第四章 通信网络理论2

1、计算机网络理论及网络基础计算机网络理论及网络基础 第四章第四章 通信网络系统通信网络系统 西安交通大学西安交通大学唐亚哲唐亚哲4.3 4.3 信息交换信息交换4.3.1 4.3.1 信息交换的原理信息交换的原理 n交换机由连接输入、输出交换机由连接输入、输出 通信线路的交换开关和控通信线路的交换开关和控 制装置等构成。制装置等构成。n交换机根据交换机根据目标地址信息，目标地址信息， 通过控制装置把输入线路与输出的空闲通信线通过控制装置把输入线路与输出的空闲通信线路连接起来，从而实现输入输出线路之间的信路连接起来，从而实现输入输出线路之间的信息交换。息交换。 控制装置控制装置交交 换换图图4.1

2、7 交换机的构成交换机的构成 n通路：被分为不同的方路群，选择输出通路时首先选通路：被分为不同的方路群，选择输出通路时首先选择目标输出方路，然后再从该输出方路择目标输出方路，然后再从该输出方路 中选择空闲的中选择空闲的通路来。通路来。n交换开关输入交换开关输入/ /输出通路的构成方法输出通路的构成方法; ;(1)(1)各自独立的传送线路构成各自独立的传送线路构成 ; ;(2)(2)采用时分多路复用方式对传输线路进行划分；采用时分多路复用方式对传输线路进行划分；(3)(3)时间片动态可选的动态多路复用时间片动态可选的动态多路复用分组多路复用方式分组多路复用方式. . n在时分多路复用方式中，一个

3、时间片传输一路信息。在时分多路复用方式中，一个时间片传输一路信息。n复用方式有：比特复用、字符复用和分组复用三种，复用方式有：比特复用、字符复用和分组复用三种，分别叫作比特多路复用，字符多路复用和分组多路复分别叫作比特多路复用，字符多路复用和分组多路复用。用。 n时分复用方式与动态分组多路复用的差别：时分复用方式与动态分组多路复用的差别：(1)(1)时分复用中，时间片要预先选定，其位置在时间轴上时分复用中，时间片要预先选定，其位置在时间轴上是固定的。是固定的。(2)(2)动态分组多路复用中，各时间片的位置是不固定的，动态分组多路复用中，各时间片的位置是不固定的，所以在该复用过程中，必须给分组加

4、上标记，用于标所以在该复用过程中，必须给分组加上标记，用于标记某分组属于哪一条通路记某分组属于哪一条通路. .n交换机的构成交换机的构成: : (1) (1)空分式交换机、空分式交换机、(2)(2)时分式交换机时分式交换机在呼叫设置时，输入输出线路的在呼叫设置时，输入输出线路的时间片就决定了，时间片的位置也固定了时间片就决定了，时间片的位置也固定了 。 (3)(3)动态时分交换机动态时分交换机临时把信息以分组（或报文）为临时把信息以分组（或报文）为单位存贮起来，单位存贮起来，再再逐次送到所需要的输出线上去的方逐次送到所需要的输出线上去的方式式 。这种方式时间位置不固定，为了保证输入通路。这种方

5、式时间位置不固定，为了保证输入通路输出通路相互对应，必须在呼叫设置时给分组加上入输出通路相互对应，必须在呼叫设置时给分组加上入输出通路的对应识别信息、目标地址、源地址等信息。输出通路的对应识别信息、目标地址、源地址等信息。n信息交换方式信息交换方式（1 1）线路交换）线路交换当呼叫当呼叫设设置时，根据目标地址信息等置时，根据目标地址信息等启动节点交换机，接通输入输出通路，再进行信息传启动节点交换机，接通输入输出通路，再进行信息传送的方式。送的方式。 （2 2）存贮交换）存贮交换先给每个分组或报文加上目标地址，先给每个分组或报文加上目标地址，临时存贮到交换机上，然后按照目标地址把分组或报临时存贮

6、到交换机上，然后按照目标地址把分组或报文传送到指定输出线上的方式。文传送到指定输出线上的方式。 n在存贮交换方式中，存贮单位是分组的方式为在存贮交换方式中，存贮单位是分组的方式为文件分组交换，若存贮单位是报文的交换方式文件分组交换，若存贮单位是报文的交换方式就叫报文交换。就叫报文交换。 4.3.2 4.3.2 时分线路交换时分线路交换 1 1、定义、定义由时分多路复用通路和时分式交换由时分多路复用通路和时分式交换机构成的线路交换方式。机构成的线路交换方式。2 2、控制信息和数据信息的传送方式、控制信息和数据信息的传送方式n在终端交换机之间采用分段（在终端交换机之间采用分段（envelopenv

7、elop）方式）方式 , ,控制信控制信息和数据信息通过公共线路进行传送息和数据信息通过公共线路进行传送 , ,通过在字符中通过在字符中增加一比特附加位来区分控制信息和数据信息增加一比特附加位来区分控制信息和数据信息; ;n在交换机在交换机交换机之间采用公共信令线方式交换机之间采用公共信令线方式 , ,专门设专门设置有数据信息通路和控制信息通路，分别进行传输的置有数据信息通路和控制信息通路，分别进行传输的方式。方式。 3 3、分段和多路复用方式、分段和多路复用方式 （1 1）时分式线路交换网的构成）时分式线路交换网的构成 DSUCONTSL MUXTSWDSUMUXSL图图4.19 时分线路交

8、换网的构时分线路交换网的构DTEDTE 名词定义名词定义 DSU(digital service unitDSU(digital service unit：家庭线路终端装置：家庭线路终端装置 );); MUX MUX 多路复用交换机；多路复用交换机； TSW TSW 传输交换系统；传输交换系统； CONT CONT 时分交换控制器；时分交换控制器； SL SL 信号线信号线 DTEDTE和和DSUDSU之间的连线之间的连线 1 1对发送接收数据信号线；对发送接收数据信号线；1 1对呼叫控制信号线对呼叫控制信号线 ；1 1条同步信号线，等。条同步信号线，等。 （2 2）DSUDSU中的数据控制信

9、令分段变换中的数据控制信令分段变换n为了与为了与DTEDTE接口，必须进行数据位及呼叫控制信令的分接口，必须进行数据位及呼叫控制信令的分段变换。对于同步方式，把段变换。对于同步方式，把3 3个字节个字节 4 4个分段，同时个分段，同时加上分段同步控制等。加上分段同步控制等。n这种方式的优点是：同步信号和呼叫控制信号、数据位这种方式的优点是：同步信号和呼叫控制信号、数据位分开传送，透明性好。分开传送，透明性好。n这种方式不能采用数据字符同步方式，在这种方式不能采用数据字符同步方式，在“终端终端终端终端”之间、之间、“终端终端交换机交换机”之间只能采用之间只能采用SYNSYN同步方式。同步方式。

10、F1 F2 F3 F20 ：X110100 10000l0101110为为64KbS传输信道上由传输信道上由20路路3.2KbS用户线路复用的帧标记；用户线路复用的帧标记；同理同理,，64KbS可复用可复用6.4Kb/S用户线路用户线路10路、路、12.8Kb/S用户线路用户线路5路路。F：帧标记比特，：帧标记比特，D：数据比特，：数据比特，S状态标记比特。状态标记比特。F1 SF2 SF3 SF4 S F20 SF1 D1 D2 D3 D4 D5 D6 S(a)(b)图图4.20 分段的构成及其复用分段的构成及其复用 （3 3）交换连接和信号序列）交换连接和信号序列 10O FFONTCRI

11、发发送送DTESYNSYN准准备备好好可可拨拨号号拨拨号号接接收收拨拨号号服服务务信信号号可可通通信信通通信信过过程程恢恢复复请请求求恢恢复复请请求求确确认认DTE准准备备准准备备好好10O FFONSYNSYNSYNSYNSYNSYN TDTETDTE的数据发送线；的数据发送线； RDTERDTE的数据接收线；的数据接收线； CC对对DSUDSU的控制线；的控制线； IDSUIDSU的状态标示。的状态标示。 BE ISYNSYN 断断开开10TCRI接接收收DTE准准备备好好呼呼叫叫应应答答可可通通信信通通信信过过程程断断开开指指示示DTE准准备备准准备备好好图图4.21同步式同步式DTE和

12、交换机之间的信号序列和交换机之间的信号序列SYNSYNBE I O FFONO FFON10 工作序列工作序列发送方发送方DTEDTE：发呼叫请求发呼叫请求( (摘机摘机)(C)(CDSUDSUI)I)；交换机返回可拨号信号交换机返回可拨号信号(R(RDTU)DTU)；DTEDTE拨号拨号(T(TDSU)DSU)；接收方接收方DTEDTE接收拨号接收拨号(R),(R),并给出可通信指示并给出可通信指示(I)(I)；系统进入通信状态。系统进入通信状态。 通信结束通信结束发送方发送方DTEDTE：发送恢复请求发送恢复请求(C(CDSU)DSU)；接收方接收方DTEDTE发断开指示发断开指示(C(C

13、DSU),DSU),同时断开同时断开I I线线(DSU(DSUI)I)；发送方发送方DSUDSU发恢复确认发恢复确认(DSU(DSUDTE)DTE)。 （4 4）交换开关的控制动作）交换开关的控制动作 图图4.22 时分线路交换机的交换构成时分线路交换机的交换构成入链路入链路1 入链路入链路2入线路入线路A入线路入线路B# i# iijikii空间交换空间交换kj# k# j出线路出线路A出线路出线路B时间交换时间交换2时间交换时间交换1出链路出链路1 出链路出链路24.3.3 4.3.3 分组交换分组交换 1 1、线路的构成、线路的构成n分组交换网是由作为中继节点的一般交换机、以及连分组交换

14、网是由作为中继节点的一般交换机、以及连接这些节点的高速数据线路构成的；接这些节点的高速数据线路构成的；DSUNPTPADDSU PT终端节点终端节点中继节点中继节点 中继节点中继节点分组交换机分组交换机 中继节点中继节点分组交换机分组交换机 PT终端节点终端节点DSUNPT：一般终端，：一般终端， PT：文件分组终端，：文件分组终端，PAD：分组、组装装置，：分组、组装装置， DSU：家庭线路终端装置。：家庭线路终端装置。 图图4.23 分组交换网的构成分组交换网的构成 n分组交换是以数据分组为单位进行的存贮交换分组交换是以数据分组为单位进行的存贮交换方式。方式。2 2、分组交换的动作和组成、

15、分组交换的动作和组成n终端节点来的数据报文终端节点来的数据报文 暂时存贮在汇集中暂时存贮在汇集中继节点的缓存中继节点的缓存中 再把长短不等的报文分割再把长短不等的报文分割成最大长度为成最大长度为20002000比特左右的分组比特左右的分组 然后附然后附加上目标地址及控制信息加上目标地址及控制信息构成分组。构成分组。n分组结构分组结构 （a）分组格式）分组格式 （b）分组级的报头格式）分组级的报头格式 图图4.24 分组格式例子分组格式例子高级链路控制的高级链路控制的地址和控制信息地址和控制信息 报头报头 数据数据 FCS F F 帧级帧级 分组级分组级(a)(b)GFI LCGN LCN P(

16、S) “0” P(R) M 4 4 8 7 1 7 1 GFI数据格式标识；数据格式标识；LCGN逻辑通道分组号（分组复用）逻辑通道分组号（分组复用）LCN逻辑通道号；逻辑通道号；P（S）发送分组序号；发送分组序号；P（R）接收分组序号；接收分组序号；M后续数标记后续数标记n分组传送分组传送发送结点：发送各种分组发送结点：发送各种分组 中继结点；中继结点；中继结点根据分组的目标地址中继结点根据分组的目标地址 路由选择路由选择 送出送出分组，分组， 目标中继结点目标中继结点 依据控制信息，按依据控制信息，按照分组顺序对数据进行组装汇集（恢复成报文）照分组顺序对数据进行组装汇集（恢复成报文） 送往

17、目标终端。送往目标终端。 3 3、虚呼叫和虚电路、虚呼叫和虚电路n虚拟呼叫：在分组交换中虚拟呼叫：在分组交换中按不同呼叫进行的分按不同呼叫进行的分组控制的方式就叫虚呼叫组控制的方式就叫虚呼叫。n虚电路：在发送端、目标终端之间通过交换机虚电路：在发送端、目标终端之间通过交换机设置的一种虚拟的连接线路设置的一种虚拟的连接线路。4 4、分组交换网中的控制、分组交换网中的控制 4 4、分组交换网的有关标准、分组交换网的有关标准 分组交换网分组交换网X.3（PAD功能）功能）X75（分组网间）（分组网间）中继线中继线用户入网线用户入网线虚电路虚电路PAD用户入网线用户入网线NPTX28（异步（异步DTE

18、PAD）X29（PADPT）其他网其他网X25（网（网PT）图图4.28 分组交换网（分组交换网（X.25)的标准协议适用的范围的标准协议适用的范围分组交换技术与分组交换网分组交换技术与分组交换网n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。分组交换的基本原理分组交换的基本原理分组传送方式（资源共享方式） n图图5.1 统计时分复用（统计时分复用（STDM）分组传送采用的是统计时分复

19、用（分组传送采用的是统计时分复用（STDM）的方式。）的方式。 分组的形成分组的形成n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。 图图5.2 分组的形成分组的形成 分组交换分组交换n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（Virtual Circuit）。 1.数据报（Datagram） 2.虚电路（Virtual Circuit）数据报（Datagram）n在数据报方式中，分组被独立的对待

20、，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 虚电路（Virtual Circuit）n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。n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（Virtual Call），另一种是永久虚电路（PVC

21、：Permanent Virtual Circuit）。数据报和虚电路的对比 n（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。 n（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。n（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。 n（4）数据报方式对网络的适应能力较强。 路由选

22、择路由选择n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： n固定路由选择n泛洪路由选择n随机路由选择n自适应路由选择流量控制流量控制n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

23、无法发送新的数据，目的节点也收不到分组，造成死锁。拥塞的影响拥塞的影响 流量控制的方法 n证实法n预约法n许可证法分组交换的工作过程分组交换的工作过程分组交换协议分组交换协议X.25协议协议分组交换协议的结构 nX.25协议是数据终端设备（DTE）和数据电路端接设备（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。nX.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

24、等。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。（参见分组交换工程P163-165）nX.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5.7所示。X.25的分层结构的分层结构X.25的物理层的物理层n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）。X.25的数据链路层的数据链路层LAPBnX.25数据链路层规程是要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

25、，X.25的数据链路层采用的是HDLC（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。 图5.8 LAPB帧的基本结构X.25的分组层（虚呼叫的控制原理）的分组层（虚呼叫的控制原理）nX.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

26、充分利用线路资源。分组层的主要功能n在X.25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道；n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；n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；n提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）的连接；n提供建立和清除交换虚电路连接的方法；n监测和恢复分组层的差错。 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？（1）虚电路是在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，

27、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。（2）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（不包括永久虚电路）随着通信的开始而建立，通信结束后就被清除。 呼叫建立过程呼叫拒绝呼叫拒绝 呼叫清除过程呼叫清除过程 复位过程复位过程 重启（Restart）过程分组交换机分组交换机分组交换机的结构 n分组交换网的终端用户与网络之间的接口标准是统一的，几乎所有的分组交换设备提供商都遵守并实现了这些标准。而交换网的网内通信规程、分组交换机的设计以及网络的维护、管理和控制至今没有统一的

28、标准，各个厂家的内部协议是互相不兼容的，分组交换网设备也是多种多样的，没有统一的结构。分组交换机的基本结构n交换单元分组交换机交换单元的基本功能和电路交换机交换单元的基本功能是一致的，就是把信息从某个输入端口送到某个输出端口。 n接口单元接口单元包括用户线路的接口单元和中继线路的接口单元。 其功能包括：用户线的监视和控制、分组的组合与分解、差错控制、传输控制规程的控制等。n控制单元控制单元用于完成整个系统的控制工作，其功能包括：呼叫处理、流量控制、路由选择、系统配置等。控制单元的功能一般由软件来完成。性能指标性能指标n分组交换机的主要性能指标包括：n（1）端口数，包括同步端口数和异步端口数。n

29、（2）吞吐量，表示该交换机每秒能处理的分组数。在给出该指标时，必须给出分组的长度，通常为128字节/分组。n（3）每秒能处理的呼叫次数。在一般情况下，该指标都是在不传送数据分组时给出的值。n（4）路由数，表示该交换机能与其他交换机相连接并能进行路由选择的值。n（5）平均分组处理迟延，是指在传送一个数据分组从输入端口至输出队列所需的平均处理时间。在给出该指标时也需要指出分组长度。n（6）提供用户可选补充业务的能力。n（7）支持X.25等协议的版本时间。n（8）提供非标准接口的能力，如SDLC、BSC等。分组交换分组交换分组交换网的构成分组交换网的构成n网络拓扑结构n分组交换网的基本结构 分组交换

30、网与局域网的互连4.4 4.4 路径控制路径控制 4.4.1 4.4.1 路径控制的概念路径控制的概念1 1、定义、定义找寻到达目标的最佳路径找寻到达目标的最佳路径最短、延迟时间最短、延迟时间最小、成本最低。最小、成本最低。2 2、不良的路径控制、不良的路径控制 n路径过长；路径过长；n时间延迟过大时间延迟过大n产生乒乓现象或环路现象产生乒乓现象或环路现象 源节点源节点源节点源节点目标节点目标节点目标节点目标节点 (a)乒乓现象乒乓现象(之一之一) (b)乒乓现象乒乓现象(之二之二) (c)环路现象环路现象 图图4.29不适当的路径控制例不适当的路径控制例源节点源节点目标节点目标节点 3 3、

31、分组交换网的路径控制、分组交换网的路径控制 n路径控制涉及的主要问题路径控制涉及的主要问题（l l）采用怎样的路径控制算法？）采用怎样的路径控制算法？n从源节点开始逐次推进的最佳路径算法从源节点开始逐次推进的最佳路径算法算法算法A A；n采用循环算法求出所有节点到达目标节点的最佳路径采用循环算法求出所有节点到达目标节点的最佳路径控制算法控制算法算法算法B B。（2 2）生成怎样的路径控制表？）生成怎样的路径控制表？n集中控制算法集中控制算法n分散控制算法分散控制算法n部分集中控制算法部分集中控制算法 123456(b)1234561511253322(a)(a)假定的网络结构 (b)最短路径的

32、树图4.31 路径控制方法例 节点1的通路表 目标节点 次节点 2 2 3 4 4 4 5 4 6 4 （3 3）路径控制算法）路径控制算法A An假设节点假设节点i i与与j j之间的链路长度（时延）为之间的链路长度（时延）为d(i,j),d(i,j),若若i,ji,j不直接连接不直接连接, ,则则d(i,j)=d(i,j)= ; ;n假设有集合假设有集合N,N,在在N N中的节点中的节点, ,从源到目标的时延为从源到目标的时延为D(n)D(n)。n算法过程算法过程(a)(a)系统初始化：系统初始化：令令N=N=源节点源节点a=1a=1，对其他节点求，对其他节点求D(i)=d(i,1)D(i)=d(i,1)(b)(b)在在N N以外的节点中以外的节点中, ,找寻找寻D(w)D(w)最小的节点最小的节点w,w,把把w w加到加到N N中中;