零、基礎
我們都知道，交換系統可以分爲電路交換、報文交換和分組交換，其中分組交換由於其高效率、開銷小等特點更加適用於廣域網而逐漸地發展起來。
X.25、幀中繼（FR）、ATM 是流行的三種分組交換系統，它們具有不同的特點。
兩個術語：
- DTE(Data Terminal Equipment) ，數據終端設備，如我們的個人電腦、手機。
- DCE(Data Circuit Equipment) ，數據電路設備，如Modem、信號變換器等。
一、X.25
X.25網絡名字來源於X.25 協議，這是第一個面向連接的網絡，也是第一個公共數據網絡，廣泛應用於早期的廣域網（WAN），對之後的其它協議有深遠的影響（比如幀中繼）。
X.25 擁有擁塞控制、差錯控制、重傳功能，X.25的這些特性與X.25協議的時代背景有關。當時的廣域網由於傳輸介質等限制，差錯率較高、發送時延較長，所以需要這些機制來提供可靠的服務。
1.1 協議層
X.25 協議分爲三個協議層，分別對應於ISO/OSI模型的低三層。
- 物理層：採用X.21協議，規定了用戶終端與網絡之間的物理接口。
- 鏈路層：鏈路層提供可靠的數據傳輸服務，使用LAP-B協議，這個協議是HDLC協議的子集。
- 分組層（網絡層）：採用X.25 PLP協議，提供分組虛電路服務，這一層協議是x.25的核心所在。
1.2 LAP-B (Link Access Procedure-Balance)協議
LAP-B協議是HDLC（High-Level Data Link Control）協議的子集，負責DTE與DCE之間的通信和數據幀的組織。這是一個可靠的（一定到達且保序）協議。LAP-B使用窗口來實現流量控制；使用後退N幀ARQ協議來實現差錯控制。
| 幀結構: | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Flag(8 bits) | Address(8 bits) | Control (8bits) | Data | CheckSum(16 bits) | Flag(8 bits) |
由於LAP-B協議本身就是HDLC的子集，內容也基本一樣這裏不再贅述，想詳細瞭解可以移步HDLC
1.3 x.25 PLP (Packet Layer Protocal) 協議
這個協議名字非常直白，翻譯過來就是“分組層協議” 。之所以說這一層協議是X.25的核心是因爲它提供虛電路服務，共有兩種形式：
- 交換虛電路（Switched Virtual Call SVC）
- 永久虛電路（Permanent Vietual Call PVC）
無論是哪種虛電路，都是由幾條虛電路共享物理信道，圖中定義了六個分組交換機（A,B,C,D,E,F）和六條虛電路（①,②, ③,④,⑤,⑥），我們可以看到每個交換機都可以處於多個虛電路中，每兩個交換機之間的物理鏈路可以被多個虛電路共享。
PLP協議會在兩個DTC之間建立連接，然後再開始傳輸數據。
PLP協議也採用窗口進行流量控制；使用後退N幀ARQ實現差錯控制
1.4 X.25小結
- 我們注意到，LAP-B協議和PLP協議都提供了流控機制和差錯控制機制，但它們工作的層次是不一樣的，此外PLP協議最重要的功能是提供了虛電路服務。
- X.25作爲早期的公共交換網協議，通過流控、差錯機制爲當時高差錯率的網絡環境提供了可靠的網絡傳輸。
- 但這些機制這也造成了很大的開銷，隨着光纖等新傳輸介質的出現，差錯率逐漸降低，X.25協議差錯機制帶來的開銷已經遠大於出現差錯帶來的開銷，所以後來逐漸被新出現的協議取代。
二、幀中繼
幀中繼(Frame Relay)網絡就是一種X.25的改良版，之所以叫這個名字是因爲每個交換機在幀的傳遞過程中僅僅起到中繼，向下一個節點傳輸的作用，沒有流量控制、擁塞控制和重傳機制。
2.1 協議層
前面提到，X.25是在第三層——分組層 依靠 PLP協議提供虛電路機制，而幀中繼在第二層就建立虛電路，用幀方式承載數據業務，因此第三層被簡化掉了。
可以提供交換型虛電路(SVC)業務和永久型虛電路(PVC)業務，但目前已應用的幀中繼網絡中，只採
用PVC業務。
2.2 LAP-D
幀中繼的第二層使用的是LAP-D(Link Access Procedure-D channel)協議，和LAP-B一樣都是HDLC的子集，對比X.25使用的LAP-B，LAP-D協議的幀層更加簡單省去了控制字段。
LAP-D提供檢測錯誤的機制，幀結構中有檢驗碼，但幀中繼在發現錯誤時做的僅僅是丟棄錯誤幀，並不會執行重傳等機制。
2.3 幀中繼小結
幀中繼的發展實際上是建立在以光纖爲代表的傳輸介質的使用，差錯率的降低使得差錯控制顯得不再那麼重要，人們更看重快速傳輸和網絡吞吐量，所以幀中繼把流量控制和擁塞控制給簡化了，以提供更快的傳輸。
三、幀中繼與X.25的異同
- X.25和幀中繼都是虛電路網絡、都是面向連接的分組交換網絡
- X.25和幀中繼的幀結構比較相似，但幀中繼少了控制字段。
- X.25和幀中繼採用統計時分複用
- X.25 是三層結構，幀中繼是兩層結構
- X.25 在鏈路層和分組層都提供了差錯檢測、糾錯、流量控制、擁塞控制。而幀中繼僅僅有檢測錯誤的功能，檢測到錯誤直接丟棄錯誤幀，並沒有重傳等機制。
- X.25 提供可靠的傳輸，幀中繼不能
- 幀中繼具有吞吐量高、時延短、適合突發性業務等特點
- X.25 和 幀中繼都不適合對延遲敏感的應用（聲音、視頻）
- 相比X.25，採用幀中繼方式下的中間節點由於不用擁塞控制、流量控制、重傳，處理速度更快。
四、ATM
我們知道，分組交換有時延，這對於傳輸數據問題並不突出，如果傳輸語音和圖象就顯示出其缺點了。爲了減少這個時延，就發展了快速分組交換。快速分組交換又向兩個方向發展，一個是幀中繼(FR～Frame Refay)技術，另一個是異步轉移模
式(ATM–Asynchronous Transfer Modem)技術。圖l給出分組交換髮展過稗。
4.0 ATM的誕生背景
ATM是B-ISDN的關鍵技術，與B-ISDN一同誕生，採用5類雙絞線或光纖傳輸，這也意味着低差錯率。而B-ISDN的設計想法是構建一個電話系統、音視頻、數據同一傳輸的網絡，所以ATM實際上是一個兼容各種需求的協議。
4.1 信元
與以幀爲傳輸單位的幀中繼不同，ATM以信元爲單位，信元具有固定的長度(53 bytes)，這一個小小的區別卻可以帶來巨大的速度提升，短且固定長度的信元給硬件進行高速交換創造了條件。
4.2 ATM虛電路
- ATM也是面向連接的虛電路網絡
- ATM不提供應答，因爲光纖通信是可靠的
- 錯誤信元不重傳
4.3 ATM分層
- 高層 對應OSI高層
- ATM 適配層 對應OSI第四層
- ATM 層 對應OSI第三層
- 物理層
- 傳輸匯聚子層 對應OSI第二層
- 物理介質子層 對應OSI第一層
4.4 ATM高層
前面提過，ATM是一個兼容各種需求的協議，所以ATM的高層爲不同的用戶業務提供不同的高層協議，分爲4類：
- CBR(Constant Bit Rate):固定比特率，用於模擬銅線和光纖通信，無錯誤檢查，無流控。電話系統可以使用CBR過度到B-ISDN
- VBR(Variable Bit Rate):可變比特率，又分爲實時性（例如在線視頻）、非實時性（下載文件）。
- ABR(Available Bit Rate):有效比特率，用於突發式通信。
- UBR(Unspecified Bit Rate):不定比特通訊，可用於傳送類似IP分組這類不保證提交、信元可以被丟棄的信息。
4.5 ATM適配層
ATM適配層負責處理高層傳來的信息，分割和合並用戶數據，這一層協議叫AAL，也有四種
| 協議 | 端到端定時 | 比特率 | 連接模式 |
|---|---|---|---|
| AAL1 | 要求 | 恆定 | 面向連接 |
| AAL2 | 要求 | 可變 | 面向連接 |
| AAL3 /4 | 不要求 | 可變 | 面向連接 |
| AAL5 | 不要求 | 可變 | 無連接 |
重點:AAL5常用於以太網仿真
4.6 ATM層 和 物理層
ATM層有以下功能：
- 虛通路和虛信道的管理
- 信元頭的組裝和拆分
- 信元的多路複用
- 流量控制
物理層：
- 傳輸匯聚子層：
- 信元校驗和速率控制
- 數據幀的組裝和拆分
- 物理介質子層：
- 位定時
- 物理網絡接入
4.7 總結
- ATM是與B-ISDN一同誕生的，是其核心的技術
- ATM是一種兼容多種需求的協議
- ATM是面向連接的虛電路網絡
- ATM適用於多種需求，其中就包括音視頻傳輸
五、全文總結
從當下WAN的應用來看，X.25的絕大部分應用場景已經被幀中繼等新協議代替，但在交易系統等仍有部分應用。
而幀中繼和ATM相比，ATM的優勢應該是特別大的，但是由於ATM技術複雜且ATM交換設備價格高昂，目前應用在B-ISDN的骨幹網絡中比較多。但在未來的發展中，相信無論是在大型局域網還是廣域網，ATM的需求都會不斷增加，將會倒逼ATM的普及。
參考文獻
- 《LAPB 協議的分析與改進》（李娜等著）
- 《網路工程師教程（第五版）》（雷震甲主編）
- X.25 WiKi百科
- 《幀中繼和ATM技術》（葉秉塋著）