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1、第 6 章 分组交换与帧中继技术,【本章内容简介】 本章系统介绍了分组交换原理、技术及帧中继技术。,包括数据通信的概念、构成、分类及其交换方式；分组交换的概念、特点、产生背景、分组交换的思想、统计时分复用技术、逻辑信道、虚电路和数据报、路由选择、流量控制、X.25协议；帧中继技术的产生背景、帧中继的协议与帧格式、帧中继的交换原理、分组交换技术与帧中继的主要区别。,【本章重点难点】 本章重点是分组交换思想、分组交换方式、分组交换技术以及帧中继与分组交换的区别。难点是X.25协议。,6.1 概述,6.1.1 数据通信的概念 数据是具有某种含义的数字信号的组合，如字母、数字和符号等。 随着计算机的普
2、及，人们对数据的理解也更加广泛，无论是文字、语声、图像，只要它们能用编码的方法形成各种代码的组合，都统称为数据。,数据通信就是按照通信协议，利用数据传输技术在功能单元之间传递数据信息，从而实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端与终端之间的数据信息传递而产生的一种通信技术。,数据通信包含两方面内容：数据的传输和数据传输前后的处理，例如数据的集中、交换、控制等。 数据传输是数据通信的基础，而数据传输前后的处理使数据的远距离交换得以实现。 这一点在讨论数据链路、数据交换以及各种规程时将会更明显。,6.1.2 数据通信系统的基本结构,数据通信系统由3大部分组成，即发送器、信道和接收器。 在双向通信中
3、，通信的每一方都具有发送器和接收器，也就是说，通信的每一方都可同时发送和接收数据。,目前，使用较多的是采用7个部分的通用数据电路（Universal Seven-Part Data Circuit）来描述一个终端A与终端B间的数据通信系统，如图6-1所示。,图6-1 数据通信系统的7部分组成示意图,6.1.3 数据通信网的分类,可以从不同的角度对数据通信网进行分类。 1按服务范围分 （1）广域网（Wide Area Network，WAN）：广域网的服务范围通常为几十到几千公里，有时也称为远程网。,（2）局域网（Local Area Network，LAN）：局域网通常限定在一个较小的区域之内
4、，一般局限于一幢大楼或建筑群，一个企业或一所学校，局域网的直径通常不超过数千米。 对LAN来说，一幢楼内传输媒介可选双绞线、同轴电缆，建筑群之间可选光纤。,（3）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）：城域网的地理范围比局域网大，可跨越几个街区，甚至整个城市，有时又称都市网。,2按交换方式分类,按交换方式分类，可以有电路交换的数据通信网、分组交换网（又称X.25网）、帧中继网、异步传送模式ATM等。 还有多分类方法，如按使用对象可分为公用网和专用网等。,6.1.4 数据通信网的交换方式,在信息传输方面，由于数据通信网与电话通信网相比，有它自己的特点（实时性要求不如
5、电话通信网那样高），因而在数据通信网中引入了一些特殊的交换方式。,目前，数据通信网中可采用的信息交换方式有以下3类。 （1）电路交换方式（Circuit Switching） （2）报文交换方式（Message Switching） （3）分组交换方式（Packet Switching）,6.1.5 分组交换网,数据通信网发展的重要里程碑是采用分组交换方式，构成分组交换网。,6.1.6 分组交换技术的产生,分组交换技术的研究是从20世纪60年代开始的。,6.2 分组交换原理,6.2.1 分组交换的工作原理 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，还可以通过计算机和终端
6、实现计算机与计算机之间的通信。,分组交换技术是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。,分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成一定长度的数据包，每个数据包叫做一个分组。 在每个分组的前面加上一个分组头，包含用于控制和选路的有关信息。,分组在网内由分组交换机根据每个分组的地址标志，采用“存储转发”、流量控制和差错控制技术，将它们传送至目的地，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。 分组交换实质上是在“存储转发”基础上发展起来的。,1数据终端设备（DTE）,数据终端设备按业务内容不同，可分为分组型终端（PT）和非分组型终端（NPT）。
7、,分组型终端（PT）就是具有分组形成能力，可将数据信息分成若干个分组，能执行X.25协议，可直接和分组网相连进行通信的终端设备。 非分组终端（NPT）也称一般终端，它就是以字符形式收发信息的一般终端。,2分组交换的工作原理,图6-2 分组交换工作原理,6.2.2 分组交换方式,1数据报方式 分组交换的数据报方式继承了报文交换的优点。 所谓数据报方式就是采用统计复用技术在分组网内根据每个分组的地址信息将数据分组由信源传送到信宿。,交换节点对每一个分组单独进行处理，采用“存储转发”方式，根据分组中包含的目的地址信息和网络状态为每个分组独立寻找路由，属于同一用户的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，
8、分组到达终点后应按原来的顺序组合用户数据信息。,数据报方式的特点如下。 （1）用户之间的通信不需要连接建立和拆除过程，根据分组头地址就可以直接传送数据，因此对于短报文通信效率比较高。,（2）网络节点根据分组头地址自由地选路，可以避开网络中的拥塞路段或节点，因此网络传送分组的可靠性更高。如果一个节点出现故障，分组可以通过其他路由传送。,（3）数据报方式的缺点是分组和节点的开销较大。由于分组在网内按地址信息和网络状态向目的地方向传送，分组的到达终点次序随机，需要重新排序。每个分组的分组头要包含详细的目的地址。,（4）数据报方式适用于短报文的数据通信，如询问/响应型、电子邮件型业务等。,2虚电路方式
9、,分组交换的虚电路方式继承了电路交换的优点。 所谓虚电路方式就是采用统计复用技术，在用户数据分组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，传送完毕通过呼叫拆除分组来拆除虚电路。,在这种方式中，用户的通信过程需要经过虚连接建立、分组传输、虚连接拆除三个阶段。 因此，虚电路提供的是面向连接服务。,虚电路方式的特点如下。 （1）分组的传输时延较小。 （2）终端不需要重新排序。,（3）虚电路建立后，每个分组头中不再需要包含详细的目的地址，而只需逻辑信道号就可以区分各个呼叫的信息，减少了每个分组的额外开销。,（4）虚电路是由多段逻辑信道级
10、联而成，虚电路在它经过的每段物理线路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级联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设备发生故障时，可能导致虚电路中断，必须重新建立连接才能恢复数据传输。 （6）虚电路适用于长报文的数据通信。,6.2.3 分组交换方式的主要特征,分组交换方式的主要特征是以数据分组为单位，以“存储转发”方式在分组网内进行交换和传送分组信息。,分组交换方式除了具有报文交换方式的各种优点外，还由于分组长度较短、具有统一的格式，因而便于交换机存储（可以只用内存储器）、处理。 所以，与报文交换方式比，其信息传输延迟时间大大缩短。,6.3 分组交换技术,6.3.1 分组的形
11、成 在分组交换中，分组是交换和传送处理的对象。 分组交换是采用“存储转发”方式传送若干比较短的、被规范化了的分组。,与报文交换相比，分组在分组网内传送的时间较短，通常一个分组在交换机内的平均时延为数毫秒甚至更短，所以分组网能满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时要求。,图6-3 分组的组合与分解,1分组头格式,图6-4 分组头格式,图6-5 通用格式识别符,分组类型识别符为8位，区分各种不同的分组，共分如下4类。 （1）呼叫建立分组用于在两个DTE之间建立交换虚电路。 （2）数据传输分组用于两个DTE之间实现数据传输。,（3）恢复分组实现分组层的差错恢复，包括复位分组、再启动分组和诊断分组等
12、。 （4）呼叫释放分组在两个DTE之间断开虚电路，包括释放请求分组、释放指示分组和释放证实分组等。,2各类分组格式,用于呼叫建立的分组有呼叫请求分组、入呼叫分组、呼叫接受分组和呼叫连接分组等。 它们的格式相同，但它们的内容有些不同，这里介绍两种分组，即呼叫请求分组和呼叫接收分组。,（1）呼叫请求分组格式 （2）呼叫接受分组格式,图6-6 呼叫请求分组格式,图6-7 呼叫接受分组格式,（3）数据分组格式,图6-8 数据分组格式,（4）呼叫释放分组格式,图6-9 呼叫释放分组格式,6.3.2 资源分配技术,1多路复用技术 为了提高信道的利用率，在数据的传输中组合多个低速的数据终端共同使用一条高速的
13、信道进行信息传送，然后在接收端再将复合信号分离出来，这种方法称为多路复用技术，常用的复用技术有：频分多路复用和时分多路复用。,（1）频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）：将线路的通频带划分成若干个子频带（或称子信道），每个用户的数据通过专门分配给它的子频带传输，每一个子频带传输1路信号。,频分复用技术的特点：所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。,（2）时分复用（Time Division Multiplexing，TDM） ：时分复用是把线路传输时间划分成若干时间片（简称时隙
14、），多个用户在不同的时间段（时隙）占用或共享公共资源（如信道、介质等）的方法。,时分复用技术的特点：时分复用技术的特点是所有子信道（时隙）传输的信号以串行的方式工作。,2资源分配技术,分组交换采用“存储转发”及动态复用技术，基本思想是实现通信资源共享，因此必须考虑资源分配。 从分配传输资源角度可分为两类技术：预分配（或固定分配）资源技术和动态分配资源技术。,（1）预分配资源技术,所谓预分配是根据用户要求预先把线路传输容量的一部分分配给他。 下面介绍频分多路复用预分配技术和时分多路复用预分配技术。, 频分复用,频分复用是把线路的通频带分成多个子频带，分别分配给用户形成数据传输子通路，每个用户的数
15、据通过专门分配给它的子通路传输。, 时分复用,同步时分复用就是把线路传输时隙轮流分配给每个用户，每个用户只在分配的时间里向线路发送信息。,（2）动态分配资源技术,为了克服预分配资源方式的缺点，采取用户有数据传输时才给他分配资源的方法，称为动态分配或按需分配。,当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源，线路的传输能力可用于为其他用户传输数据。 这种根据用户有数据传输时，才给它分配线路资源的方法称为统计时分复用（STDM）。,图6-10 统计时分复用,6.3.3 逻辑信道与交换虚电路,1逻辑信道的概念 在统计时分复用中，虽然没有为各个终端分配固定的时隙，但通过各个用户的数据信息上所加的标记，仍然可
16、以把各个终端的数据在线路上严格地区分开来。 这样，在一条共享的物理线路上，实质上形成了逻辑上的多条子信道。,各个子信道用相同的号码来表示。 如图6-11所示，在高速的传输线上形 成了分别为3个用户传输信息的逻辑上的子信道，我们把这种形式的子信道称为逻辑 信道，用逻辑信道号（Logical Channel Number，LCN）来标识。,图6-11 逻辑信道划分示意图,逻辑信道号由逻辑信道组号及组内逻辑信道号组成，二者统称为逻辑信道号。 在统计复用器中建立了终端号和逻辑信道号的对照表，网络通过LCN就可以识别出是哪个终端发来的数据。,2逻辑信道的特点,（1）由于分组交换采用动态统计时分复用方法，因此终端每次呼叫时，需要根据当时的资源情况分配LCN。同一个终端可同时通过网络建立多个数据通路，它们之间通过LCN进行区分。,（2）逻辑信道号是在用户至交换机的用户线或交换机之间的中继线上分配的，用于代表子信道的一种标号资源。 （3）逻辑信道号是客观存在的。,3交换虚电路的建立和释放,虚电路是分组交换的一种工作方式。虚电路分为两种：一种是交换虚电路（Swi
