程控交换 复习材料5

第五章分组交换与分组交换网5.1分组交换技术与分组交换网分组交换也称为包交换，是在报文交换基础上发展起来的一种交换技术。基本思想：将要传送的数据按一定的长度分成多个数据段，这些数据段称为“分组”，发送端把这些“分组”分别发送出去。到达目的地，目的交换机将一个个“分组”按顺序装好，还原成原文件发送给收端用户，这一过程称为分组交换。分组交换技术：快速分组交换技术，帧中继，异步传输模式。进行分组交换的通信网称为分组交换网。典型应用：ARPANET，CHINAPAC。5.2分组交换的基本原理5.2.1分组传送方式(资源共享方式)

图5.1统计时分复用（STDM）

分组传送采用的是统计时分复用的方式，具有动态分配带宽和用标记区别数据所属用户的特点，实现了多用户对线路资源的共享，同时提高了线路资源的利用率，并可很好地支持突发性业务。5.2.2分组的形成来自数据终端的用户数据可能是很长的报文，我们需要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），如图5.2所示。

图5.2分组的形成

分组头中主要包含逻辑信道号(LCN)、分组的序号以及其他的控制信息。分组的类别：数据分组控制分组5.2.3分组交换方式分组交换：分组从源端经分组交换网中各交换节点到达目的端的过程。实现方式：虚电路方式数据报方式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。通信结束后，需要拆除该连接。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。虚电路方式分类交换虚电路SVC虚电路只在通信过程中存在，在数据传送之前要建立逻辑连接也叫做虚连接或虚电路，数据传输结束后需要拆除虚连接。永久虚电路PVC在两个用户之间存在一条永久的虚连接，不论用户之间是否通信，这条虚连接都存在。虚电路方式的特点面向连接的工作方式分组按序传送分组头简单对故障敏感数据报方式在数据报方式中，分组被独立的对待，每一个分组都包含终点地址信息，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，一个被独立对待的分组就称为一个数据报。特点：无连接的工作方式存在分组失序现象分组头复杂对网络故障的适应能力较强数据报和虚电路的对比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。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。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。数据报方式对网络的适应能力较强。电路交换与分组交换的比较电路交换分组交换接续时间较长数据报没有接续时间，虚电路较长传输延迟时间平均短，偏差小，标准时延只有ms级平均长，偏差大，标准时延低于200ms传输可靠性一般，误码率小于10-7较高，误码率小于10-15传输效率高，呼叫建立后没有额外开销较低，每个分组都有额外开销传输带宽固定分配带宽动态分配带宽电路利用率低高过负荷控制拒绝继续呼叫减少每个用户的有效带宽，时延增加交换机费用一般比较便宜费用较高应用实时话音业务数据通信业务5.2.4路由选择分组交换网的主要功能就是接受来自源站点的分组，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。常见路由选择策略：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5.2.5流量控制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。流量控制方法证实法－－滑动窗口证实机制，用于点到点的流量控制和端到端的流量控制。预约法－－预约缓冲存储区许可证法－－在网络中设置一定数量的许可证（空载，满载），用来携带分组5.3分组交换协议——X.25协议5.3.1分组交换协议的结构分组交换协议是在分组交换过程中数据终端设备与分组交换网内各交换节点之间关于信息传输过程、信息格式和内容等的约定。分为：接口协议UNI网内协议NNIX.25协议是数据终端设备（DTE）和数据电路端接设备（DCE）之间的接口协议，实现了接口协议的标准化，使得各种DTE能够自由连接到各种分组交换网上。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；数据传输通路的建立和释放、数据的传输等过程；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，这属于分组交换网网络内部控制功能，由各个厂家决定。（参见《分组交换工程》P163-165）X.25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，如图5.7所示。图5.7X.25的分层结构5.3.2X.25的物理层物理层协议规定了DTE和DCE之间的电气特性、功能特性和机械特性以及协议的交互流程。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）。5.3.3X.25的数据链路层——LAPBX.25数据链路层规程是要在物理层提供的双向的信息输送管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）。HDLC的两种链路配置：平衡配置：提供点到点链路非平衡配置：提供点到点链路和点到多点链路X.25只提供点到点的链路方式。数据链路层完成的功能DTE与DCE之间的数据传输发送和接收端信息的同步传输过程中的检查和纠错有效的流量控制协议性错误的识别和告警链路层状态的通知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。图5.8LAPB帧的基本结构各字段作用与功能标志F：01111110，用于帧定界。地址字段A：在DTE和DCE之间交换的帧有两种：命令帧：用来发送信息或产生某种操作；响应帧：对命令帧的响应。地址字段的作用就是来区分两个传输方向上的命令帧和响应帧－－单链路。A地址(03)：DCE的命令帧，DTE的响应帧B地址(01)：DTE的命令帧，DCE的响应帧地址字段还用来区分多链路的命令帧和响应帧。C地址(0F)：DCE的命令帧，DTE的响应帧D地址(07)：DTE的命令帧，DCE的响应帧控制字段：用来区分帧的类型并携带控制信息的。各字段作用与功能命令响应帧名称控制字段比特编码87654321信息帧I信息帧N(R)PN(S)0监控帧RRRR接收准备好N(R)P/F0001RNRRNR接收未准备好N(R)P/F0101REJREJ拒绝N(R)P/F1001无编号帧DM已断开方式000F1111SABM置异步平衡方式001P1111DISC断开010P0011UA无信号确认011F0011FRMR帧拒绝100F0111SABME置扩充的异步平衡方式011P1111信息帧（I帧）用途：传输分组层的分组数据，只在数据传输过程中使用。识别标识：C字段第一个比特为0。组成：N(S)：发送序号N(R)：接收序号探寻位(P)：P=1表示要探询对端状态监控帧（S帧）用途：保护信息帧的正确传输，没有I字段，只在数据传输过程中使用。识别标识：C字段前两位为1和0。控制字段包括接收序号N(R)。可作为命令帧和响应帧，所以C字段第五位为P或F位。分类：RR帧：已正确接收到N(R)-1号及以前的帧，准备好接受N(R)号信息帧；RNR帧：已正确接收到N(R)-1号及以前的帧，但此时处于忙状态暂时不能接收新的I帧；REJ帧：已正确接收到N(R)-1号及以前的帧，请求对方重新发送标号N(R)开始的帧。无编号帧（U帧）用途：应用于链路的建立、断开和复位等控制过程。识别标识：C字段前两位为11。组成：第五位为P/F位，34678位用于区分不同U帧。分类：SABM：命令帧，用于请求建立链路，接收方用UA帧表示同意，用DM表示拒绝；DISC：命令帧，用于断开链路连接，接收方用UA帧表示同意；DM：响应帧，表示本方已处于链路断开状态，还可以用作对SABM的否定回答；UA：响应帧，对无编号命令帧的肯定应答；FRMR：响应帧，通知对方出现了用重发无法恢复的差错状态。包含信息字段，提供拒绝原因；SABME：命令帧，功能与SABM一致，工作方式为模128方式。各字段作用与功能信息字段只有信息帧和无编号帧的FRMR帧会包含信息字段。信息帧中的信息字段为来自分组层的分组数据。FRMR帧的信息字段为拒绝的原因。帧检验序列FCS用来检查帧通过链路传输可能产生的错误。在发送方按照特定算法对发送信息进行计算而生成，并附于帧尾；在接收端通过检查FCS判别在传输过程中是否发生了错误。数据链路层工作原理数据链路层的主要功能是建立数据链路，利用物理层提供的服务为分组层提供有效可靠的分组信息的传输。阶段划分：链路建立信息传送链路断开系统参数和变量N(S)：发送序号，只包含在信息帧中，用来表示该信息帧的编号；N(R)：接收序号，包含在信息帧和监控帧中，用来通知对端本端希望接受的下一个信息帧的编号；V(S)：发送变量，存在于通信实体中，用来保存下一个发送的信息帧的编号；V(R)：接收变量，存在于通信实体中，用来保存希望接受的下一个信息帧的编号；K：允许未证实的最大帧数，即最大窗口数；T：时钟，又称定时器。用于超时处理。链路建立过程DTE和DCE都可启动链路建立过程，但是实际上常由用户侧的DTE在接入时启动建立，网络侧的DCE处于守候状态，通过发送连续的F标志表示信道已激活。链路建立时，只要任一方发送一个SABM命令帧，对方如认为可以进入信息传送阶段，就回送UA响应帧，同时把V(R)和V(S)置0，对端收到UA帧后，将V(R)和V(S)置0，链路建立成功。如果对方认为尚不能开始信息传送，就回送DM响应帧，表示链路未能建立起来。信息传输过程顺序编号证实机制滑动窗口大小为K，表示可发送的未证实顺序编号的I帧个数。通过I和S帧的N(R)进行证实。为提高效率，可在连续收到多个I帧后，对序号正确的多个I帧进行一次确认，N(R)等于最后一个帧的N(S)+1。如果接收方可接受新的I帧，而且有I帧发送，则用I帧捎带确认。如果没有I帧发送，就用RR帧确认。如果接收方处于忙状态，就发送RNR确认，直到接收方可以接收新的I帧，再发送RR帧确认。超时重发机制链路断开过程链路断开过程是一个双向对称过程，可由DTE或DCE发起。任一方发出DISC命令帧，如果对方此时尚处于信息传送阶段，则回送UA响应帧，然后进入断链阶段；如果对方已进入断链阶段，则回送DM响应帧。DTEDTESABMUAI0,0RR1I1,0I2,0I3,0RR4I0,4I4,1I1,5I1,5RR2DISCUAV(S)=0,V(R)=0V(S)=1,V(R)=0V(S)=5,V(R)=2V(S)=2,V(R)=0V(S)=3,V(R)=0V(S)=4,V(R)=0V(S)=5,V(R)=1V(S)=4,V(R)=1V(S)=0,V(R)=0V(S)=2,V(R)=5V(S)=0,V(R)=1V(S)=2,V(R)=5V(S)=0,V(R)=2V(S)=0,V(R)=3V(S)=0,V(R)=4V(S)=1,V(R)=5V(S)=1,V(R)=4时钟

超时建立链路信息传输断开链路5.3.3X.25的分组层X.25分组层是利用链路层提供的服务在DTE-DCE接口交换分组。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。分组层的主要功能在X.25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道；通过逻辑信道群号（LCGN）和逻辑信道号（LCN）来区分与每个用户呼叫有关的分组；提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）的连接；提供建立和清除交换虚电路连接的方法；为每个用户的呼叫连接提供有效的分组传输，包括顺序编号、分组的确认和流量控制过程；监测和恢复分组层的差错。

分组的类型与结构分组：分组层传送信息的最小单位。分类：数据分组：承载用户信息的分组；控制分组：用于虚呼叫连接的建立、清除和恢复。数据链路层通过I帧承载分组信息。分组的组成：分组头：通用格式识别符(GFI)，逻辑信道群号和逻辑信道号(LCGN+LCN)，分组类型识别符(PTI)；分组数据I帧FACFCSF分组头分组信息字段分组头格式GFI：Q：用来区分分组是用户数据(Q=0)还是控制数据;D：表示数据分组是DTE到DCE的本地确认(D=0)还是DTE到DTE的端到端确认；SS：用来表示分组的顺序编号是模8方式(SS=01)，还是模128方式(SS=10)。LCGN+LCN：X.25采用统计时分复用方式共享带宽；用途：区分逻辑信道。PTI：GFILCGNLCNPTI87654321QDSS8765分组的分类分组类型从DCE到DTE从DTE到DCEPTI87654321数据分组DCE数据DTE数据xxxxxxx0控制分组流量控制分组DCERRDTERRxxx00001DCERNRDTERNRxxx00101DTEREJxxx01001其他控制分组呼叫建立分组入呼叫呼叫请求00001011呼叫连接呼叫接收00001111传输控制分组DCE中断DTE中断00100011DCE中断证实DTE中断证实00100111登记请求11110011登记证实11110111呼叫清除分组清除指示清除请求00010011DCE清除证实DTE清除证实00010111恢复分组复位指示复位请示00011011DCE复位证实DTE复位证实00011111重启指示重启请求11111011DCE重启证实DTE重启证实11111111诊断11110001数据分组数据用户用于传送用户数据组成：P(S)：发送分组序号P(R)：接受分组序号M比特：后续数据比特，M=1表示该数据分组之后还有同一报文的分组，M=0表示该数据分组是报文的最后一个分组。P(R)MP(S)087654321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？（1）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。（2）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。分组层工作原理分组传送方式采用统计时分复用，将一条逻辑链路划分为多个逻辑信道，允许多个通信同时使用一条逻辑链路。用逻辑信道号LCN标志每一个逻辑信道。X.25协议就是关于DTE和DCE接口之间虚呼叫分组数据通信的协议。分组层所要完成的功能就是在DTE和DCE接口之间建立虚电路连接，传输分组信息以及在通信结束时清除虚电路连接。系统参数和变量P(S)：发送分组号P(R)：接收分组号发送窗口：可以发送的未确认的最大分组数发送计时器：与数据链路层的T功能一致2.数据传输分组顺序编号确认机制--滑动窗口超时重发机制链路层与分组层的不同点链路层帧的编号和确认在一条链路上进行；分组层分组的编号及确认是在一条虚电路上进行的。帧和分组的编号没有关系。链路层的确认是在DTE和DCE之间进行，按照流量控制的类型分属于点到点的流量控制。分组层的确认可在DTE和DCE以及主叫DCE和被叫DCE之间进行，具有点到点和端到端的流量控制。5.4分组交换机5.4.1分组交换机的结构分组交换网的终端用户与网络之间的接口标准是统一的，几乎所有的分组交换设备提供商都遵守并实现了这些标准。而交换网的网内通信规程、分组交换机的设计以及网络的维护、管理和控制至今没有统一的标准，各个厂家的内部协议是互相不兼容的，分组交换网设备也是多种多样的，没有统一的结构。分组交换机的基本结构交换单元 分组交换机交换单元的基本功能和电路交换机交换单元的基本功能是一致的，就是把信息从某个输入端口送到某个输出端口。区别：

首先，分组交换数据的突发性，在输入输出端口可能存在消息队列，所以需要对信息进行缓冲存储；

其次，分组交换采用统计时分复用，所以需要对分组头中相应标示进行分析，以此作为选路的依据，而电路交换机以时隙作为依据。接口单元 接口单元包括用户线路的接口单元和中继线路的接口单元。其功能包括：用户线的监视和控制、分组的组合与分解、差错控制、传输控制规程的控制等。控制单元 控制单元用于完成整个系统的控制工作，其功能包括：呼叫处理、流量控制、路由选择、系统配置等。控制单元的功能一般由软件来完成。5.5分组交换网5.5.1分组交换网的构成分组交换机用户终端设备分组装拆设备远程集中器网络管理中心传输线路5.5.2分组交换网的工作原理5.6帧中继5.6.2帧中继技术的特点帧中继协议处理大为简化。帧中继的数据传输只涉及物理层和数据链路层两层协议第二层协议只具有核心的功能：帧透明传输、差错检测和统计复用，不再完成纠错、重发等操作大大简化了交换节