分组交换数据网.ppt

第八章 分组交换数据网,结束放映,学习目录,学习要求,内容简介,内容简介,返回,结束,数据通信网作为计算机网络的通信子网，主要完成数据的传输与交换功能，本章主要介绍了分组交换数据网的通信网协议、交换方式和路由选择方式的基本概念和原理。,学习要求,1. 掌握数据通信网中各种交换方式的原理及特点; 2. 了解分组网中各接口协议的配置; 3. 掌握x.25的原理及特点; 4. 了解分组网的各种路由选择方式; 5. 掌握分布自适应目录式路由选择的基本原理 ; 6. 掌握分组交换网互连原理 7. 了解CHINAPAC的结构特点及服务,返回,结束,学习目录,返回,8.1 数据通信网的交换方式 8.2 分组交换网的组成 8.3 X.25协议简介 8.4 分组交换网的路由选择 8.5 分组交换网的互连 8.6 中国公用分组网,结束,8.1 数据通信网的交换方式,本节内容提要：,电路交换（Circuit Switching） 报文交换（Message Switching） 分组交换（Packet Switching） 快速分组交换（Fast Packet Switching）,本节将介绍这些交换方式的基本原理及性能分析,8.1.1 电路交换,原理：电路建立（全双工）、数据传输、电路释放,特点： 网络对用户是透明（接续路径采用物理连接，接通后交换机的控制电路不再干预数据传输）； 优点： 数据以一固定速率可靠传输，不会丢失，不会失序，没有时延； 信息传输效率比较高； 信息的编码方法和信息格式不受限制。,8.1.1 电路交换,应用： 公用电话网，公用电报网、电路交换的公用数据网 基于电路交换的数据网称为电路交换数据网CSDN（circuit switched data network）,它改造了用户线，整个网络是全数字化的：数字接入、数字传输和数字交换。,缺点： 电路的接续时间长； 电路资源被通信双方独占，信道资源利用率低； 由于完全“透明”传输，要求通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等方面要完全兼容； 负载重时出现呼损； 传输质量差（无差错控制、流量控制等功能）。,8.1.2 报文交换,原理 将数据信息封装成报文，报文中包含有控制信息和发端/收端地址，各交换节点以存储转发的方式进行数据交换。,报文交换机,8.1.2 报文交换,报文交换路由示意图,特征： 交换机要将整个报文存储起来一并进行处理。 优点： 容易实现各类型用户终端的互通； 由于存储转发机制，明显提高了线路的利用率； 无需收发站同时工作，并且对终端速率以及链路速率无要求； 只要交换节点处缓存足够大，则不存在阻塞与“呼损”； 可以实现点对多点的广播式通信。,8.1.2 报文交换,缺点： 报文交换时，数据传输时延大（报文大小/排队时间）； 传输时延是随机的； 设备费用高（交换机的高速处理能力/大容量缓存器）。,8.1.3 分组交换,分组的封装: 分为两步完成：分组封装-网络层，帧封装-数据链路层,原理 将数据信息封装成分组以存储转发的方式进行数据交换,8.1.3 分组交换（两种对分组流的处理方式：虚电路，数据报）,虚电路方式（分为交换性虚电路，永久性虚电路）,虚电路示意图,虚电路交换原理示意图,8.1.3 分组交换（两种对分组流的处理方式：虚电路，数据报）,虚电路方式（分为交换性虚电路，永久性虚电路） 两个用户终端在开始互相发送和接收数据之前，需要通过网络建立起逻辑上的连接，一旦这种连接建立之后，通信终端间就在网络中保持一个已建立的数据通路，用户发送的数据将按顺序由这个逻辑上 的数据通路通过网络到达终点。当用户不需要发送和接收数据时可以清除这种连接。,特点： 一次通信具有呼叫建立、数据传输和呼叫清除三个阶段； 数据分组中不需要包含终点地址，因而可提高传输效率； 数据分组按已建立的路径通过网络，在网络终点不需要对数 据分组重新排序，分组传输时延小，且不容易产生数据分组的丢失。,8.1.3 分组交换,数据报方式,8.1.3 分组交换,数据报方式 像报文交换一样，不需要接续阶段和拆线阶段。将每一个数据分组当作一份独立的报文看待，每一个数据分组都包含终点地址的信息，分组交换机为每一个数据分组独立地寻找路径，因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，在网络的终点需要进行重新排序。 特点： 用户间的通信不需要经历呼叫建立和呼叫清除阶段，因而对短报文而言，传输效率比较高；但对长报文来说，由于每个分组要加入地址信息而使传输效率下降； 数据分组的传输时延较大，而且其传输分散度大； 对网络故障适应能力较强。,8.1.3 分组交换,虚电路与数据报比较,8.1.3 分组交换,分组交换的特点,传输质量高，误码率10-10 左右 传输时延小，源自节点交换机中的排队等待时间 能够实现不同类型终端之间的相互通信，X.25协议统一接口 经济性好（简化交换处理，降低设备费用，按通信量收取费用更合理） 可实现分组多路通信； 分组交换网能够和其它通信网互连； 缺点：信息传输效率低；实现技术复杂。,8.1.4 快速分组交换,发展基础,分组交换 光通信技术,主要类型,帧中继FR (Frame Relay)-用于高速广域网 数据单元长度可变，只接收到目的地址就转发，一旦出错立即中止并重发,ATM (Asynchronous Transfer Mode)-用于高速广域网 数据单元长度固定（信元-53Byte：信头5Byte，净荷48Byte）， ATM中的每条连接都分配唯一的虚路径标识符VPI和虚通道标识符VCI 通过其组合区分ATM中的一个连接，把信道划分为若干虚电路。,8.1.4 快速分组交换,备注,帧方式是一种快速分组技术，是分组交换的升级技术。它是在OSI参考模型的第二层上使用简化的方式传送和交换数据单元的一种方式。由于数据链路层的数据单元一般称作帧，故称为帧方式。包括：帧中继和帧交换。,帧中继 只进行差错检测，但不纠错（检测出错误帧便将其丢弃），而且省去了流量控制、分组级的逻辑信道复用等功能（纠错、流量控制等功能由终端完成）。,帧交换 保留了差错控制和流量控制功能，但不支持分组级的复用。 帧中继比帧交换的功能更加简化，传输效率也就更高，故目前广泛 使用的是帧中继。,8.1.5 各种交换方式的比较,8.2 分组交换网（X.25网络）的组成,按照分组交换方式构建起来的数据通信网称为分组交换网。 世界上第一个分组交换网：ARPNet（1969） 世界上第一个开放商用分组网：TELENET（现名SPRINT-NET，1975，美国） 随后出现的公用分组交换网：DATAPAC（1977，加拿大）、TRANSPAC（1978，法国）等（英、日、比、荷、西，德）、CNPAC（1989，中国）,8.2 分组交换网（X.25网络）的组成,分组交换的基本原理 复用传输方式 分组交换最基本的思想是实现通信资源的共享。将多个低速的数据流合成起来共同使用一条高速的线路，提高线路利用率，是充分利用通信资源的有效方法，这种方法称为多路复用。从分配传输资源的角度可以分为两种复用方法： 固定分配（预分配）资源法 在一对用户要求通信时，网络根据申请将传输资源在正式通信前预先固定地分配给该对用户专用，无论该对用户在通信开始后的某时刻是否使用这些资源，系统都不能再分配给其它用户。如：时分复用、频分复用。,8.2 分组交换网（X.25网络）的组成,动态分配资源法 根据需要，当用户有数据要传输时才分配给它传输资源，而当用户暂停发送数据时，就将资源收回，不再给它分配传输资源。这种根据用户实际需要分配传输资源的方法也称为统计时分复用（STDM: Statistic Time Division Multiplexer）。 STDM与固定分配复用方式相比，在终端与线路的接口处要增加两个功能：缓冲存储功能和信息流控制功能，用以解决各用户终端争用线路传输资源时可能产生的冲突。如：报文交换、分组交换、帧交换和帧中继，以及ATM均属于STDM方式。,8.2 分组交换网（X.25网络）的组成,传输方法 在STDM方式中，各用户终端的数据是按照一定单元长度随机交织传输的。由于各终端数据流是动态随机传输的，所以不能再用定时关系（时分复用）或频率关系（频分复用）在接收端来区分和分接它们。为了识别来自不同终端的用户数据，通常在采用统计时分复用时，将交织在一起的数据发送到线路上之前给它们打上与终端有关的“标记”。 采用STDM时，用户数据交织传输的三种方法： 比特交织：是以数据比特作为交织传输的单元。 优点：时延小 缺点：由于每一数据比特都加“标记”，插入的冗余度大、传输 效率低。,8.2 分组交换网（X.25网络）的组成,字节或字符交织：计算机和数据终端多以字节或字符为单位发送和接收数据。传输效率比比特交织略高，适用于低速线路。 分组（或块、帧）交织：所增加的“标记”信息与用户数据相比所占比例很小，故传输效率最高，但时延相对较大。,8.2 分组交换网（X.25网络）的组成,网络结构及主要协议（X.25协议簇）,8.2 分组交换网的组成,网络组成及各组成部分的功能,分组交换机：中转交换机，本地交换机,为网络提供业务支持 实现X.25和X.75等多种协议 进行路由选择 进行流量控制 完成网络局部的维护、管理等网络管理功能,网络集中器,分组拆装（PAD:packet assembly/disassembly）功能 集线器功能,8.2 分组交换网的组成,数据终端,分组终端（PT） 非分组终端（NPT） PAD设备的功能,网络控制中心,网络配置管理与用户管理； 运行数据的收集与统计； 路由选择的管理； 网络监控、故障报警与网络状态显示； 计费管理,8.2 分组交换网的组成,PAD标准：主要有X.30、X.28和X.29建议。基本功能：,将来自非分组终端的字符流装配成适当的分组，以便通过 分组交换网进行交换传输； 将来自分组交换网的数据分组拆装成字符流，以便将用户 数据字段等用户信息传送给非分组终端； 虚电路的建立和释放； 当满足一定条件时，进行分组或字符的转发； 对PAD命令及PAD电文进行相应的应答； 对来自非分组终端的中断信号进行处理。,8.2 分组交换网的组成,X.30建议 ：是通过规定PAD基本功能和用户可选功能，及控制其工 作的参数来规范PAD工作的。X.30建议共有22个参数，可分为5类： 异步接口控制； 数据转送控制； 发送输出控制； 发送输入控制； 编辑功能。,X.28建议：定义了非分组终端与分组交换网之间的接口，具体规 范了四个过程：,非分组型DTE与PAD之间通路的建立过程； 非分组型DTE与PAD之间进行字符交换和业务起始过程； 非分组DTE与PAD之间控制信息的交换过程； 非分组型DTE与PAD之间用户数据的交换过程。,8.2 分组交换网的组成,X.29建议 ：规定了PAD与分组型终端之间或PAD之间的接口规程。 主要功能： 适用于DCE和分组型DTE之间的X.25接口与X.25规程配合使用； 用作PAD之间的互通； 规定交换PAD控制信息和用户数据的规程； 规定传送用户数据的方式； 利用PAD报文对PAD进行控制； 规定在一次虚呼叫中传送数据字段的格式。,X.75建议 ：对分组网间互连的规程作了规范。,8.3 X.25协议简介,本节内容提要：,8.3.1 X.25协议层次模型 8.3.2 X.25物理层 8.3.3 X.25数据链路层 8.3.4 X.25分组层,X.25协议为DTE和DCE之间建立对话和交换数据提供一些共同的规程，这些规程包括数据链路的建立、保持和释放，数据传输的差错控制和流量控制，预防网络拥塞的发生，确保用户数据安全的通过网络，向用户提供尽可能多而且方便的服务。,8.3.1 X.25协议层次模型,X.25协议接口位置,8.3.1 X.25协议层次模型,X.25层次结构,8.3.2 X.25物理层,功能 规定了DTE和DCE之间接口的机械特性和电气特性 DTE利用此接口通过租用线路或专线进入本地分组交换网 提供同步的、全双工的点对点串行比特流的传输,接口,X.21 X.21bis （等效于RSR-32-C和V.24标准 ）,8.3.2 X.25物理层,X.21主要作了如下具体规定： 接口的物理特性：插接件的类型及插芯的分配； 电气特性：平衡双流接口； 同步比特串行传输； 点对点双工操作； 建立交换电路的协议； 使用租用电路的协议。,8.3.3 X.25数据链路层,功能,协议要点,帧结构：与HDLC帧结构兼容； 操作方式：对称型（LAP）、平衡型（ LAPB）和多链路 型（MLP)； 命令和响应：DTE和DCE能发送的命令和响应集及编码； 链路操作的各阶段：空闲状态、工作状态、链路建立阶段、 信息复位阶段和链路拆除阶段。,差错控制：采用循环冗余校验、反馈重传方式； 帧的包封与解封；帧的同步； 检查已收到的接收帧的排列顺序，以免重收或漏收； 对于正确收到的数据块要给予确认； 链路的建立、拆除和复位控制； 流量控制。,LAPB 工作过程与HDLC中的ABM非常类似，允许连接双方（DTE和DCE）中的任意一方主动呼叫对方，但是这种方式仅适合于点对点连接的场合，也称其为单链路规程（SLP）。 为了提高DTE和DCE间的传输能力、可靠性和可扩容性，X.25又增加了多链路规程MLP，MLP可以把要传输的数据分散到多个LAPB。当DTE和DCE之间有多个并列的物理链路时，可以使用这种方式，在每条物理电路上建立一个单链路规程就产生了多个单链路。,8.3.3 X.25数据链路层,LAPB帧结构,多链路监控帧,MLP帧格式,多链路信息帧,多链路控制字段(MC)格式,8.3.3 X.25数据链路层,多链路规程MLP实现,8.3.4 X.25分组层,功能, 在X.25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道； 通过逻辑信道号（LCN）来区分同每个用户呼叫有关的分组； 为每个用户的呼叫连接提供有效的分组传输； 提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）的连接； 提供建立和清除交换虚电路： 检测和恢复分组层的差错。,8.3.4 X.25分组层,分组格式及类型,X.25分组层首要功能就是要将用户数据协议规定的格式进行封装； X.25协议规定了多种不同类型和功能的分组，可分为两大类： 数据分组和控制分组； 所有分组都采用一个基本格式，但不同类型分组的格式又略有不 同，它们都有一个相同的部分，即由3Byte构成的分组头。,8.3.4 X.25分组层,X.25 分组头格式,8.3.4 X.25分组层,逻辑信道群号（LCGN）和逻辑信道号（LCN）,分组类型标识符,通用格式标识符(GFl),Q位：用来区分传输的分组包含数据的类型（Q=1用户数据， Q=0控制信息）； D位：传输确认位（表示数据分组是由本地还是端到端来确认）； SS位：用以指示数据分组序号的编号方式 （SS=01：模8；SS=10:模128）。,8.3.4 X.25分组层,8.3.4 X.25分组层,用于呼叫建立与拆除的分组,虚电路业务,交换虚电路（SVC） 永久性虚电路（PVC,呼叫建立与拆除,呼叫请求分组 入呼叫分组 呼叫接受分组 呼叫连接分组 拆除确认分组 拆除请求分组,8.3.4 X.25分组层,呼叫请求/入呼叫分组格式,8.3.4 X.25分组层,DTE拆除请求和DCE拆除指示分组格式,DTE和DCE拆除确认分组格式,8.3.4 X.25分组层,呼叫建立与拆除过程,8.3.4 X.25分组层,数据分组的格式（模8）,数据传输过程使用的部分分组的格式,数据分组的格式（模128）,分组头中第三个字节的第一个比特为0，是数据分组的唯一标志； 只有数据分组才包含P(S)字段，而数据分组和流量控制分组都包含P(R)字段，它表示接收端等待接收的下一个分组的编号； M称为后续比特，M=0表示该数据分组是一份用户报文的最后一个分组，M=1表示该数据分组之后还有属于同一份报文的数据分组。,8.3.4 X.25分组层,流量控制分组格式（模8）,流量控制分组的格式（模128）,流量控制分组编码,8.3.4 X.25分组层,中断分组格式,中断确认分组格式,注：图中在模8时为01，模128时为10,8.3.4 X.25分组层,数据传输 X.25分组层的数据传输过程与数据链路层的数据传输很相似, 但，二者本质上是有区别的。 分组层的数据分组相当于链路层的信息帧； 分组层的流量控制分组相当于链路层的监控帧； 分组的发送顺序号P(S)相当于帧的发送顺序号N(S)； 分组的接收顺序号P(R)相当于帧的接收顺序号N(R)； 两者在数据发送和接收确认、重发过程、窗口机制、流量控制等 方面的考虑都是基本相同的。 二者实现的具体功能不同：链路层主要任务是向其高层提供无差错透明的数据链路，而分组层的主要任务是解决链路传输能力的动态时分统计复用；此外，二者数据传输的具体策略所考虑的出发点也不相同。,8.3.4 X.25分组层,数据传输,分组与帧序号的区别实例,8.3.4 X.25分组层,数据传输过程中Q比特的使用 Q=0表示包含用户数据的数据分组，Q=1表示包含控制信息的 数据分组,数据传输过程中D比特的使用 D=0表示由本地确认；D=1表示由远端DTE确认,8.3.4 X.25分组层,数据传输过程中D比特的使用,8.3.4 X.25分组层,基本业务功能 交换虚电路(SVC)业务 必须进行呼叫建立和拆除，费用低，适合于随机性强、 数据传输量较小的通信。 和永久虚电路(PVC) 业务 在用户和网络管理部门预约通信业务时由网络建立的永 久性虚连接，不需要呼叫建立和拆除，通信响应时间 短，适合于通信对象固定、数据传输量较大的通信。,X.25用户业务功能,8.3.4 X.25分组层,X.25用户业务功能,可选业务功能 非标准窗口大小的协商 吞吐量等级的协商 中断时延选择和指示 扩展分组顺序号 分组重传 反向计费 网络用户识别 ,8.4 分组交换网的路由选择,本节内容提要：,8.4.1 基本概念 8.4.2 扩散式路由选择 8.4.3 固定路由选择 8.4.4 集中自适应路由选择 8.4.5 分散自适应路由选择,分组交换网的主要功能之一就是在两个数据站点之间快速可靠地选择一条最佳路径来传输数据，分组交换机的路由选择功能是通过执行按照网络路由编制的路由选择算法来实现，本节将简要介绍几种常用的路由选择算法的基本原理。,8.4.1 基本概念,正确性（correctness） 简单性（simplicity） 健壮性（robustness） 稳定性（stability） 公平性（fairness） 最优性（optimality） 高效性（efficiency）,对路由算法的要求,路由设计的最佳准则最小费用准则,8.4.1 基本概念,路由选择策略 静态策略 在建设网络时根据网络拓扑结构的因素设计的某种路由选择规则，在整个网络的运行过程中都不改变，这种策略不能根据网络当前状态做出选择，故又称为非自适应路由算法。对应的路由选择方法有：扩散式路由选择、随机路由选择、固定路由选择等。 动态策略 根据测量或估计的网络当前通信量和拓扑结构做出路由选择，故又称为自适应路由选择。对应的路由选择方法有：集中自适应路由选择和分散式自适应路由选择（孤立自适应路由选择和分布式自适应路由选择）。,8.4.2 扩散式路由选择,完全扩散 一个网络节点从某条输入线路收到一个分组后，立即将分组信息复制若干副本分别发送到所有相邻的节点，犹如洪水泛滥一般故又称其为泛洪式算法。各节点只需选取最先到达者，将后到者删除即可，结果最先到达目的节点的一个分组肯定是走过了最短路径，并且所有可能的路径都被同时尝试过。,选择扩散 记录下分组扩散的路径，防止它第二次再扩散到已扩散过的路径中。,基本原理,8.4.2 扩散式路由选择,完全扩散,选择扩散,基本原理,特点,可靠性高 健壮性好 网络负荷很大,8.4.3 固定路由选择,网络拓扑结构,基本原理,实例分析,网络中每个节点上都存放一张事先确定好的路径表，指出从本节点到达某个目的节点而选择的最优的下一节点或链路。,节点A的固定路由表,8.4.4 集中自适应路由选择,基本原理,缺点,每个节点交换内存有一张动态路由表； 每个节点定期向路由控制中心（RCC）发送状态信息； RCC计算出每对节点之间的最优路径，构造出路由表分发 给对应的每个节点。,对RCC的可靠性和计算能力要求很高； 各节点更新路由表时不能同步，这种失调会增大传输时延； 路由报表信息会增加网络负荷。,8.4.5 分散自适应路由选择,基本原理,实现方案,网络中不设RCC，各节点交换机动态调整自己的路由选择表,孤立自适应路由选择 每个节点仅根据自己掌握的网络状况来确定路由表,最短等待法 逆向学习算法, 路由选择,分布自适应路由选择 相邻节点彼此定期交换路由信息来更新自己的路由表,8.4.5 分散自适应路由选择,分布自适应路由选择实例分析,网络拓扑图,若此时节点J有分组要发往分别与节点A,B,C,D相连的站点， 则节点J必须找到到达这4个节点的最佳路径 假设这里的性能标准为传输时延,8.4.5 分散自适应路由选择,节点J到其相邻节点的时延,节点J收到相邻节点路由信息,8.4.5 分散自适应路由选择,节点J到达节点A、B、C、D路由信息（单位：ms）,节点J到A,B,C,D的最短路由,8.5 分组交换网的互连,本节内容提要：,8.5.1 分组交换网之间的互连 8.5.2公用分组交换网与PSTN之间的互连,在数据通信中，用户终端经常需要访问一个以上网络，现有的通信网络主要有公用电话网、公用分组交换网、局域网以及各种专用通信网络等，如果两个网络具有公共的标准接口，就可以将其直接相连，否则就必须经过网际互连设备相连，本节将介绍分组交换网之间的互联及其与PSTN的互连原理。,8.5.1 分组交换网之间的互连,分组交换网网络编号,X.121建议的国际数据编号组成如下图所示，由数据网络识别 码（DNIC）和网络内部编号（NTN）两部分，共14位组成。,8.5.1 分组交换网之间的互连,分组交换网网络编号,数据网络识别码DNIC由3位数据国家代码DCC和1位网号组成。DCC的第1位Z为区域号，全世界共划分了6个区，编号分别为2-7， Z=0和Z=1备用，Z=8和Z=9分别用于用户电报网和电话网的相互连接。DCC由ITU-T同一管理分配，我国的DCC号是460。 网号由各个国家的相关部门管理分配，以区分其国内的多个网络。 网络内部编号NTN由网络管理部门分配。 国内号码NN由网号和NTN组成。,8.5.1 分组交换网之间的互连,两个公用分组交换网互连,互连示意图,网间接口标准X.75协议,公用分组交换网与专用分组网之间的互连,网间接口标准X.75协议 使用X.25互连,8.5.1 分组交换网之间的互连,X.75协议,X.75设计得和X.25很相似，它是一个网络的信号端接设备（STE）和另一个网络的信号端接设备（STE）之间的接口，其链路层采用LAPB规程并支持多链路规程。 X.75位于OSI参考模型的网络层中X.25规程的上方，在分组层重新规定了虚呼叫业务的分组格式和控制规程，在终端和网络之间用X.25规程建立虚呼叫，而在网络之间采用X.75规程来实现逐段接续。,8.5.1 分组交换网之间的互连,X.75呼叫请求分组格式,网络应用字段的作用是将 网络之间的交换式虚电路 的管理信息和用户信息明 确的分开传输。,8.5.1 分组交换网之间的互连,由X.75互连的公用分组交换网体系结构,8.5.2 公用分组交换网与PSTN之间的互连,分组终端使用X.32相连,非分组终端使用X.28相连,8.6 中国公用分组网,本节内容提要：,8.6.1 CHINAPAC网络结构 8.6.2 CHINAPAC业务功能