[科普中国]-分布队列双重总线

城域网技术主要纳取了IEEE802.6的DQDB标准，是基于光纤传输技术的分布式队列双总线网，使用分布式队列协议，提供了与网络规模和速度无关的访问特征。MAN是为满足网络应用范围的拓展、用户数的激增与高速数据业务的需要，LAN尚不能适应而发展起来的，可将几个LAN互联，支持高速传输和综合业务。DQDB标准为了与B-ISDN标准相融合作了适度修改，利用信元交换实现应用，它允许信元单独寻址，并在宽带传输载体上传送，向用户提供标准接入接口。DQDB属于时隙总线网[3](每时隙为53Byte)，采用预约时隙方式使两条总线的上游结点知晓下游结点已有多少分组在等待发送传递;目的结点的接收方在获取时隙内信息段的同时将该满时隙发向下游并自身清空1。

城域网的发展类似于局部网，已有几种协议和体系结构可供选择，例如，分布排队双总线(DQDB)、光纤分布数据接口(FDDI)、异步转移模式环(ATM)等。城域网技术正处于迅速开发阶段，它对于BISDN和室内用户网络(如LANs)之间有高度的兼容性。IEEE802委员会已于1987年7月采纳了分布排队双总线协议作为城域网标准的建议，并作了大量研究改进。城域网满足用户服务的程度比专用线路方案在功能性、可靠性和速度上都大大提高，所以用户有很多理由选择城域网作为局部网互连的需要2：

与专用线路比，使用成本较低；

时延小；

网络吞吐量大；

有网络重新配置和扩展能力；

互通性好；

有效的网络监控；

采用冗余技术增强可靠性。

IEEE802.6城域网标准—分布排队双总线网的拓扑结构由两条数据流向相反的单向总线、总线头帧产生器和中间若千个网络节点组成，如图所示。

每条总线头连续地发送固定长度的空闲时槽，沿着总线传输方向一直传送到总线末端，并在那里清除所有进来的时槽。网络的各节点分别用“或写”端和“读”端粘接在两条总线所需位置上。

如果把双总线系统的总线头端和末端配置在一起形成一个头一尾节点，但数据流不流过该节点，即在逻辑上开路，就构成了环形的总线体系结构，如图2所示。

这样的体系结构有两个优点:第一，头一尾节点两总线头的帧产生器可共用一个，既简化了设备又保证两总线同步运行；第二，可在环路发生故障链路断裂或某一光端机有故障)时重新配置，如图3所示。这样能有效地恢复网络的运行，且不降低网络的性能，确保网络的可靠性2。

DQDB网节点功能体系由物理层和介质访问层组成，如图4所示。物理层功能由执行相同协议的两个传输部件和物理层的管理实体组成。传输部件与MAC层的服务相同。MAC层向上一层的服务有等时性的(例如话音、图象等)、非连续性(connectionless)的异步数据和面向连接的分组交换数据。

MAC层由访问控制单元(ACC)、异步传送控制(ATC)、等时传送控制(ITC)和M八C层管理实体(LME)组成。

访问控制单元是实现DQDB协议的MAC层实体。通过在两条总线上传送的MAC周期帧的操作，把物理层表达到MAC层的全双工传输连接转换成运行于DQDB协议所要求的双根单向总线连接。在访问排队裁决(QA)时槽和预裁决(PA)时槽时，ACC要进行读写操作，访问QA时槽时，ACC按异步方式为人TC服务，访问PA时槽时，ACC按等时服务方式为ITC服务。同时，ACC还须实现MAC周期帧的生成和DQDB网络配置控制，以及为修复故障的网络重新配置任务。

ATC具有报文分段功能。把来自逻辑链路子层(LLC)和MAC层管理实体的服务数据分成固定长度的数据分组。反之，将来自ACC的固定长度数据分组重新装配成原来的服务数据。它由异步多路复用器(ASM)、分拆及组装(SAR)单元和异步信道用户(ACU)接口等组成。

等时传送控制(ITC)是MAC层的一部分，担负对等时服务的传送控制。由于ACC的服务不是等时的，ITC对等时服务的传送必须有缓存器，以便为等时信道用户(ICU)的信道处理服务。

MAC层管理实体(LME)是管理本节点介质访问协议的MAC实体，对介质访问层提供分布式管理2。

DQDB网的介质访问协议是建立在分组排队和同步电路交换(QPSX)基础上的，并力图在单一的高速宽带网上综合数据、话音和图象通信业务。它要求与网络规模和速率的相关性小，同时与BISDN的发展方向保持一致。因此，在帧格式的设计时既考虑到可灵活地综合多种服务，也应考虑与BISDN的相互兼容。

DQDB网是时分多路访问系统，多种服务的综合在MAC层进行。MAC层帧格式简单地分成相等的时间间隔，称为时槽。每个时槽含有5个字节(八位组)的信元头和48个字节净载荷的信息段，组成这样的信息单位我们称它为信元(cell)。在信元头最前面一个字节为时槽访问控制段(ACF)，在MAC层帧前面配上适当的帧头开销(例如前导码PA、帧定界符SD等)，构成DQDB网的帧格式，如图5所示。帧周期为125us。因此，一帧中的时槽数取决于总线上传送的比特率和物理层的帧开销。可见，帧格式是基于等时时槽的位置复用，以满足电路交换和分组交换，综合成混合交换系统。

对于一个给定DQDB网的帧，传送带宽就是各个时槽内的信息段。帧中的每一个时槽，可以配置成等时通信量的服务，例如话音和图象，此时这时槽称为预裁决时槽(PA)，或等时时槽;也可以配制成非等时通信量的服务，例如异步数据、各种信令信息等，这时也称此时槽为排队裁决时槽(QA)，或异步时槽。在一帧中，等时时槽和异步时槽之边界可以移动，即动态配置策略。

等时时槽访问控制段中的“忙”(BUSY)位和“服务类型”(ISOC)位由总线头站预先设置。异步时槽的使用按预约排队算法，在下节中叙述2。

现在，着重讨论排队裁决时槽的预约访问机理。从图5中可知，每个时槽的访问控制段中都含有一个“忙”位和四个预约“请求”位(REQ)。忙位指示该时槽是否已有数据分组写入，请求位用于通知上游节点有数据等待发送。四个请求位分别代表四种优先级，用标号{0、1、2、3}表示，标号较大的优先级较高。它的服务原则是优先级高的数据分组先服务。为此，每个节点分别为每条总线配置四个独立的缓存器，即本地排队缓存器。为了实现分布排队原理，各节点在每条总线上按每一个优先级配置两个计数器，一个为请求计数器(REQ一cTR)，另一个为递减计数器(CD一CTR)。分布排队的概念不同于本地排队，它纯属于逻辑排队，即不表明任何实在的排队。在每一条总线上都有一个分布排队，包含着所有节点在各自总线上将要传送的每一个非空闲本地缓存器中第一个分组请求的排队。第一个分组请求叫做本地排队的代表。分布排队的服务机理是:对每一个优先级的先来先服务(FCFS)，报文是不抢先优先级进行排队的。任何本地排队的第一个数据分组一旦开始服务，该节点就允许把下一个数据分组在同一个本地排队中插入到分布排队中去。

双总线拓扑是对称的，节点在两总线上发送数据分组的操作是相同的。为了简化协议的叙述，又不失一般性，我们称总线A为正向总线，总线B为反向总线，同时把注意力集中在传送某一优先级的数据分组，而请求信息总是在反向总线上传送。现在先定义DQDB节点的两种逻辑状态:空闲状态(IDLE)和递减计数状态(Countdown)，如图6所示，然后说明状态的转移。下面先考虑第i个节点和第j个优先级时的状态。

空闲状态：节点处于没有报文发送或刚从递减计数状态转移时的状态。在这种状态下，请求计数器(REQ-CTR)保持对第(i+1)、(i+2)、……N各节点从反向总线上传来的预约请求进行计数，即每来一个请求REQ-CTQ的值加1。但当该节点在正向总线上每释放一个空闲时槽，REQ一CTR将减1计数。

递减计数状态：节点有报文要在正向总线上发送时状态。设上一个数据分组在t0时刻已被发送，请求计数器保持对t。以后在反向总线上到达的每个请求进行加1计数;当该节点在正向总线上释放每一个空闲时槽，递减计数器(CD一CTR)进行减1计数。

状态转移：当节点有报文分组申请发送，节点立即从空闲状态转移到递减计数状态(节点激活)。此时，该节点首先将请求计数器的记数值转储到递减计数器中，然后立即把它清零。在发送一个数据分组后，节点总是从递减计数状态转移到空闲状态。如果仍然有数据分组等待发送，这时节点立即又从空闲状态转移到递减计数状态。

每当完成从空闲状态转到递减计数状态，即节点把数据分组插入本地排队缓存器中排队时，该节点激活，立即把一个预约请求放入本地请求排队，请求排队计数器(REQ-Q-CTR)加1；当该请求成功写入反向总线的预约请求位时，请求排队计数器减1。在这一过程中，也把这一请求放入节点的请求计数器。

可见，基本的分布排队算法很简单。当节点没有报文发送时处于空闲状态，相反处于递减计数状态。处于空闲状态时，预约请求计数器保持记数：每收到一个请求加1，每释放一个空闲时槽减1。当节点激活时，立即将REQ一CTR值转储到CD一CTR中，并将REQ一CTR清零，同时向反向总线上具有REQ位为零的第一个时槽的REQ位置1，发出一个请求。此时节点处于递减计数状态。当CD一CTR的计数值减到零时，紧接着该节点就把本地缓存器中第一个数据分组写入正向总线上通过的第一个空闲时槽，完成了异步数据一个数据的发送，节点又处于空闲状态。若尚有数据要继续发送，立即将另一个数据分组放入本地排队缓存器中排队，节点又重新激活，然后重复上述的发送操作过程，直到报文发完为止。这种策略类似令牌环的应用，试图保证具有长报文的节点能长时间占有预约总线带宽的可能。

当然，文中叙述的协议是理想情况下的基本操作。研究证明，DQDB基本访问协议的节点吞吐量—延时性能与节点在总线上的位置密切相关，即有不公平性问题。为改进基本协议的性能，主要从两个方面着手：第一，用时槽重用技术提高网络的利用率；第二，提出带宽平衡机构(BBM)等方案改善协议的公平性。但由于篇幅所限，本文不涉及有关网络性能方面的分析。

DQDB城域网同各种标准的高速传输系统一样，有很多优良的特性满足高速数据服务的需要。其主要的特性有：

在一般商业区内，各种数据处理设备通常用局部网互连，不存在使用集中处理器时出现的瓶颈现象，实行外围设备、数据和软件的共享，从而大大降低使用成本，满足多个用户的需要。DQDB网试图扩展介质共享能力，尤其是在地域很大时可以共享网络资源，数据、软件和报文可长距离高速传送，使数据的处理更趋于实时性。

容忍性数据通信通常运行于很大地域内，在银行和军事部门中应用要求更是苛刻。因此，网络必须允许有高度的故障容忍性。DQDB网按环形配置时有承受一定程度故障的能力，例如传输链路的断裂或某一光端机故障，如图3所示。网络运用重新配置算法，把总线端头的功能移到受力破坏处近邻的两个节点，原总线头尾端自动连上，消除了时槽的链路故障，实现网络重新配置，保持通信链路的连接性。同时故障消除时间比任何同步系统(包括FDDI)的故障消除时间都短。

某些局域网的协议，网络潜在吞吐量实际上随网络的拥塞增加而下降。但是，DQDB网使用分布排队协议解决了拥塞现象，协议保证了在过载时传输资源有高的利用率。若采用时槽重用技术可使网络利用率大于1。运用带宽平衡机构，网络公平性好。优先权机理保护了用户的不同服务质量。同时，MAC层协议的带宽分配灵活，电路交换和分组交换信道边界可按需动态移动，类似异步转移模式(ATM)技术的统计复用，很适合于多种服务的综合。分布排队算法既简单又能使每个节点跟踪全网的排队状态，分布控制能力强，综合服务管理方便，在网络繁忙时不易使网络性能下降。

DQDB网络在MAC层可提供类似于IEEE802标准的局部网(CSMA/CD、令牌总线和令牌环)那样的非接续性服务。这种服务方式处理开销小，管理较简单。数据报的桥接转送是按数据报头的地址信息进行搭接的。

DQDB网另一个特性是运用了ATM技术概念，把长的可变一长度的报文分拆成短的固定长度的信息、单位，即信元，如图7所示。这些信元按分布排队算法写入总线的时槽内传送。接收站把接收到的离散的信元重新组装成报文。这正是ATM技术的优点，有利于多种服务的综合，提高网络的利用率。

城域网的跨接距离计划为整个城市，DQDB网可运行更大的地域。由于IEEE802·6设计目标是使网络时延最小，所以它非常适合于各种局部网的互连。同时网络规模和速率无关，可靠性、网络管理、带宽控制方便等特点正是用作公共网所要求的。

DQDB城域网用作公共网的另一个优点是帧格式上与BISDN相兼容，因此，它是未来公共网技术开发的重要组成部分。作者C.Smylte指出，在未来十年目标是发展面向全球的BISDN持井比特速率的通信系统的综合必须有三项技术：窄带的综合服务数字网(NISDN)、城域网和同步数字体系(SDH)。以为基础的城域网将成为ATM网的用户网络接口网，同步数字体系将体现为全电路的交换。因此，当基本的窄带综合服务数字网和综合服务局部网(ISLD)诞生之时，便实现了第一种方案的BISDN。所以说，最终以ATM技术实现的BISDN方案必然要以NISDN、MAN和SDH等技术作为基础。

图8示出了各种不同的网络和系统运用适当的互通单元(IWU)经DQDB公共城域网进行互连的能力。这些互通单元负责在各种环境下互相识别和进行信息交换。遗憾的是，它不能用给定的最优协议更为有效灵活地解决这个互连问题，要根据各自的工AN运行环境的特殊性设计互通单元。例如，它既可以通过网络的第二层(数据链路层)进行透明的桥接转送，也可以在网络的第三层(网络层)以通用的路由法转送。因为这两种方法都有存储转发的优点。简单地说，桥接转送趋向于更适宜少量的LANs的紧凑连接和专用连接；路由转送趋向于更适合LANs的公共互连。

DQDB网自1986年澳大利亚提出后，在先进的各工业国家电信界引起极大的重视。运用DQDB协议建网的除原澳大利亚西部大学为电信部提供的FASTPAC网(单向总线速率16.4Mb/s，可提供2Mb/s会议电视，多路话音和高速数据)外，美国贝尔通信研究所(Bellcore)首先开发了交换多兆比特数据业务(BMSD)网，于1991年投入运行考验，其物理层接口速率为DSI和DS3，还计划开发光同步网路(SONET)各等级的接口速率，美国国防先进技术研究计划局(DA.RFA)支持研究的横跨美国东西大陆的陆地宽带网，德国西门子公司和联邦德国邮电部电信局(DBP Telekom)于1990年8月签署了DQDB城域网交货安装合同，1991年秋起在慕尔黑开始为期一年的现场试验，包括用户系统的现场联网，一旦试验成功，系统将投入商业运行，满足正常业务的需要。并在1993年前，将慕尔黑和斯图加特的ATM通信链路互连。在高速通信网现场试验系统的所有技术在澳大利亚和美国证实了其可靠性和适用性后，欧洲的全部电信管理部门和通信运营公司(Carriers)及各大公司f(irm)激起了浓厚兴趣。当丹麦和意大利现场试验开始实施时，法国和瑞士研究室也开始试验。同时，在西班牙、荷兰、英国、奥地利和北欧国家也在讨论研制DQDB网络。可见，IEEE802.6建议的城域网标准必将成为当今世界城域网发展的主流，因为目前其它产品的网络都不能有效地满足未来以ATM技术为基础的BISDN高速交换网发展需要2。