五.分组交换与分组交换网

1、1 第五章 分组交换与分组交换网 2 一、分组交换技术的产生与发展一、分组交换技术的产生与发展 一、发展史一、发展史 上世纪上世纪60年代（年代（1964年）美国军界提出，将一个完整数据报文分成许多较短的数年）美国军界提出，将一个完整数据报文分成许多较短的数 据块，并为每个数据块加上路由和控制信息，各分组可在不同的网络路径中传输，据块，并为每个数据块加上路由和控制信息，各分组可在不同的网络路径中传输， 到达终点后再恢复成完整的数据报文，形成了分组交换的概念。到达终点后再恢复成完整的数据报文，形成了分组交换的概念。 1967年将存储转发技术应用于分组交换技术，形成了较为完整的分组交换技术。年将存

2、储转发技术应用于分组交换技术，形成了较为完整的分组交换技术。 1969年美国国防部组建了世界上第一个分组交换网年美国国防部组建了世界上第一个分组交换网ARPANET 1975年美国年美国TELENET公司组建商用分组交换网公司组建商用分组交换网 1989年我国组建了年我国组建了CHINAPAC分组交换网分组交换网 二、应用二、应用 传输数据业务传输数据业务 计算机局域网计算机局域网 INTERNET网网 3 二、分组交换的基本原理二、分组交换的基本原理 1、分组传送方式、分组传送方式 特点：分组交换技术采用的是统计时分复用（特点：分组交换技术采用的是统计时分复用（STDM）传送）传送 方式，动

3、态分配带宽，支持突发性业务，线路利用率高。方式，动态分配带宽，支持突发性业务，线路利用率高。 4 2、分组的形成、分组的形成 来自数据终端的用户数据可能是很长的报文，将该报文拆分成若干来自数据终端的用户数据可能是很长的报文，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（段，并加上分组头，组成一个完整的分组（packet）。）。 分组头：逻辑信道号（LCN)、分组序号、控制/地址信息 分组有两大类： 数据分组：承载用户数据的分组 控制分组：保证和控制数据分组在网络中正确传输和交换的分组 5 3 、 分组交换方式分组交换方式 一个分组从发送端传送到接收端，须沿一定的路径经分组交换网络一

4、个分组从发送端传送到接收端，须沿一定的路径经分组交换网络 传输。分组通过网络的实现方法：传输。分组通过网络的实现方法：数据报数据报（Datagram）和）和虚电路虚电路 （Virtual Circuit）。）。 （1）虚电路方式）虚电路方式 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。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。同一条注意虚电路指的是一条逻辑连接，而不是指一条专门

5、的物理通路。同一条 线路可能同时被多条虚电路使用。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（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： Switch Virtual Circuit），又称为虚呼叫（），又称为虚呼叫（Virtual Call），另一种是永），另一种是永 久虚电路（久虚电路（PVC：Permanent Virtual Circuit）。一般使用）。一般使用SVC。 分组选择虚电路在各交换节点依靠路由表。分组选择虚电路在各交换节点依靠路由表。p161图图5.3 虚电路方式的特点：虚电路方式的特点：p161,162

6、6 （2）数据报方式）数据报方式 在数据报方式中，信息传输之前无需建立连接，分组头在数据报方式中，信息传输之前无需建立连接，分组头 中包含终点地址信息，不同分组彼此之间相互独立的寻找中包含终点地址信息，不同分组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，一个被独立处理的分组就称为一个数点。在这种技术中，一个被独立处理的分组就称为一个数 据报。据报。 数据报方式的特点数据报方式的特点：p162 3 、 分组交换方式分组交换方式 7 （3）数据报和虚电路方式的对比）数据报和虚电路方式的对比 （a）数

7、据报省掉了呼叫的建立和清除过程，如果只传送少）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。量的分组，那么采用数据报方式的传输效率会比较高。 （b）对于数据报方式，由于每个分组是各自独立在网络中）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组按已建立的路径顺序通过网络，在

8、网络终点不需要对分组重 新排序。新排序。 （c）在数据报方式下，由于每个数据分组都要独立的寻找路）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，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。单个数据分组的传输时延则会小得多。 （d）数据报方式对网络的适应能力较强。）数据报方式对网络的适应能力较强。 3 、 分组交换方式分组交换方式 8 4、 路由选择路由选择 分组交换网的主要功能就是接收来自源站点的分组，并将它们传送分组交换网的主要功能就是接收来自源站点的分组，并将它们传送 到目的站点。因为通

9、常在网络中存在多条从源站点到目的站点的路径，也到目的站点。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，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这就是路由选择功能 。 路由选择的方法有四种：固定路由选择、洪泛式路由选择、随机路由选择、路由选择的方法有四种：固定路由选择、洪泛式路由选择、随机路由选择、 自适应路由选择。自适应路由选择。 (1)固定路由选择固定路由选择 由源站点到目的站点的路由选择是固定的。当网络拓扑结构发生变化时，由源站点到目的站点的路由选择是固定的。当网络拓扑结构

10、发生变化时， 路由选择才变化。路由选择才变化。 路由的选择是通过各节点的路由表实现的。如节点路由的选择是通过各节点的路由表实现的。如节点1： 2 1 3 4 5 目的地下一节点 22 33 44 53 优点是简单优点是简单 缺点是缺乏灵活性缺点是缺乏灵活性 仅用于小规模网络仅用于小规模网络 的路由选择的路由选择 9 4、路由选择、路由选择 （2）洪泛式路由选择洪泛式路由选择 每个节点接收到一个分组后检查是否收到过该分组，如果收到每个节点接收到一个分组后检查是否收到过该分组，如果收到 过就丢弃；如果未收到过就把该分组发往除来的节点外的其它相过就丢弃；如果未收到过就把该分组发往除来的节点外的其它相

11、 邻节点。也是一种广播式路由选择。邻节点。也是一种广播式路由选择。 优点是可靠性高，在网络中有故障路由的情况下也能保证分组优点是可靠性高，在网络中有故障路由的情况下也能保证分组 被送达目的站点。被送达目的站点。 缺点是网络业务流量大时易造成网络拥塞，且由于分组交换是缺点是网络业务流量大时易造成网络拥塞，且由于分组交换是 排队机制，传输时延较大。排队机制，传输时延较大。 2 1 3 4 5 10 4、路由选择、路由选择 （3）随机路由选择随机路由选择 节点收到一个分组后，除来的节点外随机选择一个输出路由。输出路由节点收到一个分组后，除来的节点外随机选择一个输出路由。输出路由 选择的概率可相等，也

12、可不等，可根据费用也可根据数据速率。选择的概率可相等，也可不等，可根据费用也可根据数据速率。 优点是路由选择简单，稳健性好。网络负荷低于洪泛式路由选择。优点是路由选择简单，稳健性好。网络负荷低于洪泛式路由选择。 缺点是未必是最短路径或最小费用路径，两者不能兼顾。缺点是未必是最短路径或最小费用路径，两者不能兼顾。 （4）自适应路由选择自适应路由选择 路由选择根据网络状态的变化（故障、拥塞）而动态改变的。是目前路由选择根据网络状态的变化（故障、拥塞）而动态改变的。是目前 普遍使用的路由选择算法。普遍使用的路由选择算法。 优点是路由选择灵活优点是路由选择灵活 缺点是需要传输和交换网络状态信息，增加一

13、部分网络负荷。缺点是需要传输和交换网络状态信息，增加一部分网络负荷。 11 5 、 流量控制流量控制 (1)流量控制的必要性流量控制的必要性 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，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

14、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。成死锁。 理想的 吞 吐 量 提供负荷 受控的 非受控的 开销 平 均 时 延 提供负荷 受控的 理想的 非受控的 12 DCE节点节点DCEDTEDTE (a) (a) (c) (d) (b) (2)流量控制机制流量控制机制 (a)相邻节点之间点到点的流量控制 (b)用户终端和网络节点之间点到点的流量控制 (c)网络的源节点和终点之间点到点的流量控制 (d)用户源终端和目的终端之间点到点的流

15、量控制 5 、 流量控制流量控制 13 5 、 流量控制流量控制 （3）流量控制方法）流量控制方法 （a)a)证实法证实法 接收方收到发送方的一个分组后，向发送方发送一个证实信号，发送方再接收方收到发送方的一个分组后，向发送方发送一个证实信号，发送方再 发送下一个分组，实现流量控制。发送下一个分组，实现流量控制。 如果发送方发送几个分组后，接收方发送证实信号，称滑动窗口机制，如果发送方发送几个分组后，接收方发送证实信号，称滑动窗口机制， X.25X.25即采用这种流量控制方式。即采用这种流量控制方式。 (b) (b)预约法预约法 发送方在发送分组之前，先向接收方预约缓冲区的大小，然后发送方根据

16、发送方在发送分组之前，先向接收方预约缓冲区的大小，然后发送方根据 缓冲区大小向接收方发送预约的分组数。适用于数据报方式的分组交换网。缓冲区大小向接收方发送预约的分组数。适用于数据报方式的分组交换网。 DCEDCE之间和之间和DTEDTE之间的流量控制采用该流量控制方式。之间的流量控制采用该流量控制方式。 (c) (c)许可证法许可证法 在网络内设置一定数量的许可证，其状态为有分组的满载和无分组的空载，在网络内设置一定数量的许可证，其状态为有分组的满载和无分组的空载， 满载的卸下分组即为空载，分组需在节点满载的卸下分组即为空载，分组需在节点等到等到空载的许可证后才能发送。空载的许可证后才能发送。

17、 14 三、分组交换协议三、分组交换协议X.25协议协议 1、分组交换协议、分组交换协议 分组交换协议是数据终端设备（分组交换协议是数据终端设备（DTE）与交换网及其各交换节点之间）与交换网及其各交换节点之间 关于信息传输过程、信息格式等的规约。分为接口协议和网内协议。关于信息传输过程、信息格式等的规约。分为接口协议和网内协议。 接口协议是接口协议是DTE与网络设备之间的通信协议，即与网络设备之间的通信协议，即UNI协议。协议。 网内协议是网络内部各交换机之间的通信协议，即网内协议是网络内部各交换机之间的通信协议，即NNI协议。协议。 X.25协议是协议是DTE与与DCE之间的接口协议，最初于

18、之间的接口协议，最初于1976年颁布，在年颁布，在 1980年、年、1984年、年、1988年、年、1993年又进行了多次修改。它是目前使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。用最广泛的分组交换协议。 X.25协议定义了帧（协议定义了帧（Frame）和分组（）和分组（Packet）的结构，以及数据）的结构，以及数据 传输通路的建立、释放、数据传输等过程，顺序控制、差错控制和流量控传输通路的建立、释放、数据传输等过程，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。制等机制，以及分组交换提供的基本业务和可选业务等。X.25属于接口属于接口 规程，没

19、有定义路由选择算法，这属于分组交换网络内部控制功能。规程，没有定义路由选择算法，这属于分组交换网络内部控制功能。 15 X.25接口协议分为三层：物理层、数据链路层和分组层， 各层在功能上相互独立。 三、分组交换协议三、分组交换协议X.25协议协议 16 用 户 协 议 协 议 转 换 接 口 协 议 PAD X.25 接口 协议 X.25 接口 协议 X.25 接口接口 网内协议 接 口 协 议 X.25 = 用 户 协 议 非分组型终端非分组型终端 NPT 分组型终端分组型终端PT 三、分组交换协议三、分组交换协议X.25协议协议 17 2、 X.25的物理层的物理层 物理层协议规定了物理

20、层协议规定了DTE与与DCE之间接口的电气特性、之间接口的电气特性、 功能特性、机械特性和协议的交互流程功能特性、机械特性和协议的交互流程 物理层完成的主要功能如下： n在DTE和DCE接口处提供数据传输； n在设备之间提供控制信号； n提供时钟信号，用以同步数据流和规定比特速 率； n提供电气地； n提供机械的连接器（如针、插头和插座）。 三、分组交换协议三、分组交换协议X.25协议协议 18 3 、 X.25的数据链路层的数据链路层LAPB X.25数据链路层规程是要在物理层提供双向的信息输送通道上实施信 息传输的控制。一般情况下，X.25的数据链路层采用的是HDLC（高级数据 链路控制规

21、程）的一个子集LAPB（平衡型链路访问规程）。 X.25数据链路层完成的主要功能如下： DTE与DCE间的数据传输 发送端与接收端的同步 传输过程中的检、纠错 有效的流量控制（预约法） 协议错误的识别和告警 链路层状态的通知 三、分组交换协议三、分组交换协议X.25协议协议 19 数据链路层帧类型与结构数据链路层帧类型与结构 n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5.8所示，所有帧均包含标志F、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。 三、分组交换协议三、分组交换协议X.25协议协议 20 3

22、、 X.25的分组层的分组层 X.25分组层是利用数据链路层提供的可靠传送服务，在DTE与 DCE接口之间控制虚呼叫分组的数据通信协议，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。主要功能： 提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）的连接； 为SVC和PVC连接提供有效的分组传输； 提供建立和清除交换虚电路连接； 监测和恢复分组层的差错 三、分组交换协议三、分组交换协议X.25协议协议 21 虚电路与逻辑信道 n前面我们分别介绍过虚电路和逻辑信道的概念，那么 这两者之间有什么联系和区别呢？ （a）虚电路

23、是在DTE-DTE之间建立的虚连接，存在于端 到端之间；逻辑信道是DTE-DCE接口或中继线上可分 配的资源，存在于点到点之间，一条线路上可以存在 多个逻辑信道。一条虚电路是由多个逻辑信道连接而 成。每条线路的逻辑信道号是独立分配的，同一条虚 电路在不同线路上的逻辑信道号可能是不相同的。 （b）逻辑信道是一直存在的，它分为占用和空闲两种状 态；虚电路（exclude PVC）随着通信的开始而建立， 通信结束后就被清除。 (1)分组的类型与结构：分组的类型与结构：p176 （2）分组层工作原理）分组层工作原理:p178 22 呼叫建立过程 23 呼叫拒绝呼叫拒绝 24 呼叫清除过程呼叫清除过程

24、25 复位过程复位过程 26 重启（Restart）过程 27 四、分组交换机四、分组交换机 1、分组交换机的基本结构、分组交换机的基本结构 分组交换机由三部分组成：接口单元、交换单元、控制单元。分组交换机由三部分组成：接口单元、交换单元、控制单元。 交换单元：设置缓冲器、按交换单元：设置缓冲器、按STDM方式工作。方式工作。 接口单元：用户侧接口（接口单元：用户侧接口（UNI）和中继线侧接口（）和中继线侧接口（NNI）。功能主要有线）。功能主要有线 路侧监视、分组的拆装、差错控制、传输控制。路侧监视、分组的拆装、差错控制、传输控制。 控制单元：呼叫处理、流量控制、路由选择、系统配置与管理等。

25、控制单元：呼叫处理、流量控制、路由选择、系统配置与管理等。 2、分组交换机的性能指标、分组交换机的性能指标 吞吐量：每秒能交换的分组数吞吐量：每秒能交换的分组数 平均分组处理时延：从输入端口到输出端口传送平均分组处理时延：从输入端口到输出端口传送1个分组所需的平均处理个分组所需的平均处理 时间时间 呼叫处理能力：单位时间内能处理的呼叫次数呼叫处理能力：单位时间内能处理的呼叫次数 3、DPN-100分组交换机（略） 28 五、分组交换网五、分组交换网 网络结构： 29 1、分组交换网的组成 由分组交换机、用户终端设备（DTE）、分组拆装设备 （PAD）、远程集中器、网络管理中心和传输线路组成。

26、五、分组交换网五、分组交换网 30 （1）分组交换机）分组交换机:汇接交换机、本地交换机 汇接交换机：所有端口都是中继，主要完成路由选择和流量控制功能。汇接交换机：所有端口都是中继，主要完成路由选择和流量控制功能。 本地交换机：有中继端口、大部分是用户端口，主要完成本地交换及简本地交换机：有中继端口、大部分是用户端口，主要完成本地交换及简 单的路由选择。单的路由选择。 分组交换机的主要功能：分组交换机的主要功能：p185 （2）用户终端设备）用户终端设备 包括分组终端（包括分组终端（PT）和非分组终端（）和非分组终端（NPT）。）。 （3）分组拆装设备）分组拆装设备 完成非分组终端（完成非分组

27、终端（NPT）接入分组网的协议转换。）接入分组网的协议转换。 （4）远程集中器：）远程集中器： （5）网络管理中心：）网络管理中心： （6）传输线路：）传输线路： 五、分组交换网五、分组交换网 31 2、分组交换网的工作原理、分组交换网的工作原理 A-C: 2个分组 B-D：3个分组 32 3. 中国公用分组交换网（中国公用分组交换网（CHINAPAC） n我国组建的第一个公用分组交换网简称CNPAC， 是1988年从法国SESA公司引进的实验网，该 实验网于1989年11月正式投入使用。由于该网 络的覆盖面不大，端口数较少，无法满足信息 量较大、分布较广的企业和部门的需求，原邮 电部决定扩建

28、我国的公用分组交换网，扩建的 公用分组数据交换网简称CHINAPAC，于1993 年建成投入使用，由骨干网和地区网两级构成。 p188图5.28 33 4. 网络编号网络编号X.121 n为了实现公用数据通信网的国际和国内互连通信，为了实现公用数据通信网的国际和国内互连通信，CCITT制定了制定了 国际统一的网络编号方案国际统一的网络编号方案X.121。 n国际数据编号最大由国际数据编号最大由14位十进制数构成，其中最前面的一位位十进制数构成，其中最前面的一位P为为 国际呼叫前缀，其值由各个国家决定，我国采用国际呼叫前缀，其值由各个国家决定，我国采用“0”。紧接着。紧接着4 位称为数据网络识别

29、码位称为数据网络识别码DNIC（Data Network Identification Code），），DNIC由由3位数据国家代码位数据国家代码DCC（Data Country Code） 和和1位网络代码组成。位网络代码组成。DCC的第的第1位位Z为区域号，世界划分为为区域号，世界划分为6个个 区域，编号为区域，编号为2-7（Z=0和和Z=1备用，备用，Z=8和和Z=9分别用于同用分别用于同用 户电报网和电话网的相互连接）。户电报网和电话网的相互连接）。DCC的后两位原则上用于区分的后两位原则上用于区分 区域内的国家。例如中国的区域内的国家。例如中国的DCC是是“460”。有。有10个以上

30、网络的个以上网络的 国家可以分配国家可以分配2个以上的个以上的DCC。DCC之后的一位用于区分为位于之后的一位用于区分为位于 同一个国家内的多个网络。同一个国家内的多个网络。CHINAPAC的的DNIC为为“4603”。 34 5、 网间互连网间互连 分组交换网之间的互连分组交换网之间的互连 分组交换网间的互联是通过分组交换网间的互联是通过X.75协议实现的。协议实现的。 STE:信号端接设备信号端接设备 STE的主要功能：完成虚电路的建立和接续。包括呼叫信号的转接、路的主要功能：完成虚电路的建立和接续。包括呼叫信号的转接、路 由选择、地址变换、流量控制逻辑信道号的变换、故障处理等。由选择、地

31、址变换、流量控制逻辑信道号的变换、故障处理等。 35 分组交换网与局域网的互连（网关分组交换网与局域网的互连（网关2有错）有错） 5、 网间互连网间互连 36 5、 网间互连网间互连 分组交换网与电话网的互连（略）分组交换网与电话网的互连（略） 37 六、六、 帧中继帧中继 1、帧中继技术的发展与应用、帧中继技术的发展与应用 社会发展需高数据速率传输和交换，出现数字传输技术，社会发展需高数据速率传输和交换，出现数字传输技术，80年代初诞生帧年代初诞生帧 中继技术。继承中继技术。继承X.25虚电路技术，简化了虚电路技术，简化了X.25分组层功能，速率高、延时低、分组层功能，速率高、延时低、 带宽

32、宽并动态分配，增加了承诺信息速率（带宽宽并动态分配，增加了承诺信息速率（CIR）和优先级。特别适用局域网）和优先级。特别适用局域网 互联。互联。p192图图5.34 2、帧中继的技术特点、帧中继的技术特点 出现帧中继的二个前提：数字传输、设备智能化水平提高。主要特点：出现帧中继的二个前提：数字传输、设备智能化水平提高。主要特点： 协议仅有二层，简化了协议。协议仅有二层，简化了协议。p193图图5.35 控制命令和用户数据在逻辑信道上分别传送，控制命令和用户数据在逻辑信道上分别传送，是共路信令是共路信令（X.25是随路信是随路信 令令）。图）。图5.36 面向连接，有面向连接，有PVC和和SVC

33、，主要用，主要用PVC。使用。使用SVC时遵从时遵从Q.933协议。协议。 数据的复用和交换在第二层。数据的复用和交换在第二层。p194图图5.37 有拥塞控制和带宽管理机制。有拥塞控制和带宽管理机制。 38 3、帧中继协议、帧中继协议 Q.922 核心层 物理层 Q.922 核心层 物理层 Q.922 核心层 物理层 上层上层 用户UNI 网络UNI 用户 物理层：物理层：ISDN之之I.430/I.431的的2B+D或或30B+D接口，也可以是接口，也可以是G.703、 V.35、X.21等接口。等接口。 数据链路层：数据链路层：Q.922的核心层（帧定位、透明传输；帧的复用和分路；帧的核心层（帧定位、透明传输；帧的复用和分路；帧 长检测；传输差错检测；拥塞控制；帧优先级控制）长检测；传输