现代通信网络的分层结构及各层的作用

概述

随着计算机技术的发展和对联网的迫切需求，通过Ｍｏｄｅｍ在电话网中传送低速数据的通信方式，已满足不了日益增长的数据通信的要求。电信部门早在1988年就建设了独立于公共电话网的公共数据网。公共数据网根据数据通信的突发性和允许一定时延的特点，采用了存储转发分组（包）交换技术。随着计算机联网用户的增长，数据网带宽不断拓宽，网络节点设备几经更新，在这个发展过程中不可避免出现新老网络交替，多种数据网并存的复杂局面。在这种情况下，一种能将遍布世界各地各种类型数据网联成一个大网的ＴＣＰ／ＩＰ协议应运而生，从而使采用ＴＣＰ／ＩＰ协议的国际互联网（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或ＩＰ网）一跃而成为全世界最大的信息网络。

在各种实时信息进入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的今天，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ已不仅是一个纯计算机互联网络，未来Ｉｎｔｅｒｎｅｔ所承载的多媒体业务量有可能超过计算机通信业务量，故本讲座中将Ｉｎｔｅｒｎｅｔ广义地称为ＩＰ网。应该说离开ＩＰ网去了解现代数据网只能得到一些零星的概念，只有通过对ＩＰ网的剖析，才能看到现代数据网的整体。下面引入分层的概念来剖析ＩＰ网。

从纵的观点看ＩＰ网可分为4层：

第一层：通信基础网；

第二层：数据网（Ｌ2数据网）；

第三层：ＩＰ网（Ｌ3数据网）；

第四层：应用层。

通信基础网（传送网）

通信基础网属ＯＳＩ模型第一层物理层范畴。现代数据网与现代电话网共用一个通信基础网，通信基础网的网络节点设备主要为配线架和数字交叉连接设备(ＤＸＣ)，其主要任务是实现基础网传输电路的电路调度、故障切换和分离业务，故可以看成基础网的组成部分。但如用在非拨号连接的业务网中（如ＤＤＮ网和专线网）亦可看成为业务节点设备。

数据网（Ｌ2数据网）

在ＩＰ网中其低层的数据网可视为Ｌ2数据网，虽然低层计算机子网的通信协议也可能有组网、寻址、路由等三层功能，但对ＩＰ网中所传输的ＩＰ包而言，其第三层功能全部由ＩＰ协议来完成。

（1）公用Ｘ．25分组网（ＰＳＰＤＮ）

我国早在1988年就开通了公用Ｘ．25分组交换网。该网由一个网管中心（ＮＭＣ）、3个节点交换机（ＮＳ）和8个远程集中器（ＲＣＵ）组成。在ＮＳ之间、ＮＳ与ＲＣＵ之间采用速率为ｋｂｉｔ／ｓ的中继电路互连，使用Ｘ．25规程。随着计算机联网业务的发展，1995年建成了包括32个节点机的新分组交换骨干网，后几经扩容。Ｘ．25分组网曾作为早期ＩＰ网的基础网络。

Ｘ．25分组网适用于通信线路误码率高的情况下接入低速（64Ｋｂｉｔ／ｓ以下）数据。

目前主要向对数据通信可靠性要求高的商业、银行、股票等行业提供低速联网业务和虚拟低速专网业务。

（2）公用数字数据网（ＤＤＮ）

利用传送网中的Ｅ1分支传输线路和节点ＤＸＣ1／0设备，可组成一个ＤＤＮ网。该网提供Ｎ×64ｋｂｉｔ／ｓ～2Ｍｂｉｔ／ｓ的数据业务。

公用ＤＤＮ网属ＴＤＭ电路交换网，提供固定和半固定的中、低速数据通道。公用ＤＤＮ网的主要应用为提供专线（包括Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的接入专线、局域网互联专线等）、专网，也可作为Ｘ．25网、帧中继网、电信支撑网等的基础网络。

（3）帧中继（ＦＲ）网

光缆大规模的敷设，极大地提高了传输电路的质量，原有低速、低效、高延时的Ｘ．25分组交换技术逐步让位于帧中继技术，帧中继亦称为简化的Ｘ．25技术。与Ｘ．25分组技术相比较，帧中继取消了各转接点的纠错、重发等环节，提高了速率，降低了电路的时延。

和ＤＤＮ网相似，帧中继一般采用固定和半固定连接方式。由于帧中继具有动态带宽分配功能，所以比固定带宽的ＤＤＮ更适合突发性的数据业务。目前帧中继网主要用作租用虚电路（包括局域网互联、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ高速接入等）、虚拟专网和作为ＩＰ骨干网的基础网络。

（4）ＡＴＭ网和Ｂ－ＩＳＤＮ

ＡＴＭ原是为宽带综合业务网（Ｂ－ＩＳＤＮ）而设计的。该技术采用定长53Ｂｙｔｅ的ＡＴＭ信元作为传输、复用、交换的基本数据单元，具有流量控制、保证服务质量（ＱｏＳ）、支持多种业务等特点，可作为Ｂ－ＩＳＤＮ的基础网络。

Ｂ－ＩＳＤＮ建立在ＡＴＭ网络平台上，如图4所示，其骨干节点采用ＡＴＭ骨干交换机，接入节点采用ＡＴＭ接入交换机。ＡＴＭ接入交换机通过ＡＴＭ适配层提供ＦＲ、电路仿真Ｅ1／Ｅ3、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、Ｘ．25等业务接口，可提供Ｉｎｔｅｒｎｅｔ高速接入、局域网互联、话音、高清晰度电视、点播电视、会议电视、远程教学等多种宽带业务应用。

（5）以太网（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）

以太网是目前局域网中最为流行的一种Ｌ2数据网。以太网利用基带传输及ＣＳＭＡ／ＣＤ（载波侦听多路存取／冲突检测）方式对网络访问进行仲裁。每个以太网帧（ＭＡＣ帧）均有源主机与宿主机的物理地址（ＭＡＣ地址）。当网上某主机发布信息时，必须先检查所在网段的信道是否空闲，空闲时就广播ＭＡＣ帧，对应于目的地址的主机接受信息，并返回确认信息；若发送前信道已被占用，则源主机等待一随机时间后再发送。为了增加以太网的容量，网中引入了以太网节点交换机将各网段连成一个网络。以太网交换机每接收到一个ＭＡＣ帧，若不知道应从哪个端口转发出去，就广播这个帧。待到对应的宿主机发出的帧路过交换机时，交换机记录了该主机对应的交换机端口，以后再收到发往该目的地址的ＭＡＣ帧时，交换机无需广播这个ＭＡＣ帧，可直接从对应端口发出，该过程称为地址后向自学过程。当以太网太大时易引起广播风暴，则需将网络划分为几个同构子网，然后利用路由器，将各子网互连成大容量以太网。

最近有的公司推出将第二层交换技术与第三层路由技术相结合的具有选路功能的交换路由器。交换路由器在收到ＭＡＣ帧时不再广播这个帧，而是查找路由表选择相应输出端口进行转发。

ＩＰ网（Ｌ3数据网）

ＩＰ网是目前最大的信息网络。通过ＩＰ网的计算机联网功能，我们可以与世界上大多数国家交流信息，检索各种资料。ＩＰ网的ＴＣＰ／ＩＰ协议将各国、各部门、各种机构的局部网络互联成为全球范围的数据网络。

Ｘ．25，ＦＲ，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ＤＤＮ，ＡＴＭ等各种Ｌ2数据网具有不同的通信协议与帧结构，并具有不同格式的物理地址，Ｌ2数据网的节点设备可以是各种类型的数据交换机。而Ｌ3数据网（ＩＰ网）具有统一的ＴＣＰ／ＩＰ通信协议与分组结构，全网采用统一格式的ＩＰ地址，节点设备统一采用面向无连接的路由器。为便于理解，我们可以将Ｌ3数据网简单理解为构建在Ｌ2数据网平台上的一个路由器网。

下面我们来看ＩＰ网是如何将一份数据报从源主机送往宿主机的。

（1）在源主机上，应用层将需要发送的数据报字节流传送给ＴＣＰ／ＩＰ层。

（2）在ＴＣＰ／ＩＰ层先根据ＴＣＰ协议将数据报字节流截成ＴＣＰ段，加上ＴＣＰ包头，然后根据ＩＰ协议在ＴＣＰ包头前加上含有ＩＰ源地址和目的地址的ＩＰ包头，从而生成ＩＰ包。

（3）源主机根据ＩＰ包目的地址查找路由表，找到所处子网（1）中的第一跳路由器Ａ的物理地址，然后生成带有目的物理地址的数据帧发送到路由器Ａ。

（4）在路由器Ａ首先执行链路层拆包操作，取出ＩＰ包中的目的ＩＰ地址，查找路由表的到子网（2）中的第二跳路由器Ｂ的物理地址，然后在ＩＰ包前加上带有路由器Ｂ物理地址的数据帧头后发

往子网（2）。若子网（1）与（2）是异构子网，则路由器Ａ需要完成两个子网第二层协议的

转换（或数据帧格式转换）。