第四章 分组交换原理

1、 1 第四章 分组交换原理 4.1 概述 分组交换技术是为满足数据通信的需要而产 生的。 数据通信数据通信凡是在终端以编码方式表示的 信息，用脉冲形式在信道上传送的信息都叫数据 通信。 2 数据通信的特点数据通信的特点电路交换的不适应性电路交换的不适应性 高可靠性要求。一位编高可靠性要求。一位编 码错了表达的意思完全码错了表达的意思完全 不同不同 电路交换是透明传输电路交换是透明传输(没有没有 差错控制措施差错控制措施) 持续时间短，持续时间短，90%用户用户 数据通信持续时间数据通信持续时间 50s， 突发性突发性 电话通信的平均持续时间为电话通信的平均持续时间为 5分。电路交换的通路建立分

2、。电路交换的通路建立 时间长，平均时间长，平均15s，较短的，较短的 数据通信花去较长的通路建数据通信花去较长的通路建 立时间不划算。立时间不划算。 数据通信的速率变化，数据通信的速率变化， 30bit/s（聊天）（聊天） nMbit/s（传图像）（传图像） 电路交换每话路传输速率固电路交换每话路传输速率固 定为定为64kbit/s，不能适应，不能适应 业务速率的动态变化。业务速率的动态变化。 3 计算机技术计算机技术 分组交换分组交换 电路交换电路交换 交换数据：交换数据： 高速、大容量高速、大容量 和时延小；和时延小； 以分组为单位以分组为单位 存储转发。存储转发。 缺点：缺点： 1 1、

3、固定占用带宽；、固定占用带宽； 2 2、线路利用率低；、线路利用率低； 3 3、双方必须以相、双方必须以相 同的数据率进同的数据率进 行发送和接收。行发送和接收。 数据业务：数据业务： 能够进行资源共享；能够进行资源共享； 具有突发性的特点；具有突发性的特点； 并有高度的可靠性；并有高度的可靠性； 具有严格差错控制。具有严格差错控制。 4 分组交换的本质特征 * 数据被封装成分组后，对于占用的传送位置 无要求，可采用统计复用，先来先传。 * 由于要求交换节点对数据进行纠错检验，必须 等一个分组完全抵达交换节点后才能执行，所 以分组交换采用“存储-检查-转发”的交换方 式。 5 4.1.2 分组

4、交换的概念分组交换的概念 分组交换的基本思想：把用户要传送的信息分成分组交换的基本思想：把用户要传送的信息分成 若干个小的数据块，即分组若干个小的数据块，即分组(packet)，这些分组，这些分组 长度较短，并具有统一的格式，每个分组有一个长度较短，并具有统一的格式，每个分组有一个 分组头，分组头，包含包含用于控制和选路的有关信息。用于控制和选路的有关信息。 6 两个关键两个关键 统计时分复用统计时分复用 STDM (Statistical Time Division Multiplexing) ： 也称异步时分复用， 指将用户数据划分数据单元， 若干比特；用逻辑标号标识 数据单元，构成分组，

5、按照 先来先服务复用传输信道。 属于动态分配共享资源，可 提高传输信道的带宽利用率。 存储转发存储转发： 指分组数据抵达交换机 先进行缓存，检查无错后 再根据分组中携带的目的 地址和资源状况选择路由， 将分组经出口连路转发输出。 7 分组的形成 通信电文通信电文 FAC 分组头分组头 F FCS 规定长度数据规定长度数据 FAC分组头分组头F规定长度数据规定长度数据 分组分组1 FAC分组头分组头F 分组分组2 分组分组3 通信电文的分组打包示意通信电文的分组打包示意 F：标志序列 标志序列 A：地址字段 地址字段 C ：控制字段控制字段 FCS ：帧校验序列帧校验序列 FCS FCS 8 统

6、计时分复用 ab 12 x y STDMax12yb 空闲空闲 黑颜色为分组标记黑颜色为分组标记 终端终端A 终端终端B 终端终端C 统计时分复用示意图统计时分复用示意图 9 工作过程 * 各分组按排队，形成队列，STDM按照FIFO的原则， 从队列中逐个取出分组向线路上发送。 * 在高速传输线上，形成了各用户分组的交织传输。输出 的数据不是按固定时间分配，而是根据用户的需要进行 的。 * 这些用户数据的区分不像同步时分复用那样靠位置来区 分，而是靠各个用户数据分组头中的“标记”来区分。 10 分组交换过程 H1 H2 H4 H6 H3 H5 A B C D 数据 . E 数据 . 11 分组

7、交换的特点 (1) 线路利用率较高。线路利用率较高。 (2) 异种终端通信。异种终端通信。 (3) 数据传输质量好、可靠性高。数据传输质量好、可靠性高。 (4) 负荷控制。负荷控制。 (5) 经济性好。经济性好。 (1) 信息传送时延大。信息传送时延大。 (2) 增加开销。增加开销。 (3) 协议和控制比较复杂。协议和控制比较复杂。 12 4.1.3 报文交换 * 报文交换，也属于分组型数据交换，区别是数据 单元包含用户一次通信中的全部数据内容。 * 报文交换也采用存储转发模式，特点是分组长度 较大，有较大传送时延。 13 报文交换与分组交换的对比 14 4.2 分组交换网的主要形式 两种主要

8、形式：面向连接和无连接 *面向连接：面向连接：通信前先要分配资源和进行通信参数 协商，然后进行数据交换传送，通信结束后释放 所占用资源。 *无连接：无连接：随时可进行数据传送，网络总是处于 准备好状态。 15 两种工作模式两种工作模式 * * 数据报方式数据报方式: :用户之间通信无需经过呼叫建立、呼叫释放阶段；用户之间通信无需经过呼叫建立、呼叫释放阶段； 各分组逐节点地独立选择路由、转发。各分组逐节点地独立选择路由、转发。 特点特点：是无连接的交换方式。灵活，网络利用率高，软件复：是无连接的交换方式。灵活，网络利用率高，软件复 杂，传输时延大。杂，传输时延大。 internet采用数据报方式

9、。采用数据报方式。 * * 虚电路方式虚电路方式: :先在用户之间建立逻辑连接（虚电路），先在用户之间建立逻辑连接（虚电路）， 分组沿虚电路顺序发送，发送完，逻辑连接释放。分组沿虚电路顺序发送，发送完，逻辑连接释放。 特点特点：是面向连接的交换方式。延时小，软件简单，故障时：是面向连接的交换方式。延时小，软件简单，故障时 需要重新建立连接。需要重新建立连接。 X.25分组交换网采用。分组交换网采用。 16 D 3 A 存储器存储器 PAD 接口接口 PAD 接口接口 存储器存储器 D D 2 C 1 C C 分组交换机甲分组交换机甲 分组交换机乙分组交换机乙 1 C 2 D D1 存储器存储器

10、 B A-C:用用数据报数据报方式方式,各分各分 组独立选择路由组独立选择路由 B-D:采用采用虚电路虚电路方式方式,各各 分组按已建立的虚分组按已建立的虚 电路顺序传送电路顺序传送 PAD: packet Assemble and Disassemble分组装拆接分组装拆接 口口 3 D 2 D 1 D C 2 2 2 2C 分组交换机丙分组交换机丙 C 工工 作作 原原 理理 示示 意意 17 虚电路的特点：虚电路的特点： (1) 虚电路的路由选择仅仅发生在虚电路建立的时候，在以后的 传送过程中，路由不再改变，这可以减少节点不必要的通信处理。 (2) 由于所有分组遵循同一路由，这些分组将以

11、原有的顺序到 达目的地，终端不需要进行重新排序，因此分组的传输时延较小。 (3) 一旦建立了虚电路，每个分组头中不再需要有详细的目的 地地址，而只需有逻辑信道号就可以区分每个呼叫的信息，这可以 减少每一分组的额外开销。 18 (4) 虚电路是由多段逻辑信道构成的，每一个虚电路在它经过的 每段物理链路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级连构成了端 到端的虚电路。 (5) 虚电路的缺点是当网络中线路或者设备发生故障时，可能 导致虚电路中断，必须重新建立连接。 (6) 虚电路的使用场合：虚电路适用于一次建立后长时间传送 数据的场合，其持续时间应显著大于呼叫建立时间，如文件传送、 传真业务等。 19

12、数据报的特点：数据报的特点： (1) 用户的通信不需要有建立连接和清除连接的过程，可以直 接传送每个分组，因此对于短报文通信效率比较高； (2) 每个节点可以自由地选路，可以避开网中的拥塞部分，因 此网络的健壮性较好。对于分组的传送比虚电路更为可靠，如果一 个节点出现故障，分组可以通过其它路由传送。 (3) 数据报方式的缺点：分组的到达不按顺序，在终点各分组 需重新排队；并且每个分组的分组头要包含详细的目的地址，开销 比较大。 (4) 数据报的使用场合：数据报适用于短报文的传送，如询问/ 响应型业务等。 20 4.2.1 面向连接分组交换网 * 面向连接分组交换，目的节点地址只在虚连接建立过程

13、 中有效，用作交换机选路由和分配逻辑信道标记。 * 一条虚电路（源节点到目的节点）由多段通信链路组成， 每段链路由一个逻辑信道标号LCN (Logical Channel Number)标记，该标记只在两节点间的直连链路上有效。 * 传送分组数据时，源节点将分配的局部有效的逻辑信道 标号装配在数据分组头部一起传送，历经的中间交换机 根据标号查表确定转发路径和下一段链路的逻辑信道标 号。 21 虚通路和逻辑信道的概念 * 逻辑信道：是两端点之间建立数据分组传送连接的标志，即对某 个通信分配的标识，主要用途是在交换传送过程中能正确识别 分组所属和正确转交。 * 虚电路：是源端到目的端所历经的各个逻

14、辑信道的组合，一条虚 电路可由多段逻辑信道组成。 * 所谓虚电路，就是对用户传送数据而言似乎存在着一条通路， 但是虚电路没有物理上的对应，只是一种标记。 虚电路逻辑信道 * 两个DTE之间端到端连接 * 每个DTE可以使用不同逻辑信道 * 虚电路只是在建立后才存在，而 PVC固定存在 * DTE与DCE之间的局部实体 * 一个逻辑信道只能分配一个虚电路 * 逻辑信道总是存在的，或是被分配 到虚电路上，或为“就绪”状态 22 4.2.3 两种网络的比较 对比内容对比内容面向连接网络面向连接网络无连接网络无连接网络 倡导者的技术领域倡导者的技术领域电信电信计算机计算机 分组头部中的用户标分组头部中

15、的用户标 识信息识信息 逻辑子信道标号逻辑子信道标号完整的源、目的地址完整的源、目的地址 转发处理开销转发处理开销低低高高 头部开销头部开销低低高高 路由选择路由选择仅在建连接时进行仅在建连接时进行对每个分组进行对每个分组进行 交换节点失效时交换节点失效时所有经过它的虚电路所有经过它的虚电路 都不能工作都不能工作 少数分组丢失，此后少数分组丢失，此后 的通信还可进行的通信还可进行 一次通信任务内分组一次通信任务内分组 的转发路径的转发路径 都相同都相同可能互不相同可能互不相同 分组顺序分组顺序能够保证端到端顺序能够保证端到端顺序不能保证不能保证 服务质量保证支持服务质量保证支持相对容易相对容易

16、较困难较困难 23 F A C分组头分组头信息字段 信息字段FCS F FC FCSF 分组头分组头A 报文报文 AFC F FCS 分组头分组头 高级数据链路高级数据链路 控制规程标识控制规程标识 4.2.4 分组的格式分组的格式 24 整个报文信息分成数据块，每个数据块加上高级数据整个报文信息分成数据块，每个数据块加上高级数据 链路控制规程标识链路控制规程标识HDLC、分组头、帧校检序列以帧的、分组头、帧校检序列以帧的 形式在信道上传输。形式在信道上传输。 F：定界标志，标识分组的边界定界标志，标识分组的边界 A：地址字段，表示链路层的次站地址与网络层的目的：地址字段，表示链路层的次站地址

17、与网络层的目的 地址及选路无关地址及选路无关 C：控制字段，指示帧的类型：控制字段，指示帧的类型 （信息帧（信息帧I，监控帧，监控帧S(按级就绪、未就绪、拒绝按级就绪、未就绪、拒绝)， 无编号帧无编号帧U(控制链路的序列断开控制链路的序列断开DISC和建立和建立SABM)） FCS：帧校验，为帧校验，为CRC校验码校验码 I：信息字段，传送用户信息。长度可变。：信息字段，传送用户信息。长度可变。 25 采用平衡型链路访问规程采用平衡型链路访问规程LAPB (Link Access procedure Balanced )的帧结构。的帧结构。 LAPB是是HDLC的的帧结构的一个子集。帧结构的一

18、个子集。 FFCSICAF 8 8 8 长度可变 长度可变 16 8 帧头帧头 信息字段信息字段 帧尾帧尾 LAPB的帧结构的帧结构 1 0S SP/FN(R) 0 0N(S)PN(R) 1 1M MP/FM M M (a) I帧 (b) S帧 (c) U帧 1 2 3 4 5 6 7 8 P/F:探寻位/终止位 （1）命令帧P用于引导对端发送 响应帧。如P=1 （2）响应帧F用于对P=1的命令帧 做出响应。即P=1=F 26 (1) 标志标志F，采用01111110序列，区分两个不同的分 组单元，标志一个分组的开始或结束。 为了避免分组单元内出现伪标志，采用信息码中 连续5个连“1”自动插入

19、“0”，收端5个连“1”自 动除去“0”的比特填充技术，保证对数据透明传 送。 27 (2) 帧地址字段帧地址字段(A)，在X.25协议中，该字段用来区分 两个方向的命令/响应帧以及单链路/多链路。 * 单链路，DCE发送命令/响应用A类，DTE用B类。 * 多链路，DCE用C类，DTE用D类。 地址类型地址类型链路配置链路配置二进制地址值二进制地址值 A 单链路单链路 00000011 B00000001 C 多链路多链路 00001111 D00000111 28 (3) 帧的控制字段帧的控制字段(C)，指示帧类型，规定了3种类型。 *信息帧（信息帧（I）:用于传输分组层之间的信息，第三层

20、交给用于传输分组层之间的信息，第三层交给 第二层的信息都装配成信息帧的格式。第二层的信息都装配成信息帧的格式。 bit 1为0，其余用作模8的发送顺序号N(S) 和接收顺序号N(R)。 *监控帧监控帧(S):用于保证信息帧的正确传送，3个类型： RR帧：收端准备好，期望接收序号为N(R)的下一个帧； RNR帧：示忙，希望对方暂停发送； REJ帧：拒绝了序号N(R)的帧，要求重发，此前帧确认。 *无编号帧无编号帧(U):用于对链路建立和断开过程控制。 包括:置异步平衡方式(SABM)、断开链路(DISC)、 已断开链路(DM)、确认(UA)和帧拒绝(FRMR) 。 29 (4) 信息字段信息字段

21、(I)：长度可变8n，只在信息帧中 有，其他类型帧没有。其内容为分组层帧。 (5) 帧校验序列帧校验序列(FCS)，通过16bit CRC校验操作后 的余数，收端利用CRC校验检错，出错时丢弃该 分组，并通知对端重发。 30 链路层操作过程链路层操作过程 三个阶段：链路建立、信息传送、链路断开。三个阶段：链路建立、信息传送、链路断开。 DTEDCE SABM UA UA DISC 链路建立链路建立 信息传送信息传送 链路断开链路断开 U帧 帧 I帧、帧、S帧帧 U帧 帧 发送和接收分组层数据发送和接收分组层数据 （封装在（封装在I帧），帧）， 用用S帧进行流量帧进行流量/差错控制差错控制 31

22、 分组头: 3个字节构成 通用格式标识符:主要用来区分分组是用户信息还是控制 信息，还有确认方式、分组顺序编号的模式。 逻辑信道组号和逻辑信道号:是分组的地址标记，标识 不同的子信道或用户信息。 分组类型标识符:区分不同的分组 通用格式标识符 GFC Q D S S 逻辑信道组号 LCGN 逻辑信道号 LCN 分组类型标识符 TYPE 8 7 6 5 4 3 2 1 X X=0为数据分组， 传送用户数据。 X=1为控制分组， Q:限定符比特。限定符比特。 Q=0 用户数据分组用户数据分组 Q=1 控制信息分组控制信息分组 D=0 数据分组由本地确认数据分组由本地确认 D=1 数据分组进行端到端

23、确认数据分组进行端到端确认 SS=01 分组的顺序编号按模分组的顺序编号按模8方式工作方式工作 SS=10 按模按模128方式工作方式工作 （逻辑信道标识符逻辑信道标识符） 32 分组类型: 呼叫建立分组:用于两个DTE之间建立虚电路。(呼 叫请求分组，入呼叫分组，呼叫接受分组，呼叫连接 分组) 数据传输分组: 恢复分组:实现分组层的差错控制(复位分组，再启 动分组，诊断分组) 呼叫释放分组:用于释放虚电路(释放请求分组，释 放指示分组，释放证实分组) 不同类型分组的格式有所不同，如:有的就不包括 信息字段，具体见p.169表5.3。 33 4.3 分组网络的路由选择 路由选择原则: 使报文通

24、过网络的平均延迟时间较短 平衡网内业务量 实现路由选择的路由算法: 固定路由算法和自适应路由算法 固定路由算法：根据网络结构，传输线路的速率途径交换机的个数 等，预先算出某一个交换机至各交换机的路由表，说明该交换机 至各目的交换机的路由选取的第一选择，第二选择，第三选择等。 自适应路由算法：路由选择过程中所用的路由表要考虑网内当前业 务量情况，线路畅通情况，并对网络结构发生变化时及时更新， 以便在新情况下获得较好路由，每隔一段时间要重新算一次。 34 电路交换是立即损失制，若找不到空闲路由，呼叫建 立就告失败，分组交换是时延损失制，只要传输链路不全 部阻断，路由选择总能选到一条链路。 1 流量

25、控制的对象及目的 为了实现不同速率的数据终端之间的通信，要控制速率 较高的终端进入分组网的流量，即控制进入虚电路的分 组数（控制终端到网络节点之间的流量） 从网络路角度上，控制各虚电路与链路的流量，使全网 的分组流量在设计范围内，防止拥塞现象发生。（通信 量超过交换机的存储器容量和通信线路的承受能力）。 4.4 流量控制与拥塞控制 35 2 流量控制方法 信道队列法： 一个链路或一个虚电路对应一个队列，节点监视这 些队列的占用情况，若超过门限值，后读到达的分组 就丢弃，以后再重传。 预约缓冲区法： 源节点在发送报文之前必须先向目的节点申请，缓 冲空间，目的节点如有足够的空间可供分配就向源节 点

26、发送“准备接收”应答分组，然后源节点才能向目 的节点发送预约数目的分组。 36 拥塞：通常是由于随机业务流经某一链路时超出了该 链路的最大负荷引起拥堵。 解决办法： 通知源端减慢发送速度； 选择其他路径传送分组。 37 4.5 分组网络性能指标与服务质量 4.5.1 性能指标 * * 带宽：带宽：指每秒可向信道中注入的比特数，也称作吞吐量。 * * 延迟：延迟：包括发送延迟、传播延迟和处理延迟。 发送延迟，也称传输延迟，分组“注入”信道所需 时间，计算方法是：发送延迟=分组长度信道带 宽。 传播延迟，分组从信道一端传到另一端所需时间， 计算方法是：传播延迟=信道长度信号传播速率。 处理延迟，交换节点对分组进行存储转发处理所花 费时间的