第三节 网络互连的服务模型
按照OSI参考模型，在一般意义上所说的网络互连通常是指网络层及其以上层次的互连。既然网络互连是网络层要解决的问题，那么网络层应向传输层（又称运输层）提供什么样的服务呢？由于要连接的物理网络各种各样，OSI在网络层提供了面向连接的服务和无连接服务两种服务模型。
学习目标
▶了解面向连接的服务模型中的虚电路建立、数据传输和虚电路释放的过程；
▶掌握无连接网络服务模型（数据报服务）中的分组交换技术。
关键知识点
▶网络互连通常是指网络层及其以上层次的互连，采用无连接服务方式。
OSI网络层内部结构
在讨论网络层服务模型之前，首先应考虑的问题包括：当位于发送主机的传输层向网络层传输分组（即在发送主机中将分组向下交给网络层）时，其传输层能依靠网络层将该分组交付给目的端吗；它们会按发送顺序交付给接收主机的传输层吗；传输两个连续分组的时间间隔与接收到这两个分组的时间间隔相同吗；网络层会提供关于网络中拥塞的反馈信息吗；在发送主机与接收主机中，连接传输层通道的特性是什么。这些问题的答案是由网络层提供的服务模型来确定的。也就是说，网络层服务模型需要明确定义在网络的一侧边缘到另一侧边缘之间（即在发送端与接收端系统之间）端到端的数据传输特性。
然而，用于连接的各种子网可能是异构的，为了实现类型不同的各种子网的互连，OSI把网络层分为以下3个子层：
▶子网无关层——该层提供标准的OSI网络服务，它利用子网相关层提供的功能，按照OSI网络层协议实现两个子网的互连。
▶子网相关层——该层的作用是增强实际网络的服务，使其接近于OSI的网络层服务，两个不同类型的子网经过分别增强后可达到相同的服务水准。
▶子网访问层——该层对应于实际网络的网络层，它可能符合OSI的网络层标准，也可能不符合OSI的网络层标准。如果两个实际网络的子网访问层不同，则它们不能简单地进行互连。
网络层的3个子层对应于网络连接的3种策略。第一种策略是建立在子网支持所有OSI网络服务的前提下，因此子网不需要增强，在网络层可直接相连，并提供所需的网络服务；第二种策略是分别增强实际网络的功能，以便提供同样的网络服务，这种互连方法采用面向连接的网络服务模型；第三种互连策略是采用统一的互联网协议，提供无连接的网络服务。
面向连接的网络互连
实现面向连接的网络互连，其前提是子网可提供面向连接的服务，这样可以用路由器连接两个或多个子网，其中路由器作为每个子网的数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）。当不同子网中的DTE进行通信时，就通过路由器建立一条跨网络的虚电路。这种网际虚电路是通过路由器把两个子网中的虚电路级联起来实现的。这种面向连接的网络服务也称为虚电路（VC）服务。虚电路分为两种：一种为永久虚电路（PVC），另一种为交换虚电路（SVC）。虚电路的工作过程类似于电路交换。具有虚电路性能的网络包括X.25连接、帧中继网络。采用虚电路进行数据传输，包括虚电路建立、数据传输和虚电路释放3个阶段。
虚电路建立
在进行数据传输之前，需要建立连接。在虚电路建立阶段，发送端发送含有地址信息的特定控制信息块（如呼叫分组），该信息块途经的每个中间结点根据当前的逻辑信道（LC）使用状况分配LC，并建立输入和输出LC映射表。所有中间结点分配的LC，串接后形成虚电路。
通常，每个结点到其他任一结点之间可能有若干条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。这些虚电路的实际路径可能相同，也可能不同。如图1.4所示，主机A和主机B通过建立的虚电路VC2传送信息。
图1.4 面向连接的网络互连
假设有两条虚电路经过某结点，当一个数据分组到达时，该结点可利用下述方法判明该分组属于哪条虚电路，并且能将其转送至下一个目的结点：一个端系统每次在建立虚电路时，选择一个未被使用的虚电路号分配给该虚电路，以便区别于本系统中的其他虚电路。例如在图1.4中，路由器1有VC1、VC2两条虚电路。在每个被传送的数据分组上不仅要有分组号、校验和等控制信息，还有它要通过的虚电路的号码，以区别于其他虚电路的数据分组。在每个结点上都保存一张虚电路表，其中各项信息记录了一个打开的虚电路信息，包括虚电路号、前一个结点、下一个结点等。这些信息是在虚电路建立过程中所确定的。
数据传输
一旦创建了虚电路，站点发送的所有分组就可以开始沿该虚电路传输了。每个分组携带VC标识（而不是目的主机的ID）沿着相同的VC流动，分组的发收顺序完全相同。
虚电路释放
若数据传输完毕，就采用特定的控制信息块（如拆除分组）释放该虚电路。通信双方都可发起释放虚电路的动作。
在虚电路网络中，该网络的路由器必须为进行中的连接维持连接状态信息。特别是：每当跨越一个路由器，则创建一个新连接，一个新的连接项必须加到该路由器的转发表中；每当释放一个连接，则必须从该表中删除该项。注意，即使没有VC号转换，仍有必要维持连接状态信息，该信息将VC号与输出端口号联系起来。其中一个关键问题，是路由器是否对每条进行中的连接维持连接状态信息。
面向连接的网络互连解决方案，要求互联网中的每一个物理网络都能提供面向连接的服务，但这样的要求在实际中是不现实的。
无连接的网络互连
如果网络仍然采用图1.4所示的拓扑结构，则在无连接方案中，主机A和主机B之间在通信时不需要建立虚电路，其数据单元在网络中分别独立传输，这些数据单元经过一系列的网络和路由器，最终到达目的结点。由于网络设备对每个数据单元的路由选择是独立进行的，因此不同的数据单元到达目的主机所经过的路径可能不同。这就是无连接的网络服务模型，又称作数据报服务模型。当采用数据报方式进行数据传输时，有报文交换和分组交换之分。
报文交换
报文交换是指将报文从一个结点转发到另一个结点，直至到达目的结点的一种数据传输过程，如图1.5所示。在这种传输方式中，每个数据报都是独立发送的，并且携带完整的源地址和目的地址。这与邮局寄信类似，每封信都携带着完整的地址注入邮政系统。主机只要想发送数据就可随时发送，每个数据报独立地选择路由。重要的是，每个数据报并不都沿着相同路径从源端发送到目的端，而且到达的顺序也会因其传输的路径状况不同而不同，有的数据报还可能会丢失。这就要求目的结点具有数据报重新排序功能，并对丢失（或出错）的数据报向源结点请求重传。
图1.5 报文交换
分组交换
由计算分析可知，对于报文交换方式，传送一个报文的出错概率随着报文长度的增加而增加，进而导致较高的报文重传率。这说明对网络能够传输报文的最大尺寸需要进行限制，应将长（大）报文分割成较小的信息块或分组进行传送，即采用无连接的分组交换方式。在分组交换方式中，每个分组通过网络的路由也是独立的。每个分组有一个附带的头部，以便提供将分组路由到目的端所需的所有信息。当一个分组到达分组交换机时，分组交换机首先检查分组头部中的目的地址（及其他可能的字段），以便确定到目的端的下一跳路径。
目前，网络互连通常采用无连接的网络服务模型。网际协议（IP）是无连接的互联网中最常用的协议，而支持IP的路由器称为IP路由器，IP处理的数据单元称为IP数据报。
练习
1.简述采用虚电路进行数据传输所经历的几个阶段。
2.何谓报文交换方式？
3.分组交换与报文交换有哪些区别？
补充练习
使用Web检索和查找有关交换技术的最新发展，探讨光交换技术的应用与发展。