主要包括以下几方面。

·块交互数据，实现高分辨率图形数据传输，该应用的特点是要求短时延和大流量。

·文件传送，多用于传送长文件，因为对于长文件，要获得比较满意的传输时延，必须有较大的流量。

·支持多个低速率复用，利用帧中继的复用能力为较多的低速率用户提供更经济的服务。

·字符交互，以短帧、短时延和低流量的特点用于文字编辑。

·局域网互连，通过网桥和路由器互连局域网时采用帧中继是比较有效的。帧中继协议的流水线特性特别适用于局域网产生的突发性、高速率和大流量的数据。对局域网的数据帧进行中继转发时，需要采用可变长度的帧格式，并尽可能减少转换处理软件，这正是帧中继的特点。