数据通信原理—分组交换

1、数据通信系统设计-数据通信原理课程设计姓 名 张娜 学 号 P111813684 学 院 电气工程学院 专业班级 2011级通信工程1班 摘 要 随着微电子技术、计算机技术的飞速发展, 交换技术得到了空前的发展。从电话交换一直到当今数据、综合业务数字交换, 交换技术经历了从人工交换到自动交换的过程。介绍了分组交换技术的一些基本概念及其开发应用, 阐述了分组交换技术在我国的发展现状, 指出分组交换技术是适应计算机通信要求而发展起来的一种先进的通信技术,本文介绍了分组交换技术和数据通信网的一些基本概念及其特点。关键字: 分组交换 数据通信 协议目 录1.引言12.数据通信系统12.1数据终端设备1

2、2.2数据电路22.3中央计算机系统23.数据通信系统设计23.1数据通信系统框图及功能23.1.1 用户33.1.2 分组33.1.3 信源编码33.1.4 加密33.1.5信道编码33.1.6 数字调制33.1.7 复用技术33.1.8 抽样判决器33.2分组交换数据网33.2.1 分组交换数据网的构成33.2.2 分组交换数据网的主要设备44. 分组交换网的主要技术原理84.1统计时分复用84.2 虚电路与数据报84.2.1虚电路84.2.2数据报94.3分组交换的技术特点95.分组交换网通信协议105.1 X.25105.1.1 X.25的层次105.1.3 X.25的网络层115.2

3、 X.3、X.28和X.29115.2.1 X.3115.2.2 X.28126.分组交换网的路由选择127.分组交换网提供的业务功能138.总结16参考文献171.引言分组交换技术是由数据通信发展而来的。在20世纪60年代，随着计算机的发展和广泛应用，为解决信息资源和设备资源的共享问题，在计算机之间利用通信手段交换信息，数据通信技术应运而生。传统的通信网络都是在电路交换网上加装数据传输设备之后进行数据传输，这种通信模式具有时延小、信息传输效率高等优点。但是，这种模式的缺点也是显而易见的，那就是电路利用率较低，由两台计算机之间的电路固定分配给它们使用。在它们的通信间隙，别的用户无法使用其中的线

4、路，为提高线路的利用率就需要对网络交换方式进行修改。分组交换是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换，进行分组交换的通信网称为分组交换网。 2.数据通信系统数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。数据通信系统的基本构成如图2-1所示。图2-1 数据通信系统的基本结构2.1数据终端设备数据终端设备（DTE）由数据输入设备（产生数据的数据源）、数据输出设备（接收数据的数据宿）和

5、传输控制器组成。数据输入输出设备的作用类似于电话与电报通信中的电话机和电传机，他在发送端把人们的数据信息变成以数字代码表示的数据信号，即将数据转换为数据信号；接收端完成相反的变换，即把数据信号还原为数据。传输控制器的作用是完成各种传输控制，如差错控制、终端的接续控制、确认控制、传输顺序控制和切断控制等。2.2数据电路 数据电路位于DTE与计算机系统之间，它的作用是为数据通信提供传输通-道。在数据电路两端收发的是二进制“1”和“0”的数据信号。数据传输电路要保证DTE的数据信号送到计算机系统以及由计算机系统送回DTE。数据电路由传输信道及其两端的数据电路终接设备（DCE）组成。2.3中央计算机系

6、统中央计算机系统由通信控制器、主机及其外围设备组成，具有处理从数据终端设备输入的数据信息，并将处理结果向相应的数据终端设备输出的功能。通信控制器是数据电路和计算机系统的接口，控制与远程数据终端设备连接的全部通信信道，接收远端DTE发来的数据信号，并向远端DTE发送数据信号。主机又称为中央处理机，由中央处理单元（CPU）、主存储器、输入输出设备以及其他外围设备组成，其主要功能是进行数据处理。3.数据通信系统设计3.1数据通信系统框图及功能图3-1 数据通信系统框图图3-1为基于分组交换网的数据通信系统结构示意图。其各模块的功能如下示。3.1.1 用户用户，即用户终端，也就是信源。是通信发起者。3

7、.1.2 分组分组，是为主机发送数据报分配一个唯一的数据报标识符。表示数据分组的顺序。去分组则完成与之相反的工作。3.1.3 信源编码信源编码的作用一是减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩;作用二是将心愿的模拟信号转化为数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。其过程就是将模拟信号通过抽样、量化、编码转化成数字信号。3.1.4 加密加密是为了通信的安全性，在传输之前进行一种数据保密处理。伪装明文的操作成为加密。加密时所使用的变换规则成为加密算法。3.1.5信道编码信道编码目的是差错控制编码，降低误码率，提高通信的可靠性。差错控制的核心是抗干扰编码，或者差错控制编码，简称纠错编码，也叫信

8、道编码。3.1.6 数字调制数字调制是为了是数字信号适合信道的传输而进行的处理的调制技术。本设计中用的是FSK调制技术。数字解调完成相反的工作，解调技术为相干载波解调。3.1.7 复用技术复用技术是为了使用路用户信息能在一条中继线上传输。解复用完成相反工作。本设计中采用异步时分复用技术。3.1.8 抽样判决器抽样判决器是将接收到的数字信号还原成0,1代码。 3.2分组交换数据网3.2.1 分组交换数据网的构成计算机通信的特点是传送信息的突发性，信息的传送希望在短时间内完成。分组交换方式的动态复用信道特性非常适合计算机通信，因此分组交换网得到了迅速发展，当前已开通世界范围的分组交换数据网。分组交

9、换网的基本结构如图3-2所示。通常采用分级结构，根据业务流量、流向和行政地区设立各级分组交换中心。一级交换中心可用中转分组交换机或中转与本地合一的分组交换机。一级交换中心相互连接构成的网通常称为骨干网。一级中心一般设在大中城市。由于大中城市之间的业务量一般较大，且各个方向都有，所以骨干网一般采用全连通的不完全网状网的拓扑结构。二级以下的交换中心一般设在中小城市。由于中小城市间业务量一般较少，而它与大城市之间的业务量一般较多，所以它们之间一般采用星状拓扑结构，必要时也可采用不完全网状拓扑结构。分组交换网由分组交换机、网络管理中心、远程集中器与分组装拆设备、分组终端和传输信道等组成。图3-2分组交

10、换网的基本结构3.2.2 分组交换数据网的主要设备1.分组交换机 分组交换机是分组数据网的枢纽。根据交换机在网中所处地位的不同，可分为中转交换机和本地交换机。前者容量大，每秒能处理的分组数目多，所有通路端口都是用于分组交换机之间互连的中继端口，为此该机的路由选择功能强，能支持的线路速率高；后者通信容量小，每秒能处理的分组数目少，绝大部分的线路端口为用户端口，主要接至用户数据终端，只允许一个或几个通路端口作为中继端口接至中转交换机，它具有本地交换的功能，所以它们无路由选择功能或仅有简单的路由选择功能。有时，为了网路的灵活，把上述两种交换机功能合二而一，称为本地与中转合一的分组交换机，它既有中转交

11、换机的功能，又有用户端口。分组交换机主要有下列功能：(1)其支持网路的基本业务(虚呼叫、永久虚电路)及补充业务，如闭合电路群、快速选择、网路用户识别等；(2)其可进行路由选择，以便在两个DTE之间选择一条较合适的路由；进行流量控制，以使不同速率的终端也能进行互相通信.(3)其可实现X.25、X.75等多种协议；(4) 其可完成局部的维护、运行管理、报告与诊断、计费及一些网路的统计等功能。2. 网管中心为了使全网有效、协调地运行，甚至在网路中发生故障时仍能正常运行，同时也为网路管理者和用户提供友好与方便的服务，全网设立网络管理中心(NMC)。网络管理有两种方式，即集中管理和集中与分散相结合管理。

12、集中管理方式适合于网络规模较小场合，全网只设一个网管中心。网络规模较大时采用集中与分散相结合的管理方式，如图3-3所示。这种方式中，全网设立一个全网管理中心(NMCC)及若干个区域网络管理中心(NMCR)。通过NMCC可管理全网的骨干网及各区域的NMCR，但它可以通过相关命令了解全网运行情况及有关信息。若网中某个NMCR发生故障时，可由NMCC或另外的NMCR代替其工作。图3-3 集中与分散相结合的网路管理方式网路管理中心的功能一部分由该设备自动完成，另一部分通过操作员终端由人工对网路进行管理与控制。其主要功能有：1) 网路配置管理与用户管理2) 日常运行数据的收集与统计3) 路由选择管理4)

13、 NMC通过网络对各交换机软件加载及修改5) 网络监测、故障告警与网络状态显示6) 计费管理3. 分组装拆设备和远程集中器计算机和智能终端与分组网之间的接口是按ITU-TX.25建议实施的，它们都称为分组终端。对于较简单的异步字符终端(无X.25接口的终端)，可通过分组装拆设备(PAD)接入分组网内。(1)分组装拆设备(PAD)PAD可以安装在分组交换机内，也可设在远离分组交换机的地方，采用X.25协议接至分组交换机，PAD主要有两个功能：a) 规程转换功能PAD可把非分组终端的简单接口规程与X.25协议进行相互转换。完成字符的组装和分组的拆卸。b) 数据集中功能PAD可把各终端的字符数据流组

14、成的分组，按照X.25协议在PAD至分组交换机的中、高速线路上交织复用。(2)远程集中器(RCU)RCU的功能介于分组交换机与PAD之间，也可将其理解为PAD的功能与容量的扩充。它不仅允许非分组终端接入(通过RCU内的PAD)，也允许分组终端接入(通过RCU的X.25同步端口)。RCU的主要功能有两项：a) 数据集中功能和规程转换功能b) 本地交换功能4. 分组终端具有X.25协议接口的分组终端是能接入分组数据交换网的数据通信终端设备。它可以是一个独立的设备也可以在个人计算机(PC)的插槽内插入一块通信接口板并配有X.25软件所构成。分组终端是具有X.25接口的设备总称。一般分组终端都有基本的

15、键盘会话、文件传送、支持多用户操作、支持多窗口和友好的人机界面等功能。5. 传输信道传输信道是构成分组数据交换网的主要组成部分之一。交换机之间的传输信道主要有两种形式，一种是PCM数字信道，另一种是模拟信道加调制解调器构成的信道。用户线路也有两种形式，一种是数字信道，另一种是市话线路加装调制解调器构成的信道。6. 进网方式电话拨号入网：用户采用X.28规程或X.32规程，用一个调制解调器通过公用电话网（PSTN）连到分组交换网上。专线入网：专线用户可租用市话模拟线或数字数据专线，采用X.28或X.25规程。方便地进入CHINAPAC。CHINAPAC向用户提供两种基本业务功能：交换虚电路指在两

16、个用户之间建立的临时逻辑连接。永久虚电路指在两个用户之间建立的永久性的逻辑连接。用户一开机，一条永久虚电路就自动建立起来了。4. 分组交换网的主要技术原理4.1统计时分复用时分复用是指将时间分成若干个时隙，每个时隙对应一个信道。如果该信道被某特定用户固定使用，如传统电路交换网中。也就是说不管有没有信息传送，该信道都不能被其他用户使用。如果该信道能被多用户复用，则为统计时分复用。统计时分复用有两种方式：面向连接的虚电路方式和面向无连接方式。统计时分复用是一种根据用户实际需要动态分配线路资源的时分复用方法。只有当用户有数据要传输时才给他分配线路资源，当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源，线路的

17、传输能力可以被其他用户使用。采用统计时分复用时，每个用户的数据传输速率可以高于平均速率，最高可达到线路总的传输能力。统计时分复用也叫异步时分复用：将所需传输的信息分成小块，附加标记。同一路信号可以占用同一桢中的不同时隙，不同路的信号根据标记加以区分。按照分组中的路由标记寻找出线。标志化信道异步时分多路复用技术，也叫做统计时分多路复用技术。指的是将用户的数据划分为一个个数据单元，不同用户的数据单元仍按照时分的方式来共享信道；但是不再使用物理特性来标识不同用户，而是使用数据单元中的若干比特，也就是使用逻辑的方式来标识用户。4.2 虚电路与数据报4.2.1虚电路虚电路是面向连接的数据传输，工作过程类

18、似于线路交换，不同之处在于此时的电路是虚拟的。采用虚电路方式传输时，物理媒体被理解为由多个子信道（称之为逻辑信道LC）组成，子信道的串接形成虚电路（VC），利用不同的虚电路来支持不同的用户数据的传输。 4.2.2数据报面向无连接的数据传输,工作过程类似于报文交换。采用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。 数据报的前部增加地址信息的字段，网络中的各个中间结点根据地址信息和一定的路由规则，选择输出端口，暂存和排队数据报，并在传输媒体空闲时，发往媒体乃至最终站点。 当一对站点之间需要传输多个数据报时，由于每个数据报均被独立地传输和路由，因此在网络中可能会走不同的路径，具有不同的时间延迟，按序发

19、送的多个数据报可能以不同的顺序达到终点。因此为了支持数据报的传输，站点必须具有存储和重新排序的能力。 4.3分组交换的技术特点（1） 线路利用率高 分组交换以虚电路的形式进行信道的多路复用，实现资源共享，可在一条物理线路上提供多条逻辑信道，极大地提高线路的利用率。使传输费用明显下降。（2） 互相通信不同种类的终端可以相互通信：分组网以X.25协议向用户提供标准接口，数据以分组为单位在网络内存储转发，使不同速率终端，不同协议的设备经网络提供的协议变换功能后实现互相通信。信息传输可靠性高：在网络中每个分组进行传输时，在节点交换机之间采用差错校验与重发的功能，因而在网中传送的误码率大大降低。而且在网

20、内发生故障时，网络中的路由机制会使分组自动地选择一条新的路由避开故障点，不会造成通信中断。（3）分组多路通信由于每个分组都包含有控制信息，所以分组型终端可以同时与多个用户终端进行通信，可把同一信息发送到不同用户。5.分组交换网通信协议为了使终端用户之间能够正确地传输信息，必须有一套关于信息传输过程、信息格式和内容等的约定，按计算机通信术语来说，即为通信协议。用分组格式传输和交换数据的协议是分组交换协议。涉及分组交换的协议有许多，这里主要介绍X.25、X.28、X.29和X.3。5.1 X.25 X.25协议是“用专用电路连接到公用数据网上的分组式数据终端设备(DTE)与数据电路终接设备(DCE

21、)之间的接口协议”，是分组网中最重要的协议。5.1.1 X.25的层次X.25协议包含了三个独立的层，对应于OSI七层模型中的低三层，即物理层、数据链路层和网络层。各层在功能上互相独立，每一层接收来自下一层的服务，并为上一层提供服务。从高层来的消息在网络层被分为定长的数据块，并在其前面加上分组头，处理后送往数据链路层，在数据链路层上加上帧头及校验位标志(PCS)组成一个帧，再送往物理层进行传输，如图5-1所示。 图5-1 X.25的层次X.25的物理层就像是一条串行传输信息的通道，控制功能主要由数据链路层和网络层来完成。5.1.2 X.25的数据链路层数据链路层的主要功能是在DTE和DCE间有

22、效地传输数据，确保收发之间的同步及检测和纠正传输中的误码等。高级数据链路控制协议作为X.25的数据链路层的传输控制协议，是一种面向比特的同步通信协议，内容主要有：帧结构：规定了帧的格式和各字段的含义。协议要素：规定了不同格式的帧的命令及响应。协议类型：规定了数据链路层的操作方式。5.1.3 X.25的网络层 X.25的网络层定义了DTE和DCE之间传输分组的过程。其功能是在X.25接口处为每个用户提供一个逻辑信道，为每个用户的呼叫连接提供有效的分组传输，检测和恢复分组层的误码等。5.2 X.3、X.28和X.29前面已详细介绍了分组交换网的接口协议X.25，但是，要使用通过分组交换网进行通信的

23、计算机或终端，就必须有相应的硬件和软件支持X.25协议。我们把有能力支持X.25协议的终端称为X.25终端，没有能力支持X.25协议的终端称为非X.25终端或非分组终端。为了让非X.25终端也能通过分组交换网进行通信，就必须有一种具有分组处理能力的设备来帮助它完成X.25功能，这种设备我们称为PAD，它可以包含在网络设备(如分组交换机)中，也可以包含在用户设备中，而且也可以是一个独立的设备，用于连接非X.25终端与网络。它由X.3、X.28和X.29三个建议来规定其工作。X.3定义了一组参数，告诉PAD应当如何和与它相连接的终端工作；X.28定义了终端与PAD之间的接口协议；X.29的作用是帮

24、助PAD在通信中与远端X.25设备或PAD进行协商。5.2.1 X.3X.3规定了PAD的基本功能和用户可选功能，以及用以控制其工作的参数，共有22个。AD的功能也由这些参数值指定，这些值可以由网络操作人员设置，也可以由用户通过使用X.28命令自己修改，或由远端PAD或远端DTE通过X.29报文进行修改。5.2.2 X.28X.28定义了非X.25终端与PAD之间的接口协议，类似X.25，同样包括呼叫建立、数据传输、清除呼叫等，所不同的是，X.25是以分组为单位交换信息，而X.28是以字符串方式交换信息。5.2.3 X.29 X.29建议定义了一个PAD和一个X.25终端或另一个PAD交换控制

25、信息和用户数据的过程。X.29规定用X.25的Q=0指示是用户数据，使X.25终端与X.25终端通信；Q=1指示是PAD报文，使X.25终端与PAD通信。当PAD收到Q=1的分组时，将不发给非X.25DTE，而作为PAD报文进行分析。同样，若PAD要给远端DTE发送报文时，也将Q置为1。X.29报文包含有置/读PAD参数、清除虚电路、指示中止信号、误码指示和参数指示等，其格式由X.29定义。5.3 X.3、X.28、X.29与X.25的相互关系 4种协议之间的关系可以用图5-2表示。 图5-2 X.3、X.28、X.29与X.25的相互关系6.分组交换网的路由选择 路由选择是决定网络用户响应时

26、间的一个重要因素，对合理有效地使用网络资源（如结点缓冲器和链路容量）也有很大的影响。 分组交换网络的路由选择问题，即在给定网络的拓扑结构、链路容量以及源目的结点对之间的通信量后，为网络中所有源目的结点对从侯选路由集中选择一条最佳路由，以使信息通过网络的平均时延最小。同时路由选择算法应该具备一要求：正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性、最优性。 通信子网为网络源节点和目的节点提供了多条传输路径的可能性。网络节点在到一个分组后，要确定向要下节点传送的路径，这就是路由选择。 根据能否适应通信量和拓扑结构变化。非自适应（静态路由）：可靠性差、简单；自适应（动态路由）：实现复杂、可靠性高、实用。 路由

27、选择算法分类：扩散式路由算法，静态路由算法，动态路由算法。（1）扩散式路由算法：又称泛射法，属于非适应性路由悬着算法的一种。其优点：简单，可靠性高。（2）静态路由算法：属于查路由表法。查路由表法师在每个节点中使用路由表，它指明从该节点到网络中的任何终点应当选择的路径。（3）动态路由算法：属于查路由表法，确定路由的准则是最小时延算法。7.分组交换网提供的业务功能 分组交换网提供的业务功能分为基本业务和可选业务：基本业务是网络向所有用户都提供的功能，可选业务是根据用户要求而提供的功能。7.1 基本业务 分组交换网的基本业务包括交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)oSVC是指每次通信前，要先拨

28、号建立虚电路，通信结束后再释放虚电路，这类似于电话通信的拨号、挂机。SVC费用低，适用于随机性强、数据传输量小的场合。 PVC是用户和网络运营商事先约定好的，由网络运营商建立，省去了呼叫及释放虚电路的过程。PVC：永久占用网管资源，费用较高，适用于通信对象固定、数据传输量大的场合。7.2可选业务 目前，在公众分组交换网中提供了多种用户补充的可选业务。有的是预先登记好，在合同期内每次呼叫都提供的；有的是预先未登记，用户在某次呼叫时提出的要求在该次呼叫中提供的。当用户建立呼叫时，它在呼叫请求分组的业务功能字段中提出可选业务功能申请。每一种可选业务功能字段由一个功能码字节和跟随的多个参数字节构成。网

29、络对其进行审查，若符合，则网络继续向被叫用户发入呼叫分组：若不符合，则网络将清除该呼叫，并给出清除原因是由于可选业务不符；若用户申请的可选业务必须由被叫用户协商并确认的话，网络对它进行透明传输，协商和确认的结果包含在呼叫接受分组和清除呼叫分组中；若用户向网管预约了在线登记可选业务，则用户可以通过发送登记请求分组向网络动态申请可选业务，网络会用登记证实分组向用户返回结果。不是每个分组网都必须提供全部可选业务。下面对可选业务进行简单介绍：非标准窗口尺寸的协商 在DTE-DCE接口处，网络提供的窗口尺寸的缺省值为2。若用户需要，可选择其他窗口尺寸，该值在两个传输方向上应是一致的。非标准窗口尺寸协商的

30、功能码字节为01000011。非标准分组长度的协商一般分组网提供的分组长度值为32、64、128、256、512、1024(单位：B)，供用户选择。网络支持的标准分组长度为128B。若用户需要使用非标准分组长度，可在呼叫请求分组中加入该可选业务功能字段，其功能码为01000010。吞吐量等级协商吞吐量等级是虚电路上传输数据的最高速率，不应大于线路速率。用于协商该参数的可选业务功能码为00000010。中继时延选择用户可以为本次呼叫指定一个期望的中继时延值。该可选业务功能码为0100100l。呼叫重定向(CallRedirection)当被叫用户故障或因为忙不能接受一个呼叫时，使用该功能可以将呼叫转移到事先规定的另一个DTE上，并且DCE在入呼叫分组中通知新的DTE，该次连接为呼叫重定向，并告知发生的原因及原来的被叫DTE地址。当呼叫重定向到另一