分组交换原理

1第5章分组交换与分组交换网

基本概念、网络形式、网络体系结构、路由选择、流量和拥塞控制、设备结构2分组交换技术是适应计算机通信的需求而发展起来的一种先进的通信技术，是重要的数据通信手段之一。分组交换技术具有信息传输质量高、网络可靠性高、线路利用率高、经济性能好、利于不同类型终端间的相互通信等优点，可以提供高质量的灵活的数据通信业务。分组交换技术已经被广泛的应用于计算机通信网络中。快速分组交换技术（FastPacketSwitching）、帧中继（FrameRelay）、异步传输模式（ATM）等通信技术都是在分组交换技术的基础上产生与发展起来的。3分组交换网的应用是多种多样的，主要有以下三种1、利用分组网实现数据业务的处理。如金融系统的通存通兑、电子汇兑、资金清算、自动取款机业务等；证券公司的行情发布；公安部门的户籍、身份证管理等，都可以在分组网上开展。在提高工作效率的同时，还带来了极大的经济效益。2、利用分组网组建系统内部专网。随着计算机技术的快速发展，计算机在机关，企事业单位得到了普遍的应用。将各部门的计算机联成网络，使数据能准确、高速、可靠地在网内传输，并达到资源共享，已成为各个部门迫切的通信需求。由于分组交换网组网灵活、可靠性高、易于实施，适合不同机型、不同速率的客户通信，因此可以利用分组交换网来组建系统内部的各种专网。3、通过分组网接入数据通信的增值业务网，如电子信箱业务，国际计算机互联网业务等。4复用（TDD，FDD等）：对信道进行静态划分，使特定的用户数据可以通过其所占用子信道的物理特性来标示。交换：不同信道（链路）上的子信道的重新组合头部（Head):分组总附加的比特。（用户标识和控制信息）开销（overhead)：头部不是用户数据，分组的开销净荷（Payload)：用户数据，分组交换节点只处理头部，不处理净荷，用户端真正关心的是净荷。排队：缓存分组，再按照一定的顺序逐一发送到出口链路转发：为分组查找出口，将其转移到出口链路模块54.1概述分组交换模式的诞生计算机技术诞生后，人类信息交互中的文件、数据等消息用数据表示和传送。计算机数据消息对出错率要求很高，对时延和对数据抵达顺序要求不严，因此需将数据封装成有纠错能力的分组进行传送和交换。数据被封装成分组后，对于占用的传送位置无要求，可采用统计复用，先来先传。由于要求交换节点对数据进行纠错检验，必须等一个分组完全抵达交换节点后才能执行，所以分组交换采用“存储-检查-转发”的交换方式。6

下图所示是采用统计时分复用的分组传送方式。多个分组共享线路资源，每路通信分别用不同的用户标识来区别，如图中1、2、3，根据分组传送的需要，每路通信的分组或疏或密地出现在线路上，即占有不同的带宽。

分组（packet）是由用户数据和分组头组成的。分组的用户数据部分的长度是有限制的。如果来自数据终端的用户数据报文的长度超过了分组的用户数据部分的最大长度，则需要将该报文拆分成若干个数据段，并在每个数据段前加上分组头，形成分组。7

在同一个物理信道上可以同时传送属于多个不同通信的分组，这些用户终端好像是分别占用了不同的子信道进行数据的传送，我们称之为逻辑子信道。我们使用逻辑信道号（LCN—LogicChannelNumber））来标识每一个逻辑子信道，进而区别出分组是属于哪个通信的。分组有两大类：数据分组和控制分组。●数据分组是用来承载用户数据的分组●控制分组是保证和控制数据分组在网络中正确传输和交换的分组。因此，为了区分不同类型的分组，分组头中还应包含分组的类型。84.2分组交换方式两种主要形式：面向连接和无连接面向连接（虚电路），通信前先要分配资源和进行通信参数协商，然后进行数据交换传送，通信结束后释放所占用资源。逻辑连接不是物理连接，同一物理信道可能同时被多个虚电路使用。9虚电路交换方式又分为两种，一种是交换虚电路（SVC)，另一种是永久虚电路(PVC)。●SVC是指虚电路只在通信过程中存在，在数据传送之前要建立逻辑的连接，也叫虚连接或虚电路，在数据传送结束后需要拆除虚连接。●PVC电路方式是指在两个用户之间存在一条永久的虚连接（按用户预约，由网络运营管理者事先建好），不论用户之间是否在通信，这条虚连接都是存在的。用户之间若要通信则直接进入数据传输阶段，如同专线一样，而不用经历虚电路的建立和拆除阶段。在实际应用中，虚电路一般是指交换虚电路方式。10虚电路方式的特点：面向连接的工作方式：虚电路方式的通信具有严格的三个过程，即连接建立（呼叫建立）、数据传输、连接拆除（呼叫清除）。因此我们说它是面向连接的。面向连接的工作方式对于长报文（大数据量）传输效率较高。

114.2.2无连接分组交换网（数据报方式）不必事先建立通路，没有逻辑子信道概念。通信时源端直接将源和目的地址装配在分组中一起发送，交换节点根据目的地址查表确定出口链路。（分组头中含有目的终端地址信息）网络以“无状态”方式工作，转发过程只依赖路由表、目的地址和出口链路的状态随机转发。链路状态或网络拓扑变化，网络会自动调整路由，同一用户的数据分组会经历不同路径传送，不保证分组的端到端顺序。网络以尽力而为方式传送分组，不保证路由和服务质量，但分组传送受局部网络故障的影响较低。124.3分组网络体系结构分组网络中，用户数据、控制数据和管理消息等都以分组形式交换和传递，分组消息处理均由设备自动执行。为了使复杂系统易于实现，合理安排各子系统间相互关系，将分组网络的功能纵向划分为若干功能面，再将每个面横向划分为多个层，形成分层体系结构。134.3.1功能面数据面（DataPlane），也称用户面，与传递用户数据直接有关的功能，如分组头处理、查表、内部转送、排队等。控制面（ControlPlane），数据传输所需的支持功能，如路由表更新、面向连接网络进行连接建立、拆除等。控制面功能类似电路交换网中的信令。管理面（ManagementPlane），与网络管理有关的功能。144.3.2分层分层，将网络功能分解并在若干水平层内实现，每层只解决特定范围内的问题，各层之间定义明确的接口形式。分层的目的降低系统实现的复杂度，各层只实现有限功能。可使不同厂商的分组通信设备同层功能一致，方便互联互通。增加/删减功能容易，并且不致影响已有设备或功能。说明抽象通信服务的概念和实现方法。体现协议的概念及其工作原理。154.3.3体系结构一种网络技术的各层及其协议统称为该网络的体系结构。分组网络遵照国际标准化组织ISO提出的“开放系统互连参考模型（简称OSI）”的体系结构。OSI模型将网络划分为七个层次，定义了各层的功能和协议。遵循OSI模型开发和生产网络产品，可使全世界的多厂商多类通信设备都能在网络上互联互通。OSI体系结构如图4.7所示。164.3.3体系结构物理层(physicallayer)：主要功能是透明传送比特流，完成信道的复用和解复用。信道分为同步与异步：同步信道指信道上始终存在比特信号，需时钟同步。异步信道指仅在上层传输数据时才有信号，不需时钟。数据链路层(datalinklayer)：功能包括帧定界、差错控制和流量控制。如果信道由多方共享，且采异步时分复用，链路层还需解决信道争用问题，采用“介质访问控制”（MAC）协议。网络层(networklayer)：控制网状拓扑的通信网工作过程，功能包括路由计算、分组转发、服务质量控制、拥塞控制等。174.3.3体系结构传输层（transportlayer）：运行在终端上，提供端到端数据传输服务，包括复用／解复用和端到端的可靠传输。会话层（sessionlayer）：用户间建立会话，提供对话控制、令牌管理、同步控制等功能。表示层（presentationlayer）：为通信双方提供公共的、独立于具体设备的数据表示方法。应用层（applicationlayer）：提供特定类应用程序或业务所需的通信服务。例如发出那些请求、作出何种响应何如何传送数据等。184.4分组网络的路由选择路由选择，依某一标准计算两终端间最佳路径，分配路径信息到各节点构建路由表。面向连接网络，建立连接时查路由表生成转发表项，数据分组转发时查转发表完成转发；无连接网络，每个分组都根据路由表确定转发出口。路由选择算法，要求正确、简单、健壮、稳定、公平和最优等。健壮指部分链路故障导致拓扑改变但算法仍正常工作，稳定指算法收敛快，公平指能均匀承担业务负荷，最优指代价最小。代价可以是链路带宽、传播延迟、租用成本、流量状况等。194.4分组网络的路由选择1、固定路由选择2、洪泛式路由选择

3、随机路由选择4、自适应路由选择20洪泛式的优点是具有很高的可靠性。由于要经过源节点和目的节点之间的所有路径，因此即使网络出现严重故障，只要在源节点和目的节点之间至少存在一条路径，分组都会被送达目的节点。另外，所有与源节点直接或间接相连的节点都会被访问到，所以洪泛式可以被应用于广播。洪泛式的缺点就是产生的通信量负荷过高，额外开销过大，导致分组排队时延加大。21

随机路由选择方法的优点是比较简单、稳健性也较好。采用这种方法产生的路由不是最小费用路由，也不是最短路由，因此随机路由选择产生的通信量负荷一般要高于最佳的通信量负荷，而低于洪泛法产生的通信量负荷。改进的随机路由选择方法是给每条输出路由分配一个概率，可根据概率来选择路由。这个概率可以是基于数据率的，也可以是基于费用。224、自适应路由选择自适应路由选择就是路由选择是根据网络状况的变化而动态改变的。路由选择的这种动态改变所依据的条件主要是网络出现的拥塞和故障。当网络中的一部分发生了拥塞，分组传送就要尽量绕过拥塞区域；当网络中的一部分出现了故障，分组传送就要避开发生了故障的节点或中继线。由于这种方法能够提高网络的性能，路由选择灵活，所以是目前使用最普遍的路由选择策略，被大规模的公用分组交换网普遍采用。234.5分组网络性能指标与服务质量4.5.1性能指标带宽，指每秒可向信道中注入的比特数，也称作吞吐量。延迟，包括发送延迟、传播延迟和处理延迟：发送延迟，也称传输延迟，分组“注入”信道所需时间，计算方法是：发送延迟=分组长度／信道带宽。传播延迟，分组从信道一端传到另一端所需时间，计算方法是：传播延迟=信道长度／信号传播速率。处理延迟，交换节点对分组进行存储转发处理所花费时间的总和。244.5分组网络性能指标与服务质量延迟抖动，指一次通信中分组端到端延迟的变化程度，会对流媒体传送有影响。分组丢失率，分组在传输过程中出错或丢失的概率。线路误码率通常很低，分组丢失主要由于交换节点缓存空间有限而使分组排队溢出造成。254.5.2网络服务质量服务质量，就是对网络性能指标（如带宽、延迟、丢失率等）提供保证的情况。如何保证服务质量：根据流量特性和对服务质量要求，计算并分配所需的链路带宽、缓存空间等资源。能识别出提供保证的对象，常采用“流”的概念。流是指一次特定通信在某方向上传输分组的集合，可通过源、目的地址和传输层头信息来识别一个流。传输期间，采取适当措施保证流得到为其所分配的资源，常用“服务策略”或“排队策略”等措施调整。264.6流量控制与拥塞控制设置控制的原因分组网络中，两个要互传分组数据的终端速率不同时，低速终端来不及处理接收的数据会导致丢失，必须限制高速终端的分组流入速率；分组节点中的缓冲存储器是动态共享资源，流入节点的业务负荷超过阈值时也会引起分组丢失。控制的目的，为了保证网络中各链路的数据分组流量平滑均匀，提高网络的总吞吐能力，保证数据通信的服务质量。274.6流量控制与拥塞控制实际应用中流量控制的方法主要有以下几种：（1）证实法：发送方发送一个分组之后不再继续发送新的分组，接收方收到一个分组之后会向发送方发送一个证实，发送方收到这个证实之后再发送新的分组。发送方可以连续发送一组分组并等待接收方的证实，这就是我们常说的滑动窗口证实机制。滑动窗口证实机制既提高了分组的传输效率，又实现了流量的控制。这种方式可用于点到点的流量控制和端到端的流量控制。X.25的数据链路层和分组层均采用这种流量控制方法。28（2）预约法发送端在向接收端发送分组之前，先向接收端预约缓冲存储区，然后发送端再根据接收端所允许发送分组的数量发送分组，从而有效地避免接收端发生死锁。以数据报方式工作的分组交换网通常采用这种流量控制方式。（3）许可证法许可证法就是在网络内设置一定数量的“许可证”，许可证的状态分为空载和满载，不携带分组时为空载，携带分组为满载。每个许可证可以携带一个分组。满载的许可