第5部分-分组交换原理与技术

分组交换原理与技术1数据业务的特点突发性强、要求带宽动态分配、误码率要求高、对时延不敏感电路交换的特点分配固定带宽、对误码有一定的容忍度……电路交换不适合传数据业务发展分组交换分组交换技术的产生与发展

2分组交换的本质特征是数据以分组为单位，采用统计时分复用与存储-转发的工作模式。统计时分复用，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（终端号或子信道号）标识数据单元，构成分组，按照先来先服务复用传输信道。属于动态分配共享资源，可提高传输信道的带宽利用率。存储-转发，指分组数据抵达交换节点后先进行缓存，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，并在选择的路由上进行排队，等到有信道空闲时，将分组经出口链路转发给下一个交换节点或用户终端差错控制和流量控制分组交换原理

3分组交换带来的问题存储转发需排队，造成时延分组首部带的控制信息造成了额外的开销4分组交换---统计时分复用统计时分复用逻辑信道5分组交换虚电路方式用户数据传送前先通过发送呼叫请求分组建立端到端的虚电路；一旦虚电路建立，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送；最后通过呼叫清除分组来拆除虚电路连接建立、数据传输、连接拆除面向连接服务数据报方式6

虚电路方式（面向连接交换方式）：

每个分组沿预先建立的相同的路径到达目的地，数据分组不带目的地址，只带有逻辑信道号(局部意义）；在呼叫建立时，每个节点交换机中建立一张呼叫入链路LCN和出链路LCN的对照表，以后传送数据分组时只要查寻该对照表即可确定路由；分组交换-虚电路交换方式7虚电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辑信道的组合，一条端到端的虚电路是由多段逻辑信道级联而成的，每一个虚电路在它经过的每段物理链路上都有一个LCN（或者称为LCI）。8

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。9

A->B的一条虚电路LCI：逻辑信道标识符面向连接分组交换网转发表在连接建立阶段生成，数据分组按照此转发表进行节点交换，最终传送到目的终端LCI=LCN10

数据报方式（无连接交换方式）：

每个分组带有目的地址，节点对各分组独立选路，不能保证分组传送的有序性；分组交换—数据报交换方式11无连接分组交换网不必事先建立通路，没有逻辑子信道概念。通信时源端直接将源和目的地址装配在分组中一起发送，交换节点根据目的地址查表确定出口链路。网络以“无状态”方式工作，转发过程只依赖路由表、目的地址和出口链路的状态随机转发。链路状态或网络拓扑变化，网络会自动调整路由，同一用户的数据分组会经历不同路径传送，不保证分组的端到端顺序。网络以尽力而为方式传送分组，不保证路由和服务质量，但分组传送受局部网络故障的影响较低。12面向事务的询问/响应型数据业务较连续的数据流应用故障防卫能力较强较为敏感故障敏感性会引起失序按顺序到达，无失序分组顺序无建立过程，独立选路预先建立映像表选路详细的目的地址逻辑信道标识分组头数据报虚电路类别项目分组交换方式的比较13面向连接网络与无连接网络比较对比内容面向连接网络无连接网络倡导者的技术领域电信计算机分组头部中的用户标识信息逻辑子信道标号完整的源、目的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所有经过它的虚电路都不能工作少数分组丢失，此后的通信还可进行一次通信任务内分组的转发路径都相同可能互不相同分组顺序能够保证端到端顺序不能保证服务质量保证支持相对容易较困难(尽力而为)14路由选择路由选择的原则最佳传送路径：端到端的传送时延；均衡:提高网络资源利用率；故障恢复能力：可自动选择迂回路由；路由选择必须考虑最佳选择准则：路由选择的依据路由选择协议:路由信息收集和发布的规程和方法路由选择算法：如何获得一个准则参数最小的路由15路由选择路由选择的策略固定型算法自适应路由选择最短路径算法16固定型算法洪泛化随机路由选择固定路由表算法17路由选择洪泛法：原理:每个节点接收到一个分组后检查是否收到过该分组，如果收到过就将它丢弃，如果未收到过，则把该分组发往除了分组来源的那个节点以外的所有相邻的节点。这样，同一个分组的副本将经过所有的路径到达目的节点。目的节点接受最先到达的副本，后到的副本将被丢弃。最早到达的分组历经的必定是一条最佳路由完全洪泛法选择洪泛法18分组交换的基本原理路由选择洪泛法洪泛式路由选择示例19分组交换的基本原理路由选择洪泛法：优点:

1)是具有很高的可靠性。

2)所有与源节点直接或间接相连的节点都会被访问到，所以洪泛式可以被应用于广播。缺点:产生的通信量负荷过高，额外开销过大，导致分组排队时延加大。洪泛式路由选择示例20分组交换的基本原理路由选择固定路由表算法1)是指在网络拓扑结构不变的情况下，网络中每一对源节点和目的节点之间的路由都是固定的。当网络的拓扑结构发生变化时，路由才可能发生改变。21分组交换的基本原理路由选择固定路由表算法2)实现:分组交换网根据一定的准则计算出每一对源节点和目的节点之间的路由，并把它们保存在路由表中;路由的计算可以由网络控制中心（NCC）完成，然后装入各个节点中，也可由节点自身完成。每个节点对应一张路由表;22分组交换的基本原理路由选择固定路由表算法2)实现:表5.4固定路由选择举例23分组交换的基本原理路由选择固定路由表算法1)使用固定的路由选择，不论是数据报还是虚电路，从指定源节点到指定目的节点的所有的分组都沿着相同的路径传送。2)优点:处理简单，在可靠的负荷稳定的网络中可以很好的运行。

缺点:缺乏灵活性，无法对网络拥塞和故障做出反应.表5.4固定路由选择举例24分组交换的基本原理路由选择随机路由选择：1)当节点收到一个分组，节点只选择一条输出路由，这条路由是在除了分组来源的那条路由之外的其它路由当中随机选择的。输出路由被选中的概率可能是相等的，也可能是不等的。2)优点:比较简单、稳健性也较好。3）主要依据是链路的容量，这有利于通信量的平衡，缺点是所选路径一般并不是最优的3)改进的随机路由选择方法:给每条输出路由分配一个概率(可以是基于数据率的，也可以是基于费用)

，根据概率来选择路由。25分组交换的基本原理路由选择自适应路由选择：1)就是路由选择是根据网络状况的变化而动态改变的(依据的条件是网络的拥塞和故障)

2)必须在节点之间交换网络状态信息。3)能够提高网络的性能，路由选择灵活，所以是目前使用最普遍的路由选择策略，被大规模的公用分组交换网普遍采用。26分组交换的基本原理流量控制流量控制的必要性:

在分组交换网中，网络节点采用存储-转发的机制对分组进行处理，如果分组到达的速率大于节点处理分组的速率，就可能造成网络节点中存储区被填满，导致后来的分组无法被处理。线路的传输容量也是有限的，如果网络中数据流分布不均匀，可能会导致某些线路上流量超过其负载能力，分组无法被及时传送。27分组交换的基本原理流量控制流量控制的作用:防止因过载导致网络吞吐量下降和传送时延的增加；避免网络死锁；网络及用户之间的速率匹配28分组交换的基本原理流量控制流量控制机制:控制一个点到另一个点的流量

是按级进行的,分为4级:1.段级：防止出现局部的节点缓冲区拥塞和死锁；2.沿到沿级：防止终节点缓冲区出现拥塞；3.接入级:控制进网的业务量，防止网络发生拥塞；4.端到端级:在进程级防止用户缓冲区出现拥塞；端到端级沿到沿级接入级段级网络源节点网络终节点29分组交换的基本原理流量控制流量控制方法:

滑动窗口机制:等待对方的确认后才能继续发送1.发送方发送一个分组之后不再继续发送新的分组，接收方收到一个分组之后会向发送方发送一个证实，发送方收到这个证实之后再发送新的分组。

接收方可以通过暂缓发送证实来控制发送方的发送速度，从而达到控制流量的目的。2.可用于接入级和端到端的流量控制。X.25的数据链路层和分组层均采用这种流量控制方法。滑动窗口机制30分组交换的基本原理流量控制流量控制方法:缓冲区预约法:1.发送端在向接收端发送分组之前，先向接收端预约缓冲存储区（一般为８个分组的空间），然后发送端再根据接收端所允许发送分组的数量发送分组，从而有效地避免接收端发生死锁;2.数据报方式工作的分组交换网通常采用这种流量控制方式;3.可用于沿到沿和端到端的流量控制。31分组交换的基本原理流量控制流量控制方法:许可证法:1.在网络内设置一定数量的“许可证”，许可证的状态分为空载和满载，不携带分组时为空载，携带分组为满载;分组需要在源节点处申请许可证，等待得到空载的许可证后才能被发送;2.通过在网内设置一定数量的许可证，可达到流量控制的目的。(产生一定的额外时延，尤其是当网络负载较大时，这种额外时延也较大。)32分组交换协议——X.25协议分组交换协议分组交换协议是在分组交换过程中数据终端设备（DTE）与分组交换网以及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:是指DTE和与它相连的网络设备之间的通信协议，即UNI协议;网内协议:是指网络内部各交换机之间的通信协议，即NNI协议。33X.25建议X.25是数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的接口，为共用数据网络在分组模式下提供终端操作X.25网只是说网络与终端的接口遵循X.25标准X.25网就是X.25分组交换网，是根据CCITT（即现在的ITU-T）的X.25建议书实现的计算机网络。X.25只是一个对公用分组交换网接口的规约。

34X.25规定了DTE-DCE的接口

X.25接口X.25接口X.25公用分组交换网VC2VC1DTEDTEDCEDCEDCEDTEX.25接口X.25以面向连接的虚电路服务为基础。DTE：数据终端设备DCE:数据电路终接设备35分组交换协议——X.25协议

X.25接口协议分层物理层、数据链路层、分组层高层分组层数据链路层物理层分组层数据链路层物理层LAPBX.21/V.24逻辑信道至远端DTE进程DTEDCEX.25协议分层结构36分组交换协议——X.25协议物理层

----X.21/X.21bis/V.24数据链路层

----规定了在DTE和DCE之间的线路上交换帧的过程。它在物理层的基础上执行一些控制功能，以保证帧的正确传送。它采用LAPB(平衡型链路接入规程，HDLC的一个子集)作为控制规程。分组层

----相当于OSI的网络层，利用链路层提供的服务在DTE-DCE接口上交换分组。它是将一条数据链路按动态时分复用的方法划分为许多逻辑信道，允许多台计算机或终端同时使用高速的数据通道。在DTE与DCE间可建立多条逻辑信道(0—4095号)，这样可使一个DTE同时和网上其它多个DTE建立虚电路通信。37X.25接口三层的关系X.25分组分组层（网络层）数据链路层高层用户数据高层用户数据X.25头LAPB头LAPB尾LAPB帧高层物理层（比特……）38分组交换协议——X.25协议X.25物理层

规定了DTE和DCE之间接口的电气特性、功能特性和机械特性以及协议的交互流程。

DTE(数据终端设备):

与分组交换网的端口相连的设备;可以是同步终端或异步终端，也可以是通用终端或专用终端，还可以是智能终端。

DCE(数据电路终接设备):

是DTE-DTE远程通信传输线路的终接设备，主要完成信号变换、适配和编码等功能，对于模拟传输线路一般为Modem;对于数字传输线路，则为多路复用器或数字信道接口设备。39分组交换协议——X.25协议X.25物理层主要功能有：

DTE和DCE之间的数据传输在设备之间提供控制信号为同步数据流和规定比特速率提供时钟信号提供电气地提供机械的连接器（如针、插头和插座）采用的接口标准有X.21建议、X.21bis建议及V系列建议.40分组交换协议——X.25协议X.25数据链路层——LAPB是在物理层提供的双向的信息传输通道上，控制信息有效、可靠地传送的协议;主要功能就是建立链路。协议采用的是HDLC（高级数据链路控制规程）的一个子集——LAPB（LinkAccessProcedureBalanced，平衡型链路访问规程）协议。HDLC:High-levelDataLinkControl41分组交换协议——X.25协议HDLC简介

HDLC是ISO定义的面向比特的数据链路控制协议的总称

HDLC定义了三种类型的站、两种链路配置及三种数据传送模式

主站、从站、复合站非平衡配置、平衡配置正常响应方式、异步平衡方式、异步响应方式X.25的LAPB采用平衡配置方式，用于点到点链路，采用异步平衡方式来传输数据42分组交换协议——X.25协议X.25数据链路层——LAPB非平衡配置:

链路两端设备的地位不平等主站次站命令响应主站次站命令响应次站点到点链路点到多点链路站是指链路两端的通信设备43分组交换协议——X.25协议X.25数据链路层——LAPB平衡配置:链路两端设备的地位平等复合站复合站命令响应点到点链路X.25数据链路层只提供点到点的链路方式。复合站兼具有主站和从站的功能44分组交换协议——X.25协议X.25数据链路层——LAPB

数据传送模式（1）正常响应方式：适用于非平衡配置，只有主站才能启动数据传输，从站响应；（2）异步平衡方式：使用于平衡配置，任何一个复合站都可以启动数据传输过程（3）异步响应方式：适用于非平衡配置，在主站未发来命令帧时，从站可主动的向主站发送数据，但主站仍负责对链路的管理X.25的LAPB采用平衡配置方式，用于点到点链路，采用异步平衡方式来传输数据45分组交换协议——X.25协议X.25分组层

X.25的分组层利用数据链路层提供的可靠传送服务在DTE-DCE接口上完成虚呼叫的分组数据通信；它将一条数据链路按统计时分复用的方式划分为许多个逻辑信道，允许多个终端同时使用高速的数据信道46分组交换协议——X.25协议X.25分组层X.25分组层的功能在X.25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道，并通过逻辑信道号（LCN）区分与每个用户呼叫有关的分组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

支持交换虚电路（SVC)、永久虚电路(PVC)；SVC呼叫过程包括：呼叫建立、数据传输和呼叫清除；

PVC呼叫过程只包括数据传输；监测和恢复分组层的差错47分组交换协议——X.25协议X.25分组层

分组格式和类型：

组成：分组头+分组数据分组头格式：GFILCGNLCN分组类型识别符QDSS

通用格式标识符(GFI)：为分组定义了一些通用的功能

逻辑信道组号(LCGN)和逻辑信道号(LCN)：统称逻辑信道标识，共12比特，可提供4096条逻辑信道。

分组类型标识；规定分组的类型。48分组交换协议——X.25协议X.25分组

分组格式和类型：Q:区分分组是用户数据还是控制信息（0：用户数据；1：控制信息)SS=01表示分组按模8进行编号SS=10表示分组按模128进行编号LCGN为4bit，一条数据链路上最多可分配16个逻辑信道组，LCN为8bit，每LCGN最多有256条逻辑信道，一共可有4096个逻辑信道，除0号专用外，其余4095条逻辑信道可分配给虚电路使用49分组交换协议——X.25协议X.25分组

分组格式和类型：D:分组确认方式（0：本端DCE证实；1：远端DTE证实)DTEDTED=0

数据证实D=0

数据证实DCEDCEX.25网络DTEDTED=1

数据证实D=1

数据证实DCEDCEX.25网络50分组交换协议——X.25协议X.25分组

分组层工作原理：分组层定义了DTE和DCE之间传输分组的通信过程。分组层的操作分为三个阶段：呼叫建立、数据传输和呼叫清除

1.虚电路：本端DTE和远端DTE的端到端连接；是由多段逻辑信到串接而成的；

2.逻辑信道：虚电路在用户接入段上一个子通道；通过逻辑信道号(LCN)识别；3.逻辑信道的状态：

就绪、呼叫建立、数据传送和呼叫清除；51分组交换协议——X.25协议X.25分组

分组层工作原理：

呼叫建立：

1.成功建立过程为避免DTE和DCE在分配LCN时发生冲突，X.25分组层协议规定:DTE从大到小分配LCN，DCE从小到大分配LCN。如果发生冲突，则DTE分配优先.高端LCN低端LCN52X.25虚电路的建立过程主叫端DTE1向其DCE发送一个呼叫请求分组，内含虚电路号、主叫端DTE1地址和被叫端DTE2地址等。虚电路号即逻辑信道号，DTE1从空闲的逻辑信道号中按“先大后小”的顺序选择。X.25网络选择合适的路由将呼叫请求分组传送到被叫端DCE。被叫端DCE在收到呼叫请求分组后，按“先小后大”的顺序从空闲的逻辑信道号中选择一个号，向被叫端DTE2发送一个呼入分组。呼入分组的格式与呼叫请求分组的格式一样，只是换了一个虚电路号。被叫端DTE2若接受呼叫，则发出呼叫接受分组，其逻辑信道号与呼入分组的相同。网络按呼叫建立时的路由将呼叫接受分组传到主叫端DCE。主叫端DCE向主叫端DTE1发送呼叫接通分组。呼叫建立阶段结束，此后进入数据传送阶段。这时数据分组可按此前选定逻辑信道号和路由在DTE1-DTE2间进行全双工传送。53分组交换协议——X.25协议X.25分组

分组层工作原理：

呼叫建立：2.被叫不同意建立图5.19呼叫拒绝54分组交换协议——X.25协议X.25分组

分组层工作原理：

呼叫清除：1.呼叫清除过程可以由任何一端的DTE发起，也可以由网络发起。呼叫清除过程将释放所有与该呼叫有关的网络资源，被该虚电路占用的逻辑信道将恢复到“准备好”状态。55分组交换协议——X.25协议X.25分组

分组层工作原理：

呼叫清除：图5.20呼叫清除过程56X.25虚电路的释放过程主叫端或被叫端DTE发出清除请求分组，然后就会收到本地DCE发回的清除证实分组，同时清除请求分组经网络发送到远程DCE。远程DCE向远程DTE发送清除指示分组远程DTE收到清除指示分组后，发给远程DCE一个清除证实分组，完成连接的释放。释放的逻辑信道号在下一次建立连接时可以再使用。X.25PAD(PacketAssembler/Disassembler)

：分组装拆设备作用：使没有智能的字符哑终端也能接入X.25网络使用X.25虚电