公用数据网

随着计算机技术的发展，通过电信通信网进行数据通信的要求越来越多。电话网作为最早的电信通信网已经有很多年的历史，但严格地说，电话网不能算作数据通信网，它只是为通信的计算机之间提供了一条传输介质，它不提供任何的信号和数据转换能力，不涉及任何的数据链路层协议。随着人们对计算机通信需求的不断提出，通过电话网进行数据通信已经不能满足需要。为了解决这些问题，20世纪60年代，许多国家开始研究专门用于数据传输的公用数据网PDN（Public Data Network）技术，随后诞生了许多公用数据网，如美国的Arpanet Telenet和加拿大的Datapac。

7.3.1　交换方式

按公用数据网的交换方式，公用数据网有两种类型：电路交换数据网CSDN（Circuit Switch Data Network）和分组交换数据网PSDN（Package Switch Data Network）。

（1）电路交换数据网

电路交换数据网CSDN在两台计算机开始通信之前，需要通信的用户通过呼叫在通信网间接通一条专用的、物理的数据传输通道。电路交换数据网完成一次数据传输，通常需要经过呼叫建立连接、数据传输和拆除连接三个阶段。在呼叫建立连接阶段，主叫用户和被叫用户之间建立的物理信道一直保持到数据传输完毕，然后拆除连接。在数据传输期间，信道一直被两用户独自占用。拆除连接是交换机释放线路、复原的过程。电路交换数据网具有以下特点：

①存在建立连接、拆除连接的时间开销。如遇到被叫用户忙或无空闲中继线时，则要拆除部分已建立起的连接。

②不同速率、不同编码的用户不能交换通信。

③信息时延短而且固定不变。

④连接时间长。在数据传输之前，必须先通过网络建立连接。

⑤连接信道具有固定的数据速率，所有用户设备必须以该数据速率发送数据和接收数据。根据电路交换数据网的这些特点，通常用于连续的、大批量的数据传输。

（2）分组交换数据网

分组交换数据网PSDN采取分组交换、存储转发技术。发送方将把要传送的数据文件分割成固定长度的分组，交给分组交换数据网源边界节点，再通过分组交换数据网的中各节点的不断转发，最终到达目标边界节点，通过目标边界节点将传输数据交给接收方。在转发过程中，传输的分组转发到一个节点时先被存储在该节点，在可以向前向节点传输时，继续向前向节点转发，经过多次中间节点的存储转发，最后到达目标边界节点，再由目标边界节点将收到的分组重新组装成原来的数据文件，提交给接收方。

在分组网中传送。分组交换网整体上可以分为两个部分：与用户的接口部分以及内部网络部分。与用户接口部分遵循分组交换数据网与用户连接的接口协议，内部网络部分可以看成黑盒子，由网络厂商和电信部门自行定义，通常包括边界交换节点、内部交换节点和传输主干。

边界节点负责连接用户计算机。内部交换节点负责为到达的分组选择路径，将分组从源边界节点向目标边界节点传送。由于数据在内部交换节点中传送时，使用内部的数据封装格式，所以发送端的边界节点需要将用户数据封装成内部网络数据分组格式，通过内部网络进行传输。同样，到达目标边界节点时，再由目标边界节点将内部网络数据格式解封恢复用户数据，再传给用户。传输主干连接各个内部交换节点和边界交换节点，它通常是一个快速的、高质量的数据链路。分组交换公用数据网的基本结构如图7-12所示。

图7-12 分组交换公用数据网的基本结构

分组交换数据网具有以下特点：

①支持面向连接的传输和无连接的传输。分组交换网可以采取面向连接的传输方式和无连接的传输方式，用户可以根据业务需要选择不同的传输方式。

②支持不同速率计算机间的通信。由于分组交换网采取存储一转发机制，用户数据到达各节点时，先存储后转发，因此可采用不同的数据传输率进行数据传输。

③支持不同规程计算机间的通信。不同规程的用户数据都可以边界节点转换成内部网络数据格式进行传输，因此分组交换数据网可支持不同规程计算机间的通信。

④具有较高的网络传输质量。分组交换网具有差错控制功能，用户和分组网之间、分组网内各交换节点之间，都对每一个分组进行校验，发生差错时采取措施恢复，提高了传输的可靠性。分组交换网是网状拓扑结构，任何用户间的传输有多条路径可达，当网络内部某个节点和链路出故障时，分组数据可以自动通过迂回路由进行传输，不会因单节点和链路故障造成通信的中断。

⑤分组交换数据网内资源利用率高。分组中的链路是被用户断续占用的，一条链路上可同时进行多个用户的数据传输，消除了电路交换中由于用户空闲造成的通信网资源的浪费。

但是，分组交换数据网的这些特点是由于采用了存储转发方式而获得的，存储转发方式使得对到达的分组可以进行处理，从而获得了以上特点。但是存储转发方式使得分组交换数据网传输延时相对增加，也就是说，这些特点是通过增加了传输延迟为代价换来的。一般来说，每个分组的传输延迟为数十到数百毫秒，所以分组交换网不适于用在实时性要求高的场合。

7.3.2　公用数据网X.25

公用数据网X.25是为公众用户提供数据通信服务的传输网，是一种基于分组交换技术的公用数据网。X.25采用了面向连接的虚电路工作方式，同时采用了差错控制和拥塞控制的控制机制，能在不可靠的网络上实现可靠的数据传输。X.25网络内部由分组交换机和传输链路构成，用户DTE的设备或者局域网可以在X.25网络上的任何边界上接入，实现远距离的数据通信。

图7-13 公用数据网X.25

X.25网由分组传输网和分组拆装设备PAD（Packet Assembler Disassembler）组成，终端用户（计算机、局域网等）的数据报文送到PAD拆成分组后送到分组传输网，分组传输网按照建立的虚电路将各分割的分组传输到目的端，再经过目的端的PAD组装成原来的数据报文交给目的端的用户终端（如图7-13所示）。

CCITT在1976年制定了访问分组交换网的协议标准X.25，1980年和1984年又先后经补充修正。CCITT对X.25的定义为：在公用数据网上以分组方式工作的数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的接口。X.25协议标准实际上只是涉及用户终端与公用分组交换网连接的接口，由于分组交换网是一个通信子网，涉及物理层、数据链路层、网络层，所以X.25协议标准只涉及终端用户与公用分组交换网连接的物理层、数据链路层、网络层接口规范，它并不涉及网络内部应做成什么样子，网络内部的具体情况可以由各公共分组网自己来决定，通信主机独立于公共分组交换网。

用户终端使用X.25接口及协议，通过分组交换网进行主机间的通信。这一概念如图7-13所示。图中画的是一个DTE同时和两个DTE进行通信的情况，其中DTE为终端用户，DCE为数据通信设备，是公共数据交换网的一个边界交换节点，也就是图7-13所示的PAD设备。网络中的两条虚线代表两条虚电路，图7-14中还画出了3个DTE—DCE的接口。X.25规定的正是关于这一接口的标准。现在大家常说的“X.25”网实际上就是说该网与用户DTE的接口遵循X.25标准的网络。

图7-14 用户使用X.25，通过分组交换网进行主机间的通信

从ISO／OSI的分层体系结构概念来看，X.25实际上是与OSI模型的物理层、数据链路层和网络层相对应的，对应关系如图7-15所示。但在X.25中，第三层不叫作网络层，而是叫作分组层，原因是它没有涉及网络层的路由选择、网际互联等问题，仅涉及分组传输的问题。

X.25的物理层和数据链路层没有再定义新的协议标准，而是采用OSI模型中原有的物理层和数据链路层协议标准。X.25在物理层使用X.21协议，它定义了用户终端DTE和网络端节点DCE之间的物理接口；在数据链路层规定使用HDLC／LAPB链路访问控制规程。LAPB是HDLC中的异步平衡工作方式，它负责在DTE和DCE的数据链路层实体之间传送HDLC信息帧。分组层是X.25的最高层，提供用户终端DTE与分组交换网端节点DCE之间的分组传送、呼叫建立、数据交换、差错恢复及流量控制等功能。X.25网络的层次关系如图7-15所示。

图7-15 X.25与OSI模型的对应关系及层次关系

7.3.3　虚电路服务

X.25的网络层采用虚电路的传输方式。用户终端DTE在使用X.25网传输时，需要在传输用户源端到目的端间，通过公用数据网建立一条虚电路，一旦该条虚电路建立起来，后续的分组都沿着这条虚电路进行传输。在虚电路传输的整个过程中，需要经过建立连接，数据传输、拆除连接3个阶段，这3个阶段的工作过程如下：

①建立连接：当两DTE之间有数据传送时，先建立DTE之间的连接。主叫方DTE通过发送“呼叫请求”分组到主叫方的DCE，该分组通过X.25网送到被叫方的DCE，被叫方的DCE通过“呼叫指示”分组送到被叫方DTE，如果被叫方DTE同意呼叫，就回送一个“呼叫接受＂的分组到被叫方DCE，通过X.25网返回主叫方DCE，主叫方DCE通过“呼叫建立”分组送给主叫方DTE，主叫方DTE收到该分组，意味着呼叫成功，虚电路连接已经建立。

②维持连接（数据传输阶段）：建立连接完成后，开始进入数据通信，此时仍然要维持住连接，直到数据通信结束。

③拆除连接：当两个DTE间的数据通信结束后，要拆除连接，以释放维持连接期间占用的各种资源（存储空间、虚电路号等）。此时，主叫方DTE向主叫方DCE发出“释放请求”分组，主叫方DCE将该释放请求分组通过X.25网送到被叫方DCE，被叫方DCE通过“释放指示”分组送到被叫方DTE，被叫方DTE确认接受释放请求，返回“释放确认”到被叫方DCE，该释放确认分组通过X.25网返回主叫方DCE，主叫方DCE送出释放确认分组给主叫方DTE，意味着拆除连接完成。图7-16为建立、维持、拆除连接的示意图。

图7-16 X.25的建立、维持、拆除连接的示意

设主机1和主机2通过如图7-17所示的X.25网络进行通信，X.25在连接阶段建立的虚电路过程如下：

图7-17 两台主机通过X.25的通信过程示意

主机1与主机2通过X.25网进行通信时，在建立连接阶段发出的请求分组，该请求分组的报头中有一个地址字段，该地址字段中具有发送方主机的源地址和目的主机的目的地址，该分组由主机1发出，选择的路由是经主机1到SW1之间的链路传送给SW1，此时在该链路上将新建立一条虚电路，分配一个新的虚电路号。如果原来主机1与其他主机的通信已经建立了若干条虚电路，此时新的建虚电路要使用还没有使用虚电路号中的最小虚电路号，假设原来从主机1到SW1链路上建立的虚电路使用的虚电路号已经用到11，则当前建立的这条虚电路分配使用的虚电路号为12。

当该请求分组经SW1的端口1送到SW1后，SW1为该分组进行路由选择，假设SW1为该分组选择的路径为送往SW2。同样，在使用从SW1到SW2这条链路传输时，也要在该链路上建立一条新的虚电路，分配一个新的虚电路号，假设当前从SW1到SW2分配使用的虚电路号为16。此时SW1要将选择的路径和使用的虚电路号记录在SW1的虚电路表中。记录的信息为来自于主机1的分组使用了虚电路号12，转发将从端口2转发出去，使用虚电路号为16。

同样，该分组被转发到SW2时，SW2也要为该分组选择路由，分配虚电路号，假设选择的路由为转发到SW5，从SW2到SW5分配使用的虚电路号为32，SW2在虚电路表中记录了来从端口2送来的分组，使用的虚电路号为16，转发将从端口3转发出去，使用虚电路号为32。

同样，该分组被转发到SW5时，由于已经达到目的节点，属于本地提交，SW2也要为从SW5到主机2的这条链路分配虚电路号，假设从SW5到主机2使用的虚电路号为25，SW5在虚电路表中记录了从端口3送来的分组，使用的虚电路号为32，转发将从端口4转发出去，使用虚电路号为25。

各交换机建立虚电路表中建立的虚电路信息如表7-2所示。

表7-2 各交换机建立的虚电路表

按照以上方式，本次通信在建立连接期间，X.25网络内部为本次传输建立起了一条从SW1到SW2再到SW5的虚电路，同时在各交换机中为本次传输建立起了虚电路表。

在进入数据传输阶段，每个传输的分组将不再使用源主机地址和目的主机地址，而是通过分配使用虚电路号进行传输，使用虚电路号的传输使得本次数据传输的所有分组将按照建立的这条固定的虚电路的路径进行传输。

传输时，数据分组格式中存在一个虚电路号字段，数据分组从主机1发出后，虚电路号字段填写的是12，该分组从主机1经主机与SW1之间的链路发送到SW1，从端口1送入SW1。SW1收到该分组后，经SW1查自己的虚电路表，得到来自端口1，使用虚电路号为12的分组，转发将从端口2转发出去，使用虚电路号为16。此时，SW2将该分组的虚电路号字段中的虚电路号换成16，从端口2转发出去，向前向节点SW2转发。

同样，SW2收到该分组后，经SW2查自己的虚电路表，得到来自端口2，使用虚电路号为16的分组，应该从端口3转发出去，使用虚电路号为32。此时，SW2将该帧的虚电路号字段中的虚电路号换成32，从端口3转发出去，向前向节点SW5转发。

SW5收到该帧后，经SW5查自己的虚电路表，得到来自端口3，使用虚电路号为32的分组，应该从端口4转发出去，使用虚电路号为25。此时，SW5将该分组的虚电路号字段中的虚电路号换成25，从端口4转发出去。向目的主机2转发，以这样的方式，该数据分组最终达到目的主机2。显然，分组在传输过程中是沿着建立连接阶段建立起来的虚电路路径进行传输的，由于虚电路路径是固定路径，本次传输的所有分组将按固定路径传输，分组将按照源端的分组顺序到达主机2，主机2对收到的各个分组不需要排序，可以根据分组到来的顺序进行组装，恢复报文。

X.25使用虚电路方式传输，在虚电路方式中又分为临时虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）两种方式。临时虚电路在每次传输时，为本次传输建立起虚电路，传输完毕就拆除该虚电路。所以临时虚电路在每次数据传输时，都有建立连接、维持连接、拆除连接的过程。而永久虚电路一旦建立连接就不再拆除，永久提供使用，每次数据传输时不需要建立连接、维持连接、拆除连接的过程。

X.25采用自动请求重发方式实现差错控制。为实现差错控制，每个中间节点必须完整地接收每一个分组，并在转发之前进行检错，如果有错误发生，要求重传，直到收到正确的分组。

X.25采用了滑动窗口机制来避免传输网拥塞。在网络初始传输时，网络层设定了一个发送窗口值，使进入网络而没有收到应答的分组被控制在一定为数量。传输过程中，如果还发生了拥塞，X.25将自动减小发送窗口值，再度减少发送出去的分组数目，通过减少传输网中的分组数量，缓减传输网的拥塞。

X.25采用虚电路方式使其具有较好扩展性，用户利用X.25组网或者进行网络扩展时，只需增开虚电路，无需申请新的物理电路，既方便又快捷。

X.25是面向连接的传输方式，存在建立连接、拆除连接的时间开销，由于采取了较多的差错控制和流量控制措施，也产生更多的时间开销，所以X.25适用于通信业务量大，要求高可靠性的应用。

当用户需要通过X.25实现两个或多个远距离的局域网互联时，可以向电信运营商申请使用X.25网进行局域网之间的远距离通信。如图所示为局域网通过X.25实现互联的情况。在这种情况下，用户的局域网通过边界路由器与X.25公用数据网的接入设备PAD相连。此时，局域网的边界路由器是DTE设备，公用数据网的接入设备PAD是DCE设备，它们之间通过X.25标准实现DTE与DEC的连接以及局域网之间的数据通信。连接示意如图7-18所示。

图7-18 通过X.25实现两个或多个远距离的局域网互联