通信交换技术第4章

第4章分组交换与帧中继技术 4 1分组交换概述4 2分组交换原理4 3分组交换协议4 4帧中继 4 1分组交换概述 随着计算机技术的飞速发展 交换技术得到了空前的发展 从电话交换一直到当今数据交换 综合业务数字交换 交换技术经历了人工交换到自动交换的过程 人们对可视电话 可视图文 图象通信和多媒体等宽带业务的需求 也将大大地推动异步传输技术 ATM 和同步数字系列技术 SDH 及宽带用户接入网技术的不断进步和广泛应用 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 还通过计算机或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 分组交换也称包交换 它是将用户传送的数据划分成一定的长度 每个部分叫做一个分组 在每个分组的前面加上一个分组头 用以指明该分组发往何地址 然后由交换机根据每个分组的地址标志 将他们转发至目的地 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 4 1分组交换概述 从交换技术的发展历史看 数据交换经历了电路交换 报文交换 分组交换和综合业务数字交换的发展过程 电路交换就是在两个终端之间通信时 一方发起呼叫 独占一条物理线路 当交换机完成接续 对方收到发起端的信号 双方即可进行通信 在整个通信过程中双方一直占用该电路 报文交换是将用户的报文存储在交换机的存储器中 当所需要的输出电路空闲时 再将该报文发向接收交换机或终端 它以 存储 转发 方式在网内传输数据 分组交换实质上是在 存储 转发 基础上发展起来的 它兼有电路交换和报文交换的优点 分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为许多小段的数据 分组 综合业务数字网是集语音 数据 图文传真 可视电话等各种业务为一体的网络 适用于不同的带宽要求和多样的业务要求 异步传输模式ATM AsynchronousTransferMode 就是用于宽带综合业务数字网的一种交换技术 4 1分组交换概述 分组交换的特点线路利用率高 不同种类的终端可以相互通信 信息传输可靠性高 分组可多路通信 计费与传输距离无关 4 2分组交换原理 分组交换网一般由分组交换机 网络管理中心 远程集中器 分组装拆设备 分组终端 非分组终端和传输线路等基本设备组成 分组交换机功能是提供网络的基本业务 交换虚电路和永久虚电路 及其他补充业务 如网路用户识别等 网络管理中心 NMC 主要功能是对网络配置管理与用户管理 日常运行数据的收集与统计 路由选择管理 网路监测 故障告警与网路状态显示 远程集中器 RCU 主要功能是完成分组终端和非分组终端的接入 有规程变换功能 可以把每个终端集中起来接入至分组交换机的中 高速线路上交织复用 分组装拆设备 PAD 主要功能是将来自异步终端 非分组终端 的字符信息去掉起止比特后组装成分组 送入分组交换网 在接受端再还原分组信息为字符 发送给用户终端 分组终端 非分组终端 PT NPT 的主要功能 分组终端是具有X 25协议接口 能直接接入分组交换数据网的数据通信终端设备 传输线路是构成分组数据交换网的主要组成部分之一 目前 中继传输线路有PCM数字信道 数字数据传输 也有利用ATM连接及其卫星通道 4 2分组交换原理 1 虚电路操作方式为了进行数据传输 网络的源节点和目的节点之间先要建立一条逻辑通路 因为这条逻辑通路不是专用的 所以称之为 虚 电路 每个节点到其它任一节点之间可能有若干条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输 两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务 这些虚电路的实际路径可能相同也可能不同 节点间的物理信道在逻辑上均可看做由多条逻辑信道组成 这些逻辑信道实际上由节点内部的分组缓冲器来实现 所谓占用某条逻辑信道 实质上是指占用了该段物理信道上节点分配的分组缓冲器 不同的逻辑信道在节点内部通过逻辑信道号加以区分 各条逻辑信道异步分时复用同一条物理信道 一条虚电路可能要经过多个中间节点 在节点间的各段物理信道上都要占用一条逻辑信道用以传送分组 由于各节点均独立地为通过的虚电路分配逻辑信道 也即同一条虚电路通过各段信道所获取的逻辑信道号可能是不相同的 所以各节点内部必须建立一张虚电路表 用以记录经过该点的各条虚电路所占用的各个逻辑信道号 4 2分组交换原理 1 虚电路操作方式为使节点能区分一个分组属于哪条虚电路 每个分组必须携带一个逻辑信道号 同样 同一条虚电路的分组在各段逻辑信道上的逻辑信道号可能也不相同 传输中 当一个分组到达节点时 节点根据其携带的逻辑信道号查找虚电路表 以确定该分组应发往的下一个节点及其下一段信道上所占用的逻辑信道号 用该逻辑信道号替换分组中原先的逻辑信道号后 再将该分组发往下一个节点 各节点的虚电路表是在虚电路建立过程中建立的 比如 与A节点相连的源端系统要经中间节点B C跟与D节点相连的目的端系统建立一条虚电路 源端系统可发出一个呼叫请求分组 该分组除了包含目的地址外 还包含源端系统所选取的不用的最小逻辑信道号N A节点收到请求分组后在A节点与下一节点B间所有已使用的逻辑信道号之外选取一个最小编号NA 并将请求分组中的逻辑信道号N替换成该逻辑信道号NA 再将分组发送给节点B 此后的各节点依次逐个根据自身实际情况选取新的逻辑信道号 如NB NC ND等 来替换收到的分组中的逻辑信道号 最后 目的节点D将请求分组传送给连接它的端系统 在此过程中 每个节点的虚电路表中要记录两个逻辑信道号 前一个节点所选取的逻辑信道号和本节点所选取的逻辑信道号 这样便使得虚电路所跨越的每一段连接上的逻辑信道号都是唯一的 4 2分组交换原理 4 2分组交换原理 图4 1给出了一个虚电路表建立的示例 这里假设建立了6条虚电路 由于虚电路上的数据是双向传输的 为保证两节点之间正 反两个方向的虚电路不相混淆 在一个节点选取逻辑信道号来替换其前一节点使用的逻辑信道号时 不仅要考虑与下一节点之间的逻辑信道号不相同 还要考虑与下一节点作为另一条反向虚电路的上一节点时所选取的逻辑信道号相区别 例如 在建立虚电路1 BAE时 这里1 BAE表示源节点为B 建立虚电路时选取1为逻辑信道号 并经A传送到E 在节点B中 尽管A节点是第一次作为B节点的下一节点 但由于虚电路0 ABCD中A到B间已使用了逻辑信道号0 因此在出路一栏应选B到A间的逻辑信道号为1 这样当从节点A发来一个分组时 若它所携带的逻辑信道号为0 则说明是虚电路础CD上的正向分组 若为1 则说明是虚电路BAE上的反向分组 对于虚电路2 BFE的建立也是同样情况 各节点的虚电路表空间和逻辑信道号都是网络资源 当虚电路拆除时必须回收 这可通过某端系统发出一个拆链请求分组 告知虚电路中各节点删除虚电路表中有关表项来实现 4 2分组交换原理 2 数据报操作方式在数据报操作方式中 每个分组被称为一个数据报 若干个数据报构成一次要传送的报文或数据块 每个数据报自身携带有足够的信息 它的传送是被单独处理的 一个节点接收到一个数据报后 根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息 找出一个合适的出路 把数据报原样地发送到下一个节点 当源端系统要发送一个报文时 将报文拆成若干个带有序号和地址信息的数据报 依次发给网络节点 此后 各个数据报所走的路径就可能不同了 因为各个节点在随时根据网络的流量 故障等情况选择路由 由于各行其道 各数据报不能保证按顺序到达目的节点 有些数据报甚至还可能在途中丢失 在整个数据报传送过程中 不需要建立虚电路 但网络节点要为每个数据报做路由选择 4 2分组交换原理 3 虚电路服务虚电路服务是网络层向传输层提供的一种使所有分组按顺序到达目的端系统的可靠的数据传送方式 进行数据交换的两个端系统之间存在着一条为它们服务的虚电路 为了建立端系统之间的虚电路 源端系统的传输层首先向网络层发出连接请求 网络层则通过虚电路网络访问协议向网络节点发出呼叫分组 在目的端 网络节点向端系统的网络层传送呼叫分组 网络层再向传输层发出连接指示 最后 接收方传输层向发起方发回连接响应 从而使虚电路建立起来 此后 两个端系统之间就可以传送数据 数据由网络层拆成若干个分组送给通信子网 由通信子网将分组传送到数据接收方 4 2分组交换原理 4 数据报服务数据报服务一般仅由数据报交换网来提供 端系统的网络层同网络节点中的网络层之间 一致地按照数据报操作方式交换数据 当端系统要发送数据时 网络层给该数据附加上地址 序号等信息 然后作为数据报发送给网络节点 目的端系统收到的数据报可能是不按序到达的 也可能有数据报的丢失 数据报服务与OSI的无连接网络服务类似 4 3分组交换协议 在分组交换中采用的协议有 X 25 X 28X 29 X 3 X 75 本节主要X 25协议 X 25描述了主机 DTE 与分组交换网 PSN 之间的接口标准 使主机不必关心网络内部的操作 从而能方便地实现对各种不同网络的访问 4 3分组交换协议 1 X 25协议层次X 25实际上是DTE与PSN之间接口的一组协议 X 25协议组包括三个层次 即物理层 数据链路层和分组层 分别定义了三个级别上的接口 X 25的分组层相当于OSI参考模型中的第三层 即网络层 主要功能是向主机提供多信道的虚电路服务 4 3分组交换协议 2 X 25分组层的功能X 25分组层 也称为分组级 的主要功能是将链路层所提供的连接DTE DCE的一条或多条物理链路复用成数条逻辑信道 并且对每一条逻辑信道所建立的虚电路执行与链路层单链路协议类似的链路建立 数据传输 流量控制 顺序和差错检测 链路的拆除等操作 4 3分组交换协议 3 X 25分组格式 4 3分组交换协议 3 X 25分组格式通用格式标识 GFI 由分组中第一个字节的前四位组成 用于标志分组头中其余部分的格式 第一位 b8 称作Q位或限定位 只用于数据分组中 这是为了对分组中的数据进行特殊处理而设置的 可用于区分数据是正常数据还是控制信息 对于其它类型的分组 该位的值为 0 第二位 b7 称D位或传送确认位 设置该位的目的是用来指出DTE是否希望用分组接收序号P R 来对它所接收的数据做端到端确认 在呼叫建立时 DTE之间可通过D位来商定虚呼叫期间是否将使用D位规程 第三 四位 b6 b5 用以指示数据分组的序号是用3位即模8 b5置 1 还是7位即模128 b6置 1 这两位或者取 10 或者取 01 一旦选定 相应的分组格式也有所变化 4 3分组交换协议 3 X 25分组格式逻辑信道标识由第一个字节中的剩余四位 b4 b3 b2 b1 所作的逻辑信道组号 LCGN 和第二个字节所作的逻辑信道号 LCN 中分组成 用以标识逻辑信道 分组类型标识由第三个字节组成 用于区分分组的类型和功能 若该字节的最后一位 b1 是 0 则表示分组为数据分组 若该位是 1 则表示分组为控制其中可包括呼叫请求或指示分组及释放请求或指示分组 若该字末三位 b3 b2 b1 为全 1 则表示该分组是某个确认或接受分组 4 4帧中继 4 4 1帧中继技术及其应用4 4 2帧中继协议4 4 3帧中继用户接入及帧中继设备 4 4 1帧中继技术及其应用 1 帧中继的基本概念帧中继技术在OSI第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术 是在分组技术充分发展 数字与光纤传输线路逐渐替代已有的模拟线路 用户终端日益智能化的条件下诞生并发展起来的 帧中继仅完成OSI物理层和链路层核心层的功能 将流量控制 纠错等留给智能终端去完成 大大简化了节点机之间协议 同时 帧中继采用虚电路技术 能充分利用网络资源 因而帧中继具有吞吐量高 时延低 适合突发性业务等特点 作为一种新的承载业务 帧中继具有很大的潜力 主要应用在广域网 WAN 中 支持多种数据型业务 如局域网 LAN 互连 计算机辅助设计 CAD 和计算机辅助制造 CAM 文件传送 图象查询业务 图象监视等 4 4 1帧中继技术及其应用 2 帧中继业务帧中继业务是在用户 网络接口 UNI 之间提供用户信息流的双向传送 并保持原顺序不变的一种承载业务 用户信息流以帧为单位在网络内传送 用户 网络接口之间以虚电路进行连接 对用户信息流进行统计复用 帧中继网络提供的业务有两种 永久虚电路 PVC 和交换虚电路 SVC 4 4 1帧中继技术及其应用 4 4 1帧中继技术及其应用 4 4 1帧中继技术及其应用 3 帧交换业务帧交换承载业务的基本特征与帧中继业务相同 其全部控制平面的程序在逻辑上是与用户面相分离的 帧交换承载业务主要完成下列功能 提供帧的证实传送 对传输差错 格式差错和操作差错进行检测 对丢失的帧或重复的帧进行检测和恢复 提供流量控制 4 4 1帧中继技术及其应用 4 帧中继的基本功能帧中继在OSI第2层以简化的方式传送数据 仅完成物理层和链路层核心层的功能 智能化的终端设备把数据发送到链路层 并封装在LAPD帧结构中 实施以帧为单位的信息传送 网络不进行纠错 重发 流量控制等 帧不需要确认 就能够在每个交换机中直接通过 若网络检查出错误帧 直接将其丢弃 一些第二 三层的处理 如纠错 流量控制等 留给智能终端去处理 从而简化了节点机之间的处理过程 帧中继承载业务有下列特点 1 全部控制平面的程序在逻辑上是分离的 2 第一层 物理层 的用户平面程序使用I 430 I 431建议 第二层 链路层 的用户平面程序使用Q 922建议的核心功能 能够对用户信息流量进行统计复用 并且可以保证在两个S或T参考点之间双向传送的业务数据单元的顺序 4 4 1帧中继技术及其应用 帧中继的协议结构 4 4 1帧中继技术及其应用 5 帧中继的带宽管理帧中继网络通过为用户分配带宽控制参数 对每条虚电路上传送的用户信息进行监视和控制 实施带宽管理 以合理地利用带宽资源 1 虚电路带宽控制帧中继网络为每个用户分配三个带宽控制参数 Bc Be和CIR 同时 每隔Tc时间间隔对虚电路上的数据流量进行监视和控制 Tc值是通过计算得到的 Tc Bc CIR CIR是网络与用户约定的用户信息传送速率 如果用户以小于等于CIR的速率传送信息 正常情况下 应保证这部分信息的传送 Bc是网络允许用户在Tc时间间隔传送的数据量 Bc是网络允许拥护在Tc时间间隔内传送的超过Bc的数据量 2 网络容量配置在网络运行初期 网络运营部门为保证CIR范围内用户数据信息的传送 在提供可靠服务的基础上积累网管经验 使中继线容量等于经过该中继线的所有PVC的CIR之和 为用户提供充裕的数据带宽 以防止拥塞的发生 同时 还可以多提供一些CIR 0的虚电路业务 充分利用帧中继动态分配带宽资源的特点 降低拥护通信费用 以吸引更多用户 随着用户数量的增加 在运营过程中 随着经验的积累 可逐步增加PVC数量 以保证网络资源的充分利用 同时 CIR 0的业务应尽量提供给那些利用空闲时间 例如夜间 进行通信的用户 对要求较高的用户应尽量提供有一定CIR值的业务 以防止因发生阻塞而造成用户信息的丢失 4 4 1帧中继技术及其应用 6 帧中继的国际标准ITU T标准ANSI标准帧中继论坛标准 4 4 2帧中继协议 1 数据链路层帧方式接入协议 LAPF 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的作用是再ISDN用户到网络接口的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 LAPF使用I 430和I 431支持的物理层服务 并允许在ISDNB D H通路上统计复用多个帧方式承载连接 LAPF也可以使用其它类型接口支持的物理层服务 LAPF的一个子集 对应于数据链路层核心子层 用来支持帧中继承载业务 这个子集称为数据链路核心协议 DL CORE LAPF的其余部分称为数据链路控制协议 DL CONTROL LAPF提供两种信息传送方式 非确认信息传送方式和确认信息传送方式 4 4 2帧中继协议 LAPF的帧由5种字段组成 标志字段F 地址字段A 控制字段C 信息字段I和帧检验序列字段FCS 4 4 2帧中继协议 LAPF帧交换过程LAPF的帧交换过程是对等实体之间在D B H通路或其它类型物理通路上传送和交换信息的过程 进行交换的帧有I帧 S帧和U帧 采用非确认信息传送方式时 LAPF的工作方程十分简单 用到的帧只有一种 即无编号信号帧UI UI帧的I段包含了用户发送的数据 UI帧到达接收端后 LAPF实体按FCS字段的内容检查传输错误 如没有错误 则将I字段的内容送到第3层实体 如有错误 则将该帧丢弃 但不论接收是否正确 接收端都不给发送端任何回答 采用确认信息传送方式时 LAPF的帧交换分为3个阶段 连接建立 数据传送和连接释放 4 4 2帧中继协议 LAPF管理功能体现再对DLCI管理和参数管理两个方面 1 DLCI管理当使用帧方式承载业务时 DLCI值或者通过应用Q 93呼叫建立规程在控制平面协商 或者通过应用永久虚电路 在预订时 由管理部分来分配 一旦有DLCI值可用于分配 层管理实体向用户平面数据链路层实体发送一个MDL ASSIGN请求原语 这个原语包含将要分配的DLCI值和相关联的DL CEI 2 管理参数下表列出了LAPF的全部系统参数及其默契值 除参数N200之外 其它参数都可以由LAPF通过交换XID帧来协商和修改 4 4 2帧中继协议 2 数据链路层核心协议帧中继承载业务使用Q 922协议的 核心 协议作为数据链路层协议 并透明地传递DL CORE服务用户数据 帧中继的帧结构 4 4 2帧中继协议 2 数据链路层核心协议数据链路层核心协议在ISDN协议结构中的位置在ISDN环境中 数据链路层核心协议 DL CORE 的位置如图4 8所示 帧中继协议分为用户 U 平面和控制 C 平面两部分 其中U平面第二层又可分为下列两个子层 DL控制子层 DL CONTROL 和DL核心子层 DL CORE 4 4 2帧中继协议 4 4 2帧中继协议 数据链路层核心业务的数据传送功能是通过原语的形式来描述的 只使用一种原语类型DL CORE DATA 用来允许核心业务用户之间传送核心用户数据 数据传送业务不证实服务 因此只有两种原语可供使用 DL CORE DATA请求和DL CORE DATA指示 帧中继层管理功能DL CORE子层实体与其它实体之间的通信是通过原语来实现的 在永久帧中继承载连接的情况下 与DL CORE协议操作有关的信息均由DL CORE层管理实体负责维护 对于即时的 on demand 帧中继承载连接 建立和释放DL CORE连接均由第三层来实现 与DL CORE协议操作有关的信息均通过第三层管理和DL CORE子层管理之间进行协调来管理的 4 4 2帧中继协议 3 帧中继的寻址功能帧中继采用统计复用技术 以 虚电路 VC 机制为每一帧提供地址信息 每一条线路和每一个物理端口可容纳许多虚电路 用户之间通过虚电路进行连接 在每一帧的帧头中都包含虚电路号 数据链路连接标识符 DLCI 这是每一帧的地址信息 目前帧中继网只提供永久虚电路 PVC 业务 每一个节点机中都存在PVC路由表 当帧进入网络时 节点机通过DLCI值识别帧的去向 DLCI只具有本地意义 它并非指终点的地址 而只是识别用户与网络间以及网络与网络间的逻辑连接 虚电路段 帧中继的虚电路是由多段DLCI的逻辑连接链接而构成的端到端的逻辑链路 当用户数据信息被封装在帧中进入节点机后 首先识别帧头中的DLCI 然后再PVC路由表中找出对应的下段PVC的号码DLCI 从而将帧准确地送往下一节点机 举例 如果约定一条PCV的CIR 128Kbit s Bc 128kbit Be 64kbit 则Tc Bc CIR 1s 在这一段时间内用户可以传送的突发数据量可达到Bc Be 192kbit 传送数据的平均速率为192kbit s 其中正常情况下Bc范围内的128kbit的帧 在拥塞情况下这些帧也会被送达终点用户 若发生了严重拥塞这些帧会被丢弃 Be范围内的64Kbit的帧的DE比特被置为1 在无拥塞的情况下 这些帧会被送达终点用户 若发生拥塞则这些帧会被丢弃 4 4 3帧中继用户接入及帧中继设备 1 帧中继用户接入规程用户和网络之间的接口称为用户 网络接口 UNI 在用户网络接口的用户侧是帧中继接入设备 用于将本地用户设备接入到帧中继网 帧中继接入设备可以是标准的帧中继终端 帧中继装 拆设备 以及提供LAN接入的网桥或路由器等等 在用户 网络接口网络侧的是帧中继网络