分组交换与分组交换网.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 分组交换与分组交换网,交换分为电路交换,(CS),和分组交换,(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的交换技术。,6.1,分组交换技术与分组交换网,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。,6.2.1,分组传送方式（资源共享方式）,6.2,分组交换的基本原理,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,TDM,帧内的位置来区分不同的信息通路,(,话路,),。,异步时分复用又称为统计时分复用，它也分时隙，但它是通过时隙的标头信息来区分不同的信息通路。异步时分复用与同步时分复用的比较如图所示。异步时分复用又称为分组复用，它能充分利用空闲时隙来传送数据。,6.2.2,分组的形成,来自数据终端的用户数据可能是很长的报文，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,6.2,所示。,图,6.2,分组的形成,分组头中主要包含逻辑信道号，分组的序号和控制信息等。同一个物理信道上面可以同时传送属于多个不同用户的分组，好像这些用户分别占用了不同的子信道进行数据的传输，即一个通信的分组构成了一个子信道，当然这些子信道是逻辑的，称为逻辑信道，使用逻辑信道号（,LCN,）来标志每一个逻辑子信道，进而区别出分组是属于哪个通信的。分组的序号是该分组在数据报文中的位置，方便接收端能够准确还原。,分组包含两大类：数据分组和控制分组。因此为了区分，分组头中还应包含分组的类型。,采用分组交换技术的通信网或通信子网称为分组交换网,(,如下图,),。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,.,10,结点交换机处理分组的过程是：将收到的分组先放入缓冲区，再查找路由表，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。,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,(,或动态,),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，使得通信线路的利用率大大提高了。,分组交换网常采用网状拓扑结构，当发生网络拥塞或少数结点、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。,交换机处理分组的过程,6.2.3,分组交换,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：,1.,数据报（,Datagram,）,2.,虚电路（,Virtual Circuit,）,数据报（,Datagram,）,在数据报方式中，分组被独立的对待，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,）,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。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：,（,1,）交换虚电路（,SVC,：,Switch Virtual Circuit,），,又称为虚呼叫。,（,2,）永久虚电路（,PVC,：,Permanent Virtual Circuit,）。,交换虚电路是指虚电路只在通信过程中存在，需要在数据传送之前建立逻辑连接，结束后释放。,永久虚电路是指在两个用户之间存在一条永久的虚连接（用户向网络提供商事先预约），无论是否通信，这条虚连接始终存在。,虚电路方式特点：,（,1,）面向连接的工作方式；（,2,）分组按序传送,（,3,）分组头简单；（,4,）对故障敏感,数据报方式特点：,（,1,）无连接的工作方式；（,2,）存在分组失序现象,（,3,）分组头复杂；（,4,）对网络故障适应性较强,数据报和虚电路的对比,（,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高。,（,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。,（,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。,（,4,）数据报方式对网络的适应能力较强。,电路交换与分组交换的比较：从接续时间，传输延时时间，传输可靠性，传输效率，传输带宽，等方面，,见课本,P163,6.2.4,路由选择,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：,固定路由选择（根据路由表固定路径见,p164,）,洪泛法路由选择（向所有节点广播，只保留最先到达的）,随机路由选择（随机选择）,自适应路由选择（根据网络拥塞和故障，自适应选择）,22,路 由 表,23,路由表的简化,为了消除路由表中的重复项目，可以用一个默认路由,(,符号,“,*,”,),代替所有具有相同,“,下一站,”,的项目。默认路由比其它项目的优先级低。下图为使用了默认路由的简化路由表，只有超过一个以上的目的结点有相同的下一结点时才使用默认路由。,目前广域分组交换网大都采用路由表法实现分组的转发，同时也可以支持标头指示法，下面集中讨论得到最广泛应用的路由表法。,6.2.5,流量控制,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，源节点无法发送新的数据，目的节点也收不到分组，造成死锁。,流量控制机制：,一般来说，流量控制可以分成以下几个级别来进行：,（,1,）相邻的节点之间点到点的流量控制,（,2,）用户终端和网络节点之间点到点的流量控制,（,3,）网络的源节点和终点节点之间端到端的流量控制,（,4,）源用户终端和终点终端之间端到端的流量控制,流量控制的方法,证实法,（通过发送一个分组或一组分组后等待接收方证实来进行流量控制）,预约法,（向接收端预约缓冲存储区，避免死锁，数据报方式常用）,许可证法,（在网络内设置一些许可证，状态为空闲或满载，分组需要等待一个空闲的许可证才可发送，到达目的地将分组卸下，许可证变为空闲）,6.3,分组交换协议,X.25,协议,6.3.1,分组交换协议的结构,分组交换协议是在分组交换过程中数据终端设备（,DTE,）与分组交换网以及分组交换网内各节点之间关于信息传输过程，信息格式和内容的约定。分组交换协议可分为接口协议和网内协议。,接口协议是指,DTE,和与它相连的网络设备之间的通信协议。即,UNI,协议。,网内协议是指网络内部各交换机之间的通信协议。即,NNI,协议。,X.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，又进行了多次修改。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；数据传输通路的建立和释放、数据的传输过程中顺序控制、差错控制和流量控制等机制；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，这属于分组交换网网络内部控制功能，由各个厂家决定。,X.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。,ITU,制定了一系列分组交换协议：,X.25;X.75;X.21;X.29;X.121,等,图,6.7 X.25,的分层结构,分组终端有两种：,（,1,）具有协议处理能力，可以直接接入到分组交换网,的终 端，称为分组型终端,(PT),（,2,）不具备协议处理能力，称为非分组型终端（,NPT,）。,必须通过分组装拆设备（,PAD,）完成协议转换后送入,分组交换网。,6.3.2 X.25,的物理层,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；,提供机械的连接器（如针、插头和插座）。,物理层协议主要规定了,DTE,和,DCE,之间接口的电气特性，功能特性和机械特性以及协议的交换流程。,DCE,是调制解调器，多路复用器或数字信道接口设备。,6.3.3 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，,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）。,数据链路层完成的主要功能如下：,（,1,）,DTE,和,DCE,之间的数据传输,（,2,）发送和接收端信息的同步,（,3,）传输过程中的检错和纠错,（,4,）有效的流量控制,（,5,）协议性错误和识别和告警,（,6,）链路层状态的通知,数据链路层帧类型与结构,数据链路层传送的最小单位是帧，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,6.8,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,6.8 LAPB,帧的基本结构,6.3.3 X.25,的分组层（虚呼叫的控制原理）,X.25,分组层是利用链路层提供的可靠传送服务。在,DTE-DCE,接口之间控制虚呼叫分组数据通信的协议。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。,分组层的主要功能,（,1,）在,X.25,接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道；,（,2,）通过逻辑信道群号（,LCGN,）和逻辑信道（,LCN,）,来区分与每个用户呼叫有关的分组；,（,3,）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；,（,4,）提供交换虚电路（,SVC,）和永久虚电路（,PVC,）,的连接；,（,5,）提供建立和清除交换虚电路连接的方法；,（,5,）监测和恢复分组层的差错。,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？,（,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，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。,（,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。,分组的类型与结构：,分组层传送信息的最小单位是分组。主要分为两类：,数据分组，控制分组。,注意,：数据链路层通过,I,帧承载分组信息，不管何种分,组，均放在,I,帧的信息字段中。每一个,I,帧包含一个分组。,分组是由分组头和分组数据组成。分组头的格式包含,三个字段，共三个字节。分别为：,逻辑信道识别符,，,逻辑,信道群号和逻辑信道号,，,分组类型识别符,。,分组层工作原理：,（,1,）呼叫建立过程,呼叫拒绝,（,2,）数据传输（,3,）呼叫清除过程,（,4,）分组层恢复过程,恢复过程用于处理在呼叫建立和数据传输阶段所发生的异常情况。包括：复位，重启，诊断，清除过程。,复位过程,重启（,Restart,）过程,6.4,分组交换机,6.4.1,分组交换机的结构,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。这一节首先介绍分组交换系统的基本结构，在此基础之上课本简要介绍北方电信公司生产的,DPN-100,型分组交换机。,分组交换机的基本结构,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。,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。,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。,6.4.2,性能指标,分组交换机的主要性能指标包括：,（,1,）端口数，包括同步端口数和异步端口数。,（,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。,（,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。,（,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。,（,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。,（,6,）提供用户可选补充业务的能力。,（,7,）支持,X.25,等协议的版本时间。,（,8,）提供非标准接口的能力，如,SDLC,、,BSC,等。,6.5,分组交换网,网络拓扑结构,6.5.1,分组交换网的构成,分组交换网的基本结构,分组交换的工作过程,6.5.2,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。,6.5.3,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,，由,3,位数据国家代码,DCC,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,。,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,之后的一位用于区分为位于同一个国家内的多个网络。,CHINAPAC,的,DNIC,为,“,4603,”,。,