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1、第五章 分组交换与分组交换网,本章重点介绍了分组交换的原理，包括分组的形成、分组的传输和分组的交换，介绍了分组交换网的基本构成，以及相关通信协议。 学习要点：1、了解并掌握同步时分复用、异步时分复用（统计复用）的基本概念和原理。2、了解分组的形成方式、传输的特点、及其交换的原理。3、了解并掌握分组交换的虚电路和数据报方式的工作特点。4、了解分组交换路由选择的方法。5、了解x.25协议栈的构成及功能。6、了解分组交换网的组成原理。,分组交换技术具有信息传输质量高、网络可靠性高、线路利用率高、经济性能好、利于不同类型终端间的相互通信等优点，可以提供高质量的灵活的数据通信业务。分组交换技术已经被广泛
2、的应用于计算机通信网络中。,5.1 分组交换技术的产生与发展,分组交换技术是在计算机技术发展到一定程度，人们除了打电话直接沟通，通过计算机和终端实现计算机与计算机之间的通信，在传输线路质量不高、网络技术手段还较单一的情况下，应运而生的一种交换技术。快速分组交换技术（Fast Packet Switching）、帧中继（Frame Relay）、异步传输模式（ATM）等通信技术都是在分组交换技术的基础上产生与发展起来的。,分组交换也称为包交换。 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
3、制和选路的有关信息。这些分组以“存储转发”的方式在网内传输，即每个交换节点首先对收到的分组进行暂时存储，检测分组传输中有无差错，分析该分组头中有关选路的信息，进行路由选择，并在选择的路由上进行排队，等到有空闲信道时转发给下一个交换节点或用户终端。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。,5.2 分组交换的基本原理5.2.1 分组传送方式在分组交换中，分组传送方式采用的是统计时分复用(异步时分复用、同步时分复用（预分配复用）？)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，因而分组传送方式在实现了多用户对线路资源共享的同时，提高了线路资源的利用率，并可以很好的支持突发性
4、业务。图5.1所示是采用统计时分复用的分组传送方式。多个分组共享线路资源，每路通信分别用不同的用户标识来区别，如图中1、2、3，根据分组传送的需要，每路通信的分组或疏或密地出现在线路上，即占有不同的带宽。,图5.1 分组传送方式,5.2.2 分组的形成分组（packet）是由用户数据和分组头组成的。分组的用户数据部分的长度是有限制的。如果来自数据终端的用户数据报文的长度超过了分组的用户数据部分的最大长度，则需要将该报文拆分成若干个数据段，并在每个数据段前加上分组头，形成分组。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、分组的序号及其它的控制信息。前面我们已经介绍过分组传
5、送方式采用的是统计复用方式，因而在同一个物理信道上可以同时传送属于多个不同通信的分组，在这里这些用户终端好像是分别占用了不同的子信道进行数据的传送，即同一个通信的分组构成了一个子信道，当然这些子信道是逻辑的，因而我们称之为逻辑子信道。我们使用逻辑信道号（LCNLogic Channel Number）来标识每一个逻辑子信道，进而区别出分组是属于哪个通信的。分组的序号主要是用来标识该分组在原来的数据报文中的位置，以便于接收端能够将接收到的分组还原为原来完整的报文。,分组有两大类：数据分组和控制分组。数据分组是用来承载用户数据的分组控制分组是保证和控制数据分组在网络中正确传输和交换的分组。因此，为
6、了区分不同类型的分组，分组头中还应包含分组的类型。,5.2.3 分组交换方式1、虚电路方式虚电路方式是指通信终端在开始通信，即相互发送和接收数据之前，必须通过网络在通信的源和目的终端之间建立连接；然后才能够进入信息传输阶段，发送和接收分组，且该通信的所有分组沿着已建立好的连接按序被传送到目的终端；当通信结束时，需要拆除该连接。在这里，虚电路方式所建立的连接是逻辑连接，而不是物理连接（物理通路）。同一条物理通路上可能同时被多个虚电路所使用。,分组交换网提供的虚电路交换方式又分为两种，一种是交换虚电路，又称为虚呼叫另一种是永久虚电路。交换虚电路方式是指虚电路只在通信过程中存在，在数据传送之前要建立
7、逻辑的连接，也叫虚连接或虚电路，在数据传送结束后需要拆除虚连接。永久虚电路方式是指在两个用户之间存在一条永久的虚连接（按用户预约，由网络运营管理者事先建好），不论用户之间是否在通信，这条虚连接都是存在的。用户之间若要通信则直接进入数据传输阶段，如同专线一样，而不用经历虚电路的建立和拆除阶段。在实际应用中，虚电路一般是指交换虚电路方式。,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。
8、图5.3是在虚电路方式中数据分组依据路由表经交换节点交换的原理图。,注：DTEData Terminal Equipment，数据终端设备,图5.3 虚电路路由表,DTE1与DTE3之间、DTE2与DTE4之间要进行数据通信，我们分别用呼叫1和2来表示这两个通信。对于交换虚电路，在虚连接建立阶段时生成了交换节点A和B的路由表，而对于永久虚电路是在申请该业务时，由网络运营管理者设置生成的。DTE1的数据分组从节点A的3号端口的10号逻辑信道进入交换节点A，经查寻路由表从2号端口的62号逻辑信道上输出，分组传送到节点B的3号端口，逻辑信道号不变仍为62，在节点B查路由表，从1号端口的22号逻辑信道
9、上输出，被传送到通信的目的终端DTE3。同理，DTE2到DTE4的数据分组的传输和交换也依据相应的路由表。,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：在虚电路方式中，一旦出现故障、虚连接中断，则通信中断，有可能丢失数据，因而这种方式对故障比较敏感。,2、数据报方式数据报方式在信息传输之前无需建立连接，其分组头中含有目的终端地址信息，对每个数据分组就像对一份报文一样独立地进行选路和传送，属于同一份报文的不同分组有可能会沿着不同的路径到达终点，因而会出现分组失序现象。在这种方式中，一个被独立处理的分组就被称为数据报，而这种分组交换方式就叫做数据报方式。,数据报方式
10、的特点：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：由于对每个数据分组是独立选路，因而当网络出现故障时，只要到目的终端还存在一条路由，通信就不会中断。,3、数据报和虚电路比较数据报省掉了呼叫的建立和拆除过程，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。而虚电路一次通信需要经过呼叫建立、数据传输和呼叫清除三个阶段，但是其分组头简单，因此传送大量数据分组时，采用虚电路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
11、的路径顺序通过网络，在网络终点不需要对分组重新排序。,数据报方式的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；而对于虚电路方式，一旦虚电路建立好，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。比如说，网络的某一部分发生了拥塞，那么节点可以为收到的分组选择一条绕过拥塞部分的路由。如果使用虚电路，分组是沿着固定的路径传送的，网络处理拥塞时就会比较困难。再比如说，假设一个节点出现了故障，如果使用虚电路，则经过该节点的所有虚电路都会断开，要继续通信必须重新建立虚电路。而使用数据报的方式，仅是丢失部分分组，其后的分组可以绕过该节点，通过其他的路径进行传送。,5.2
12、.4 路由选择在分组交换网中，各交换节点之间都设置有多条路由，以保证网络通信的可靠性并适应业务量的变化。因而，在通过网络建立通信的源和目的终端之间的呼叫连接时，就必须在各个交换节点选择一段路由，从而构成一条源节点到目的节点之间的通信路径，这个选择路由的过程就叫作路由选择。合理的路由选择应保证所选路由的正确性、快捷性、经济性和高效性，并有利于整个网络的负载平衡以及通信资源的综合利用。因此路由选择是分组交换的重要技术之一。,1、固定路由选择所谓固定的路由选择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。那么，固定路
13、由选择是如何实现的呢？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。路由表有两列，一列是目的节点，一列是对应的下一节点。这样就可以根据路由表选择下一个节点。以图5.4为例，各个节点按照最短路经算法计算出来的路由表如表5.2所示。,表5.4 固定路由选择举例,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。固定路由选择策略的优点是处理简单，在可靠的负荷稳定的网络中可以很好的运行。它的缺点是缺乏
14、灵活性，无法对网络拥塞和故障做出反应。一般在小规模的专用分组交换网上采用固定路由选择策略。,2、洪泛式路由选择洪泛式（flooding）路由选择的原理是，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。图5.5是洪泛式路由选择示例，分组从交换节点1传送到交换节点6的情况。,表5.5 洪泛式路由选择示例,洪泛式的优点是具有很高的可靠性。由于要经过源节点和目的节点之间的所有路径，因此即使网络出现严重故障，只要
15、在源节点和目的节点之间至少存在一条路径，分组都会被送达目的节点。另外，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。,3、随机路由选择采用随机路由选择策略时，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。随机路由选择方法的优点是比较简单、稳健性也较好。采用这种方法产生的路由不是最小费用路由，也不是最短路由，因此随机路由选择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
16、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。,4、自适应路由选择自适应路由选择就是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条件主要是网络出现的拥塞和故障。当网络中的一部分发生了拥塞，分组传送就要尽量绕过拥塞区域；当网络中的一部分出现了故障，分组传送就要避开发生了故障的节点或中继线。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。但是，这些信息本身也会增加网络的负荷，导致网络性能下降。因此需要寻找一个最佳点，使网络状态信息能得到及时
17、交互，同时又不增加过多的额外负荷。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，被大规模的公用分组交换网普遍采用。,5.2.5 流量控制1、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。另外，由于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。这些情况都会造成网络的拥塞，导致网络吞吐量迅速下降以及网络时延的迅速增加，严重影响网络的性能。当拥塞情况严重时，分组数据在网络中无法传送，不断的被丢弃，而源点无法发送新的数据，目的点也收不到分组，造成死锁。,
