2　数据网 
2.1　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。 
2.2　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，详见本讲座第二讲（见2001年第1期）。 
2.3　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9.6ｋｂｉｔ／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。 
2.4　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。 

    下面我们来看图5中的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）。 
    （5） 经过数个路由器的逐跳转发后，最后宿主机收到所处子网协议的数据帧，在执行链路层、网络层拆包操作后取出ＴＣＰ段，由ＴＣＰ协议对ＴＣＰ段进行误码与顺序号检查，如有错误或丢失，则要求源主机重发；若正确，ＴＣＰ协议将ＴＣＰ段按顺序连成数据报字节流送宿主机应用层。 
    图5中没有下标的路由器和子网为ＩＰ包未经过的路由器和子网，因ＩＰ协议面向无连接，加上网络负荷分布是动态的，故每份数据报中的所有ＩＰ包从源主机到宿主机不一定走同一路径。 
    由上可见，ＩＰ网中所有路由器对ＴＣＰ段透明传输。ＴＣＰ协议是端对端面向连接的第四层传输层协议，主要用来完成ＩＰ网传送的可靠性、顺序控制、流量控制、安全授权等任务。 
2.5　局域网／城域网／广域网 
    以上我们从纵的方面分层剖析了ＩＰ网，而从横的方面看，ＩＰ网可分割为局域网、城域网和广域网，三者关系是：局域网互联为城域网，城域网互联为广域网。 
2.5.1　局域网（ＬＡＮ） 
    局域网一般指企业网、政府网、校园网等局部计算机网络。在整个ＩＰ网中局域网可视为一个子网。目前约90％的局域网采用以太网交换机组网，并通过路由器进入城域骨干网，见图6。在各种电信业务进入局域网后，局域网称为用户驻地网（ＣＰＮ）或许更为合适。 

2.5.2　城域网（ＭＡＮ） 
    城域网是在局域网和广域网发展到一定程度，以及多媒体业务进入ＩＰ网提到议事日程后才提出来的，故一开始对城域网就提出了高速、综合业务、光传输等较高的建网条件。我们可将城域网理解为在城市范围内将局域网互联、并增加了综合业务的一个数据网。城域网目前可分为两大类，一类是提供纯ＩＰ业务的城域网，另一类是提供ＩＰ和Ｂ－ＩＳＤＮ业务的城域网。 
    （1） 提供纯ＩＰ业务的城域骨干网 
    提供纯ＩＰ业务的城域骨干网一般采用ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ方式，三层节点机采用吉比特级路由器。纯ＩＰ业务城域网除提供Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的ＷＷＷ和Ｅ－ｍａｉｌ等业务外，亦可通过电话、传真网关等设备和公众电话网相连接，以提供ＩＰ电话、ＩＰ传真等业务。随着ＩＰ网带宽的拓宽，有望通过多媒体桌面应用软件在用户终端提供点播电视、远程教学、远程医疗、会议电视等多媒体桌面应用的接入。
    随着以太网速率升高和设备价格下降，目前不少城域骨干网采用了ＩＰ ｏｖｅｒ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ技术，其节点设备一般采用千兆交换路由器，此类城域网亦提供纯ＩＰ业务。 
    上述城域骨干网主要优点为网络简单，成本低，ＩＰ到桌面应用软件已规范化，价格较低；主要缺点是在传送电信业务时，难以保证服务质量（ＱｏＳ）。目前有一种新颖的三层交换技术——多协议标签交换（ＭＰＬＳ）受到广泛的关注，ＭＰＬＳ的简单原理为让同一个报文的一组ＩＰ包，捆绑上定长的标签，并采用虚电路方式传递，以便实现流量控制、带宽管理与业务的优先级控制。采用ＭＰＬＳ技术的ＩＰ网在传送电信业务时有希望达到电信级的ＱｏＳ。 
    （2） 提供ＩＰ与Ｂ－ＩＳＤＮ业务的城域骨干网 
    提供ＩＰ与Ｂ－ＩＳＤＮ业务的城域骨干网采用ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ技术。其二层为ＡＴＭ网络，在此平台上可提供Ｂ－ＩＳＤＮ业务；其三层为ＩＰ网，提供ＩＰ业务。此类城域网弥补了目前ＩＰ网络平台上尚无法提供优质宽带多媒体业务的缺陷。 
    （3） 城域网的用户接入层 
    在这里我们只讨论提供纯ＩＰ业务城域网的用户接入层。一般的用户接入层中包括了拨号上网接入、ＩＰ电话网关接入、局域网接入和ＬＡＮ方式接入4种用户接入方式。
    · 用户拨号上网的过程是用户通过电话网（或Ｎ－ＩＳＤＮ）拨号进入信息业务提供点（ＩＳＰ），在电话网与ＩＳＰ运营商网络（ＩＳＰ／ＬＡＮ）之间装有接入服务器（ＡＳ），ＡＳ对电话网提供Ｍｏｄｅｍ Ｐｏｏｌ、Ｅ1话路中继及中国一号、Ｎｏ．7信令接口；对ＩＳＰ／ＬＡＮ提供以太网接口。在ＩＳＰ／ＬＡＮ中装有ＷＷＷ， ＤＮＳ，Ｅ－ｍａｉｌ等服务器，并通过边缘路由器进入城域骨干网。 
    · 一般接入服务器中包含有ＩＰ电话网关，可同时对电话网用户提供ＩＰ电话，亦可采用独立的ＩＰ电话网关。
    · 企业网、校园网等局域网可通过ＤＤＮ，ＦＲ，ＡＤＳＬ等专线经边缘路由器直接进入城域骨干网，或经汇接层的局域交换路由器（ＬＳＲ）进入城域骨干网。 
    · 目前新建住宅小区或商务楼流行采用ＬＡＮ方式接入，实现住宅小区的千兆到小区（ＺＡＮ）、百兆到住宅楼（ＢＡＮ）、十兆到用户，或商务楼的千兆到大楼、百兆到楼层、十兆到用户的用户接入方案。小区的千兆光纤经由ＬＳＲ组成的汇接层进入城域骨干网。 
2.5.3　广域网（ＷＡＮ） 
    在城域网基础上增加网络互联功能即成广域网。和城域网一样，广域网亦可分为提供纯ＩＰ业务的广域网与提供ＩＰ和Ｂ－ＩＳＤＮ业务的广域网。 
    （1） 提供纯ＩＰ业务的广域网：该类广域网一般采用ＩＰ ｏｖｅｒ ＳＤＨ或ＩＰ ｏｖｅｒ ＤＷＤＮ技术，三层节点机采用吉比特或太比特级路由器。 
    （2） 提供ＩＰ与Ｂ－ＩＳＤＮ业务的广域网：该类广域网采用ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ技术。 
2.6　未来数据网
    预计未来数据网的低层将是一个光纤到户的全光网络，上层经不断优化将发展成为一个能满足电信级ＱｏＳ的ＩＰ网络。未来数据网将会逐步融合现有的电话网、有线电视（ＣＡＴＶ）网而成为一个综合的宽带多媒体业务网。