分组交换课件

1、分组交换第第 5 章章 分组交换分组交换 教学大纲要求：教学大纲要求：1.1.基本要求基本要求 （1 1）掌握计算机网络的组成和）掌握计算机网络的组成和OSIOSI协议体系结构。协议体系结构。 （2 2）掌握分组交换原理。）掌握分组交换原理。 （3 3）掌握分组交换网的路由选择。）掌握分组交换网的路由选择。2.2.重点、难点重点、难点 重点：分组交换原理，路由选择方法，特别是自适重点：分组交换原理，路由选择方法，特别是自适 应路由选择策略。应路由选择策略。 难点：存储转发，寻址与路由问题。难点：存储转发，寻址与路由问题。3.3.说明说明 以分组交换原理为主线，适当介绍相关内容。以分组交换原理为

2、主线，适当介绍相关内容。1分组交换关于关于“分组交换分组交换” 现代交换技术基本上分为电路交换现代交换技术基本上分为电路交换和分组交换，这一章我们先先介绍采用和分组交换，这一章我们先先介绍采用分组交换技术的计算机网络及其体系结分组交换技术的计算机网络及其体系结构；然后讨论分组交换的基本原理及关构；然后讨论分组交换的基本原理及关键技术。键技术。 本章主要涉及传统的分组交换，而本章主要涉及传统的分组交换，而新型分组交换将在后续的章节中讨论。新型分组交换将在后续的章节中讨论。 2分组交换 分组交换分组交换( (Packet Switching) )也称为包交换，它也称为包交换，它是现代计算机网络的技

3、术基础。为了掌握分组交换是现代计算机网络的技术基础。为了掌握分组交换的功能、原理及其关键技术，必须首先对的功能、原理及其关键技术，必须首先对计算机网计算机网络络有一个概括的了解有一个概括的了解 。5.1 分组交换计算机网络概述分组交换计算机网络概述5.1.1 计算机网络的组成计算机网络的组成5.1.2 计算机网络的体系结构原理计算机网络的体系结构原理5.1.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型5.1.4 TCP/IP体系结构体系结构3本节的主要内容本节的主要内容分组交换5.1.1 计算机网络的组成计算机网络的组成 计算机为什么要连成网络？计算机为什么要连成网络？ 计算机连网的主要计算机

4、连网的主要目的目的是：（是：（1）实现资源共享，）实现资源共享，提高资源的利用率，这些资源包括计算资源、存储资提高资源的利用率，这些资源包括计算资源、存储资源和通信资源等；（源和通信资源等；（2）实现负荷分担，加强计算机）实现负荷分担，加强计算机之间的互助合作；（之间的互助合作；（3）构成分布式处理系统，提高）构成分布式处理系统，提高处理能力和可靠性。处理能力和可靠性。计算机网络的定义：计算机网络的定义： 通过通信网络互连、按统一通过通信网络互连、按统一协议（规则）工作的多台计算机的集合。协议（规则）工作的多台计算机的集合。4分组交换 传统的计算机网络由两大部分组成，它们是：传统的计算机网络由

5、两大部分组成，它们是：通信子网（骨干网）通信子网（骨干网）和和用户（资源）子网用户（资源）子网。计算机网络的基本组成计算机网络的基本组成5计算机网络计算机网络通信子网通信子网(信息传送信息传送)用户子网用户子网(信息处理信息处理)链路链路 L（用户线和中继线）（用户线和中继线）结点结点 N（端结点和转移结点）（端结点和转移结点）主机主机 H数据集中器数据集中器 C局域网局域网 LAN实际传送信息实际传送信息的通信子网有的通信子网有多个多个分组交换5.1.2 计算机网络的体系结构原理计算机网络的体系结构原理 网络协议或规约网络协议或规约 计算机网络的各计算机之间要交计算机网络的各计算机之间要交流

6、信息，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规流信息，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关事件发生则明确规定了所交换的数据的格式以及有关事件发生的时序。对不同系统的实体之间的信息交流进行控制的时序。对不同系统的实体之间的信息交流进行控制的一组规则或约定，称为的一组规则或约定，称为网络协议或规约。网络协议或规约。 网络协议主要由以下三个要素组成：网络协议主要由以下三个要素组成：(1) 语法语法，即数据和控制信息的格式和编码；，即数据和控制信息的格式和编码；(2) 语义语义，即各种控制信息的含义及相应的控制操作；，即各种控制信息的含义及相应的控制操作；(3)

7、同步同步，即速率适配、事件出现顺序的控制等。，即速率适配、事件出现顺序的控制等。6分组交换 假如两台计算机之间要通过一个通信网络传送文假如两台计算机之间要通过一个通信网络传送文件，如何实现？件，如何实现？ 对于非常复杂的网络协议，经验表明最好采用分对于非常复杂的网络协议，经验表明最好采用分层（模块）结构，如下图所示。层（模块）结构，如下图所示。7网络层次划分网络层次划分采用分层的好处：采用分层的好处： (1) 各层之间是相各层之间是相对独立的。对独立的。 (2) 灵活性好。灵活性好。 (3) 结构上可分割结构上可分割开。开。 (4) 易于实现和维护。易于实现和维护。 (5) 能促进标准化工作。

8、能促进标准化工作。分组交换 可以将通过网络传送文件的工作分为三类：可以将通过网络传送文件的工作分为三类： 第一类工作与传送文件直接相关，例如确第一类工作与传送文件直接相关，例如确信对方做好接受准备，文件格式转换等。信对方做好接受准备，文件格式转换等。两个模块之间的虚线表示两个计算机系统两个模块之间的虚线表示两个计算机系统文件交换的一些命令等文件交换的一些命令等 第二类工作设立一个通信模块，用来保证第二类工作设立一个通信模块，用来保证文件和文件传送命令能可靠地在两端系统文件和文件传送命令能可靠地在两端系统之间交换。而且它还可以为别的比如邮件之间交换。而且它还可以为别的比如邮件提供可靠通信服务。提

9、供可靠通信服务。 第三类工作是网络接入，负责做网络接口第三类工作是网络接入，负责做网络接口细节为上层提供服务。细节为上层提供服务。分组交换 我们将网络的各层及其协议的集合，称为网我们将网络的各层及其协议的集合，称为网络的络的体系结构体系结构（Architecture）。）。 计算机网络的体系结构就是这个计算机网络计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件应完成的功能的精确定义。及其部件应完成的功能的精确定义。 需要强调的是，这些功能究竟是用何种硬件需要强调的是，这些功能究竟是用何种硬件或软件完成，则是一个遵循这种体系结构的实现或软件完成，则是一个遵循这种体系结构的实现（implementa

10、tion）的问题。）的问题。 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。真正在运行的计算机硬件和软件。9计算机网络体系结构计算机网络体系结构分组交换一、分层一、分层 分层就是将一个复杂的系统功能划分为若干相对分层就是将一个复杂的系统功能划分为若干相对独立的子功能；每层完成一个子功能；下层为上层服独立的子功能；每层完成一个子功能；下层为上层服务，上层是下层的用户。务，上层是下层的用户。应用层应用层运输层运输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层10 根据计算机网络，特别是互联网根据计算机网络，特别是互联网( Internet

11、 ) 的建设、发展和运行的经的建设、发展和运行的经验，将复杂的计算机网络的功能分为验，将复杂的计算机网络的功能分为如右图所示的五层是比较适当的。这如右图所示的五层是比较适当的。这五层分别是：应用层、运输层、网络五层分别是：应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。层、数据链路层和物理层。 分组交换 物理层的物理层的任务任务就是利用物理信道就是利用物理信道“透明透明”地传输比地传输比特流。在物理层上所传数据的基本单位是特流。在物理层上所传数据的基本单位是比特比特。传输信。传输信息利用的物理信道是以双绞线、同轴电缆、光纤、微波息利用的物理信道是以双绞线、同轴电缆、光纤、微波无线电等传输媒质为基础

12、的信号通路。无线电等传输媒质为基础的信号通路。 “透明地传输比特流透明地传输比特流”表示经实际信道可以传输任意的比表示经实际信道可以传输任意的比特组合。特组合。实际信道对传输的信号是有损伤的，其中最主要的损伤实际信道对传输的信号是有损伤的，其中最主要的损伤是信号波形发生畸变和加入了噪声，从而使传输比特发生差错。是信号波形发生畸变和加入了噪声，从而使传输比特发生差错。物理层就是要尽可能地减小这些损伤，达到物理层就是要尽可能地减小这些损伤，达到“透明透明”传输。传输。 物理层要规定与物理层要规定与信道（传输媒质）的接口信道（传输媒质）的接口，包括接，包括接口的电气特性、机械特性、功能特性和工作时序

13、。口的电气特性、机械特性、功能特性和工作时序。 11 (1) 物理层物理层 (Physical Layer)分组交换 数据链路层的数据链路层的基本任务基本任务是在两个相邻结点之间的是在两个相邻结点之间的链路上实现以链路上实现以帧帧(Frame)为单位的为单位的“无误无误”数据传输。数据传输。 帧有两种类型：数据帧和控制帧。数据帧包含数帧有两种类型：数据帧和控制帧。数据帧包含数据和必要的控制信息；控制帧主要包含控制信息，但据和必要的控制信息；控制帧主要包含控制信息，但也可搭载少量数据信息。在每一帧所包括的控制信息也可搭载少量数据信息。在每一帧所包括的控制信息中，有用于帧同步、寻址、差错控制以及流

14、量控制等中，有用于帧同步、寻址、差错控制以及流量控制等的信息。的信息。 数据链路层的具体功能包括数据链路层的具体功能包括链路连接控制、差错链路连接控制、差错控制控制(ARQ)和流量控制和流量控制(收发速率适配收发速率适配)等。链路层可为等。链路层可为上一层提供两种服务方式，面向连接方式和无连接方上一层提供两种服务方式，面向连接方式和无连接方式。链路连接控制只在有连接方式下采用。式。链路连接控制只在有连接方式下采用。12(2) 数据链路层数据链路层 (Data Link Layer)分组交换 网络层的网络层的基本任务基本任务是将数据从源是将数据从源(结结)点传送到目的点传送到目的 (结结)点。在

15、源点与目的点点。在源点与目的点(或称终点或称终点)之间可能要经过许之间可能要经过许多个结点和链路，还可能要经过好几个不同的子网。多个结点和链路，还可能要经过好几个不同的子网。 网络层数据传送的基本单位是网络层数据传送的基本单位是分组分组(Packet)，又称，又称为包。因此，网络层的主要功能就是实现分组交换，即为包。因此，网络层的主要功能就是实现分组交换，即根据分组首部所提供的寻址信息，选择合适的根据分组首部所提供的寻址信息，选择合适的路由路由，使，使数据分组经过沿途结点的转发准确无误地到达终点。数据分组经过沿途结点的转发准确无误地到达终点。 网络层为它的上一层提供网络层为它的上一层提供面向连

16、接面向连接的服务或的服务或无连接无连接的的服务。服务。13(3) 网络层网络层 (Network Layer)分组交换 运输层的运输层的基本任务基本任务是实现主机进程与主机进程之是实现主机进程与主机进程之间的信息传送。在运输层，信息的传送单位是间的信息传送。在运输层，信息的传送单位是报文报文(Message)。当报文较长时，先要把它分割成若干段，。当报文较长时，先要把它分割成若干段，然后再交给下一层（网络层）进行传送。然后再交给下一层（网络层）进行传送。 运输层根据通信子网的特性最佳地利用网络资源，运输层根据通信子网的特性最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式，透明地传送报文。并以可靠和经济

17、的方式，透明地传送报文。 运输层根据应用层的需要向上一层提供运输层根据应用层的需要向上一层提供面向连接面向连接的的可靠数据传送服务或可靠数据传送服务或无连接无连接非可靠的数据传送服务。非可靠的数据传送服务。 为了实现可靠传送，运输层要完成端到端的连接控为了实现可靠传送，运输层要完成端到端的连接控制、差错控制、流量控制和拥塞控制等功能。制、差错控制、流量控制和拥塞控制等功能。14(4) 运输层运输层 (Transport Layer)分组交换 应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要。应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远要。应用层不仅要提供应

18、用进程所需要的信息交换和远程操作，而且还要作为互相作用的应用进程的用户代理程操作，而且还要作为互相作用的应用进程的用户代理(User Agent)，来完成一些为进行语义上有意义的信息，来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必须的功能。交换所必须的功能。 典型的应用层协议典型的应用层协议有支持文件传送的有支持文件传送的FTP协议、支协议、支持电子邮件的持电子邮件的SMTP协议、支持万维网协议、支持万维网(WWW)的的HTTP协议。协议。 15(5) 应用层应用层 (Application Layer) 在网络体系结构中，应用层和运输层合称为在网络体系结构中，应用层和运输层合称为高高层层；网络层

19、、数据链路层和物理层合称为；网络层、数据链路层和物理层合称为低层低层。主机。主机或端系统要完成所有各层的功能；而通信子网的各个或端系统要完成所有各层的功能；而通信子网的各个结点和子网之间的路由器中只需完成低层功能。结点和子网之间的路由器中只需完成低层功能。分组交换计 算 机 1AP4321AP254321物理传输媒质计 算 机 2应 用 程 序 数 据H5H4H3H22T数据部分数据部分数据部分数据部分1010011 比特流 010111010首 部尾 部5116数据在各层之间的传递过程数据在各层之间的传递过程 假定两个主机是直接相连的，计算机假定两个主机是直接相连的，计算机1的应用进程的应用

20、进程AP1向计算机向计算机2的应用进程的应用进程AP2传送传送数据。数据。 协议数据单元协议数据单元 PDU（Protocol Data Unit）分组交换当计算机当计算机2接收到一串比特流的时候，接收到一串比特流的时候，就从第就从第1层开始往上传，每一层都层开始往上传，每一层都会根据头部控制信息作些必要的操会根据头部控制信息作些必要的操作，再往上传一层就剥离该层的作，再往上传一层就剥离该层的PDU控制信息。最后把应用信息进控制信息。最后把应用信息进程程AP1的数据交给目的主机的应用的数据交给目的主机的应用进程进程AP2。分组交换假定计算机假定计算机1的应用进程的应用进程AP1向计算机向计算机

21、2的的应用进程应用进程AP2传送数据。传送数据。AP1先将数据交先将数据交给第给第5层，第层，第5层加上必要的控制信息层加上必要的控制信息H5变成这一层的协议数据单元变成这一层的协议数据单元PDU,交给下交给下一层，第一层，第4层收到这个单元后也加上本层层收到这个单元后也加上本层的控制信息的控制信息H4形成本层的形成本层的PDU，再交给，再交给第第3层，依次类推，到了第层，依次类推，到了第2层层(数据链路数据链路层层)控制信息分成两部分，加在首部控制信息分成两部分，加在首部H2和和尾部尾部T2。最后通过物理信道以比特流的。最后通过物理信道以比特流的形式传输到对方。形式传输到对方。分组交换 一个

22、应用进程发送的数据要经过复杂处理过程才一个应用进程发送的数据要经过复杂处理过程才能送到对方的应用进程，但对用户来说，这些复杂过能送到对方的应用进程，但对用户来说，这些复杂过程都被以下各层屏蔽掉了，以致应用进程程都被以下各层屏蔽掉了，以致应用进程 AP1觉得好觉得好像是直接把数据交给了应用进程像是直接把数据交给了应用进程 AP2。同理，任何两。同理，任何两个同样的层次（图中的水平虚线所示）之间，也好像个同样的层次（图中的水平虚线所示）之间，也好像将数据通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的将数据通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层对等层”（Peer Layers）之间的通信。）之间

23、的通信。 所谓各层协议，实际上就是在各个对等层之间传所谓各层协议，实际上就是在各个对等层之间传递数据的各项规则。递数据的各项规则。 在文献中常见术语在文献中常见术语“协议栈协议栈” (Protocol Stack)，这是因为几个层次画在一起很像一个堆栈。这是因为几个层次画在一起很像一个堆栈。19“对等层对等层”与与“协议栈协议栈”的概的概念念分组交换二、实体、协议、服务、以及二、实体、协议、服务、以及服务接入点服务接入点 实体实体 (Entity) 表示信息的任何发送者或接收者表示信息的任何发送者或接收者(可发可发送或接收信息的硬件或软件进程送或接收信息的硬件或软件进程)。在许多情况下，实体。

24、在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。就是一个特定的软件模块。 协议协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。协议的语法方面的规则定义了所交换的信息的格式，而协议的语法方面的规则定义了所交换的信息的格式，而协议的语义方面的规则定义了发送者或接收者所要完成协议的语义方面的规则定义了发送者或接收者所要完成的操作的操作,比如何种情况下数据必须重传或丢弃。比如何种情况下数据必须重传或丢弃。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供能够向上一层提供服务服务。而要实现本层协议，还需要使。而要实现本

25、层协议，还需要使用下一层所提供的服务。用下一层所提供的服务。20分组交换 首先，协议的实现保证了能够向上一层提供服首先，协议的实现保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。 其次，协议是其次，协议是“水平的水平的”，即协议是控制对等，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是实体之间通信的规则。但服务是“垂直的垂直的”，即服，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。还应注意务是由下层向上层通过层间接口提供的。还应注意，并非在一个层内完成

26、的全部功能都称为服务。只，并非在一个层内完成的全部功能都称为服务。只有那些能够被高一层看得见的功能才能称之为有那些能够被高一层看得见的功能才能称之为“服服务务”。 上层使用下层所提供的服务必须通过层间交换上层使用下层所提供的服务必须通过层间交换的命令来实现，这些命令称为的命令来实现，这些命令称为服务原语服务原语。21“协议协议”与与“服务服务”在概念上的区在概念上的区别别分组交换22SAP 和和 SDU 在同一系统中相邻两层的实体进行交互在同一系统中相邻两层的实体进行交互(交换信息交换信息)的地方，通常称为的地方，通常称为服务接入点服务接入点 SAP。SAP是一个抽象的是一个抽象的概念，它实际

27、上就是一个逻辑接口，不同于通常所说的概念，它实际上就是一个逻辑接口，不同于通常所说的硬件设备之间的并行接口或串行接口。硬件设备之间的并行接口或串行接口。 层与层之间交换的数据单元，称为层与层之间交换的数据单元，称为服务数据单元服务数据单元SDU，多个，多个SDU可以合成为一个可以合成为一个PDU，一个，一个SDU也可以也可以分为几个分为几个PDU。任何相邻两层之间的关系如下图所示。任何相邻两层之间的关系如下图所示。这里需要注意，某一层向上一层所提供的服务已包括了这里需要注意，某一层向上一层所提供的服务已包括了服务提供者服务提供者服务用户服务用户服务用户服务用户交换交换原语原语SAPSAP协议协

28、议它以下各层所提供的服它以下各层所提供的服务。所有这些对上一层务。所有这些对上一层 (服务用户服务用户) 来说就相当来说就相当于一个服务提供者。于一个服务提供者。分组交换5.1.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 国际标准化组织（国际标准化组织（ISO, International Standard Organization）制定的开放系统互连（）制定的开放系统互连（OSI, Open System Interconnection）参考模型采用）参考模型采用7个层次的网络个层次的网络体系结构，也就是将前面所讲的原理性体系结构中的体系结构，也就是将前面所讲的原理性体系结构中的应用层再划

29、分为应用层再划分为3个层次，其余个层次，其余4层保持不变。这层保持不变。这3个层个层次从上到下的名称是：应用层、表示层和会话层。次从上到下的名称是：应用层、表示层和会话层。23（1）会话层会话层（Session Layer） 会话层为应用实体间的会话提供控制机理，包括会会话层为应用实体间的会话提供控制机理，包括会话连接控制及通信双方的同步。话连接控制及通信双方的同步。分组交换会话层提供的一种服务是：会话管理，会话层提供的一种服务是：会话管理，允许会话双方进行全双工或分时半双工。允许会话双方进行全双工或分时半双工。在分时半双工通信的情况下，会话层负在分时半双工通信的情况下，会话层负责双方的同步，

30、保证双方不同时发送数责双方的同步，保证双方不同时发送数据，实时控制双方收发转换。据，实时控制双方收发转换。这可以通过双方交换令牌这可以通过双方交换令牌(Token)来实现，来实现，令牌是发送权的标记，只有持有令牌的令牌是发送权的标记，只有持有令牌的一方才有权发送数据。一方才有权发送数据。分组交换表示层和应用层表示层和应用层 表示层负责应用层实体传送数据的格式转换，实表示层负责应用层实体传送数据的格式转换，实现数据编码现数据编码/解码、数据压缩解码、数据压缩/解压、数据加密解压、数据加密/解密等解密等功能。为了使用采用不同数据表示法的计算机之间能功能。为了使用采用不同数据表示法的计算机之间能进行

31、通信，使用的数据结构可以抽象的方式来定义，进行通信，使用的数据结构可以抽象的方式来定义，并使用标准的编码方式，表示层管理这些抽象数据结并使用标准的编码方式，表示层管理这些抽象数据结构，并在计算机内部完成原始表示法和网络表示法之构，并在计算机内部完成原始表示法和网络表示法之间的转换。间的转换。25（2）表示层表示层（Presentation Layer）分组交换 应用层负责为用户提供接入应用层负责为用户提供接入OSI环境的方法，支环境的方法，支持各种应用，如网络虚拟终端、文件传送、电子邮持各种应用，如网络虚拟终端、文件传送、电子邮件、多媒体、件、多媒体、WWW等。等。 OSI的的7层体系结构中，

32、下面的四层，即物理层层体系结构中，下面的四层，即物理层，数据链路层，网络层，传输层与前面介绍的完全，数据链路层，网络层，传输层与前面介绍的完全相同。相同。 其实分层，实体，对等层协议，协议数据单元其实分层，实体，对等层协议，协议数据单元，服务，原语等概念都是来自，服务，原语等概念都是来自OSI参考模型。参考模型。（3）应用层应用层（Application Layer）分组交换5.1.4 TCP/IP体系结构体系结构 互联网互联网(Internet)使用的使用的TCP/IP体系在计算机网络领体系在计算机网络领域占有重要地位。在域占有重要地位。在Internet的各种协议中，最重要的是的各种协议中

33、，最重要的是传输控制协议传输控制协议TCP和网际协议和网际协议IP，而，而TCP/IP往往是表示往往是表示Internet所使用的所使用的体系结构体系结构或整个或整个TCP/IP协议族协议族。27 TCP/IP体系共有体系共有4个个层次，从上到下分别是应层次，从上到下分别是应用层、运输层、网际层和用层、运输层、网际层和网络接口层。网络接口层。 TCP/IP与与OSI体系结构的对比如右体系结构的对比如右图所示。图所示。分组交换应用层应用层 这层中有许多著名协议，如远程登录协议这层中有许多著名协议，如远程登录协议TELNET、文、文件传送协议件传送协议FTP、简单邮件传送协议、简单邮件传送协议SM

34、TP等。等。 运输层运输层 这层可使用两种不同的协议，这层可使用两种不同的协议， 一种是面向连接的传输控一种是面向连接的传输控制协议制协议TCP。另一种是无连接的用户数据报协议。另一种是无连接的用户数据报协议UDP。 运输层运输层的协议数据单元是报文（段）或数据流。的协议数据单元是报文（段）或数据流。网际层网际层 主要协议是无连接的网际协议主要协议是无连接的网际协议IP。网际层的协议数据单。网际层的协议数据单元是元是IP数据报或数据报或IP分组。与网际协议分组。与网际协议IP配合使用的还有三个协配合使用的还有三个协议，这就是议，这就是Internet控制报文协议控制报文协议ICMP、地址解析协

35、议、地址解析协议 ARP和和逆地址解析协议逆地址解析协议RARP。网络接口层网络接口层 由于由于TCP/IP在设计时考虑到要与具体的物理网络无在设计时考虑到要与具体的物理网络无关，因此在关，因此在TCP/IP的标准中并没有对数据链路层和物理层做出的标准中并没有对数据链路层和物理层做出规定，规定，TCP/IP体系中只是指出主机必须使用某种协议接入网络体系中只是指出主机必须使用某种协议接入网络，以便能在其上传递，以便能在其上传递IP分组。分组。 28TCP/IP 体系各层协议概述体系各层协议概述分组交换TCP/IP 与与 OSI 的比较的比较 (1) TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连问题

36、，一开始就考虑到多种异构网的互连问题，并将网际协议并将网际协议IP作为作为TCP/IP的重要组成部分。但的重要组成部分。但ISO和和CCITT最初只考虑到使用一种标准的公用数据网将各最初只考虑到使用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连在一起。种不同的系统互连在一起。ISO认识到了网际协议认识到了网际协议IP的的重要性后，只好在网络层中划分出一个子层来完成类似重要性后，只好在网络层中划分出一个子层来完成类似TCP/IP中中IP的作用。的作用。 (2) TCP/IP一开始就确定面向连接服务和无连接服务一开始就确定面向连接服务和无连接服务并重，而并重，而OSI在开始时只强调面向连接服务。一直到很

37、在开始时只强调面向连接服务。一直到很晚晚OSI才开始制定无连接服务的有关标准。才开始制定无连接服务的有关标准。 (3) TCP/IP较早就有较好的网络管理功能，而较早就有较好的网络管理功能，而OSI到到后来才开始考虑这个问题。后来才开始考虑这个问题。29分组交换TCP/IP 的不足之处的不足之处 TCP/IP的模型对的模型对“服务服务”、“协议协议”和和“接口接口”等概念并没有很清楚地区分开。因此在使用一些等概念并没有很清楚地区分开。因此在使用一些新技术来设计新的网络时，采用这种模型就可能会新技术来设计新的网络时，采用这种模型就可能会遇到一些麻烦。遇到一些麻烦。 TCP/IP模型的通用性较差，

38、很难用它来描述其模型的通用性较差，很难用它来描述其他种类的协议栈。他种类的协议栈。 TCP/IP的网络接口层严格来说并不是一个层次的网络接口层严格来说并不是一个层次而仅仅是一个接口，而在网络层下面的数据链路层而仅仅是一个接口，而在网络层下面的数据链路层和物理层则根本没有。但实际上这两个层次还是很和物理层则根本没有。但实际上这两个层次还是很重要的。重要的。30分组交换 通信子网的任务是将数据信息从源点传送到目的点，通信子网的任务是将数据信息从源点传送到目的点，之间要经过很多链路和中继节点，链路的功能是传输，中之间要经过很多链路和中继节点，链路的功能是传输，中继节点功能是交换，交换分为继节点功能是

39、交换，交换分为电路交换电路交换( (CS) )和和分组交换分组交换( (PS) )。 这两种交换的机制存在本质的区别。理论与实际这两种交换的机制存在本质的区别。理论与实际均已表明，按照电话业务的特征设计的电路交换不适合于均已表明，按照电话业务的特征设计的电路交换不适合于计算机数据通信，而分组交换则是根据数据业务的特征设计算机数据通信，而分组交换则是根据数据业务的特征设计的交换技术。计的交换技术。5.2 分组交换原理分组交换原理 5.2.1 电路交换技术不适合计算机数据通信电路交换技术不适合计算机数据通信 5.2.2 异步时分复用异步时分复用 5.2.3 分组存储转发分组存储转发 5.2.4 分

40、组交换方式（数据报和虚电路）分组交换方式（数据报和虚电路） 31本节的主要内容本节的主要内容分组交换325.2.1 电路交换技术不适合电路交换技术不适合 计算机数据通信计算机数据通信 电路交换是根据用户的呼叫请求，由网络预先给用电路交换是根据用户的呼叫请求，由网络预先给用户分配传输带宽。用户呼叫成功，主叫端到被叫端则建户分配传输带宽。用户呼叫成功，主叫端到被叫端则建立了一条物理通路，在通话的全部时间内用户始终占用立了一条物理通路，在通话的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输带宽。端到端的固定传输带宽。 利用电路交换可以实现计算机之间的数据通信，计利用电路交换可以实现计算机之间的数据通信，计算

41、机代替电话终端，需要设置一个网络接口设备，即调算机代替电话终端，需要设置一个网络接口设备，即调制解调器，优点是通路建立后，端到端的传输延时极少，制解调器，优点是通路建立后，端到端的传输延时极少，适合承载对时延要严格要求的数据业务，但计算机数据适合承载对时延要严格要求的数据业务，但计算机数据通常是随机而通常是随机而突发突发地出现的通信线路利用不到地出现的通信线路利用不到10%，因，因此电路交换所建立的物理通路用来传送数据的此电路交换所建立的物理通路用来传送数据的效率效率很低。很低。分组交换另外，由于计算机和各种终端的传送另外，由于计算机和各种终端的传送速率速率不一样，采用电路交换不同类型，不同规

42、不一样，采用电路交换不同类型，不同规格，不同速率的终端很难相互通信，而电格，不同速率的终端很难相互通信，而电路交换所分配的带宽是固定的或量化的，路交换所分配的带宽是固定的或量化的，因此缺乏因此缺乏灵活性，灵活性，而且电路交换通话双方而且电路交换通话双方建立的通路中的任何一个点出了故障就必建立的通路中的任何一个点出了故障就必须重新拨号建立链接。须重新拨号建立链接。 由此可见，必须寻找出新的适合于计由此可见，必须寻找出新的适合于计算机通信的交换技术，这就要求改变传统算机通信的交换技术，这就要求改变传统的交换方式。的交换方式。 分组交换345.2.2 异步时分复用异步时分复用 现代的电路交换是建立在

43、同步时分复用技术基础上现代的电路交换是建立在同步时分复用技术基础上的数字交换，又称为同步时分交换，它是通过时隙在的数字交换，又称为同步时分交换，它是通过时隙在TDM帧内的位置来区分不同的信息通路帧内的位置来区分不同的信息通路( (话路话路) )的。的。 异步时分复用异步时分复用又称为又称为统计时分复用，它也分时统计时分复用，它也分时隙，但它是通过时隙的标隙，但它是通过时隙的标头信息来区分不同的信息头信息来区分不同的信息通路。异步时分复用与同通路。异步时分复用与同步时分复用的比较如图所步时分复用的比较如图所示。异步时分复用又称为示。异步时分复用又称为分组复用，它能充分利用分组复用，它能充分利用空

44、闲时隙来传送数据。空闲时隙来传送数据。分组交换同步时分复用通过时隙在同步时分复用通过时隙在TDM帧内的位置来区分不同帧内的位置来区分不同的信息通路，在一个端到端的电路链接建立以后沿途的信息通路，在一个端到端的电路链接建立以后沿途链路的时隙占用关系就完全确定了，并且一直保持直链路的时隙占用关系就完全确定了，并且一直保持直到链接释放，因此在一条链路持续时间内不管用户是到链接释放，因此在一条链路持续时间内不管用户是否发送信息都要占用时隙占用信道资源。否发送信息都要占用时隙占用信道资源。图图5-9假定有假定有4个数据用户个数据用户ABCD复用一条链路来传输，复用一条链路来传输，在第一个时隙在第一个时隙

45、AB有数据发送，有数据发送，CD无数据发送，在第无数据发送，在第二个时隙二个时隙BC有数据而有数据而AD无数据。如果采用同步时分无数据。如果采用同步时分复用，每一帧都有复用，每一帧都有4个时隙第一到第四个时隙分别分个时隙第一到第四个时隙分别分配给配给ABCD当某个数据源无数据发送相应的时隙就空当某个数据源无数据发送相应的时隙就空闲，不能被其他用户使用，但是如果采用异步时分复闲，不能被其他用户使用，但是如果采用异步时分复用用时隙标题区分各路数据。可以充分利用空闲时隙用用时隙标题区分各路数据。可以充分利用空闲时隙传输数据。传输数据。分组交换 异步时分复用虽然也分时隙，但是不通过异步时分复用虽然也分

46、时隙，但是不通过时隙位置，而是通过时隙的标头信息来区分不时隙位置，而是通过时隙的标头信息来区分不同的信息通路，用户若没有信息发送，则不占同的信息通路，用户若没有信息发送，则不占用时隙，信道的利用率得以提高。代价是标头用时隙，信道的利用率得以提高。代价是标头的开销，标头一般若干个字节，为了减小开销，的开销，标头一般若干个字节，为了减小开销，时隙长度需增加，是一个包含许多字节的分组，时隙长度需增加，是一个包含许多字节的分组，异步时分复用又叫分组复用。异步时分复用又叫分组复用。 异步时分复用是分组交换的技术基础。异步时分复用是分组交换的技术基础。 有了时隙标头之后，时隙有了时隙标头之后，时隙(分组分

47、组)既可以定既可以定长也可以变长。长也可以变长。分组交换375.2.3 分组存储转发分组存储转发 分组交换是一种存储转发式的交换方式，其存储转分组交换是一种存储转发式的交换方式，其存储转发的基本数据单元是报文的发的基本数据单元是报文的分组分组（Packet）。）。 在电信网中，电报通信用的是存储转发式，存储转在电信网中，电报通信用的是存储转发式，存储转发的基本单位是电报的数据报文，称为报文交换。发的基本单位是电报的数据报文，称为报文交换。 分组交换是报文交换的继承和发展。分组交换继承分组交换是报文交换的继承和发展。分组交换继承了存储转发这一交换机制，但存储转发的基本数据单元了存储转发这一交换机

48、制，但存储转发的基本数据单元是分组（又称为包）。报文一般较长，分组通常是报文是分组（又称为包）。报文一般较长，分组通常是报文的一段。分组与报文的关系如下图所示。的一段。分组与报文的关系如下图所示。 分组交换存储转发的原理存储转发的原理 邮件的传递过程就是发端局（中转局）把一定邮件的传递过程就是发端局（中转局）把一定时间里收到的信件存起来，进行分拣，然后进行转时间里收到的信件存起来，进行分拣，然后进行转发，信件的传递过程就是一个典型的存储转发过程。发，信件的传递过程就是一个典型的存储转发过程。 分组交换里面的每个分组由首部和数据两部分分组交换里面的每个分组由首部和数据两部分组成，分组的首部包含比

49、如目的地和源地址等重要组成，分组的首部包含比如目的地和源地址等重要的控制信息，网络节点，只需处理首部即可获知将的控制信息，网络节点，只需处理首部即可获知将分组发往何处。分组发往何处。分组交换39 采用分组交换技术的通信网或通信子网称为采用分组交换技术的通信网或通信子网称为分组交分组交换网换网(如下图如下图)。分组交换网由交换结点和链路组成，链。分组交换网由交换结点和链路组成，链路的传输采用分组复用，而结点的交换采用分组交换路的传输采用分组复用，而结点的交换采用分组交换。分组交换网分组交换网分组交换40 结点交换机处理分组的过程是：将收到的分组先结点交换机处理分组的过程是：将收到的分组先放入缓冲

50、区，再查找放入缓冲区，再查找路由表路由表，然后确定将该分组交给，然后确定将该分组交给某个端口转发出去。一个分组交换网可以容许很多主某个端口转发出去。一个分组交换网可以容许很多主机同时进行通信，而一个主机中的多个进程也可以各机同时进行通信，而一个主机中的多个进程也可以各自和不同主机中的不同进程进行通信。自和不同主机中的不同进程进行通信。 采用存储转发的分组交换，实质上是采用了在数采用存储转发的分组交换，实质上是采用了在数据通信的过程中断续据通信的过程中断续(或动态或动态)分配传输带宽的策略，这分配传输带宽的策略，这对传送突发式的计算机数据非常合适，使得通信线路对传送突发式的计算机数据非常合适，使

51、得通信线路的的利用率利用率大大提高。大大提高。 分组交换网常采用网状拓扑结构，当发生网络分组交换网常采用网状拓扑结构，当发生网络拥拥塞塞或少数结点、链路出现故障时，可灵活地改变路由或少数结点、链路出现故障时，可灵活地改变路由而不致引起通信的中断或全网的瘫痪。而不致引起通信的中断或全网的瘫痪。交换机处理分组的过程交换机处理分组的过程分组交换41分组交换的优点和存在的问题分组交换的优点和存在的问题 优点优点所采用的手段所采用的手段高效高效在分组传输中链路被统计复用，动态分配传输带宽在分组传输中链路被统计复用，动态分配传输带宽灵活灵活每个结点均有智能，可根据情况决定路由每个结点均有智能，可根据情况决

52、定路由迅速迅速以分组为单位，结点存储转发；网络使用高速链路以分组为单位，结点存储转发；网络使用高速链路可靠可靠采用完善的网络协议和分布式多路由的通信子网采用完善的网络协议和分布式多路由的通信子网 分组交换也带来一些新的分组交换也带来一些新的问题问题，分组在各结点存储，分组在各结点存储转发时，因为要排队等待，总会造成一定的时延。当网转发时，因为要排队等待，总会造成一定的时延。当网络通信量大时，这种时延也可能会很大。此外，各分组络通信量大时，这种时延也可能会很大。此外，各分组必须携带的控制信息也造成了一定的额外开销。整个分必须携带的控制信息也造成了一定的额外开销。整个分组交换网还需要专门的管理和控

53、制机制。组交换网还需要专门的管理和控制机制。 分组交换425.2.4 分组交换方式分组交换方式 数据报分组交换在传送数据之前，不需要预先建数据报分组交换在传送数据之前，不需要预先建立任何连接，而是直接按照每个分组首部中的目的地立任何连接，而是直接按照每个分组首部中的目的地址独立选择转发路径。址独立选择转发路径。优点优点 数据报方式路由灵活，便于绕过过于繁忙或发生数据报方式路由灵活，便于绕过过于繁忙或发生故障的结点或链路，并且比较适合于短报文的传送。故障的结点或链路，并且比较适合于短报文的传送。缺点缺点 数据报方式可能引起属于同一报文的各个分组的数据报方式可能引起属于同一报文的各个分组的乱序。因

54、此，属于同一报文的分组需要编排序号。此乱序。因此，属于同一报文的分组需要编排序号。此外，数据报提供的是一种外，数据报提供的是一种“尽力传送尽力传送”的服务。的服务。分组交换方式分组交换方式数据报数据报 ( DG )虚电路虚电路 ( VC )一、数据报一、数据报分组交换 数据报服务的特点是：主机只要想发送数据报服务的特点是：主机只要想发送数据随时可以发送，每个分组独立在网络数据随时可以发送，每个分组独立在网络内部流动，路由灵活，便于绕过过于繁忙或内部流动，路由灵活，便于绕过过于繁忙或发生故障的节点或链路，比较适合于短报文发生故障的节点或链路，比较适合于短报文传送，在传送多分组报文时由于各分组独立

55、传送，在传送多分组报文时由于各分组独立选路，先发送的分组不一定先到达目的地，选路，先发送的分组不一定先到达目的地，因此需要对属于同一报文的分组编排序号。因此需要对属于同一报文的分组编排序号。 当网络发生拥塞时，网络中的某个节点当网络发生拥塞时，网络中的某个节点可能将一些分组丢失，所以数据报提供的服可能将一些分组丢失，所以数据报提供的服务是不能保证服务质量，是一种务是不能保证服务质量，是一种“尽力传送尽力传送”服务。服务。分组交换44数据报方式示意图数据报方式示意图分组交换45 虚电路方式是在用户数据传送前，先要通过发送呼虚电路方式是在用户数据传送前，先要通过发送呼叫请求分组建立端到端之间的连接

56、通路。这种连接通路叫请求分组建立端到端之间的连接通路。这种连接通路称为虚通路或虚电路称为虚通路或虚电路( (VC)。 在虚电路方式下在虚电路方式下，属于同一呼叫的各个数据分组均，属于同一呼叫的各个数据分组均沿着同一虚电路流动沿着同一虚电路流动( (路由相同路由相同) )，分组的路由选择是以，分组的路由选择是以呼叫为单位的，而不是以单个分组为单位进行的。呼叫为单位的，而不是以单个分组为单位进行的。 由于虚电路所经过的各条物理链路是采用异步时分由于虚电路所经过的各条物理链路是采用异步时分复用方式传输分组的，故虚电路连接不同于电路交换中复用方式传输分组的，故虚电路连接不同于电路交换中的物理连接，而是

57、的物理连接，而是逻辑连接，逻辑连接，并不独占物理线路。并不独占物理线路。 在一条物理线路上可以同时存在多个虚电路，也就在一条物理线路上可以同时存在多个虚电路，也就是支持多个逻辑连接。虚电路实际使用的带宽取决于单是支持多个逻辑连接。虚电路实际使用的带宽取决于单位时间内传输的分组数，因而带宽的分配是位时间内传输的分组数，因而带宽的分配是动态动态的。的。二、虚电路二、虚电路分组交换46 主机要通信首先要发起一个虚呼叫主机要通信首先要发起一个虚呼叫VCVC即一个特定格即一个特定格式的式的“呼叫请求呼叫请求”控制分组到目的主机，要求建立连接控制分组到目的主机，要求建立连接，同时寻找合适的路由，目的主机同

58、意通信就发回一个，同时寻找合适的路由，目的主机同意通信就发回一个“呼叫接受呼叫接受”的响应分组，然后就可以传送数据分组，的响应分组，然后就可以传送数据分组，数据传送完毕后要释放该虚电路。数据传送完毕后要释放该虚电路。 需要注意的是采用了存储转发技术，虚电路的分组需要注意的是采用了存储转发技术，虚电路的分组交换只是断续的占用一段又一段的链路，并没有真正独交换只是断续的占用一段又一段的链路，并没有真正独占该物理电路，这一点跟电路交换里面在通话期间自始占该物理电路，这一点跟电路交换里面在通话期间自始至终占用一条端到端的物理信道是不同的。至终占用一条端到端的物理信道是不同的。分组交换47虚电路方式示意

59、图虚电路方式示意图分组交换48 虚电路的好处是所有发送的分组都按发送的前后虚电路的好处是所有发送的分组都按发送的前后顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着虚电路顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着虚电路传送到目的主机，分组不会因网络出现拥塞而丢失传送到目的主机，分组不会因网络出现拥塞而丢失(建建立虚电路连接时，在结点交换机中预留了缓冲区立虚电路连接时，在结点交换机中预留了缓冲区)，而，而且分组到达目的主机的顺序与发送时的顺序一致。此且分组到达目的主机的顺序与发送时的顺序一致。此外，还可以采取连接接纳控制等措施进行流量控制。外，还可以采取连接接纳控制等措施进行流量控制。因此虚电路对通信的服

60、务质量因此虚电路对通信的服务质量QoS有比较好的保证。有比较好的保证。 虚电路有两种建立方式：交换虚电路虚电路有两种建立方式：交换虚电路(SVC)和永久和永久虚电路虚电路(PVC)。通过用户发送呼叫请求分组建立的虚电。通过用户发送呼叫请求分组建立的虚电路称为路称为SVC。根据用户预约，由网络运营者为之建立。根据用户预约，由网络运营者为之建立的永久性虚电路，称之为的永久性虚电路，称之为PVC，不需建立连接直接传，不需建立连接直接传输。输。 采用虚电路方式的好处采用虚电路方式的好处分组交换49三、虚电路与数据报的比较三、虚电路与数据报的比较 (1) 分组分组首部首部 DG方式的分组方式的分组首部包