分组交换与分组交换网概要.ppt

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、发展史 上世纪60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。 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。 1969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TELENET公司组建商用分组交换网 1989年我国组建了CHINAPAC分组交换网 二、应用 传输数据业务 计算机局域网 INTERNET网,3,二、分组交换

2、的基本原理,1、分组传送方式,特点：分组交换技术采用的是统计时分复用（STDM）传送方式，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,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（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,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传输。分组通过网络的实现方法：数据报（Datagram）和虚电路（Virtual Ci

3、rcuit）。 （1）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。 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：Permanent Virtual Circuit）。一般使用SVC。 分组选择虚电路在各交换节点依靠路由表。图5.3 虚电路方式的特点：,6,（2）数据报方式 在

4、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据报。 数据报方式的特点：,3 、 分组交换方式,7,（3）数据报和虚电路方式的对比 （a）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。 （b）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

5、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。 （d）数据报方式对网络的适应能力较强。,3 、 分组交换方式,8,4、 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 。 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。 (1)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

6、发生变化时，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1：,优点是简单 缺点是缺乏灵活性 仅用于小规模网络的路由选择,9,4、路由选择,（2）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，且由于分组交换是排队机制，传输时延较大。,10,4、路由选择,（3）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。输出路由选择的概率可相等，也可不

7、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。 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 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。 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，增加一部分网络负荷。,11,5 、 流量控制,(1)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，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

8、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,DTE,DTE,(a),(a),(c),(4),(b),(2)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量控制,5 、 流量控制,13,5 、 流量控制,（3）流量控制方法 （a)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

9、方再发送下一个分组，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，X.25即采用这种流量控制方式。 (b)预约法 发送方向接收方发送分组之前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。DCE之间和DTE之间的流量控制采用该流量控制方式。 (c)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，满载的卸下分组即为空载，分组需在节点等到空载的许可证后才能发送。,14,三、分组交换协议X.25协议,1、分组交换协议 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关于

10、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DTE与网络设备之间的通信协议，即UNI协议。 网内协议是网络内部各交换机之间的通信协议，即NNI协议。 X.25协议是DTE与DCE之间的接口协议，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。 X.25协议定义了帧（Frame）和分组（Packet）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

11、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X.25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NPT,分组型终端PT,三、分组交换协议X.25协议,17,2、 X.25的物理层 物理层协议规定了DTE与DCE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,物理层完成的主要功能如下： 在DTE和DCE接口处提供数据传输； 在设备之间提供控制信号； 提供时钟信号，用以同步数据流和规定比特速率； 提供电气地

12、； 提供机械的连接器（如针、插头和插座）。,三、分组交换协议X.25协议,18,3 、 X.25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 发送端与接收端信息的同步 传输过程中的检错和纠错 有效的流量控制 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X.25协议,19,数据链路层帧类型与结构,按照帧的功能可以把帧分成三类：信息帧（I帧）、监控帧（

13、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X.25协议,20,3 、 X.25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

14、差错,三、分组交换协议X.25协议,21,虚电路与逻辑信道,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，同一条虚电路在不通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（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。 (1)分组的类型与结构 （2）分组层工作原理,

15、22,呼叫建立过程,23,呼叫拒绝,24,呼叫清除过程,25,复位过程,26,重启（Restart）过程,27,四、分组交换机,1、分组交换机的基本结构 分组交换机由三部分组成： 交换单元：设置缓冲器、按STDM方式工作。 接口单元：用户侧接口（UNI）和中继线侧接口（NNI）。功能主要有线路侧监视、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。 2、分组交换机的性能指标 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1个分组所需的平均处理时间 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）,2

16、8,五、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。,五、分组交换网,30,（1）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。 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。 分组交换机的主要功能： （2）用户终端设备 包括分组终端（PT）和非分组终端（NPT）。 （3）分组拆装设备 完成非分组终端（NPT）接入分组网的协议转换。 （4）远程集中器： （5）网络管理中心： （6）传输线路：,五、分组交换

17、网,31,2、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（CHINAPAC）,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。 图5.28,33,4. 网络编号X.121,为了实现公用数据通信网的国际和国内互连通信，CCITT制定了国际统一的网络编号

18、方案X.121。 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P为国际呼叫前缀，其值由各个国家决定，我国采用“0”。紧接着4位称为数据网络识别码DNIC（Data Network Identification Code），DNIC由3位数据国家代码DCC（Data Country Code）和1位网络代码组成。DCC的第1位Z为区域号，世界划分为6个区域，编号为2-7（Z=0和Z=1备用，Z=8和Z=9分别用于同用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区域内的国家。例如中国的DCC是“460”。有10个以上网络的国家可以分配2个以上的DCC。DCC之后的一位用于区

19、分为位于同一个国家内的多个网络。CHINAPAC的DNIC为“4603”。,34,5、 网间互连,分组交换网之间的互连,分组交换网间的互联是通过X.75协议实现的。 STE: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、路由选择、地址变换、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,5、 网间互连,36,5、 网间互连,分组交换网与电话网的互连（略）,37,六、 帧中继,1、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，80年代初诞生帧中继技术。继承X.25虚电路技术，简化了X.25分组层功能，速率高、延时低

20、、带宽宽并动态分配，增加了承诺信息速率（CIR）和优先级。特别适用局域网互联。图5.34 2、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： 协议仅有二层，简化了协议。图5.35 控制命令和用户数据在逻辑信道上分别传送，是共路信令（X.25是随路信令）。图5.36 面向连接，有PVC和SVC，主要用PVC。使用SVC时遵从Q.933协议。 数据的复用和交换在第二层。图5.37 有拥塞控制和带宽管理机制。,38,3、帧中继协议,物理层：ISDN之I.430/I.431的2B+D或30B+D接口，也可以是G.703、V.35、X.21等接口。 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；帧长检测；传输差错检测；拥塞控制；帧优先级控制）LAPF的子集。,六、 帧中继,39,帧结构：,F,地址A,信息I,FCS,F,地址：2字节，可扩充至4字节。包括EA、C/R、DE、FECN、BECN、DLCI、D/C。