第10章分组交换与帧中继

第5章分组交换与帧中继5.1分组交换5.2帧中继5.1分组交换

一、分组交换工作原理

1、最基本思想

分组交换最基本的思想是存储转发并实现通信资源共享。这种交换技术可以实现对网络资源的统计复用，信息传输时延短，数据传输可靠性高，特别适用于突发性的通信业务。2、分组交换通信系统组成

通常由数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）、分组交换网和交换协议共同组成，如图所示。分组交换协议：分为接口协议和网内协议。

接口重要核心协议：CCITTX.25

。内部协议：无统一标准。

分组网国际互联接口协议---CCITTX.75协议。在实际应用中，许多分组交换网的网内协议都是在X.75或X.25的基础上进行少量修改或增补而形成的。DTE：可以是计算机或是一般I/O设备，具有一定的处理、发送和接收数据能力。

分组交换网及X.25接口协议要求DTE具有X.25协议的处理能力，如果DTE具有这种处理能力，则该DTE称为标准的分组终端，否则称为非分组终端。对于非分组终端，如果其要利用分组交换网进行通信，则需要对其补增分组拆装功能，以实现其原有接口协议与X.25协议之间的转换。一、分组交换工作原理

3、分组交换与报文交换的储存转发思想

分组交换的存储转发思想和报文交换相同，只不过报文交换存储转发的是整个报文，而分组交换是先将报文拆分成若干个分组并对各个分组分别进行存储转发，如图所示。从这一点来看，当报文较大时，分组交换时延要远小于报文交换时延。一、分组交换工作原理

3、分组交换的工作原理分组交换可以提供两种服务方式：数据报方式和虚电路方式。（1）数据报方式的分组交换。一、分组交换工作原理

3、分组交换的工作原理数据报方式具有以下一些特点：（1）在分组头部含有有关目的地址的完整信息，可以使同一个通信中的各个分组经历不同的路径到达目的端。（2）整个通信过程中不需要呼叫建立和呼叫清除阶段，只需要数据传输阶段，对短报文通信传输效率比较高。

（3）对网络故障的适应能力强，一旦某个经由的分组交换机出现故障，则可以另外选择传输路径。（4）各分组的传输时延和传输路径有关，由于目的终端接收的分组可能是经由不同的路径传输来的，分组之间的到达顺序可能会发生错乱，因此目的终端必须有能力将接收的分组重新排序。5.1分组交换

一、分组交换工作原理

3、分组交换的工作原理（2）虚电路方式的分组交换。一、分组交换工作原理

3、分组交换的工作原理

虚电路方式具有以下一些特点：

（1）一次通信的整个过程中需要包含呼叫建立、数据传输和呼叫清除三个阶段，对长报文通信传输效率比较高。

（2）各分组头部不需要包含目的地址的完整信息，只需要给出虚电路标识号，亦即逻辑信道的标号。

（3）目的终端不需要对收到的分组进行重新排序。（4）电路的建立是逻辑上的，只是为收发终端之间建立逻辑通道，只有在有数据传输需要时，才占用网络的传输资源；（5）和数据报方式相比，虚电路方式在数据传输阶段的时延小。二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度（1）分组格式分组的一般格式包括分组头和分组数据。其中，分组头格式如图所示，占用分组的前三个字节。通用格式识别符占用4比特。逻辑信道群号与逻辑信号号合在一起，用于指示分组所对应的逻辑信道。分组类型识别符用于指示各分组的类型。二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度（1）分组格式通用格式具体描述如图所示，Q比特是限定符比特，用于区分所传输的分组是用户数据还是控制信息,前者Q=0，后者Q=1；D比特是送达证实比特，用于指示DTE发出的数据是由本地接入端的网络接口处（DCE）加以证实，还是由远程目的端处的网络接口（DCE）证实，前者D=0，后者D=1；

SS是模式比特，用于指示分组的顺序号范围是模8的还是128的，前者SS=01，后者SS=10。二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度（2）分组类型（4大类30个分组）

从DTE到DCE从DCE到DTE功能分组类型识别符87654321呼叫建立分组呼叫请求呼叫接受入呼叫呼叫连接建立SVC0000101100001111数据传输分组数据分组DTE数据DCE数据传输用户数据×××××××0流量控制分组DTERRDCERNRDTEREJDCERRDTERNR流量控制×××00001×××00101×××01001中断分组DTE中断DTE中断证实DCE中断DCE中断证实加速传输重要数据0010001100100111登记分组登记请求登记证实申请或停止可选业务1111001111110111（2）分组类型

从DTE到DCE从DCE到DTE功能分组类型识别符87654321恢复分组复位分组复位请求DTE复位证实复位指示DCE复位证实复位一个虚电路0001101100011111重启动分组重启动请求DTE重启动证实重启动指示DCE重启动证实重启动所有虚电路1111101111111111诊断分组诊断诊断11110001呼叫释放分组释放请求DTE释放证实释放指示DCE释放证实释放SVC0001001100010111二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度（2）分组类型

1）呼叫建立分组。主要有：呼叫请求分组和呼叫接受分组。

呼叫请求分组呼叫接受分组

85410001逻辑信道群号逻辑信道号00001011主叫DTE地址长度被叫DTE地址长度DTE地址（若干字节）00业务字段长度业务字段（若干字节）呼叫用户数据（若干字节）85410001逻辑信道群号逻辑信道号00001111二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度（2）分组类型

2）数据分组格式。注：只有数据分组才有P(S)、P(R)；

M说明是否还有属于同一报文的分组。

8541QD01逻辑信道组号逻辑信道号P(R)MP(S)0用户数据8541QD10逻辑信道组号逻辑信道号P(S)0P(R)M用户数据模8的数据分组模128的数据分组二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度（2）分组类型

3）呼叫释放分组格式。包含释放请求分组与释放证实分组。释放请求分组释放证实分组85410001逻辑信道组号逻辑信道号00010011释放原因85410001逻辑信道组号逻辑信道号00010111（无数据）二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度（3）分组最佳长度

设报文的总长度为D(bit)，其中包括固定的报文头部，但不包括将报文分割成分组后，附加到每个分组上的额外开销（如分组头）。二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度

经理论推导可知：最佳分组长度随着报文长度或每个分组的附加开销的增加而增加；另一方面，若全路径上经过的链路数增加，则最佳分组长度有所减小。链路的传输速率R不影响最佳分组长度。如此关系如下图。

二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度（3）分组最佳长度

二、分组交换核心技术

2、虚电路和逻辑信道

虚电路和逻辑信道的主要区别在于：1）一条虚电路需要呼叫建立才能存在，其用于数据传输，在呼叫断开后可以将其清除。永久虚电路有网络预约分配建立，也可以通过预约将其清除。逻辑信道代表子信道的一种编号资源，不存在建立与清除的过程，它的状态是占用或空闲。虚电路和逻辑信道的主要区别在于：

2）虚电路是在主被叫DTE之间建立起来的，逻辑信道是在DTE-DCE接口或网内中继线上分配的，一条虚电路是由多个逻辑信道链接构成的。每条线路的逻辑信道号分配是独立进行的。二、分组交换核心技术

2、虚电路和逻辑信道

虚电路与逻辑信道示意如图。LC的下标表示物理链路号，括号内的数字表示该链路上的逻辑信道号：二、分组交换核心技术

3、交换虚电路的建立、通信和释放

(一次分组通信的过程)（1）交换虚电路的建立A先发出呼叫请求分组；接入交换机收到这一请求分组后，将根据该分组中的被叫DTE地址，选择通往下一交换机的路由，并对下一交换机发送呼叫请求分组；终端A与终端B之间的通信路径上的每个交换机都要进行上述操作，直至到达数据终端B。二、分组交换核心技术

3、交换虚电路的建立、通信和释放

（2）数据传输虚电路建立后进入数据传输阶段；数据传输分组中只有逻辑信道号，而没有DTE地址；数据传输时采用逐段转发、出错重发的控制措施，必须保证数据传送的正确无误。

所谓逐段转发、出错重发是指数据分组经过各段线路并抵达每个转送节点时都须对数据分组进行检错，并在发现错误后要求对方重新发送并进行确认。因此在数据分组中设有P(S)和P(R)分组编号。二、分组交换核心技术

3、交换虚电路的建立、通信和释放

（3）虚电路的释放与虚电路建立过程相似，虚电路释放过程也首先由主动要求释放方发出释放请求分组；各途径交换机对该分组进行与虚电路建立过程中相似的操作；当该分组到达另一终端时，该终端在逆向也采用与虚电路建立过程中相似的操作，向主动要求释放方发送释放证实分组，最终完成虚电路的释放。二、分组交换核心技术4、路由选择路由选择方法可以分为静态法和动态法。（1）静态路由选择方法静态法不需要路由表或者利用固定的路由表。1）洪泛法。不需要建立路由表，节点机收到一个分组后，只要该分组的目的节点不是本节点，就将该分组转发到可能的相邻节点，最终该分组必会达到目的节点。

2）固定路由表法。在固定路由表法中，每个交换节点设置一张路由表。路由表中对每个目的地设有多条路由，每条路由给予一个选择概率，概率越大表示由此路由传送分组获得最小时延的可能性越大。当一个分组到达时，节点产生一个[0,1]均匀分布的随机变量，据此随机数和选择概率决定路由。二、分组交换核心技术4、路由选择

（2）动态路由选择方法路由表动态变化，即路由选择过程中考虑网内当前业务量情况和线路畅通情况，并在网络结构发生变化后及时更新，以便在新情况下仍能获得较好的路由。为了做到动态路由选择，必须及时测量，并把测量的结果通知各相关交换机，以便其更新路由表。二、分组交换核心技术4、路由选择

（2）动态路由选择方法从路由表调整方法角度来看，动态路由选择方法可以分为：

1）集中式。由一个网络管理中心定时收集全网情况，按照一定算法分别计算出当时各个交换机的路由表，并且通过网络分别传送通知各个交换机。

2）分布式。每个交换机定时把本身的处理能力及与其相连的线路畅通等情况向相邻或全部交换机报告，各交换机根据其它交换机送来的情况，按照一定的算法定时计算出本交换机的路由表。3）混合式。既有集中控制部分，又有分布控制部分。针对动态路由选择方法，显然需要每隔一段时间测量、通知并且更新路由表。二、分组交换核心技术4、路由选择

（2）动态路由选择方法集中式和分布式动态路由选择方法各有优缺点，前者传送路由信息的开销小，实现也比较简单，但功能过于集中，可靠性较差，后者与其相反。混合式综合利用两者的优点。

二、分组交换核心技术5、流量控制

分组交换的流量控制主要针对三方面的目的：1）防止因过载导致网络吞吐量下降和传送时延的增加。2）采用缓冲器划分和占用率控制方法，避免网络死锁现象发生。3）对网络资源进行公平分配。

为了实现上述目的，分组交换通常实施如下图所示的几个不同级别上的流量控制机制：二、分组交换核心技术5、流量控制

不同级别上的流量控制机制：1）段级流量控制：防止出现局部的节点缓冲区拥塞和死锁，根据是对相邻两个节点间的总流量进行控制，还是对其间每条虚电路的流量分别进行控制，段级还可划分为链路段级和虚电路段级.2）沿到沿级流量控制：是指从网络源节点至网络终节点之间的控制，其作用是防止终节点的缓冲区出现拥塞。3）接入级流量控制：控制进网的业务量，以防止网络发生拥塞。4）端到端级流量控制：是指源终端至目的终端进程之间的流量控制，其作用是在进程级防止用户缓冲区出现拥塞。三、X.25协议1、协议分层结构由三层组成:1）物理层对应于OSI参考模型的第一层，可以采用两种接口标准：用于数字传输信道的CCITTX.21

建议和用于模拟传输信道的V系列建议。

2）数据链路层对应于OSI参考模型的第二层，采用HDLC规程，以帧作为处理对象，保证数据流可靠传输。

3）分组层对应于OSI参考模型的第三层，可通过建立多条逻辑信道来实现资源共享，并在交换节点完成分组的交换

在此分层结构中，发送方与接收方的同一个层次构成对等层，交换节点只处理到分组层。三、X.25协议1、协议分层结构X.25协议分层模型

三、X.25协议2、物理层

主要是建立信息传输通路，不执行控制功能。

DTE和DCE的物理层的接口标准主要有两种：X.21建议与X.21bis建议，X.21bis与V系列建议互相兼容，与RS-2312接口也兼容。DCE是数据电路终接设备，如调制解调器等。三、X.25协议3、数据链路层（1）数据链路层协议

属于面向比特的数据链路总协议---HDLC协议的一个子集，常用平衡型链路接入协议（LinkAccessProtocolBalanced，LAPB）。LAPB采用平衡配置方式以及异步平衡数据传送方式。

平衡配置方式是指，链路两端设备都具有主站（该类站利用命令帧控制整个链路工作）和从站（该类站利用响应帧响应主站发出的命令帧）功能），相互之间可以发送命令和响应，该方式只支持点到点链路连接。异步平衡数据传送方式是指每个站都可以平等地向对端站发送数据。

三、X.25协议3、数据链路层（2）LAPB帧结构及帧类型

a:LAPB帧结构图。1）F字段：是一帧的定界符，占用8比特，编码为01111110。每帧的首尾都有F字段，用于在数据流中将一个帧区分出来。除了帧开始标志F和帧结束标志FF外，一个正确的帧长度至少为32比特，否则该帧是无效的。

2）FCS字段：是帧的校验字段，占用16比特，采用16位循环冗余码，用于检测信号单元在传输过程中有可能产生的差错。FCS由发送方生成后，附在发送帧的尾部，位于帧结束标志F之前，接收端通过FCS检查接收到的帧是否遭到破坏，从而识别帧在传输中是否出现错误。

三、X.25协议3、数据链路层（2）LAPB帧结构及帧类型3）I字段：是信息字段，占8×N比特，N为大于等于3的正整数，用于装载分组层产生的分组。4）A字段：是地址字段，占用8比特，其内容是响应站的地址。这一地址内容是数据链路层的，不是网络层的地址，其与选路无关。5）C字段：是控制字段，占有8比特，格式如表所示，主要用于指示帧的类型。控制字段比特87654321信息帧N(R)PN(S)0监控帧N(R)P/FSS01无编号帧MMMP/FMM11三、X.25协议3、数据链路层（2）LAPB帧结构及帧类型

b:信息帧、监控帧和无编号帧三种类型

信息帧I帧的标识符是C字段中第1个比特为“0”。该类帧是命令帧（相应地，在C字段中的第5个比特为“P”），用于传送分组层产生的分组，放于I字段中。如果P=1，要求对方用F=1的响应帧予以应答。

该帧C字段中的N(S)是当前发送帧的序号，N(R)是下一个期望接收帧的序号，它们的作用类似于7号信令中的FSN和BSN，用于帧接收的肯定证实。三、X.25协议3、数据链路层（2）LAPB帧结构及帧类型监控帧S帧的标识符是C字段中第2和第1比特为“01”。该类帧没有I字段，既可以是命令帧（相应地，在C字段中的第5个比特为“P”），也可以是响应帧（相应地，在C字段中的第5个比特为“F”），用于保证I帧的正确传送。

监控帧有三种：接收就绪RR（用于在没有I帧发送时向对端发送肯定证实信息）、接收未就绪RNR(用于流量控制，通知对端暂停发送I帧消息)和拒绝帧REJ(用于重发请求)，这三种帧由C字段的第4和第3比特的“SS”区分。监控帧在C字段中都有N(R)，但没有N(S)三、X.25协议3、数据链路层（2）LAPB帧结构及帧类型

无编号帧的标识符是C字段中的第2和第1比特为“11”。该类帧用于在信息传递前控制链路的建立和断开。无编号帧U帧主要有五种，分别是置异步平衡方式SABM（命令帧）、断链方式DISC(命令帧)、已断链方式DM(响应帧)、无编号确认UA(响应帧)和帧拒绝FRMR(响应帧)、置扩充的异步平衡方式SABME（命令帧），这五种帧通过C字段中的“MMMMM”来区分。除了帧拒绝帧外，其它无编号帧都无I字段。三、X.25协议3、数据链路层（2）LAPB帧结构及帧类型

X.25帧结构中有两种编号方式：

1）模8方式。帧格式中N(S)、N(R)占3个比特，编号为0～7，信息帧、监控帧为8比特（1字节）。模8的编号范围有限。

2）模128方式编号范围为0～127，N(S)和N(R)占7比特，信息帧、监控帧为16比特（2字节）。链路层规程采用哪一种编号方式，由建立链路时使用SABM命令还是使用SABME命令决定，前者决定用模8方式，后者决定是用模128方式。三、X.25协议3、数据链路层（3）数据链路层功能1）建立和断开链路。2）复位链路。3）校正差错。

4）流量控制。

（物理层无流量控制）三、X.25协议4、分组层

（1）分组的格式与类型前面“二、分组交换核心技术

1、分组格式/类型与最佳长度”

（2）呼叫建立三、X.25协议4、分组层

（3）呼叫清除三、X.25协议4、分组层

（4）呼叫建立、拒绝三、X.25协议4、分组层

（5）呼叫冲突三、X.25协议4、分组层分组层功能（1）传送与交换分组数据。（2）复位虚电路。（3）校正差错。（4）流量控制。10.2帧中继一、帧中继概述

1、分组格式

帧中继采用面向连接的通信方式，只保留X.25网络下面两层，并且第二层---数据链路层也只保留了核心功能，如帧的定界、同步、帧传输差错检测等，而将差错控制、流量控制推到网络边界，从而实现了信息的快速传输以及链路资源的高效利用。

帧中继的核心功能是在数据链路控制中实现尽可能少的操作，这样做实际上就是减少服务供应商对用户业务进行的操作。关于帧中继核心功能，ITU-TQ.921和ANSITI.602-1988标准主要围绕以下五个基本过程进行组织。一、帧中继概述

1、分组格式

（1）帧定界，对齐和标志透明。（2）虚电路多路复用和多路分解。帧中继系统通用帧中的DLCI字段必须支持虚电路多路复用和多路分解。（3）业务字节对齐。帧中继系统必须在“0比特插入前”和“0比特去除后”对帧进行检测，以确保其含有整数个字节。（4）最大和最小帧长检测。帧中继系统必须对帧进行检查，以确保它在最小和最大帧长范围内，即标准组定义的帧长范围内。（5）检测传输、格式和操作差错。二、帧中继协议

帧中继接口协议的分层模型如图所示。其中，LMI管理协议和呼叫控制协议处于高层，LMI管理协议用于验证数据链路是否正常工作，呼叫控制协议用于建立和释放虚电路；数据链路层采用数据链路核心协议，用于支持帧中继数据的传输及交换。

二、帧中继协议

1、帧结构

F字段和FCS字段意义与X.25协议相同。I：信息字段，用于在网络中透明传送用户数据，其最大缺省长度为262个字节。A：是地址字段，该字段中的具体含义如下：

DLCI：是数据链路连接标识符，相当于X.25中的逻辑信道号，用于对应一个逻辑信道。二、帧中继协议

1、帧结构

C/R：是命令、响应指示位。帧中继中，该位不使用。EA：是扩展地址位。如果EA=0，则表示该EA所在字节后面还有属于A字段的下一个字节；反之，则表示该EA所在字节是A字段的最后一个字节。FECN：是前向显示拥塞通知位。若某节点将该位置为1，则通知在该帧传输的方向发生拥塞。BECN：是反向显示拥塞通知位。若某节点将该位置为1，则通知在该帧传输的相反方向发生拥塞。DE：是丢弃指示位。该位可由网络或用户置位，一旦置位后，网络不能将其复位。如果网络发生拥塞，首先丢弃DE置位的帧。二、帧中继协议

2、数据链路核心协议功能

数据链路核心协议功能简单，具体来说，主要包括：（1）帧定界、定位和透明传送。（2）利用HDLC进行帧复用和分路。（3）检验帧不超长、不过短，且为8比特的整数倍。（4）利用FCS检错，如检测有错，则丢弃。（5）利用FECN和BECN通知被叫用户和主叫用户网络发生拥塞。（6）利用DE位实现帧优先级控制。二、帧中继协议

3、LMI管理协议及呼叫控制协议

LMI管理协议和呼叫控制协议都属于高层信令协议，其协议消息在DLCI=0的专用信令链路上传输。LMI管理协议定义了两个消息，即，statusenquiry（状态询问）和status（状态），采用探询方式工作，目的是为了验证数据链路工作是否正常。

呼叫控制协议是用于建立和释放交换虚电路。在该协议中，针对呼叫建立，包含有三个信令，亦即，Setup（呼叫建立）、CallProceeding（呼叫进展）和Connect（呼叫连接），而针对呼叫释放，包含有三个信令，亦即，Disconnect（拆链），Release（释放）和ReleaseComplete（释放完成）。呼叫建立和释放信令过程如下图所示。二、帧中继协议

3、LMI管理协议及呼叫控制协议

三、帧中继操作

1、数据链路连接标识符（DLCI）

帧中继使用数据链路标识符DLCI标识目的端用户。占用10比特的与网络层协议中的虚电路号一致，具体说明如表所示。

DLCI映射到目的节点，这就简化了路由器的处理，因为路由器只需参考它们的路由表，检查表中的DLCI，并根据这个地址将业务送到正确的输出端口。表5-10帧中继的DLCI说明范围用途0为呼叫控制信令保留1-15保留16-1007分配给永久虚电路（PVC）1008-1022保留1023本地管理接口三、帧中继操作

2、链路层差错检测

帧中继可以在网络中每个交换机上，以及任何使用帧中继软件的路由器上，对数据帧进行差错检测，帧检验序列（FCS）采用常规的循环冗余检验（CRC）操作。如果检验结果表明该帧在通信信道上传输期间失真，则不但直接丢弃该帧，而且不给发送端返回NAK。

三、帧中继操作

3、帧中继潜在拥塞问题

流量控制是防止网络拥塞的重要因素。鉴于无拥塞网络的重要性，帧中继使用隐式流量控制机制。帧中继处理拥塞问题的方式是丢弃业务以避免潜在拥塞问题