第4章 分组交换技术,4.1 概述 4.2 分组交换原理 4.3 X.25协议 4.4 分组交换机 4.5 帧中继技术 思考题,4.1 概 述,4.1.1 分组交换的产生背景 分组交换PS(Packet Switching)技术的研究是从20世纪60年代开始的当时，电路交换技术已经得到了极大的发展电路交换技术是最适合于话音通信的，但随着计算机技术的发展，人们越来越多地希望多个计算机之间能够进行资源共享，即能够进行数据业务的交换数据业务不像业务那样具有实时性，而是具有突发性的特点，并要求高度的可靠性这就要求在计算机之间有高速、大容量和时延小的通信路径在计算机之间进行数据通信时，传统的电路交换技术的缺点越来越明显：固定占用带宽，线路利用率低，通信的终端双方必须以相同的数据率进行发送和接收等所有这些都表明电路交换不适合于进行数据通信因此，大约在20世纪60年代末、70年代初，人们开始研究一种新形式的、适合于进行远距离数据通信的技术——分组交换分组交换技术是一种存储—转发的交换技术，被广泛用于数据通信和计算机通信中它结合了电路交换和早期的存储—转发交换方式——报文交换的特点，克服了电路交换线路利用率低的缺点，同时又不像报文交换那样时延非常大。
因此，分组交换技术自从产生后便得到了迅速的发展4.1.2 分组交换的概念 分组交换不像电路交换那样在传输中将整条电路都交给一个连接，而不管它是否有信息要传送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，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显然，采用分组交换时，同一个报文的多个分组可以同时传输，多个用户的信息也可以共享同一物理链路，因此分组交换可以达到资源共享，并为用户提供可靠、有效的数据服务它克服了电路交换中独占线路、线路利用率低的缺点同时，由于分组的长度短，格式统一，便于交换机进行处理，因此它能比传统的“报文交换”有较小的时延4.1.3 分组交换的优缺点 1. 分组交换的优点 分组交换的设计初衷是为了进行计算机之间的资源共享，其设计思路截然不同于电路交换。
与电路交换相比，分组交换的优点可以归纳如下： (1) 线路利用率较高分组交换路上采用动态统计时分复用的技术传送各个分组，因此提高了传输介质(包括用户线和中继线)的利用率每个分组都有控制信息，使终端和交换机之间的用户线上或者交换机之间的中继线上，均可同时有多个不同用户终端按需进行资源共享2) 异种终端通信由于采用存储—转发方式，不需要建立端到端的物理连接，因此不必像电路交换中那样，通信双方的终端必须具有同样的速率和控制规程分组交换中可以实现不同类型的数据终端设备(不同的传输速率、不同的代码、不同的通信控制规程等)之间的通信3) 数据传输质量好、可靠性高每个分组在网络内的中继线和用户线上传输时，可以逐段独立地进行差错控制和流量控制，因而网内全程的误码率在10-11以下，提高了传送质量且可靠性较高分组交换网内还具有路由选择、拥塞控制等功能，当网内线路或设备产生故障后，分组交换网可自动为分组选择一条迂回路由，避开故障点，不会引起通信中断 (4) 负荷控制分组交换网中进行了逐段的流量控制，因此可以及时发现网络有无过负荷当网络中的通信量非常大时，网络将拒绝接受更多的连接请求，以使网络负荷逐渐减轻。
5) 经济性好分组交换网是以分组为单元在交换机内进行存储和处理的，因而有利于降低网内设备的费用，提高交换机的处理能力此外，分组交换方式可准确地计算用户的通信量，因此通信费用可按通信量和时长相结合的方法计算，而与通信距离无关 由于分组交换技术在降低通信成本，提高通信可靠性等方面取得了巨大成功，因此20世纪70年代中期以后的数据通信网几乎都采用了这一技术30多年来，分组交换技术得到了较大的发展2．分组交换的缺点 上面介绍了分组交换的诸多优点，但任何技术在具有优点的同时都不可避免地具有一些缺点，分组交换也不例外它的这些优点都是有代价的 (1) 信息传送时延大由于采用存储—转发方式处理分组，分组在每个节点机内都要经历存储、排队、转发的过程，因此分组穿过网络的平均时延可达几百毫秒目前各公用分组交换网的平均时延一般都在数百毫秒，而且各个分组的时延具有离散性2) 用户的信息被分成了多个分组，每个分组附加的分组头都需要交换机进行分析处理，从而增加了开销，因此，分组交换适宜于计算机通信等突发性或断续性业务的需求，而不适合于在实时性要求高、信息量大的环境中应用 (3) 分组交换技术的协议和控制比较复杂，如我们前面提到的逐段链路的流量控制，差错控制，还有代码、速率的变换方法和接口，网络的管理和控制的智能化等。
这些复杂的协议使得分组交换具有很高的可靠性，但是它同时也加重了分组交换机处理的负担，使分组交换机的分组吞吐能力和中继线速率的进一步提高受到了限制4.1.4 分组交换面临的问题 从这些优缺点可以看出，分组交换技术对语音()通信和高速数据通信(2.048 Mb/s以上)是不适应的，它难以满足对实时性要求比较高的和视频等业务这是由于分组交换技术的产生背景是通信网以模拟通信为主的年代，用于传输数据的信道大多数是频分制的信道，这种信道的数据传输速率一般不大于9.6 kb/s，误码率为10-4～10-5这样的误码率不能满足数据通信的要求，通过进行复杂的控制，一方面实现了信道的多路复用，同时把误码率提高到小于10-11的水平，满足了绝大多数数据通信的要求随着分组交换技术的发展，其性能在不断地提高，功能在不断地完善分组交换机的分组处理能力由初期的100个分组每秒发展到今天的几万个分组每秒，数据分组通过交换机的时延从几十毫秒缩短到不到1毫秒，分组交换机之间的中继线速率由9.6 kb/s提高到2.048 Mb/s但是到了20世纪90年代，用户对数据通信网的速率提出了更高的要求，而采用现有分组交换技术的分组交换系统的能力几乎达到了极限，因此人们又开始研究新的分组交换技术。
为了进一步提高分组交换网的分组吞吐能力和传输速率，一方面要提高信道的传输能力，另一方面要发展新的分组交换技术光纤通信技术的发展为分组交换技术的发展开辟了新的道路光纤通信具有容量大(高速)、质量高(低误码率)等特点，光纤的数字传输误码率小于10-9，光纤数字传输系统能提供40 Gb/s的速率，通常提供2 Mb/s和34 Mb/s信道在这种通信信道条件下，分组交换中逐段的差错控制、流量控制就显得没有必要，因此快速分组交换FPS(Fast Packet Switching)技术迅速地发展起来快速分组交换可以理解为尽量简化协议，只具有核心的网络功能，可提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换方式帧中继作为快速分组交换FPS的一种，是在分组交换的基础上发展起来的，它对其复杂的协议进行了简化，可以更好地适应数字传输的特点，能够给用户提供高速率、低时延的业务，所以近年来得到了迅速的发展4.2 分组交换原理,4.2.1 统计时分复用 正如绪论中所介绍的，在数字传输中，为了提高数字通信线路的利用率，可以采用时分复用的方法而时分复用有同步时分复用和统计时分复用两种分组交换中采用了统计时分复用的概念，它在给用户分配资源时，不像同步时分那样固定分配，而是采用动态分配(即按需分配)，只有在用户有数据传送时才给它分配资源，因此线路的利用率较高。
分组交换中，执行统计复用功能的是具有存储能力和处理能力的专用计算机——信息接口处理机(IMP)IMP要完成对数据流进行缓冲存储和对信息流进行控制的功能，以解决各用户争用线路资源时产生的冲突当用户有数据传送时，IMP给用户分配线路资源，一旦停发数据，则线路资源另作它用图4.1所示为3个终端采用统计时分方式共享线路资源的情况图4.1 统计时分复用,我们来看看具体的工作过程来自终端的各分组按到达的顺序在复用器内进行排队，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当存储器空时，线路资源也暂时空闲，当队列中又有了新的分组时，又继续进行发送图4.1中，起初A用户有a分组要传送，B用户有1、2分组要传送，C用户有x分组要传送，它们按到达顺序进行排队：a、x、1、2，因此路上的传送顺序为：a、x、1、2，然后终端均暂时无数据传送，则线路空闲后来，终端C有y分组要送，终端A有b分组要送，则线路上又顺序传送y分组和b分组这样，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。
统计时分复用的优点是可以获得较高的信道利用率由于每个终端的数据使用一个自己独有的“标记”，可以把传送的信道按照需要动态地分配给每个终端用户，因此提高了传送信道的利用率这样每个用户的传输速率可以大于平均速率，最高时可以达到线路的总的传输能力如线路总的速率为9.6 kb/s，3个用户信息在该线路上进行统计时分复用时的平均速率为3.2 kb/s，而一个用户的传输速率最高时可以达到9.6 kb/s 统计时分复用的缺点是会产生附加的随机时延并且有丢失数据的可能这是由于用户传送数据的时间是随机的，若多个用户同时发送数据，则需要进行竞争排队，引起排队时延；若排队的数据很多，引起缓冲器溢出，则会有部分数据被丢失4.2.2 逻辑信道 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，仍然可以把各个终端的数据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，各个子信道用相应的号码表示图4.2中在高速的传输线上形成了分别为三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LCN(Logical Channel Number)来标识。
逻辑信道号由逻辑信道群号及群内逻辑信道号组成，二者统称为逻辑信道号LCN在统计复用器STDM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，如图4.2所示图4.2 逻辑信道的概念示意,逻辑信道具有如下特点： (1) 由于分组交换采用动态统计时分复用方法，因此是在终端每次呼叫时，根据当时的实际情况分配LCN的要说明的是，同一个终端可以同时通过网络建立多个数据通路，它们之间通过LCN来进行区分对同一个终端而言，每次呼叫可以分配不同的逻辑信道号，但在同一次呼叫连接中，来自某一个终端的数据的逻辑信道号应该是相同的2) 逻辑信道号是在用户至交换机或交换机之间的网内中继线上可以被分配的、代表子信道的一种编号资源每一条线路上，逻辑信道号的分配是独立进行的也就是说，逻辑信道号并不在全网中有效，而是在每段链路上局部有效，或者说，它只具有局部意义网内的节点机要负责出/入线上逻辑信道号的转换 (3) 逻辑信道号是一种客观的存在逻辑信道总是处于下列状态中的某一种：“准备好”状态、“呼叫建立”状态、“数据传输”状态、“呼叫清除”状态4.2.3 虚电路和数据报 如前所述，在分组交换网中，来自各个用户的数据被分成一个个分组，这些分组将沿着各自的逻辑信道，从源点出发，经过网络达到终点。
问题是：分组是如何通过网络的？分组在通过数据网时有两种方式：虚电路VC(Virtual Circuit)方式和数据报DG(DataGram)方式两种方式各有其特点，可以适应不同业务的需求。