[工程科技]第5章 分组交换与帧中继.ppt

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1、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 5 1分组交换 一 分组交换工作原理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 5 1分组交换 一 分组交换工作原理2 分组交换通信系统组成 1 分组交换网由若干个分组交换机 节点机 和连接交换节点的通信链路组成 完成分组数据的转接和传输 2 分组

2、交换协议分为接口协议和网内协议 重要核心协议 CCITTX 25 内部协议 CCITT定义的网间接口协议 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 5 1分组交换 一 分组交换工作原理2 分组交换通信系统组成 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

3、协议与X 25协议之间的转换 5 1分组交换 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 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 数据报方式的分组交换 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 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 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

4、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 虚电路方式的分组交换 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 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

5、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

6、示各分组的类型 5 1分组交换 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 5 1分组交换 二 分组交换核心技术1 分组格式 类型与最佳长度 1 分组格式通用格式识别符占用4比特 具体描述如图5 6所示 Q比特是限

7、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 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 5 1分组交换 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 5 1分组交换 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 5 1分

8、组交换 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 5 1分组交换 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 模8的数据分组模128的数据分组 5 1分组交换 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 5 1分组交换 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

9、附加到每个分组上的额外开销 如分组头 令h bit 为附加到每个分组的开销 为包括附加开销在内的最大分组长度 则可以得到 以分组方式发送一个报文所必须传送的总比特数为 其中 表示取大于或等于的最小正整数 5 1 5 1分组交换 二 分组交换核心技术1 分组格式 类型与最佳长度 3 分组最佳长度为了简单起见 假设一个报文被分成整数个分组 那么若不考虑排队和处理时延 则在从源点到宿点所经过的传输速率相同的i条链路中 传送一个报文所需要的总时间T为第一个分组通过前面 i 1 条链路的时间加上整个报文通过最后一条链路的时间 令R为每条链路的传输速率 bit s 则有 5 2 因此 T的平均值为 5 3

10、 但是若没有报文长度分布的先验知识 则上式中的E D 不可能求得 为此 可以采用下述近似表达式 5 4 5 1分组交换 二 分组交换核心技术1 分组格式 类型与最佳长度 3 分组最佳长度当报文长度D的概率分布使得的平均值介于两相邻整数的中间值时 上式是精确表达式 进而 可以得到 5 5 针对上式 对求导并令导数等于零 则可得到分组最佳长度为 5 6 从 5 6 式可见 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 5 1分组交换 二 分组交换核心技术1 分组格式 类型与

11、最佳长度 3 分组最佳长度 5 1分组交换 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 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 5 1分组交换 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

12、理链路号 括号内的数字表示该链路上的逻辑信道号 5 1分组交换 二 分组交换核心技术3 交换虚电路的建立 通信和释放 1 交换虚电路的建立交换虚电路建立过程如下所述 如果数据终端A与数据终端B要进行数据通信 则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 如果终端A与终端B之间的通信路径要经过多个交换机节点 则每个前面的交换机都要进行上述操作 以确认下一交换机 直至到达数据终端B 5 1分组交换 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 利用数据

13、传输分组进行信息传递 数据传输分组中只有逻辑信道号 而没有DTE地址 在分组交换方式中 普遍采用逐段转发 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 5 1分组交换 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

14、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 5 1分组交换 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

15、变量 据此随机数和选择概率决定路由 5 1分组交换 二 分组交换核心技术4 路由选择 2 动态路由选择方法需要路由表 是指路由选择过程中所用的路由表要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 必须及时测量网内业务量 交换机处理能力和线路畅通情况等 并把测量的结果通知各相关交换机 以便各交换机计算出新的路由表 5 1分组交换 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

16、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 5 1分组交换 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 5 1分组交换 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 5 1分组交换 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