第五章分组交换与帧中继

第五章分组交换与帧中继技术 本章主要内容 数据通信系统基础分组交换的基本原理X 25协议帧中继 5 1数据通信系统基础 数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来 实现数据传输 交换 存储和处理的系统 比较典型的数据通信系统主要由数据终端设备 数据电路 计算机系统三部分组成 5 1数据通信系统基础 数据终端设备 DTE 在数据通信系统中 用于发送和接收数据的设备称为数据终端设备 简称DTE DTE可能是大 中 小型计算机 PC机 也可能是一台只接收数据的打印机 所以说DTE属于用户范畴 其种类繁多 功能差别较大 5 1数据通信系统基础 数据终端的类型有很多种 有简单终端和智能终端 同步终端和异步终端 本地终端和远程终端 分组型终端 PT 和非分组型终端 NPT 等 同步终端是以帧同步方式 如X 25 HDLC等 和字符同步方式 如BSC 工作的终端 异步终端是起止式终端 在每个字符的首尾加 起 和 止 比特 以实现收发双方的同步 字符和字符之间的间隙时间可以任意长 因此称为异步 5 1数据通信系统基础 数据电路终接设备 DCE 用来连接DTE与数据通信网络的设备称为数据电路终接设备 DCE DCE完成数据信号的变换 若DTE发出的数据信号不适合信道传输 把数据信号变成适合信道传输的信号 调制解调器是模拟信道的数据电路终接设备 5 1数据通信系统基础 数据电路指的是在线路或信道上加信号变换设备之后形成的二进制比特流通路 它由传输信道及其两端的数据电路终接设备 DCE 组成 数据链路是在数据电路已建立的基础上 通过发送方和接收方之间交换 握手 信号 使双方确认后方可开始传输数据的两个或两个以上的终端装置与互连线路的组合体 所谓 握手 信号是指通信双方建立同步联系 使双方设备处于正确收发状态 通信双方相互核对地址等 加了通信控制器以后的数据电路称为数据链路 可见数据链路包括物理链路和实现链路协议的硬件和软件 只有建立了数据链路之后 双方DTE才可真正有效的进行数据传输 5 2分组交换的基本原理 分组交换技术分组交换路由选择流量控制 5 2 1分组交换技术 分组交换也称为包交换 将要传送的数据按一定的长度分成多个数据段 这些数据段称为 分组 发送端把这些 分组 分别发送出去 到达目的地 目的交换机将一个个 分组 按顺序装好 还原成原文件发送给收端用户 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 1分组交换技术 资源分配1 预分配资源技术 固定分配 根据用户要求预先把线路的传输容量的一部分分配给他 有两种方式 时分复用 TDM 和频分复用 FDM 缺点是 线路利用率低 时分复用 TDM 把线路传输时间轮流分配给每个用户 用户只在分配的时间里向线路发送信息和接收信息 5 2 1分组交换技术 频分复用 FDM 把线路的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 每个用户终端的数据通过专门分配给他的子通路传输 2 动态分配资源技术根据用户实际需要分配线路资源 也称为统计时分复用 STDM 线路利用率高 分组传送方式 资源共享方式 图5 1统计时分复用 STDM 分组传送采用的是统计时分复用 STDM 的方式 分组的形成 来自数据终端的用户数据可能是很长的报文 我们需要将该报文拆分成若干段 并加上分组头 组成一个完整的分组 packet 如图5 2所示 图5 2分组的形成 分组格式 图5 3分组格式 分组头格式 图5 4分组头格式 通用格式识别符 GFI genericformatidentifier逻辑信道号 LCN logicchannelnumber分组类型识别符 PTI packettypeidentifier 图5 5呼叫请求分组格式 5 2 2分组交换 一个分组从发送终端传送到接收终端 必须沿一定的路径经过分组交换网络 那么分组是如何穿过网络的呢 目前有两种方法实现 数据报 Datagram 和虚电路 VirtualCircuit 1 数据报 Datagram 2 虚电路 VirtualCircuit 数据报 Datagram 在数据报方式中 分组被独立的对待 每一个分组都包含终点地址信息 彼此之间相互独立的寻找路径 同一份报文的不同分组可能沿着不同的路径到达终点 在这种技术中 一个被独立对待的分组就称为一个数据报 1984年以后的ITU TX 25建议中取消了数据报方式 但在有些分组交换网中还使用数据报的交换方式 虚电路 VirtualCircuit 虚电路方式就是指通信终端在收发数据之前 先在网络中建立一条逻辑连接 在通信过程中 用户数据按照顺序沿着该逻辑连接到达终点 注意虚电路指的是一条逻辑连接 而不是指一条专门的物理通路 同一条线路可能同时被多条虚电路使用 分组交换网提供的虚电路交换方式有两种 一种是交换虚电路 SVC SwitchVirtualCircuit 又称为虚呼叫 VirtualCall 另一种是永久虚电路 PVC PermanentVirtualCircuit 数据报和虚电路的对比 1 数据报省掉了呼叫的建立和清除过程 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 2 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 分组按已建立的路径顺序通过网络 在网络终点不需要对分组重新排序 3 在数据报方式下 由于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 而虚电路一旦建立 单个数据分组的传输时延则会小得多 4 数据报方式对网络的适应能力较强 虚电路与逻辑信道的区别 图5 6交换虚电路的建立过程 入端出端入端出端DA10SB50SA50DB6入端交换机S或DTE出端交换机S或DTE逻辑信道号逻辑信道号 图5 7呼叫拒绝 虚电路释放过程 图5 8虚电路释放过程 5 2 3路由选择 分组交换网的主要功能就是接受来自源站点的分组 并将它们传送到目的站点 因为通常在网络中存在多条从源站点到目的站点的路径也就是路由 所以为了完成分组传送这个任务 必须选择其中的一条路径 这就是路由选择功能 几种常见的路由选择策略 固定路由选择根据网络结构 传输线路的速率 途经交换机的个数 预先算出某一交换机至各交换机的路由表 说明该交换机到各目的交换机的第一选择 第二选择 第三选择等 自适应路由选择路由表根据网络的结构 网内的业务量 线路的通畅情况及时更新 5 2 4流量控制 分组交换网中各个节点交换机的处理能力和各条线路的传输容量是一定的 但是用户终端发送分组的时间和数量具有随机性 如果不对数据流进行控制 有可能造成网内数据流分布不均匀 部分节点和线路上的数据流超过其处理能力或传输容量 造成网络的阻塞 严重时 分组在网络中无法传送 不断被丢弃 源节点无法发送新的数据 目的节点也收不到分组 造成死锁 流量控制的目的 保证网内的数据流量的平滑均匀 提高网络的吞吐能力和可靠性 防止阻塞现象的发生 图5 9拥塞的影响 流量控制机制 相邻节点之间点到点的流量控制 用户终端设备和网络节点之间点到点的流量控制 网络的源节点 发送节点 和终点节点 接收节点 之间端到端的流量控制 源用户终端设备和终点用户终端设备之间端到端的流量控制 源计算机进程和终点计算机进程之间端到端的流量控制 流量控制的方法 证实法预约法许可证法 5 2 5分组交换的工作过程 5 3分组交换协议 X 25协议 5 3 1分组交换协议的结构 X 25协议是数据终端设备 DTE 和数据电路终接设备 DCE 之间的接口规程 它最初于1976年颁布 在1980年 1984年 1988年 1993年又进行了多次修改 它是目前使用最广泛的分组交换协议 X 25协议定义了帧 Frame 和分组 Packet 的结构 数据传输通路的建立和释放 数据的传输等过程 顺序控制 差错控制和流量控制等机制 以及分组交换提供的基本业务和可选业务等 5 3 1分组交换协议的结构 X 25属于接口规程 没有定义路由选择算法 这属于分组交换网网络内部控制功能 由各个厂家决定 X 25协议分为三层 物理层 数据链路层和分组层 各层在功能上相互独立 如图5 10所示 图5 10X 25的分层结构 5 3 2X 25的物理层 物理层完成的主要功能如下 在DTE和DCE接口处提供数据传输 在设备之间提供控制信号 提供时钟信号 用以同步数据流和规定比特速率 提供电气地 提供机械的连接器 如针 插头和插座 5 3 3X 25的数据链路层 LAPB LinkAccessProcedureBalanced X 25数据链路层规程在物理层提供的双向的信息输送管道上实施信息传输的控制 一般情况下 X 25的数据链路层采用的是HDLC High LevelDataLinkControl 高级数据链路控制规程 的一个子集LAPB 平衡型链路访问规程 数据链路层帧类型与结构 按照帧的功能可以把帧分成三类 信息帧 I帧 监控帧 S帧 和无编号帧 U帧 LAPB帧的基本结构如图5 10所示 所有帧均包含标志F 01111110 地址字段A 控制字段C 帧检验序列FCS 部分帧还包含信息字段I 图5 11LAPB帧的基本结构 5 3 4X 25的分组层 虚呼叫的控制原理 X 25分组层是利用链路层提供的服务在DTE DCE接口交换分组 它将一条逻辑链路按照动态时分复用的方法划分成多个子逻辑信道 允许多个用户终端或进程同时使用一条逻辑链路 以充分利用线路资源 分组层的主要功能 在X 25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道 通过逻辑信道群号 LCGN 和逻辑信道号 LCN 来区分与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 包括顺序编号 分组的确认和流量控制过程 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连接的方法 监测和恢复分组层的差错 网络拓扑结构 分组交换网的基本结构 分组交换网与局域网的互连 5 4帧中继 FR FrameRelay 由于传输技术的发展 数字光纤网比传统的模拟电话线路具有更低的误码率 X 25的差错控制可以简化 以缩减处理时间 提高传输效率 帧中继采用面向连接的通信方式 简化了X 25网络的下三层协议 将差错控制 流量控制推到网络的边界 即将下层的某些功能由终端的上层协议完成 从而实现了轻载协议网络 5 4 1帧中继技术特点 帧中继协议处理大大简化 帧中继所使用的是逻辑连接 而不是物理连接 在一个物理连接上可复用多个逻辑连接 可实现带宽的复用和动态分配 帧中继的控制信令和用户数据在彼此分离的逻辑通道上传输 即共路信令 帧中继采用面向连接的交换技术 可提供交换虚电路SVC业务和永久虚电路PVC业务 目前帧中继主要是PVC方式 帧中继数据流的复用和交换在二层进行 帧中继提供拥塞控制和带宽管理机制 5 4 2帧中继和局域网互连 在典型的局域网互联应用中 局域网桥和路由器是通过在互联的局域网设备之间连接一些租用线电路的方法工作的 尽管这样在局域网之间实现了连接 但是增加了基本线路和硬件的费用 帧中继接口能为局域网提供更高速的互联 而且单线访问减少了线路费用和硬件费用 使用帧中继连接局域网有很多好处 帧中继接口标准的发展是减少局域网互联费用的关键 5 4 3帧中继与X 25协议比较 a X 25协议 上层协议 网络层 数据链路层 物理层 上层协议 网络层 数据链路层 物理层 路由选择 虚电路复用 数据 帧 差错流量控制 电气机械等特性 比特传输 5 4 3帧中继与X 25协议比较 b 帧中继协议 上层协议 数据链路层 物理层 差错 流量控制 数据或帧 路由选择 电气机械等特性 比特传输 上层协议 数据链路层 物理层 5 4 4帧中继协议结构 UNI 用户网络接口 用户 用户 用户 用户 网络 5 4 4帧中继协议结构 LAPF LinkAccessProcedurestoFrameModeBearerServices 是帧方式承载业务的数据链路层协议和规程 包含在ITU T建议Q 922中 LAPF的作用是在ISDN用户 网络接口的B D或H通路上为帧方式承载业务 在用户平面上的数据链路 DL 业务用户之间传递数据链路层业务数据单元 SDU servicedataunit 帧结构 F 标志字段 01111110 在地址标志之前的标志为开始标志 在帧校验序列 FCS 字段之后的标志为结束标志 DLCI 数据链路连接标识符 占10bits 帧结构 C R 命令 响应比特 占1bit FR中不用EA 地址字段扩展比特 占1bit EA 0 下一字节是地址字段 EA 1 本字节是地址字段的最后一个字节 FECN 前向显示拥塞比特 BECN 后向显示拥塞比特DE 可丢失指示比特 DE 1表示当网络发生拥塞时可以丢弃该帧 用于带宽管理 永久虚电