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1、第四章 分组交换原理 4.1 概述分组交换技术是为满足数据通信的需 要而产生的。数据通信凡是在终端以编码方式表 示的信息，用脉冲形式在信道上传送的信 息都叫数据通信。1数据通信的特点电电路交换换的不适应应性高可靠性要求。一位编码编码 错错了表达的意思完全不同电电路交换换是透明传输传输 (没有差 错错控制措施)持续时间续时间 短，90%用户户数 据通信持续时间续时间 50s， 突发发性电话电话 通信的平均持续时间为续时间为 5分。电电路交换换的通路建立时时 间长间长 ，平均15s，较较短的数据 通信花去较长较长 的通路建立时时 间间不划算。数据通信的速率变变化， 30bit/s（聊天）nMbit
2、/s （传图传图 象）电电路交换换每话话路传输传输 速率固 定为为64kbit/s，不能适应业务应业务 速率的动态变动态变 化。24.1.1 4.1.1 分组交换的诞生分组交换的诞生计算机技术分组交换电路交换 交换数据：高速、大容量 和时延小；以分组为单位 存储转发。 缺点：1、固定占用带宽；2、线路利用率低；3、双方必须以相同的数据率进行发送和接收。数据业务：能够进行资源共享；具有突发性的特点； 并有高度的可靠性；具有严格差错控制。3分组交换的本质特征 数据被封装成分组后，对于占用的传送位 置无要求，可采用统计复用，先来先传。 由于要求交换节点对数据进行纠错检验， 必须等一个分组完全抵达交换
3、节点后才能 执行，所以分组交换采用“存储-检查-转发 ”的交换方式。44.1.2 分组交换的概念 分组交换的基本思想是：把用户要传 送的信息分成若干个小的数据块，即 分组(packet)，这些分组长度较短，并 具有统一的格式，每个分组有一个分 组头，包含用于控制和选路的有关信 息。5两个关键 统计复用：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 机先进行缓存， 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
4、路由， 将分组经出口连 路转发输出。6分组的形成7统计时分复用8工作过程 各分组按 排队，形成队列，复用器按照 FIFO的原则，从队列中逐个取出分组向线路上发送。 在高速传输线上，形成了各用户分组的交织 传输。输出的数据不是按固定时间分配，而 是根据用户的需要进行的。 这些用户数据的区分不像同步时分复用那样 靠位置来区分，而是靠各个用户数据分组头 中的“标记”来区分的。9分组交换过程10分组交换的特点(1) 线路利用率较高。(2) 异种终端通信。(3) 数据传输质量好、可靠性高。(4) 负荷控制。(5) 经济性好。(1) 信息传送时延大。(2) 增加开销。(3) 协议和控制比较复杂。114.1
5、.3 报文交换 报文交换，也属于分组型数据交换， 区别是数据单元包含用户一次通信中 的全部数据内容。 报文交换也采用存储转发模式，特点 是分组长度较大，有较大传送时延。12报文交换与分组交换的对比 134.2 分组交换网的主要形式 两种主要形式：面向连接和无连接 面向连接，通信前先要分配资源和进 行通信参数协商，然后进行数据交换 传送，通信结束后释放所占用资源。 无连接，随时可进行数据传送，网络 总是处于准备好状态。14两种工作模式 数据报方式:用户之间通信无需经过呼叫建立 、呼叫释放阶段；各分组逐节点地独立选择路 由、转发。特点：是无连接的交换方式。灵活，网络利 用率高，软件复杂，传输时延大
6、。internet采用数据报方式。 虚电路方式:先在用户之间建立逻辑连接（虚 电路），分组沿虚电路顺序发送，发送完，逻 辑连接释放。特点：是面向连接的交换方式。延时小，软 件简单，故障时需要重新建立连接。 X.25分组交换网采用。15D3A存储器PAD 接口PAD 接口存储器D D2 C 1 CC分组交换机甲分组交换机乙 1 C2DD1存储器B2A-C:用数据报方式,各分组独立选择路由 B-D:采用虚电路方式,各分组按已建立的虚电路顺序传送PAD:packet Assemble and Disassemble分组装拆接口 3 D 2 D 1 DC2 2 222 C分组交换机丙C工 作 原 理
7、示 意16虚电路的特点是：(1) 虚电路的路由选择仅仅发生在虚电路建立的时候，在以后的传送过程中，路由不再改变，这可以减少节点不必要的通信处理。(2) 由于所有分组遵循同一路由，这些分组将以原有的顺序到达目的地，终端不需要进行重新排序，因此分组的传输时延较小。(3) 一旦建立了虚电路，每个分组头中不再需要有详细的目的地地址，而只需有逻辑信道号就可以区分每个呼叫的信息，这可以减少每一分组的额外开销。17(4) 虚电路是由多段逻辑信道构成的，每一个虚电路在它经过的每段物理链路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级连构成了端到端的虚电路。(5) 虚电路的缺点是当网络中线路或者设备发生故障时，可能导致虚
8、电路中断，必须重新建立连接。(6) 虚电路的使用场合：虚电路适用于一次建立后长时间传送数据的场合，其持续时间应显著大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。18数据报的特点是：(1) 用户的通信不需要有建立连接和清除连接的过程，可以直接传送每个分组，因此对于短报文通信效率比较高；(2) 每个节点可以自由地选路，可以避开网中的拥塞部分，因此网络的健壮性较好。对于分组的传送比虚电路更为可靠， 如果一个节点出现故障，分组可以通过其它路由传送。(3) 数据报方式的缺点是：分组的到达不按顺序，在终点各分组需重新排队；并且每个分组的分组头要包含详细的目的地 址，开销比较大。(4) 数据报的使用场合：数据报
9、适用于短报文的传送，如询 问/响应型业务等。 194.2.1 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LCN (Logical Channel Number)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。20虚通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
10、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，一条虚电路可由多段逻辑信道 组成。 所谓虚电路，就是对用户传送数据而言似乎 存在着一条通路，但是虚电路没有物理上的 对应，只是一种标记。214.2.3 两种网络的比较对对比内容面向连连接网络络无连连接网络络 倡导导者的技术领术领 域电电信计计算机 分组头组头 部中的用户标户标 识识信息逻辑逻辑 子信道标标号完整的源、目的地址转发处转发处 理开销销低高 头头部开销销低高 路由选择选择仅仅在建连连接时进时进 行对对每个分组进组进 行 交换节换节 点失效时时所有经过经过
11、 它的虚电电路 都不能工作少数分组丢组丢 失，此后 的通信还还可进进行 一次通信任务务内分组组 的转发转发 路径都相同可能互不相同分组顺组顺 序能够够保证证端到端顺顺序 不能保证证服务质务质 量保证证支持相对对容易较较困难难224.2.4 分组的格式 整个报文信息分成数据块， 每个数据块加上高级数据链 路 控制规程标识、 分组头、帧校检序列 以帧的形式在信道上传输。 F：定界标志，标识分组的 边界 A：地址字段，表示链路层 的次站地址与网络层的目 的地址及选路无关 C：控制字段，指示帧的类 型 （信息帧，监控帧( 按级就绪、未就绪等)，无 编号帧(控制链路的断开和 建立)） FCS：帧校验序列
12、，为CRC 校验码F A C分组头信息字段 FCSFFCFCSF分组头A报文AFCFFCS分组头高级数据链路 控制规程标记23分组头:通用格式标示符:主要用来区分分组是 用户信息还是控制信息，还有确认方 式、分组顺序编号的模式。 逻辑信道组号和逻辑信道号:是分组的 地址标记，标示不同的子信道或用户 信息。 分组类型识别符:区分不同的分组通用格式标示符逻辑信道组号逻辑信道号分组类型识别符24分组类型: 呼叫建立分组:用于两个DTE之间 建立虚电路。(呼叫请求分组，入呼叫 分组，呼叫接受分组，呼叫连接分组) 数据传输分组: 恢复分组:实现分组层的差错控制 (复位分组，再启动分组，诊断分组) 呼叫释
13、放分组:用于释放虚电路( 释放请求分组，释放指示分组，释放证 实分组)不同类型分组的格式有所不同，如有 的就不包括信息字段，具体见书。254.3 分组网络的路由选择路由选择原则: 使报文通过网络的平均延迟时间较短 平衡网内业务量 实现路由选择的路由算法:固定路由算法和自适应路由算法 固定路由算法：根据网络结构，传输线路的速率途 径交换机的个数等，预先算出某一个交换机至各交 换机的路由表，说明该交换机至各目的交换机的路 由选取的第一选择，第二选择，第三选择等。 自适应路由算法：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，线路畅通情况，并对网 络结构发生变化时及时更新，以便在新情况下获得
14、 较好路由，每隔一段时间要重新算一次。 26电路交换是立即损失制，若找不到空 闲路由，呼叫建立就告失败，分组交换 是时延损失制，只要传输链路不全部阻 断，路由选择总能选到一条链路。 1 流量控制的对象及目的 为了实现不同速率的数据终端之间的通 信，要控制速率较高的终端进入分组网 的流量，即控制进入虚电路的分组数（ 控制终端到网络节点之间的流量） 从网络路角度上，控制各虚电路与链路 的流量，使全网的分组流量在设计范围 内，防止拥塞现象发生。（通信量超过 交换机的存储器容量和通信线路的承受 能力）。4.4 流量控制与拥塞控制272 流量控制方法 信道队列法： 一个链路或一个虚电路对应一个 队列，节
15、点监视这些队列的占用情况 ，若超过门限值，后读到达的分组就 丢弃，以后再重传。 预约缓冲区法： 源节点在发送报文之前必须先向 目的节点申请，缓冲空间，目的节点 如有足够的空间可供分配就向源节点 发送“准备接收”应答分组，然后源 节点才能向目的节点发送预约数目的 分组。 28 拥塞，通常是由于随机业务流经某一链路 时超出了该链路的最大负荷引起拥堵，解 决办法： 通知源端减慢发送速度； 选择其他路径传送分组。294.5 分组网络性能指标与服务质量 4.5.1 性能指标 带宽，指每秒可向信道中注入的比特数，也称作 吞吐量。 延迟，包括发送延迟、传播延迟和处理延迟： 发送延迟，也称传输延迟，分组“注入
16、 ”信道所需时间，计算方法是：发送延迟 = 分组长度 信道带宽。 传播延迟，分组从信道一端传到另一端 所需时间，计算方法是：传播延迟 = 信道长 度 信号传播速率。 处理延迟，交换节点对分组进行存储转 发处理所花费时间的总和。304.5 分组网络性能指标与服务质量 延迟抖动，指一次通信中分组端到端延迟的变 化程度，会对流媒体传送有影响。 分组丢失率，分组在传输过程中出错或丢失的 概率。线路误码率通常很低，分组丢失主要由 于交换节点缓存空间有限而使分组排队溢出造 成。314.5.2 网络服务质量 服务质量，就是对网络性能指标（如带宽、 延迟、丢失率等）提供保证的情况。 如何保证服务质量： 根据流量特性和对服务质量要求，计算并 分配所需的链路带宽、缓存空间等资源。 能识别出提供保证的对象，常采用“流” 的 概念。流是指一次特定通信在某方向上传输分组 的集合，可通过源、目的地址和传输层头信息来 识别一个流。 传输期间，采取适当措施保
