《现代交换》第5章分组交换和帧中继

1、第第5 5章章 分组交换与帧中继技术分组交换与帧中继技术 5.1 分组交换技术的产生分组交换技术的产生5.1.1 数据通信系统的构成数据通信系统的构成n在计算技术诞生后，人类信息交互中的文件、语音、图像、数据等消息都可用数据来表示、处理和传送。n数据通信是计算机和通信相结合的产物，数据通信系统就是用通信线路(设备)将远地的数据终端与主计算机连接起来进行信息处理的设备设施集合。数据通信系统的构成数据通信系统的构成 iMaciMac主计算机主计算机iMac用户1用户1用户2用户2用户N用户N交换网交换网图5.1 一个数据通信系统的例子数据数据I/OI/O设备设备传输传输控制控制器器数据终端设备数据

2、终端设备数据数据电路电路终接终接设备设备接口接口传输信道传输信道数据数据电路电路终接终接设备设备计算机系统计算机系统通信通信控制控制器器中央中央处理处理机机接口接口DCEDCEDCEDCE数据电路数据电路DTEDTE数据链路数据链路图5.2 数据通信系统构成数据通信系统的构成数据通信系统的构成n数据通信系统由数据终端设备(DTE)、数据电路和计算机系统组成。nDTE根据通信业务内容可分为分组型终端(PT)和非分组型终端(NPT)。nPT是执行X.25通信协议的计算机、传真机、智能用户电报终端、可视图文设备、局域网等。nNPT是执行非X.25协议终端的统称。n传输信道可有模拟、数字、专线或网络，

3、数据通信在开始前需通过呼叫建立连接，结束时释放连接。 分组交换分组交换PS(Packet Switching)技术的研究是从技术的研究是从20世世纪纪60年代开始的。年代开始的。 在计算机之间进行数据通信时，传统的电路交换技术在计算机之间进行数据通信时，传统的电路交换技术的缺点越来越明显：固定占用带宽，线路利用率低，通信的缺点越来越明显：固定占用带宽，线路利用率低，通信的终端双方必须以相同的数据率进行发送和接收等。所有的终端双方必须以相同的数据率进行发送和接收等。所有这些都表明电路交换不适合于进行数据通信。这些都表明电路交换不适合于进行数据通信。 因此，大约在因此，大约在20世纪世纪60年代末

4、、年代末、70年代初，人们开始年代初，人们开始研究一种新形式的、适合于进行远距离数据通信的技术研究一种新形式的、适合于进行远距离数据通信的技术分组交换。分组交换。5.1.2 分组交换技术的产生分组交换技术的产生 分组交换技术是一种存储分组交换技术是一种存储转发的交换技术，被广泛转发的交换技术，被广泛用于数据通信和计算机通信中。它结合了电路交换和早期用于数据通信和计算机通信中。它结合了电路交换和早期的存储的存储转发交换方式转发交换方式报文交换的特点，克服了电路报文交换的特点，克服了电路交换线路利用率低的缺点，同时又不像报文交换那样时延交换线路利用率低的缺点，同时又不像报文交换那样时延非常大。因此

5、，分组交换技术自从产生后便得到了迅速的非常大。因此，分组交换技术自从产生后便得到了迅速的发展。发展。分组交换技术的产生分组交换技术的产生 分组交换的基本思想是：把用户要传送的信息分成若分组交换的基本思想是：把用户要传送的信息分成若干个小的数据块，即分组干个小的数据块，即分组(packet)，这些分组长度较短，并，这些分组长度较短，并具有统一的格式，每个分组有一个分组头，包含用于控制具有统一的格式，每个分组有一个分组头，包含用于控制和选路的有关信息。这些分组以和选路的有关信息。这些分组以“存储存储-转发转发”的方式在网的方式在网内传输，即每个交换节点首先对收到的分组进行暂时存储，内传输，即每个交

6、换节点首先对收到的分组进行暂时存储，分析该分组头中有关选路的信息，进行路由选择，并在选分析该分组头中有关选路的信息，进行路由选择，并在选择的路由上进行排队，等到有空闲信道时转发给下一个交择的路由上进行排队，等到有空闲信道时转发给下一个交换节点或用户终端。换节点或用户终端。分组交换技术的概念分组交换技术的概念 显然，采用分组交换时，同一个报文的多个分组可以显然，采用分组交换时，同一个报文的多个分组可以同时传输，多个用户的信息也可以共享同一物理链路，因同时传输，多个用户的信息也可以共享同一物理链路，因此分组交换可以达到资源共享，并为用户提供可靠、有效此分组交换可以达到资源共享，并为用户提供可靠、有

7、效的数据服务。它克服了电路交换中独占线路、线路利用率的数据服务。它克服了电路交换中独占线路、线路利用率低的缺点。同时，由于分组的长度短，格式统一，便于交低的缺点。同时，由于分组的长度短，格式统一，便于交换机进行处理，因此它能比传统的换机进行处理，因此它能比传统的“报文交换报文交换”有较小的有较小的时延。时延。分组交换技术的概念分组交换技术的概念分组交换技术分组交换技术 NPTNPTC C报文报文分组拆装接口分组交换机甲分组交换机甲分组交换机乙分组交换机乙存储器存储器存储器存储器A-CA-CA A1C存储器存储器2 2C C分组拆装接口B B3D2D1D分组交换机丙分组交换机丙2 2C C1 1

8、D D2 2D D3 3D DC CD D2C2C1C1C1 1D D2 2D D3 3D D报报文文NPTNPTPTPTPTPT图5.3 分组交换的工作原理分组拆装接口5.2 分组交换技术分组交换技术5.2.1 资源分配资源分配 n1、预分配资源技术、预分配资源技术 预分配是根据用户要求预先把线路的传输容量的一部预分配是根据用户要求预先把线路的传输容量的一部分分配给它。分分配给它。 1）时分复用（）时分复用（TDM） 2）频分复用（）频分复用（FDM）5.2.1 资源分配资源分配 n2、动态分配资源技术、动态分配资源技术 根据用户实际需要分配线路资源的方法称为统计时分根据用户实际需要分配线路

9、资源的方法称为统计时分复用复用(STDM)。by21xa复用器ba21yx终端A终端B终端C空闲标记 在一条共享的物理线路上，实质上形成了逻辑上的多在一条共享的物理线路上，实质上形成了逻辑上的多条子信道，各个子信道用相应的号码表示。我们把这种形条子信道，各个子信道用相应的号码表示。我们把这种形式的子信道称为式的子信道称为逻辑信道逻辑信道，用逻辑信道号，用逻辑信道号LCN来标识。来标识。 逻辑信道号由逻辑信道群号及群内逻辑信道号组成，逻辑信道号由逻辑信道群号及群内逻辑信道号组成，二者统称为逻辑信道号二者统称为逻辑信道号LCN。 在统计复用器在统计复用器STDM中建立了终端号和逻辑信道号的中建立了

10、终端号和逻辑信道号的对照表，网络通过对照表，网络通过LCN就可以识别出是哪个终端发来的数就可以识别出是哪个终端发来的数据，如图所示。据，如图所示。逻辑信道逻辑信道(Logical Channel)逻辑信道的概念示意逻辑信道的概念示意终端终端1终端2终端n255254201255254201进程进程进程逻辑信道线路计算机逻辑信道逻辑信道(Logical Channel) 统计时分复用的优点是可以获得较高的信道利用率。由于统计时分复用的优点是可以获得较高的信道利用率。由于每个终端的数据使用一个自己独有的每个终端的数据使用一个自己独有的“标记标记”，可以把传送的，可以把传送的信道按照需要动态地分配给

11、每个终端用户，因此提高了传送信信道按照需要动态地分配给每个终端用户，因此提高了传送信道的利用率。道的利用率。 这样每个用户的传输速率可以大于平均速率，最高时可以这样每个用户的传输速率可以大于平均速率，最高时可以达到线路的总的传输能力。如线路总的速率为达到线路的总的传输能力。如线路总的速率为9.6 kb/s，3个用户个用户信息在该线路上进行统计时分复用时的平均速率为信息在该线路上进行统计时分复用时的平均速率为3.2 kb/s，而，而一个用户的传输速率最高时可以达到一个用户的传输速率最高时可以达到9.6 kb/s。 统计时分复用的优点统计时分复用的优点 统计时分复用的缺点是会产生附加的随机时延并且

12、有丢统计时分复用的缺点是会产生附加的随机时延并且有丢失数据的可能。这是由于用户传送数据的时间是随机的，若失数据的可能。这是由于用户传送数据的时间是随机的，若多个用户同时发送数据，则需要进行竞争排队，引起排队时多个用户同时发送数据，则需要进行竞争排队，引起排队时延；若排队的数据很多，引起缓冲器溢出，则会有部分数据延；若排队的数据很多，引起缓冲器溢出，则会有部分数据被丢失。被丢失。统计时分复用的缺点统计时分复用的缺点5.2.2 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，组成需要将该报文拆分成

13、若干段，并加上分组头，组成一个完整的分组（一个完整的分组（packet），如图所示。），如图所示。 分组的形成分组的形成 5.2.3 交换虚电路的建立和释放交换虚电路的建立和释放 虚电路可分为：虚电路可分为：永久虚电路永久虚电路(PVC)和和交换虚电路交换虚电路(SVC) 。 PVC是由运营商设置好的，不需要每次建立。是由运营商设置好的，不需要每次建立。 SVC要在每次通信时建立虚电路。因此，对于要在每次通信时建立虚电路。因此，对于SVC来说，来说，分组层的操作包括呼叫建立、数据传输、呼叫清除三个阶分组层的操作包括呼叫建立、数据传输、呼叫清除三个阶段；而对于段；而对于PVC来说，只有数据传输阶

14、段的操作，无呼叫来说，只有数据传输阶段的操作，无呼叫建立和清除过程。建立和清除过程。 正常的呼叫建立过程如图所示。当主叫正常的呼叫建立过程如图所示。当主叫DTE1想要建立想要建立虚呼叫时，它就在至交换机虚呼叫时，它就在至交换机A的线路上选择一个逻辑信道的线路上选择一个逻辑信道(图图中为中为253)，并发送呼叫请求分组。该，并发送呼叫请求分组。该“呼叫请求呼叫请求”分组中包分组中包含了可供分配的高端含了可供分配的高端LCN和被叫和被叫DTE地址。地址。 1、交换虚电路的建立、交换虚电路的建立呼叫建立过程DTE1 253入LCNB出20LCNCLCN / 20ABDA20入LCNC出78LCN表(

15、b)LCN / 253DTE1(主叫)DTE2(被叫)B78入LCNDTE2出10LCN表(a)表(c)呼叫请求分组LCN / 253建立LCN / 20建立LCN / 78入呼叫LCN /10呼叫接受LCN / 10接受LCN / 78接受LCN / 20呼叫连接LCN /253LCN / 78LCN / 10 在虚电路任何一端的在虚电路任何一端的DTE都能够清除呼叫。呼叫清除过程都能够清除呼叫。呼叫清除过程将导致与该呼叫有关的所有网络信息被清除，所有网络资源被将导致与该呼叫有关的所有网络信息被清除，所有网络资源被释放。释放。 虚电路释放的过程如图所示。主叫虚电路释放的过程如图所示。主叫DT

16、E1发送清除请求分发送清除请求分组给交换机组给交换机A，再通过网络到达交换机，再通过网络到达交换机C，交换机，交换机C发清除指示发清除指示分组给被叫分组给被叫DTE2，被叫，被叫DTE2用清除证实分组予以响应。该清用清除证实分组予以响应。该清除证实分组送到交换机除证实分组送到交换机C，再通过网络传到交换机，再通过网络传到交换机A，交换机，交换机A再发送清除证实到主叫再发送清除证实到主叫DTE1。完成清除协议之后，虚呼叫所。完成清除协议之后，虚呼叫所占用的所有逻辑信道都被释放。占用的所有逻辑信道都被释放。 3、 虚电路的释放虚电路的释放虚电路释放过程虚电路释放过程清除请求清除清除清除指示清除证实

17、证实证实清除证实DTE1(主叫)交换机A交换机B交换机CDTE2(被叫)X.25X.255.2.4 虚电路与逻辑信道的概念虚电路与逻辑信道的概念n虚电路和逻辑信道的联系和区别：虚电路和逻辑信道的联系和区别：（1）虚电路是在）虚电路是在DTE-DTE之间建立的虚连接，存在于端之间建立的虚连接，存在于端到端之间；逻辑信道是到端之间；逻辑信道是DTE-DCE接口或中继线上可分配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。逻辑信道。（2）逻辑信道是一直存在的，它分为占用和空闲两种状态；）逻辑信道是一直存在的，它分为占用和

18、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，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。通信结束后就被清除。 5.2.5 路由选择路由选择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。由选择功能。n路由选择

19、原则路由选择原则: :使报文通过网络的平均延迟时间较短使报文通过网络的平均延迟时间较短平衡网内业务量平衡网内业务量常见的路由选择算法常见的路由选择算法n自适应路由算法自适应路由算法：路由选择过程中所用：路由选择过程中所用的路由表要考虑网内当前业务量情况，的路由表要考虑网内当前业务量情况，线路畅通情况，并对网络结构发生变化线路畅通情况，并对网络结构发生变化时及时更新，以便在新情况下获得较好时及时更新，以便在新情况下获得较好路由，每隔一段时间要重新算一次。路由，每隔一段时间要重新算一次。n按工作方法来分，可分为分布式、集中按工作方法来分，可分为分布式、集中式和两者的混合式。式和两者的混合式。5.2

20、.6 流量控制流量控制为了实现不同速率的数据终端之间的通信，要控制速为了实现不同速率的数据终端之间的通信，要控制速率较高的终端进入分组网的流量，即控制进入虚电路率较高的终端进入分组网的流量，即控制进入虚电路的分组数。（控制终端到网络节点之间的流量）的分组数。（控制终端到网络节点之间的流量）从网络角度上，控制各虚电路与链路的流量，使全网从网络角度上，控制各虚电路与链路的流量，使全网的分组流量在设计范围内，防止拥塞现象发生。（通的分组流量在设计范围内，防止拥塞现象发生。（通信量超过交换机的存储器容量和通信线路的承受能力）信量超过交换机的存储器容量和通信线路的承受能力）1、流量控制的必要性、流量控制

21、的必要性2、流量控制的目的、流量控制的目的 n流量控制的目的是为了保证网内的数据流量的平滑均匀、流量控制的目的是为了保证网内的数据流量的平滑均匀、提高网的吞吐能力和可靠性、防止阻塞现象的发生。提高网的吞吐能力和可靠性、防止阻塞现象的发生。n一般可在下列几种级别上进行流量控制：一般可在下列几种级别上进行流量控制：n相邻节点之间点到点的流量控制。相邻节点之间点到点的流量控制。n用户终端和网络节点之间端到端的流量控制。用户终端和网络节点之间端到端的流量控制。n网络源节点和终点节点之间端到端的流量控制。网络源节点和终点节点之间端到端的流量控制。n源用户终端和终点用户终端之间端到端的流量控制。源用户终端

22、和终点用户终端之间端到端的流量控制。n源计算机进程和终点计算机进程之间的端到端的流量控制。源计算机进程和终点计算机进程之间的端到端的流量控制。5.3 分组交换协议分组交换协议X.25X.25协议协议X.25网络网络nX.25网络是第一个面向连接的网络，也是第一个公共数据网络，其数据分组包含3字节头部和128字节数据部分。它运行10年后，20世纪80年代被无错误控制、无流量控制、面向连接的新的叫做帧中继的网络所取代。90年代以后，出现了面向连接的ATM网络。分组层的主要功能分组层的主要功能n在在X.25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道；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（通

23、过逻辑信道群号（LCGN）和逻辑信道号（）和逻辑信道号（LCN）来区）来区分与每个用户呼叫有关的分组；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；号、分组的确认和流量控制过程；n提供交换虚电路（提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（）和永久虚电路（PVC）的连接；）的连接；n提供建立和清除交换虚电路连接的方法；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。监测和恢复分组层的差错。 5.4 帧帧 中中 继继 技技 术术在在X.25网络发展初期，网络传输设施基本上是借

24、用了网络发展初期，网络传输设施基本上是借用了模拟电话线路，这种线路分布容易受噪声的干扰而误码。模拟电话线路，这种线路分布容易受噪声的干扰而误码。为了确保传输无差错，为了确保传输无差错，X.25在每个节点处进行了严格的在每个节点处进行了严格的差错控制，占用了大量的时间。差错控制，占用了大量的时间。现在的数字光纤网的误码率非常低，可以简化现在的数字光纤网的误码率非常低，可以简化X.25的的差错控制过程，从而使分组在节点处的处理时间减少，差错控制过程，从而使分组在节点处的处理时间减少，提高网络的传输速度。提高网络的传输速度。帧中继采用面向连接的通信方式，将帧中继采用面向连接的通信方式，将X.25网络

25、的下三网络的下三层协议进行简化，差错控制、流量控制推到网络的边界，层协议进行简化，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。了轻载协议网络。5.4.1 帧中继的概述帧中继的概述5.4.1 帧中继的概述帧中继的概述n帧中继不考虑传输差错问题，其中节点只做帧的转发操作，不需要执行接收确认和请求重发等操作。n差错控制和流量控制均交由高层端系统完成。n大大缩短了节点的时延，提高了网内数据的传输速率。上层协议网络层链路层物理层上层协议网络层链路层物理层路由选择、虚电路复用数据成帧、差错/流量控制电气机

26、械特性、比特流传输/流量(a) X.25分组交换网分组交换网上层协议链路层物理层上层协议链路层物理层差错/流量控制数据成帧、路由选择电气机械特性、比特流传输/流量(b)帧中继网帧中继网分组网络和帧中继网络协议比较分组网络和帧中继网络协议比较分组交换网中信息的传输情况分组交换网中信息的传输情况源站中间站中间站目的站发送确认发送确认发送确认发送确认端到端确认信息发送确认发送确认 在每个节点处都要进行确认，没有收到确认消息的节点会重发信息。 目的节点收到消息还要向源节点发送确认信息，该信息经过网络的每个节点同样要确认，没有收到确认消息的源节点会重发信息。帧中继网中信息的传输情况帧中继网中信息的传输情

27、况源站中间站中间站目的站发送发送发送发送端到端确认信息发送发送 在每个节点处不用进行确认，只进行端到端确认。 网络内部不需要差错控制，所以可以去掉第三层协议（网络层）。第二、第三层的纠错、流量控制等留给智能终端去完成。 传输同样的信息量，帧中继网的载荷明显轻。 帧中继网的传输线必须是光纤。 在不使用帧中继时，要使任何一个局域网可以通过广域网和任何一个其他的局域网进行有效的通信（即足够小的时延），就必须在广域网中使用专用线路。以太网R令牌环网RR以太网RR本地专用线路长途专用线路 若使用帧中继，通过帧中继交换机建立连接，不需要那么多的专用线路，节省了费用。 局域网将数据以帧格式而不是分组格式交到

28、帧中继网中传输，帧中继网不负责差错控制，就想当于专用线路实现局域网的互联。以太网R令牌环网RR以太网RRFRFRFRFRFRFRR 路由器FR 帧中继交换机帧中继网5.4.3 帧中继的永久虚连接帧中继的永久虚连接n帧中继采用统计复用技术，以帧中继采用统计复用技术，以“虚电路虚电路”(VC)机制为每一帧提供地址信息，每一条线路和每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。过虚电路进行连接。n在每一帧的帧头中都包含虚电路号在每一帧的帧头中都包含虚电路号-数据链路数据链路连接标识符连接标识符(DLCI)，

29、这是每一帧的地址信息。，这是每一帧的地址信息。 帧中继网中，一般都由路由器作为用户，负责构成帧中帧中继网中，一般都由路由器作为用户，负责构成帧中继的帧格式。如图所示，路由器在帧内置继的帧格式。如图所示，路由器在帧内置 DLCI值，将帧经值，将帧经过本地过本地UNI接口送入帧中继交换机，交换机首先识别到帧头接口送入帧中继交换机，交换机首先识别到帧头中的中的DLCI，然后在相应的转发表中找出对应的输出端口和输，然后在相应的转发表中找出对应的输出端口和输出的出的DLCI，从而将帧准确地送往下一个节点机。如此循环往，从而将帧准确地送往下一个节点机。如此循环往复，直至送到远端复，直至送到远端UNI处的用户，途中的转发都是按照转发处的用户，途中的转发都是按照转发表进行的。在图中，已建立了三条表进行的。在图中，已建立了三条PVC：PVC1为路由器为路由器1到路由器到路由器2：2535；PVC2为路由器为路由器1到路由器到路由器3：