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无线电电子与电气工程百科全书 什么是帧中继？ 无线电电子电气工程百科全书
近年来，一种叫做帧中继的数据传输方式开始普及，常常在我们的文献中也可以找到它的英文名称——Frame Relay。 这种方法发展的主要刺激因素是信息和计算系统对高速通信的需求不断增长。 帧中继的出现得益于具有人工智能、可靠的数字传输设施和高速数字通信系统的数据传输终端（TDTD）的发展。 为了了解这种方法是如何以及为何出现的，并更详细地了解其特征，从数据传输技术甚至之前的电报的发展简史开始会更方便。 第一个数据传输系统 数据传输系统的发展是基于利用一个多世纪以来电报领域积累的文件通信经验。 电报传输速度无法满足现代要求，但高速数据传输技术背后的许多想法都起源于电报时代。 首先，这是指对传输消息进行编码的方法。 在文件信息传输技术的发展过程中，国际电信联盟下属的国际电话电报通信咨询委员会（CCITT）曾推荐使用的五元2号电报码的不便之处。代码 2 允许传输打印在磁带上的字母数字文本，足以传输简单的消息，但它不符合现代对这些消息设计的要求。印刷文本的形式。 因此，电报发展的一个重要阶段是电传打字机的诞生，即带有打字机键盘的电报设备，CCITT建议V.3为此制定了七元电报代码No.5。在27个电报代码中=该代码的128种组合，不仅提供了大小写字母、字母、数字和其他印刷字符，还提供了在传输过程中控制设备和机制的代码组合（例如，行尾的回车，移动到新页面等等）。 同一套代码组合已被国际标准化组织（ISO）推荐作为信息处理的标准国际交换代码。 它也称为 ASCII 代码（来自英文单词的第一个字母，意思是“美国标准信息交换代码”）。 在解决传输信息的直接编码问题的同时，还解决了编码防错问题。 纠错码有两类：纠错码和检错码。 前者的特点是传输的消息有大量冗余。 即使出现个别错误，它仍然可以正确解释传输的消息。 此类代码仅用于非常敏感的信道，例如，在深空通信中，其中正确接收的重要性证明了降低有用传输速率的合理性。 另一类是检测错误的代码。 这样的代码使得可以仅检测特定字符组中的错误事实，而不需要错误字符的具体指示。 因此，在检测到这种情况时，通常会重置整个已登记错误的字符组，并向发送方发送自动重发请求。 这种方法在商业数据传输系统中得到了广泛的应用，在商业数据传输系统中保持高信道性能非常重要。
最简单的错误检测方法早在重新穿孔电报接收时代就开始使用，当时传输电报被记录在穿孔磁带上，操作员将磁带撕下并转移到所需传出方向的发射器以进一步传输。 打孔带是纸带，其宽度在每行中提供八个位置用于打孔，这些孔携带有关代码组合的二进制数字的信息。 其中七个位置保留用于注册七元素代码的位，第八个位置用于通过检查奇偶校验进行错误检测。 这意味着第八个二进制数字的值的选择方式使得元素之和不太可能是偶数。 如果接收者在任何行中发现奇数和，则意味着发生了错误。 很容易看出，这种错误控制方法允许您检测一个错误，但不会注意到连续两个错误。 无论是在两个错误符号相同的情况下，还是在符号不同的情况下，两个错误的同时出现都不会改变奇偶校验的结果，因此这种错误仍然未被检测到。 为了进一步增强错误检测能力，可以额外应用纵向检查。 如果添加上述奇偶校验（称为交叉校验）来检查磁带上一个接一个的固定字符序列中相同位的总和，则错误检测的可能性将会增加。 对于这样的检查，在每个系列的末尾，必须插入纵向检查的附加位，这些位看起来像另一个字符，尽管它们不是。 传输和交换消息的电子手段的出现使得放弃打孔胶带并使用更先进的代码进行错误检测成为可能。 这使得可以不使用第八位数字进行奇偶校验并将其包含在代码组合中。 结果，ASCII码被扩展为2*=256个代码组合。 其中，前 128 个字符（由数字 10 到 127 编码）是通用的，后 128 个字符（由数字 128-255 编码）是附加字符，特别用于对不同国家的国家字母表进行编码。 使用 ASCII 代码可以处理包含拉丁字母和任何国家字母表的文本，这为用户带来了极大的方便，但是俄语字母表字母编码的情况并不是最有利的。 造成这种差异的根源在于ST-35电报机的设计不成功，该电报机在我国计算机技术发展的第一时期充当计算机的输入/输出设备。 根据定义，电传打字机是带有打字机键盘的电报机。 不同国家打字机按键上字母的标准排列是根据相应语言的统计确定的。 换句话说，一个字母出现的次数越多，它的按键就越靠近键盘的中间，也就是食指工作的地方。 例如，俄语打字机的第一行字母键中的字母排列以字母 YTSUKEN 开头，而在英语拉丁打字机上，该行以字母 QWERTY 开头。 在 CT-35 键盘上，拉丁字母的标准位置被违反，它们的位置基于与相应俄语字母的语音接近性（即，字母 YCUKEN 位于第一行，而不是 QWERTY）。 为按键上的每个字符分配代码组合（或者，正如他们所说的，字符编码）不能是任意的，因为计算机文字处理要求分配给每个字母的二进制数字按照这些字母的字母顺序增加。 这就是混乱的来源。 适用于 ST-35 设备。 与计算机一起工作，开发了代码 KOI-8。 随后，当出现带有标准拉丁字母排列的键盘时，采用了替代的 GOST 代码。 后来这个代码被修改了，然后作为主要的代码。 因此，苏联有四个信息处理代码标准。在这种跨越式的条件下，我国无法在国际舞台上充当俄语字母编码的立法者，因此保加利亚 MIC 代码、“美国”俄罗斯代码 (RS-866) 以及美国西里尔字母 (RS-855)。 这意味着世界上俄语字母至少有七种不同的代码组合，这给俄语用户带来了极大的不便，使得俄语文件的交换变得困难，也阻碍了俄语资料在互联网上的引入。 显然，是时候考虑创建一个程序来自动识别俄语字母的编码并将其翻译成解密所需的代码。 未来，预计印刷字符的编码将从一字节代码转向两字节代码（Unicode），其中不同语言的字母表、数学符号、装饰性字符和其他字符的每个字母都是分配了自己的十六位组合。 然而，这并不能解决俄语字母的编码问题，因为仍然需要不同的一字节和单个两字节代码之间的转换器。 所描述的用俄语字母编码的故事不仅作为特定短视决定的有害后果的例子具有特别重要的意义。 更重要的是这个例子的一般方法论意义，它表明需要更深入地解决标准化问题，考虑到信息的传输不仅限于发送信号，而且必须伴随着必要的处理以及对收到的信息的解释。 因此，我们进一步简要描述标准化方法。 ISO 开放系统互通参考模型和 X.25 协议 现代信息传输和处理手段所执行的功能多种多样，这些工具的技术实现的各种可能性，以及这些功能和工具不断改进的趋势，导致需要使用以下原则：标准化中的多级（多层）架构。 该原则的本质是将最重要的功能分成独立的处理级别（层），并描述级别之间的交互，而不管其实现如何。 通过这种方法，如果不违反与相邻级别交互的公认标准规则，复杂系统中的各个级别可以被新级别替换。 这种分层架构的一个著名示例是 ISO 开放系统互连 (OSI) 参考模型，如图 1 所示。 XNUMX.这显示了两个最终用户A和B的连接图，它们包含在作为这些用户的最终用户的通信节点中。 该模型包含七个级别，接受以下缩写：F - 物理级别，K - 通道级别。 C-网络层，T-信息传输层（或传输层），SU-会话层，UE-表示层，P-应用层。 发送方的每个列出级别仅使用称为通信协议的过程与接收方的相同级别进行交互。 然而，两个对等层之间的通信并不直接发生，而是仅通过物理层进行。 为此，每个较高层将其直接较低层称为服务提供者。 例如，最顶层的应用层II，与真实用户交互，一方面要感知现实世界，另一方面要让这个世界有机会接触到通过网络传输和处理信息的技术手段。表示层。 换句话说，在应用程序级别，描述了所传输信息的语义（即意义或意义）。 该信息带有必要的标头，并以应用层块的形式传输，以便进一步处理到 UE 的表示层。 在此级别，描述所传输信息的“语法”，并与交互方就解释数据的规则进行自动协商，必要时考虑其压缩或加密系统。 具有新报头的表示层的数据块被传送到CS的会话层。 后者用于控制对话过程，包括连接的建立、检测和建立传输方向的机制、及时跟踪传输控制点。 带有另一个头的会话层数据块被传输到传输层T1，传输层TXNUMX设定了用户与用户之间传输消息的独立于网络的标准，包括错误控制的一般要求、通信中断的自动恢复、自动控制接收到的数据顺序的正确性等信息反映在下一个报头中，并以这种形式发送传输层数据块以便传输到网络。 这四层协议称为高层协议，它们执行的功能与最终用户的功能相关，通常由主机执行。 通信网络的技术手段包括提供网络服务的三个较低层次。 到达网络层C的传输层数据块被提供一个新的报头，其中包含有关发送者和接收者的地址的信息、块的序列号以及一些其他服务信息。 这样形成的网络层数据块称为数据包。 为了通过网络传输数据包，网络层使用 K 链路层的服务，这确保数据包仅传递到最近的节点。 为此，数据包被提供了另一个标头 - 通道级标头，它携带通过该部分传输的块的自己的序列号、目标节点的地址和其他服务信息。 在链路层形成的数据块称为帧。 为了将帧传输到相邻节点，通道层指的是物理层 F 服务。该层为通信通道的机械连接器和电气特性以及通过其传输的数字信号（包括线路占用和释放）建立标准。信号。 为了保持物理层传输信号的特性，可以安装再生器。 相邻节点接收到的帧被从链路层报头中释放出来，即，将其转变为数据包。 接收到的数据包被传输到网络层，在网络层分析其报头并确定进一步传输的方向。 此外，从该数据包形成一个新帧，并在下一个部分中传输。 所描述的数据包传输方法称为 X.25 协议。 它包含在 CCITT 建议 X25 中。 1976年首次批准（1980年和1984年发布修订版）。 X.25 建议书提供了涵盖所考虑的 OSI ISO 参考模型的三个较低层的接口规范。 从上面的信息可以看出，X.25协议的思想类似于传统的电报重穿孔传输。 不同之处在于，通过该部分传输的不是奇偶校验字符序列，而是具有更好错误控制的标准帧（这将在下面讨论）。 然而，在节点中，并不是操作员将纸带传送到所需传输方向的设备，而是由电子交换设备记录数据包，分析其报头，然后读取数据包，以便按所需方向进行传输。 然而，X.25 协议和传统电报技术之间的相似之处就到此为止，进一步考虑就会发现根本的差异。 主要一是通过连接终端数据传输设备（TDTD）和线性数据传输设备（LUPD）的接口可以组织大量同时工作的通道。 所有这些通道都通过相同的 PDSN 输出终端并通过相同的有线线路，但携带可能定向到不同接收者（通过其 LUPD 连接到网络的其他 PDSN）的不同消息。 此类通道称为逻辑通道或虚拟通道。 当使用频分或时分设备在单条线路上组织多通道传输系统时，每个通道由其自己的传输系统加载，或者可以处于空闲状态，而不管其他通道的负载。 在统计复用的基础上形成的虚拟通道，提供了更灵活地利用线路带宽的可能性，在负载存在的情况下保持传输的连续性。 通道层技术开发 建议 X.25 规定的通过双工数字信道传输帧的过程称为访问 LAPB 信道的平衡过程（英文为 LAPB - Link Access procedures，Balanced）。 这种传输的标准 X.25 帧格式如图 2 所示。 图48显示了添加到数据包中的“标头”包含24位，它们实际上被放置在帧的头部和尾部（各16位）。 在头部部分，特别是承载地址以及控制和管理信号的八位字节。 位于尾部的位中有一个 XNUMX 位帧校验序列 (FRS)，这使得检测整个错误突发成为可能。 错误检测基于循环码理论。 它被简化为使用特定形式的专门选择的生成多项式对发送序列进行代数变换，并将接收端的这些变换的结果与发送端的类似变换的结果所获得的CPC进行比较。 SPDK 过程是用于控制通道的高级协议的组成部分（高级通道控制 - VUK，或高级数据链路控制 - HDLC）。 后者提供了相当复杂的过程来管理通道上的传输，包括建立连接、通过控制帧序列号维持双向消息传输以及使用“窗口”机制（限制接收方传输帧的数量）。尚未收到确认），收到确认时旋转“窗口”，通过重传进行错误控制和纠正，以及终止通信。 这是一个相当复杂的协议，其描述占用了相当多的篇幅。 例如，帧格式如图所示。 图2所示的实施例可以采用不仅仅是承载分组的信息帧的形式。 除此之外，控制和管理八位位组代码还提供了创建 32 个不携带数据包的不同控制帧或 XNUMX 个不携带数据包但仅控制连接或断开等过程的未编号帧的可能性。
还应该注意的是，这里的通信通道仅指两个网络节点之间的单独部分（英文为“链接”，即字面意思“链接”），而不是从发送方到接收方的整个传输路径（或者，正如他们所说的那样） ，从头到尾）。 换句话说，所描述的过程在每个站点重复，并且如上所述，对端到端传输的控制不是信道的功能，而是网络的功能。 一个重要的任务是帧长度的选择。 从上面可以看出，它是由数据包的长度加上48位决定的。 因此，实际上我们正在讨论选择数据包长度。 对于较小的数据包长度，48 位的开销可能很大，这将对通道的性能产生负面影响。 如果数据包长度太长，则该帧更有可能因错误检测而被丢弃，这将需要重传，这也会导致链路性能下降。 因此，存在一个最佳数据包长度，该长度取决于信道中出错的概率。 考虑到不同通道可以满足的事实，该标准没有确定数据包长度，而是由用户自行决定。 由于在这种情况下，帧没有固定长度，因此需要用特殊序列（如 01111110）指定其开始和结束，称为标志（见图 2）。 标志的引入严重限制了通道的透明度。 如果传输的报文中有连续六个XNUMX，则会将其作为标志，这会扰乱整个传输。 为了恢复通道的透明性，在发送端，除了标志之外的任何五个XNUMX之后都插入一个零，而在接收端，任何五个XNUMX后面的零总是被删除。 该事件允许您恢复传输的透明度，如果其中连续发现七个单元，则相应的帧将被丢弃。 当然，帧中的错误检查是按照从地址字段的第一位到信息字段（数据包）的最后一位的顺序进行的，然后在发送时每五个 XNUMX 后将零引入其中，并在接收时删除这些零之后。 在通信系统的设计中常常要解决的一个重要问题是用户单元和网络之间的功能分配问题。 例如，在设计电话网络时，需要决定是否向用户提供在他自己的电话机中安装应答机的机会，或者向他提供通信中心的集中应答机的服务（语音信箱）。 当组织数据传输服务时，也会出现类似的问题，其中是否有必要在中间节点记录数据包的问题变得相关。 这个问题的解决取决于表征网络质量和PDSN技术发展水平的许多因素。 如果网络通道的质量不是很高，建议在每个站点检查错误并纠正错误，然后在中间节点记录数据包是合理的。 同时，这可能需要相当大容量的记录设备（存储器）来记录数据包本身以及实现第二层和第三层协议（即通道层和网络层）所需的所有程序。层）。 随着传输速度的增长，此类存储器的容量也会增长。 另一方面，随着网络传输可靠性的提高以及PDSN（例如个人计算机）的更加先进，网络的许多功能（即中间节点）可以转移到PDSN。 那么，很自然地，就产生了在中间节点中继帧而不记录它们的想法。 这种想法有时被称为快速分组交换，因为分组没有与帧分离，并且处理它们的所有过程都集中在链路级别。 帧中继作为 X.2 协议替代方案的提案最早于 3 年向 CCITT 提出，但直到 25 年才完成标准的制定和设备的研制。帧中继技术的一个重要限制是它的应用程序不会消除 X.1984 协议固有的可变延迟。 因此，帧中继不适用于电话或视频传输，但它非常适合高速数据传输的要求。 不接入网络层进行中继的帧结构如图3所示。 XNUMX.
与图相比。 2、这里提供的不是八位邻居地址，而是提供十位虚拟通道指针UVC（DLCI - 数据链路连接标识符），在该指针上帧被中继到特定目的地。 在X.25协议中，虚拟通道号在数据包头中传输（包含12位）。 这里它被移动到帧头，因为网络层在帧中继期间被完全拆除。 通道层也进行了大量的拆除，去除了许多功能，因此通道性能急剧提高。 中间节点的帧中继过程包括三个步骤： 1) 使用 PPK 检查帧是否有错误，并在检测到错误时丢弃该帧（但没有重传请求！）； 2) 根据表检查 ICC，如果没有为给定通道定义该指针，则丢弃该帧； 3) 如果前两个操作的结果是肯定的，则使用表中指定的端口或通道将帧中继到目的地。 帧不仅会由于检测到错误而被丢弃，而且当通道过载时也会被丢弃。 但是，这不会中断连接，因为接收器的上层协议将检测到丢失的帧（请参阅上面有关传输层的内容），该协议将发送适当的请求以传输丢失的帧。 除了 UHC 位之外，第 1 号八位字节还包含 C/O（命令/响应）和 PA（地址扩展）位。 K/O 类别是出于管理目的而提供的，但尚未使用。 至于 RA 位，它很重要，因为它表示帧头大小的增加（超过 48 位）。 X.25 协议中也存在类似的需求，因为在帧头的控制和控制八位字节中只分配了三个比特用于帧编号。 因此，“窗口”机制允许传输不超过七个未确认帧。 然而，当在卫星链路上操作时，可能有超过127个帧在传输，因此“窗口”扩展到XNUMX。在这种情况下，需要XNUMX位用于编号，这就需要扩展帧头格式。 在帧中继的情况下，十位虚电路号足以用于本地通信，但可能不足以用于全局通信，并且这可能需要对其进行扩展。 在第二个八位位组中，三个比特用于控制信道拥塞。 前向显式拥塞通知 (FECN) 位由网络设置，以指示从发送方到接收方的路径上可能存在拥塞。 后向显式拥塞通知 (BECN) 位由网络在反向帧中设置，并通知前向路径拥塞。 丢弃合格位（DE）指示传输帧的较低优先级，可以将其视为拥塞期间丢弃的候选者。 在 X.25 传输中，典型的默认数据包大小通常为 128 字节，而在局域网 (LAN) 中，传输的数据包长度可以为 1500 字节或更长。 因此，当通过X.25网络与LAN通信时，传输层数据包被分割成更小的信息块，形成X.25数据包，并在传输后进行组合。 这个例子清楚地表明了从 X.25 协议到帧中继的过渡思想的形成地点和原因。 作者：V. Neiman，莫斯科
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