第五章 分组交换与分组交换网.ppt
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1、第五章第五章 分组交换与分组交换网分组交换与分组交换网l本章重点介绍了分组交换的原理,包括分组的形成、分组的传输和分组的交换,介绍了分组交换网的基本构成,以及相关通信协议。l 学习要点:1、了解并掌握同步时分复用、异步时分复用(统计复用)的基本概念和原理。2、了解分组的形成方式、传输的特点、及其交换的原理。3、了解并掌握分组交换的虚电路和数据报方式的工作特点。4、了解分组交换路由选择的方法。5、了解x.25协议栈的构成及功能。6、了解分组交换网的组成原理。l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
2、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。5.1 分组交换技术的产生与发展分组交换技术的产生与发展l分组交换技术是在计算机技术发展到一定程度,人们除了打电话直接沟通,通过计算机和终端实现计算机与计算机之间的通信,在传输线路质量不高、网络技术手段还较单一的情况下,应运而生的一种交换技术。l快速分组交换技术(Fast Packet Switching)、帧 中 继(Frame Relay)、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。分组交换也称为包交换。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(Packet),这些分
3、组长度较短,并具有统一的格式,每个分组有一个分组头,包含用于控制和选路的有关信息。这些分组以“存储转发”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,检测分组传输中有无差错,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换节点或用户终端。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。5.2 分组交换的基本原理分组交换的基本原理5.2.1 分组传送方式分组传送方式l在分组交换中,分组传送方式采用的是统计时分复用(异步时分复用、同步时分复用(预分配复用)?)方式,具有动态分配带宽和用标记区别数据所属用户的特点,因而分
4、组传送方式在实现了多用户对线路资源共享的同时,提高了线路资源的利用率,并可以很好的支持突发性业务。l图5.1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。图5.1 分组传送方式5.2.2 分组的形成分组的形成l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。如图5.2所示。图
5、5.2 分组的形成l分组头中主要包含逻辑信道号、分组的序号及其它的控制信息。前面我们已经介绍过分组传送方式采用的是统计复用方式,因而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,在这里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,即同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,因而我们称之为逻辑子信道。我们使用逻辑信道号(LCNLogic Channel Number)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。分组的序号主要是用来标识该分组在原来的数据报文中的位置,以便于接收端能够将接收到的分组还原为原来完整的报文。分组有两大类:数据分组和控制分组。
6、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。l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。5.2.3 分组交换方式分组交换方式1、虚电路方式、虚电路方式l虚电路方式是指通信终端在开始通信,即相互发送和接收数据之前,必须通过网络在通信的源和目的终端之间建立连接;然后才能够进入信息传输阶段,发送和接收分组,且该通信的所有分组沿着已建立好的连接按序被传送到目的终端;当通信结束时,需要拆除该连接。在这里,虚电路方式所建立的连接是逻辑连接,而不是物理连接(物理通路)。同一条物理通路上可能同时被多个虚电路所使用。l分组交换网提供的虚电路交换方式又
7、分为两种,一种是交换虚电路,又称为虚呼叫另一种是永久虚电路。交换虚电路方式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。永久虚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。l在虚电路的信息传输阶段,所有数据分组都沿着已建立好的连接,经相同的路径到达目的地。中间所经过的每一个交换节点都有一张路由表,该路由表是在连
8、接建立阶段生成的,它包括入端口号、入LCN、出端口号、出LCN,数据分组就是按照此路由表进行节点交换,最终传送到目的终端的。图5.3是在虚电路方式中数据分组依据路由表经交换节点交换的原理图。注:DTEData Terminal Equipment,数据终端设备图5.3 虚电路路由表lDTE1与DTE3之间、DTE2与DTE4之间要进行数据通信,我们分别用呼叫1和2来表示这两个通信。对于交换虚电路,在虚连接建立阶段时生成了交换节点A和B的路由表,而对于永久虚电路是在申请该业务时,由网络运营管理者设置生成的。DTE1的数据分组从节点A的3号端口的10号逻辑信道进入交换节点A,经查寻路由表从2号端口
9、的62号逻辑信道上输出,分组传送到节点B的3号端口,逻辑信道号不变仍为62,在节点B查路由表,从1号端口的22号逻辑信道上输出,被传送到通信的目的终端DTE3。同理,DTE2到DTE4的数据分组的传输和交换也依据相应的路由表。虚电路方式的特点:l面向连接的工作方式:l分组按序传送:l分组头简单:l对故障敏感:在虚电路方式中,一旦出现故障、虚连接中断,则通信中断,有可能丢失数据,因而这种方式对故障比较敏感。2、数据报方式、数据报方式l数据报方式在信息传输之前无需建立连接,其分组头中含有目的终端地址信息,对每个数据分组就像对一份报文一样独立地进行选路和传送,属于同一份报文的不同分组有可能会沿着不同
10、的路径到达终点,因而会出现分组失序现象。在这种方式中,一个被独立处理的分组就被称为数据报,而这种分组交换方式就叫做数据报方式。数据报方式的特点:l无连接的工作方式:l存在分组失序现象:l分组头复杂:l对网络故障的适应能力较强:由于对每个数据分组是独立选路,因而当网络出现故障时,只要到目的终端还存在一条路由,通信就不会中断。3、数据报和虚电路比较、数据报和虚电路比较l数据报省掉了呼叫的建立和拆除过程,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。而虚电路一次通信需要经过呼叫建立、数据传输和呼叫清除三个阶段,但是其分组头简单,因此传送大量数据分组时,采用虚电路方式的传输效率会比较高。
11、l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。l数据报方式的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;而对于虚电路方式,一旦虚电路建立好,单个数据分组的传输时延则会小得多。l数据报方式对网络的适应能力较强。比如说,网络的某一部分发生了拥塞,那么节点可以为收到的分组选择一条绕过拥塞部分的路由。如果使用虚电路,分组是沿着固定的路径传送的,网络处理拥塞时就会比较困难。再比如说,假设一个节点出现了故障,如果使用
12、虚电路,则经过该节点的所有虚电路都会断开,要继续通信必须重新建立虚电路。而使用数据报的方式,仅是丢失部分分组,其后的分组可以绕过该节点,通过其他的路径进行传送。5.2.4 路由选择路由选择l在分组交换网中,各交换节点之间都设置有多条路由,以保证网络通信的可靠性并适应业务量的变化。因而,在通过网络建立通信的源和目的终端之间的呼叫连接时,就必须在各个交换节点选择一段路由,从而构成一条源节点到目的节点之间的通信路径,这个选择路由的过程就叫作路由选择。合理的路由选择应保证所选路由的正确性、快捷性、经济性和高效性,并有利于整个网络的负载平衡以及通信资源的综合利用。因此路由选择是分组交换的重要技术之一。1
13、、固定路由选择、固定路由选择l所谓固定的路由选择是指在网络拓扑结构不变的情况下,网络中每一对源节点和目的节点之间的路由都是固定的。当网络的拓扑结构发生变化时,路由才可能发生改变。l那么,固定路由选择是如何实现的呢?分组交换网根据一定的准则计算出每一对源节点和目的节点之间的路由,并把它们保存在路由表中。路由的计算可以由网络控制中心(NCC)完成,然后装入各个节点中,也可由节点自身完成。每个节点对应一张路由表。路由表有两列,一列是目的节点,一列是对应的下一节点。这样就可以根据路由表选择下一个节点。以图5.4为例,各个节点按照最短路经算法计算出来的路由表如表5.2所示。表5.4 固定路由选择举例l使
14、用固定的路由选择,不论是数据报还是虚电路,从指定源节点到指定目的节点的所有的分组都沿着相同的路径传送。l固定路由选择策略的优点是处理简单,在可靠的负荷稳定的网络中可以很好的运行。它的缺点是缺乏灵活性,无法对网络拥塞和故障做出反应。一般在小规模的专用分组交换网上采用固定路由选择策略。2、洪泛式路由选择、洪泛式路由选择l洪泛式(flooding)路由选择的原理是,每个节点接收到一个分组后检查是否收到过该分组,如果收到过就将它丢弃,如果未收到过,则把该分组发往除了分组来源的那个节点以外的所有相邻的节点。这样,同一个分组的副本将经过所有的路径到达目的节点。目的节点接受最先到达的副本,后到的副本将被丢弃
15、。图5.5是洪泛式路由选择示例,分组从交换节点1传送到交换节点6的情况。表5.5 洪泛式路由选择示例l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。3、随机路由选择、随机路由选择l采用随机路由选择策略时,当节点收到一个分组,节点只选择一条输出路由,这条路由是在除了分组来源的那条路由之外的其它路由当中随机选择的。输出路由被选
16、中的概率可能是相等的,也可能是不等的。l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。l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。4、自适应路由选择、自适应路由选择l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,
17、分组传送就要避开发生了故障的节点或中继线。l实现自适应路由选择必须在节点之间交换网络状态信息。交换的信息越频繁,路由选择依据的条件越及时。但是,这些信息本身也会增加网络的负荷,导致网络性能下降。因此需要寻找一个最佳点,使网络状态信息能得到及时交互,同时又不增加过多的额外负荷。l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。5.2.5 流量控制流量控制1、流量控制的必要性、流量控制的必要性l在分组交换网中,网络节点采用存储转发的机制对分组进行处理,如果分组到达的速率大于节点处理分组的速率,就可能造成网络节点中存储区被填满,导致
18、后来的分组无法被处理。另外,由于线路的传输容量也是有限的,如果网络中数据流分布不均匀,可能会导致某些线路上流量超过其负载能力,分组无法被及时传送。这些情况都会造成网络的拥塞,导致网络吞吐量迅速下降以及网络时延的迅速增加,严重影响网络的性能。当拥塞情况严重时,分组数据在网络中无法传送,不断的被丢弃,而源点无法发送新的数据,目的点也收不到分组,造成死锁。l图5.6是拥塞对吞吐量和时延的影响。图中比较了进行控制和不进行控制的情况下吞吐量和时延的变化情况。图5.6 拥塞的影响l由于流量控制可以使网络的数据发送和处理速度平滑均匀,是解决网络拥塞的一个有效手段,所以,为了防止网络阻塞和死锁的发生,提高网络
19、的吞吐量,必须进行流量控制。流量控制是分组交换的重要技术之一。2、流量控制机制、流量控制机制l一般来说,流量控制可以分成以下几个级别来进行:l(1)相邻节点之间的点到点的流量控制l(2)用户终端和网络节点之间的点到点的流量控制l(3)网络的源节点和终点节点之间的端到端的流量控制l(4)源用户终端和终点终端之间的端到端的流量控制l这4个级别的流量控制位于网络的不同位置区域,具体如图5.7所示。图5.7 分级的流量控制机制3、流量控制方法、流量控制方法实际应用中流量控制的方法主要有以下几种:(1)证实法l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
20、方收到这个证实之后再发送新的分组。这样接收方可以通过暂缓发送证实来控制发送方的发送速度,从而达到控制流量的目的。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。(2)预约法l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,以避免目的节点在有多个分组到达时,因进行
21、分组重新排序而使该节点的存储器被占满,即无法接收新的分组,也无法发送未完成排序的分组。网络的源节点和终点节点之间的端到端的流量控制,以及源用户终端和目的终端之间的端到端的流量控制可采用此方法。(3)许可证法l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。满载的许可证在到达终点节点时卸下分组变成空载。分组需要在节点等待得到空载的许可证后才能被发送,因而通过在网内设置一定数量的许可证,可达到流量控制的目的。由于存在分组等待许可证的时延,所以这种方法会产生一定的额外时延,尤其是当网络负载较大时,这种额外时延也
22、较大。5.3 分组交换协议分组交换协议X.25协议协议5.3.1 分组交换协议分组交换协议l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交换节点之间关于信息传输过程、信息格式和内容等的约定。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。国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)制定了一系列分组交换协议,如:X.25、X.75、X.3、X.28、X.29、X.121等,其中最著名的就是X.25接口协议。lX.25协议采用分层的体系结构,
23、自下而上分为三层:物理层、数据链路层和分组层,分别对应于OSI参考模型的下三层。各层在功能上相互独立,每一层接受下一层提供的服务,同时也为上一层提供服务,相邻层之间通过原语进行通信。在接口的对等层之间通过对等层之间的通信协议进行信息交换的协商、控制和信息的传输。如图5.8所示。图5.8 X.25协议的分层结构l分组交换网的用户协议、接口协议和网内协议的位置和相互关系如图5.9所示。图5.9 分组交换网的协议及其相互关系5.3.2 X.25物理层物理层lX.25的物理层协议规定了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互流程。与分组交换网的端口相连的设备称作DTE,它可以
24、是同步终端或异步终端,也可以是通用终端或专用终端,还可以是智能终端。DCE是DTE-DTE远程通信传输线路的终接设备,主要完成信号变换、适配和编码等功能,对于模拟传输线路,它一般为调制解调器(Modem),对于数字传输线路,则为多路复用器或数字信道接口设备。l物理层完成的主要功能有:DTE和DCE之间的数据传输在设备之间提供控制信号为同步数据流和规定比特速率提供时钟信号提供电气地提供机械的连接器(如针、插头和插座)X.25物理层协议可以采用的接口标准有X.21建议、X.21 bis建议及V系列建议。5.3.3 X.25数据链路层数据链路层LAPBlX.25数据链路层协议是在物理层提供的双向的信
25、息传输通道上,控制信息有效、可靠地传送的协议。X.25的数据链路层协议采用的是HDLC(高级数据链路控制规程)的一个子集LAPB(Link Access Procedure Balanced,平衡型链路访问规程)协议。HDLC提供两种链路配置,一种是平衡配置,另一种是非平衡配置。非平衡配置可提供点到点链路和点到多点链路。平衡配置只提供点到点链路。由于X.25数据链路层采用的是LAPB协议,因而X.25数据链路层只提供点到点的链路方式。lX.25数据链路层完成的主要功能如下:DTE和DCE之间的数据传输发送和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性错误的识别和告警链路层状态的通
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