分组交换与分组交换网

1第五章分组交换与分组交换网2一、分组交换技术的产生与发展一、发展史上世纪60年代（1964年）美国军界提出，将一个完整数据报文分成许多较短的数据块，并为每个数据块加上路由和控制信息，各分组可在不同的网络路径中传输，到达终点后再恢复成完整的数据报文，形成了分组交换的概念。1967年将存储转发技术应用于分组交换技术，形成了较为完整的分组交换技术。1969年美国国防部组建了世界上第一个分组交换网—ARPANET1975年美国TELENET公司组建商用分组交换网1989年我国组建了CHINAPAC分组交换网二、应用传输数据业务计算机局域网INTERNET网3二、分组交换的基本原理1、分组传送方式12122313用户标识用户数据特点：分组交换技术采用的是统计时分复用（STDM）传送方式，动态分配带宽，支持突发性业务，线路利用率高。42、分组的形成来自数据终端的用户数据可能是很长的报文，将该报文拆分成若干段，并加上分组头，组成一个完整的分组（packet）。用户数据用户数据用户数据用户数据用户数据分组头分组头分组头分组头分组分组头：逻辑信道号（LCN)、分组序号、控制/地址信息分组有两大类：数据分组：承载用户数据的分组控制分组：保证和控制数据分组在网络中正确传输和交换的分组53、分组交换方式一个分组从发送端传送到接收端，须沿一定的路径经分组交换网络传输。分组通过网络的实现方法：数据报（Datagram）和虚电路（VirtualCircuit）。（1）虚电路方式虚电路方式就是指通信终端在收发数据之前，先在网络中建立一条逻辑连接，在通信过程中，用户数据按照顺序沿着该逻辑连接到达终点。注意虚电路指的是一条逻辑连接，而不是指一条专门的物理通路。同一条线路可能同时被多条虚电路使用。分组交换网提供的虚电路交换方式有两种，一种是交换虚电路（SVC：SwitchVirtualCircuit），又称为虚呼叫（VirtualCall），另一种是永久虚电路（PVC：PermanentVirtualCircuit）。一般使用SVC。分组选择虚电路在各交换节点依靠路由表。图5.3虚电路方式的特点：6（2）数据报方式在数据报方式中，信息传输之前无需建立连接，分组头中包含终点地址信息，不同分组彼此之间相互独立的寻找路径，同一份报文的不同分组可能沿着不同的路径到达终点。在这种技术中，一个被独立处理的分组就称为一个数据报。数据报方式的特点：3、分组交换方式7（3）数据报和虚电路方式的对比（a）数据报省掉了呼叫的建立和清除过程，如果只传送少量的分组，那么采用数据报方式的传输效率会比较高。（b）对于数据报方式，由于每个分组是各自独立在网络中传输的，所以分组不一定按照发送时的顺序到达网络终点，因此在网络终点必须对分组重新排序。而对于虚电路的方式，分组按已建立的路径顺序通过网络，在网络终点不需要对分组重新排序。（c）在数据报方式下，由于每个数据分组都要独立的寻找路径，所以单个数据分组传输的时延较大。而虚电路一旦建立，单个数据分组的传输时延则会小得多。（d）数据报方式对网络的适应能力较强。3、分组交换方式84、路由选择分组交换网的主要功能就是接收来自源站点的分组，并将它们传送到目的站点。因为通常在网络中存在多条从源站点到目的站点的路径，也就是路由，所以为了完成分组传送这个任务，必须选择其中的一条路径，这就是路由选择功能。路由选择的方法有四种：固定路由选择、洪泛式路由选择、随机路由选择、自适应路由选择。(1)固定路由选择由源站点到目的站点的路由选择是固定的。当网络拓扑结构发生变化时，路由选择才变化。路由的选择是通过各节点的路由表实现的。如节点1：21345目的地下一节点22334453优点是简单缺点是缺乏灵活性仅用于小规模网络的路由选择94、路由选择（2）洪泛式路由选择每个节点接收到一个分组后检查是否收到过该分组，如果收到过就丢弃；如果未收到过就把该分组发往除来的节点外的其它相邻节点。也是一种广播式路由选择。优点是可靠性高，在网络中有故障路由的情况下也能保证分组被送达目的站点。缺点是网络业务流量大时易造成网络拥塞，且由于分组交换是排队机制，传输时延较大。21345104、路由选择（3）随机路由选择节点收到一个分组后，除来的节点外随机选择一个输出路由。输出路由选择的概率可相等，也可不等，可根据费用也可根据数据速率。优点是路由选择简单，稳健性好。网络负荷低于洪泛式路由选择。缺点是未必是最短路径或最小费用路径，两者不能兼顾。（4）自适应路由选择路由选择根据网络状态的变化（故障、拥塞）而动态改变的。是目前普遍使用的路由选择算法。优点是路由选择灵活缺点是需要传输和交换网络状态信息，增加一部分网络负荷。115、流量控制(1)流量控制的必要性分组交换网中各个节点交换机的处理能力和各条线路的传输容量是一定的，但是用户终端发送分组的时间和数量具有随机性。如果不对数据流进行控制，有可能造成网内数据流分布不均匀，部分节点和线路上的数据流超过其处理能力或传输容量，造成网络的阻塞。严重时，分组在网络中无法传送，不断被丢弃，源节点无法发送新的数据，目的节点也收不到分组，造成死锁。理想的吞吐量提供负荷受控的非受控的开销平均时延提供负荷受控的理想的非受控的12DCE节点节点DCEDTEDTE(a)(a)(c)(4)(b)(2)流量控制机制(a)相邻节点之间点到点的流量控制(b)用户终端和网络节点之间点到点的流量控制(c)网络的源节点和终点之间点到点的流量控制(d)用户源终端和目的终端之间点到点的流量控制5、流量控制135、流量控制（3）流量控制方法（a)证实法接收方收到发送方的一个分组后，向发送方发送一个证实信号，发送方再发送下一个分组，实现流量控制。如果发送方发送几个分组后，接收方发送证实信号，称滑动窗口机制，X.25即采用这种流量控制方式。(b)预约法发送方向接收方发送分组之前向接收方预约缓冲区的大小，然后发送方根据缓冲区大小向接收方发送预约的分组数。适用于数据报方式的分组交换网。DCE之间和DTE之间的流量控制采用该流量控制方式。(c)许可证法在网络内设置一定数量的许可证，其状态为有分组的满载和无分组的空载，满载的卸下分组即为空载，分组需在节点等到空载的许可证后才能发送。14三、分组交换协议—X.25协议1、分组交换协议分组交换协议是数据终端设备（DTE）与交换网及其各交换节点之间关于信息传输过程、信息格式等的规约。分为接口协议和网内协议。接口协议是DTE与网络设备之间的通信协议，即UNI协议。网内协议是网络内部各交换机之间的通信协议，即NNI协议。X.25协议是DTE与DCE之间的接口协议，最初于1976年颁布，在1980年、1984年、1988年、1993年又进行了多次修改。它是目前使用最广泛的分组交换协议。X.25协议定义了帧（Frame）和分组（Packet）的结构，以及数据传输通路的建立、释放、数据传输等过程，顺序控制、差错控制和流量控制等机制，以及分组交换提供的基本业务和可选业务等。X.25属于接口规程，没有定义路由选择算法，这属于分组交换网络内部控制功能。15物理层数据链路层分组层物理层数据链路层分组层分组级协议帧级协议物理级协议高层协议X.25物理连接接口DTEDCE与远程DTE之间的高层协议X.25接口协议分为三层：物理层、数据链路层和分组层，各层在功能上相互独立。三、分组交换协议—X.25协议16用户协议协议转换接口协议PADX.25接口协议X.25接口协议X.25接口接口网内协议接口协议X.25=用户协议非分组型终端NPT分组型终端PT三、分组交换协议—X.25协议172、X.25的物理层物理层协议规定了DTE与DCE之间接口的电气特性、功能特性、机械特性和协议的交互流程物理层完成的主要功能如下：在DTE和DCE接口处提供数据传输；在设备之间提供控制信号；提供时钟信号，用以同步数据流和规定比特速率；提供电气地；提供机械的连接器（如针、插头和插座）。三、分组交换协议—X.25协议183、X.25的数据链路层——LAPBX.25数据链路层规程是要在物理层提供双向的信息输送通道上实施信息传输的控制。一般情况下，X.25的数据链路层采用的是HDLC（高级数据链路控制规程）的一个子集LAPB（平衡型链路访问规程）。X.25数据链路层完成的主要功能如下：•DTE与DCE间的数据传输•发送端与接收端信息的同步•传输过程中的检错和纠错•有效的流量控制•协议错误的识别和告警•链路层状态的通知三、分组交换协议—X.25协议19数据链路层帧类型与结构按照帧的功能可以把帧分成三类：信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）。LAPB帧的基本结构如图5.8所示，所有帧均包含标志F、地址字段A、控制字段C、帧检验序列FCS，部分帧还包含信息字段I。标志F地址字段A控制字段C信息字段I检验序列FCS标志F8比特8比特8或16比特变长16或32比特8比特三、分组交换协议—X.25协议203、X.25的分组层X.25分组层是利用数据链路层提供的可靠传送服务，在DTE与DCE接口之间控制虚呼叫分组的数据通信协议，它将一条逻辑链路按照动态时分复用的方法划分成多个子逻辑信道，允许多个用户终端或进程同时使用一条逻辑链路，以充分利用线路资源。主要功能：•提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）的连接；•为SVC和PVC连接提供有效的分组传输；•提供建立和清除交换虚电路连接；•监测和恢复分组层的差错三、分组交换协议—X.25协议21虚电路与逻辑信道前面我们分别介绍过虚电路和逻辑信道的概念，那么这两者之间有什么联系和区别呢？（a）虚电路是在DTE-DTE之间建立的虚连接，存在于端到端之间；逻辑信道是DTE-DCE接口或中继线上可分配的资源，存在于点到点之间，一条线路上可以存在多个逻辑信道。一条虚电路是由多个逻辑信道连接而成。每条线路的逻辑信道号是独立分配的，同一条虚电路在不通线路上的逻辑信道号可能是不相同的。（b）逻辑信道是一直存在的，它分为占用和空闲两种状态；虚电路（不包括永久虚电路）随着通信的开始而建立，通信结束后就被清除。(1)分组的类型与结构（2）分组层工作原理22呼叫建立过程主叫DTE本地DCE远端DCE被叫DTE建立入呼叫呼叫请求呼叫接受接受呼叫连接X.25X.25网络规程23呼叫拒绝主叫DTE本地DCE远端DCE被叫DTE建立入呼叫呼叫请求清除请求清除清除指示X.25X.25网络规程证实DCE清除证实DTE清除证实24呼叫清除过程主叫DTE本地DCE远端DCE被叫DTE清除清除指示清除请求DTE清除证实证实DCE清除证实X.25X.25网络规程25复位过程主叫DTE本地DCE远端DCE被叫DTE复位复位指示复位请求DTE复位证实证实DCE复位证实X.25X.25网络规程主叫DTE本地DCE远端DCE被叫DTE复位复位指示DTE复位证实DTE复位证实证实复位指示X.25X.25网络规程（a）由DTE发起的复位（b）由DCE发起的复位26重启（Restart）过程主叫DTE本地DCE远端DCE被叫DTE清除清除指示重启请求DTE清除证实证实重启证实X.25X.25网络规程清除清除清除指示DTE清除证实证实清除指示DTE清除证实证实27四、分组交换机1、分组交换机的基本结构分组交换机由三部分组成：交换单元：设置缓冲器、按STDM方式工作。接口单元：用户侧接口（UNI）和中继线侧接口（NNI）。功能主要有线路侧监视、分组的拆装、差错控制、传输控制。控制单元：呼叫处理、流量控制、路由选择、系统配置与管理等。2、分组交换机的性能指标•吞吐量：每秒能交换的分组数•平均分组处理时延：从输入端口到输出端口传送1个分组所需的平均处理时间•呼叫处理能力：单位时间内能处理的呼叫次数3、DPN-100分组交换机（略）28五、分组交换网网络结构：（a）树形（b）星形（c）总线形（d）环形（e）网状形29RCUNPTNPTNPTNPTNPTNPTPTPTPTPTNPT非分组型终端PT分组型终端RCU远程集