【PPT课件】分组交与分组交换网

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1、,第四章 分组交换,现代交换技术,本章主要内容,帧中继,分组交换的基本原理,分组交换X.25协议,概述,4.1 概述,分组交换技术是适应计算机通信的需求而发展起来的一种先进的通信技术，是重要的数据通信手段之一；计算机数据消息对可靠性要求很高，对时延和对数据抵达顺序要求不严，因此需将数据封装成有纠错能力的分组进行传送和交换。采用统计复用方式，交换节点用“存储-检查-转发”的交换方式。,分组交换、分组交换网,分组交换也称为包交换。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

2、端用户，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。,4.2 分组交换的基本原理,分组交换是基于“存储转发”（Store and Forward）的，即数据交换前，先通过缓冲存储器进行缓存，然后按队列进行处理和转发。基于存储转发交换思想的技术有“报文交换”（Message Switching）和“分组交换”（Packet Switching）两种方式。,4.2.1 报文交换与分组交换,报文交换的基本思想是先将用户的报文当做一个逻辑单元整体存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端，所以，报文交换系统是典型的“存储转发”系统。,报文交换与

3、分组交换,分组交换的思想是从报文交换而来的，同样采用存储转发方式，与报文交换的不同在于：分组传输方式由于受到一次传输数据的最大长度的限制，需要将用户要传送的信息分割为多个数据段，这些数据称为“分组”（packet），每分组中有一个分组头，分组头中主要包含逻辑信道号、分组的序号及其它的控制信息。由此可见，分组交换的最小信息单元是分组。发送端把这些“分组”分别发送出去。到达目的地后，接收端再将一个个“分组”按顺序装好，还原成原来的信息给用户，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。图4.2是分组形成的过程。,4.2.2 统计时分复用,统计时分复用采用按需分配的方法，即当用户需要发

4、送数据时才分配给它线路传输资源，不发送数据时不分配线路传输资源，线路的资源可以为其它用户所使用。,统计时分复用,特点: 可以充分利用线路传输资源，提高线路的利用率。,在分组交换中的应用,统计时分复用是用特殊的标记来识别不同用户所传送的数据； 例如在分组交换中采用分组头来识别不同用户所传送的数据。,示例： 用逻辑通道号作数据组“标记”,4.2.3 路由选择和流量控制方式,分组交换网的路由选择的基本原则是： 应选择性能最佳的传送路径，通常最为重要的性能就是端到端传送时延； 应使网内业务量分布尽可能均衡，以充分提高网络资源的利用率； 应具有故障恢复能力，当网络出现故障时，可自动选择迂回路由。,路由选

5、择算法分类,路由选择算法分为非自适应路由选择算法和自适应路由选择算法两大类。非自适应路由选择算法也叫静态路由选择策略；自适应路由选择算法又称为动态路由选择策略，即节点的路由表根据网络的负载和链路的状态而不断地变化；静态路由选择策略包括泛射路由选择法、固定路由表法和随机路由选择法；动态路由选择策略包括路由独立路由选择法、集中式路由法和分布路由选择选择法。,泛射路由选择法，也称扩散式路由法，这是一种最简单的路由算法。当交换节点收到一个分组后，先检查它是否已经收到过该分组，如果收到过，则将它抛弃；如果未收到过，再判断该分组的目的节点是否是本节点后，否则就对除该条线路外的所有线路广播这个分组，直至该分

6、组达到目的节点。其中，最先到达目的节点的分组所经历的路径就是一条最佳路由。,（1） 泛射路由选择法,洪泛式路由选择的优点是具有很高的可靠性。 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。 洪泛式的缺点就是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。,泛射路由选择的特点,固定路由表法也称查表路由法，这是一种使用较多的简单算法。在每个交换节点中设置路由表，表是在整个系统进行配置根据网络的拓扑结构、链路容量、业务量等因素和某些准则计算建立的，并且在此后的一段相当时间保持不变。路由表包含路由目的节点地址和对应的下一个节点地址，在分组到达后根据分组的目的地址查

7、找路由表，进行分组转发。固定路由选择法的优点是处理简单，在可靠的负荷稳定的网络中可以很好的运行。它的缺点是灵活性差，对于网络中发生的阻塞和故障的适应力差。,（2）固定路由表法,当节点收到一个分组，节点随机选择一条除了分组来源的那条路由之外的其它路由。 随机路由选择方法的优点是比较简单、稳健性也较好。由此产生的通信量负荷一般要高于最佳的通信量负荷，而低于洪泛法产生的通信量负荷。 改进的随机路由选择方法是给每条输出路由分配一个概率，可根据概率来选择路由。这个概率可以是基于数据率的，也可以是基于费用。,（3）随机路由选择,自适应路由选择是根据网络状况的变化而动态改变的。路由选择的这种动态改变所依据的

8、条件主要是网络出现的拥塞和故障。实现自适应路由选择必须在节点之间交换网络状态信息。交换的信息越频繁，路由选择依据的条件越及时。这些信息本身也会增加网络的负荷，导致网络性能下降。由于这种方法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。,自适应路由选择,（1）独立路由选择,在这类路由算法中，节点只根据自己收集到的有关信息（如节点和线路当前运行变化情况）动态作出路由选择的决定，而不与其它节点交换路由选择信息，虽然不能正确确定距离本节点较远的路由选择，但还是能较好地适应网络流量和拓扑结构的变化。如选择将报文分组排列在最短输出队列节点上或排列在信息量最大、延迟小的队列节点上。,

9、（2）集中式路由选择,集中式路由选择，同固定路由选择法一样，在每个节点上存储一张路由表；但不同的是，集中路由选择算法中的节点路由表由网络管理中心定时根据采集的全网状态信息进行路由计算，并生成路由表及分送各相应节点。这种方法利用了整个网络的信息，所以得到的路由选择是完美的，路由信息开销少，实现简单，同时也减轻了各节点计算路由选择的负担；但功能过于集中，可靠性较差。,（3）分布路由选择,在采用分布路由选择算法的网络中，所有节点定期的与其每个相邻节点交换路由选择信息。每个节点均存储一张以网络中其它每个节点为索引的路由选择表，不断通过相邻节点信息交换来修改本节点中的路由选择表，以反映相邻节点的变化，找

10、出到达目的地的最佳路径。由此可见，在动态路由选择算法中，分布式路由选择算法是优秀的，并且在应用中不断改进，发展成路由信息协议（Routing Information Protocol，RIP）和开放式最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）等协议，因此得到了广泛的应用。,3、 流量控制,流量控制的必要性： 网络节点的存储容量有限； 网内数据流分布不均匀，造成网络的阻塞； 严重时，造成网络死锁。,拥塞的影响,流量控制可以使网络的数据发送和处理速度平滑均匀，是解决网络拥塞的一个有效手段，是分组交换的重要技术之一。,4.2.4 虚电路和数据报传递方式,无连接方式,面

11、向连接方式,在虚电路的信息传输阶段，所有数据分组都沿着已建立好的连接，经相同的路径到达目的地。 中间所经过的每一个交换节点都有一张路由表，该路由表是在连接建立阶段生成的，它包括入端口号、入LCN、出端口号、出LCN，数据分组就是按照此路由表进行节点交换，最终传送到目的终端的。,虚电路路由,注：DTEData Terminal Equipment，数据终端设备,虚电路路由表,数据报和虚电路的对比,（1）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。 （2）对于数据报方式，在网络终点必须对分组重新排序。而对于虚电路的方式，不需要对分组重新排序。（3）

12、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。 （4）数据报方式对网络的适应能力较强。,4.3 X.25协议,分组交换协议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。,定义,分组交换协议可分为接口协议和网内协议。,DTE(Data Terminal Equipment),X.25协议概述,国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）制定了一系列分组交换协议，如：X.25、X.75、X.3、X.28、X.29、X.121等，其

13、中最著名的就是X.25接口协议。,分组交换协议可分为接口协议和网内协议。,X.25具有如下特点,提供统一的接口，支持不同类型用户设备的接入；具有复用功能；流量控制和拥塞控制功能；可靠性高；信道利用率高。,4.3.1 X.25协议的体系结构,X.25协议采用分层的体系结构，自下而上分为三层：物理层、数据链路层和分组层，分别对应于OSI参考模型的下三层。,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）。,物理层的主要功能,X.25数据链路层协议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

14、送的协议。 X.25的数据链路层协议采用的是HDLC（高级数据链路控制规程）的一个子集LAPB（Link Access Procedure Balanced，平衡型链路访问规程）协议。,X.25数据链路层LAPB,DTE和DCE之间的数据传输； 发送和接收端信息的同步； 传输过程中的检错和纠错； 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。,X.25数据链路层主要功能,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。,LAPB帧的结构,帧类型与帧结构,数据链路层传送信息的最小单位是帧，按照帧所完成的功能可以把帧分成三类：信息帧（I帧）、监

15、控帧（S帧）和无编号帧（U帧）。,在链路的建立、断开和复位等控制过程中使用。,用于传输分组层的分组数据。,用于保证信息帧的正确传输。,各字段的作用与功能如下： 标志F发送和接收端信息的同步； 标志的长度为8比特，其值为二进制01111110，是帧的界定符。所有的帧必须以F开头，并以F结束。 地址字段A区分DTE和DCE之间两个传输方向上的命令帧和响应帧； 该字段的长度为8比特。 在DTE和DCE之间交换的帧有命令帧和响应帧两种：,帧结构,命令帧用来发送信息或产生某种操作； 响应帧是对命令帧的响应。,A地址DCE发送的命令帧、DTE发送的响应帧的地址字段；B地址DTE发送的命令帧、DCE发送的响

16、应帧；C和D地址多链路的命令帧和响应帧。,帧结构,控制字段C用来区分帧的类型并携带控制信息；LAPB定义了两种工作方式：模8方式和模128方式。,帧结构,模8方式就是指发送序号或接收序号在07之间循环编号，控制字段长度均为8比特。 模128方式则是在0127之间循环编号， 信息帧和监控帧的控制字段长度为16比特， 无编号帧控制字段长度为8比特。,LAPB帧的控制字段,信息帧用于传输分组层的分组数据，只在数据传输过程中使用。 信息帧的识别标志是C字段的第1比特为“0”； C字段还包含发送序号N(s)和接收序号N(r)，用于帧接收的肯定证实，N(S)为本帧的序号，N(r)为期望接收的下一帧的序号。在模8基本方式中， N(S)为3bit。 C字段中的第5比特位称作探询（poll）/最终（final）位，即P/F位。P对应命令帧；F对应响应帧。 I帧是命令帧，所以总为探询位（P）； P0，该位不起作用； P=1，表示要探询对端的状态。,