分组交换原理市公开课一等奖省赛课获奖课件

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需要而产生。

数据通信—凡是在终端以编码方式表示信息，用脉冲形式在信道上传送信息都叫数据通信。1分组交换原理第1页数据通信特点电路交换不适应性高可靠性要求。一位编码错了表示意思完全不一样电路交换是透明传输(没有差错控制方法)连续时间短，90%用户数据通信连续时间＜50s，突发性电话通信平均连续时间为5分。电路交换通路建立时间长，平均15s，较短数据通信花去较长通路建立时间不划算。数据通信速率改变，30bit/s（聊天）～nMbit/s（传图像）电路交换每话路传输速率固定为64kbit/s，不能适应业务速率动态改变。2分组交换原理第2页4.1.1分组交换诞生计算机技术分组交换电路交换

交换数据：高速、大容量和时延小；以分组为单位存放转发。缺点：

1、固定占用带宽；

2、线路利用率低；

3、双方必须以相同数据率进行发送和接收。

数据业务：能够进行资源共享；含有突发性特点；并有高度可靠性；含有严格差错控制。3分组交换原理第3页分组交换本质特征*数据被封装成份组后，对于占用传送位置无要求，可采取统计复用，先来先传。*因为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，所以分组交换采取“存放-检验-转发”交换方式。4分组交换原理第4页4.1.2分组交换概念分组交换基本思想：把用户要传送信息分成若干个小数据块，即分组(packet)，这些分组长度较短，并含有统一格式，每个分组有一个分组头，包含用于控制和选路相关信息。5分组交换原理第5页两个关键统计时分复用STDM(StatisticalTime

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，组成份组，按照先来先服务复用传输信道。属于动态分配共享资源，可提升传输信道带宽利用率。存放转发：指分组数据抵达交换机先进行缓存，检验无错后再依据分组中携带目标地址和资源情况选择路由，将分组经出口连路转发输出。6分组交换原理第6页

分组形成

通信电文FAC分组头FFCS要求长度数据FAC分组头F要求长度数据分组1FAC分组头F分组2分组3通信电文分组打包示意F：标志序列A：地址字段C：控制字段FCS：帧校验序列FCSFCS7分组交换原理第7页统计时分复用

ab12xySTDMax12yb空闲黑颜色为分组标识终端A终端B终端C统计时分复用示意图8分组交换原理第8页工作过程*各分组按排队，形成队列，STDM按照FIFO标准，从队列中逐一取出分组向线路上发送。*在高速传输线上，形成了各用户分组交织传输。输出数据不是按固定时间分配，而是依据用户需要进行。*这些用户数据区分不像同时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“标识”来区分。9分组交换原理第9页分组交换过程H1H2H4H6H3H5ABCD数据...E数据...10分组交换原理第10页分组交换特点

(1)线路利用率较高。(2)异种终端通信。(3)数据传输质量好、可靠性高。(4)负荷控制。(5)经济性好。信息传送时延大。增加开销。协议和控制比较复杂。11分组交换原理第11页4.1.3报文交换*报文交换，也属于分组型数据交换，区分是数据单元包含用户一次通信中全部数据内容。*报文交换也采取存放转发模式，特点是分组长度较大，有较大传送时延。12分组交换原理第12页

报文交换与分组交换对比

13分组交换原理第13页4.2分组交换网主要形式两种主要形式：面向连接和无连接*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：随时可进行数据传送，网络总是处于准备好状态。14分组交换原理第14页两种工作模式*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；各分组逐节点地独立选择路由、转发。

特点：是无连接交换方式。灵活，网络利用率高，软件复杂，传输时延大。

internet采取数据报方式。*虚电路方式:先在用户之间建立逻辑连接（虚电路），分组沿虚电路次序发送，发送完，逻辑连接释放。

特点：是面向连接交换方式。延时小，软件简单，故障时需要重新建立连接。

X.25分组交换网采取。15分组交换原理第15页D3A存放器PAD接口PAD接口存放器DD2C1CC分组交换机甲分组交换机乙1C2DD1存放器BA-C:用数据报方式,各分组独立选择路由B-D:采取虚电路方式,各分组按已建立虚电路次序传送

PAD:packetAssembleandDisassemble分组装拆接口3D2D1DC2222C分组交换机丙C

工作原理示意16分组交换原理第16页虚电路特点：

(1)虚电路路由选择仅仅发生在虚电路建立时候，在以后传送过程中，路由不再改变，这能够降低节点无须要通信处理。

(2)因为全部分组遵照同一路由，这些分组将以原有次序抵达目标地，终端不需要进行重新排序，所以分组传输时延较小。

(3)一旦建立了虚电路，每个分组头中不再需要有详细目标地地址，而只需有逻辑信道号就能够区分每个呼叫信息，这能够降低每一分组额外开销。17分组交换原理第17页

(4)虚电路是由多段逻辑信道组成，每一个虚电路在它经过每段物理链路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级连组成了端到端虚电路。

(5)虚电路缺点是当网络中线路或者设备发生故障时，可能造成虚电路中止，必须重新建立连接。

(6)虚电路使用场所：虚电路适合用于一次建立后长时间传送数据场所，其连续时间应显著大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。18分组交换原理第18页

数据报特点：

(1)用户通信不需要有建立连接和去除连接过程，能够直接传送每个分组，所以对于短报文通信效率比较高；

(2)每个节点能够自由地选路，能够避开网中拥塞部分，所以网络健壮性很好。对于分组传送比虚电路更为可靠，假如一个节点出现故障，分组能够经过其它路由传送。

(3)数据报方式缺点：分组抵达不按次序，在终点各分组需重新排队；而且每个分组分组头要包含详细目标地址，开销比较大。

(4)数据报使用场所：数据报适合用于短报文传送，如问询/响应型业务等。19分组交换原理第19页4.2.1面向连接分组交换网*面向连接分组交换，目标节点地址只在虚连接建立过程中有效，用作交换机选路由和分配逻辑信道标识。*一条虚电路（源节点到目标节点）由多段通信链路组成，每段链路由一个逻辑信道标号LCN(LogicalChannelNumber)标识，该标识只在两节点间直连链路上有效。*传送分组数据时，源节点将分配局部有效逻辑信道标号装配在数据分组头部一起传送，历经中间交换机依据标号查表确定转发路径和下一段链路逻辑信道标号。20分组交换原理第20页虚通路和逻辑信道概念*逻辑信道：是两端点之间建立数据分组传送连接标志，即对某个通信分配标识，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：是源端到目标端所历经各个逻辑信道组合，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，不过虚电路没有物理上对应，只是一个标识。虚电路逻辑信道*两个DTE之间端到端连接*每个DTE能够使用不一样逻辑信道*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，或是被分配到虚电路上，或为“就绪”状态21分组交换原理第21页4.2.3两种网络比较

对比内容面向连接网络无连接网络提倡者技术领域电信计算机分组头部中用户标识信息逻辑子信道标号完整源、目标地址转发处理开销低高头部开销低高路由选择仅在建连接时进行对每个分组进行交换节点失效时全部经过它虚电路都不能工作少数分组丢失，今后通信还可进行一次通信任务内分组转发路径都相同可能互不相同分组次序能够确保端到端次序不能确保服务质量确保支持相对轻易较困难22分组交换原理第22页FAC分组头信息字段FCSFFCFCSF分组头A报文AFCFFCS分组头高级数据链路控制规程标识4.2.4分组格式23分组交换原理第23页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HDLC、分组头、帧校检序列以帧形式在信道上传输。F：定界标志，标识分组边界A：地址字段，表示链路层次站地址与网络层目标地址及选路无关C：控制字段，指示帧类型（信息帧I，监控帧S(按级就绪、未就绪、拒绝)，无编号帧U(控制链路序列断开DISC和建立SABM)）FCS：帧校验，为CRC校验码I：信息字段，传送用户信息。长度可变。24分组交换原理第24页采取平衡型链路访问规程LAPB(Link

AccessprocedureBalanced)帧结构。LAPB是HDLC帧结构一个子集。FFCSICAF

888长度可变

168帧头信息字段帧尾LAPB帧结构10SSP/FN(R)0N(S)PN(R)11MMP/FMMM(a)I帧(b)S帧(c)U帧12345678P/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命令帧

做出响应。即P=1=F25分组交换原理第25页(1)标志F，采取01111110序列，区分两个不一样分组单元，标志一个分组开始或结束。为了防止分组单元内出现伪标志，采取信息码中连续5个连“1”自动插入“0”，收端5个连“1”自动除去“0”比特填充技术，确保对数据透明传送。26分组交换原理第26页(2)帧地址字段(A)，在X.25协议中，该字段用来区分两个方向命令/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。地址类型链路配置二进制地址值A单链路00000011B00000001C多链路00001111D0000011127分组交换原理第27页(3)帧控制字段(C)，指示帧类型，要求了3种类型。*信息帧（I）:用于传输分组层之间信息，第三层交给第二层信息都装配成信息帧格式。bit1为0，其余用作模8发送次序号N(S)和接收次序号N(R)。*监控帧(S):用于确保信息帧正确传送，3个类型：RR帧：收端准备好，期望接收序号为N(R)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)帧，要求重发，以前帧确认。*无编号帧(U):用于对链路建立和断开过程控制。包含: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)。28分组交换原理第28页(4)信息字段(I)：长度可变8n，只在信息帧中有，其它类型帧没有。其内容为分组层帧。(5)帧校验序列(FCS)，经过16bitCRC校验操作后余数，收端利用CRC校验检错，犯错时丢弃该分组，并通知对端重发。29分组交换原理第29页链路层操作过程三个阶段：链路建立、信息传送、链路断开。DTEDCESABMUAUADISC链路建立信息传送链路断开U帧I帧、S帧U帧发送和接收分组层数据（封装在I帧），用S帧进行流量/差错控制30分组交换原理第30页分组头:3个字节组成通用格式标识符: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、分组次序编号模式。逻辑信道组号和逻辑信道号:是分组地址标识，标识不一样子信道或用户信息。分组类型标识符:区分不一样分组通用格式标识符GFCQDSS

逻辑信道组号LCGN逻辑信道号LCN分组类型标识符TYPE87654321XX=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。Q=0用户数据分组Q=1控制信息分组D=0数据分组由当地确认D=1数据分组进行端到端确认SS=01分组次序编号按模8方式工作SS=10按模128方式工作（逻辑信道标识符）31分组交换原理第31页分组类型: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，呼叫接收分组，呼叫连接分组)数据传输分组:恢复分组:实现分组层差错控制(复位分组，再开启分组，诊疗分组)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)

不一样类型分组格式有所不一样，如:有就不包含信息字段，详细见p.169表5.3。32分组交换原理第32页4.3分组网络路由选择路由选择标准:①使报文经过网络平均延迟时间较短②平衡网内业务量实现路由选择路由算法:

固定路由算法和自适应路由算法固定路由算法：依据网络结构，传输线路速率路径交换机个数等，预先算出某一个交换机至各交换机路由表，说明该交换机至各目标交换机路由选取第一选择，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路由表要考虑网内当前业务量情况，线路通畅情况，并对网络结构发生改变时及时更新，方便在新情况下取得很好路由，每隔一段时间要重新算一次。33分组交换原理第33页电路交换是马上损失制，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流量控制对象及目标⑴为了实现不一样速率数据终端之间通信，要控制速率较高终端进入分组网流量，即控制进入虚电路分组数（控制终端到网络节点之间流量）⑵从网络路角度上，控制各虚电路与链路流量，使全网分组流量在设计范围内，预防拥塞现象发生。（通信量超出交换机存放器容量和通信线路承受能力）。4.4流量控制与拥塞控制34分组交换原理第34页2流量控制方法⑴信道队列法：一个链路或一个虚电路对应一个队列，节点监视这些队列占用情况，若超出门限值，后读抵达分组就丢弃，以后再重传。⑵预约缓冲区法：源节点在发送报文之前必须先向目标节点申请，缓冲空间，目标节点如有足够空间可供分配就向源节点发送“准备接收”应答分组，然后源节点才能向目标节点发送预约数目标分组。35分组交换原理第35页拥塞：通常是因为随机业务流经某一链路时超出了该链路最大负荷引发拥堵。处理方法：通知源端减慢发送速度；选择其它路径传送分组。36分组交换原理第36页4.5分组网络性能指标与服务质量4.5.1性能指标*带宽：指每秒可向信道中注入比特数，也称作吞吐量。*延迟：包含发送延迟、传输延迟和处理延迟。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。传输延迟，分组从信道一端传到另一端所需时间，计算方法是：传输延迟=信道长度／信号传输速率。处理延迟，交换节点对分组进行存放转发处理所花费时间总和。37分组交换原理第37页4.5分组网络性能指标与服务质量(QoS)*延迟抖动：指一次通信中分组端到端延迟改变程度，会对流媒体传送有影响。*分组丢失率：分组在传输过程中犯错或丢失概率。线路误码率通常很低，分组丢失主要因为交换节点缓存空间有限而使分组排队溢出造成。38分组交换原理第38页4.5.2网络服务质量*服务质量QoS(Quality

of

Service)是对网络性能指标（如带宽、延迟、丢失率等