五、分组交换与分组交换网

1. 五、分组交换与分组交换网

2. 5.1 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。

3. 分组交换网的应用 • 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。 2、利用分组网组建系统内部专网。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. 在分组交换中，分组传送方式采用的是统计时分复用方式，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。在分组交换中，分组传送方式采用的是统计时分复用方式，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。

5. 5.2 分组交换的基本原理 5.2.1 分组传送方式（资源共享方式） • 图5.1 统计时分复用（STDM） 分组传送采用的是统计时分复用（STDM）的方式。

6. 5.2.2 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5.2所示。 图5.2 分组的形成

7. 5.2.3 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：数据报（Datagram）和虚电路（Virtual Circuit）。 1.数据报（Datagram） 2.虚电路（Virtual Circuit）

8. 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

9. 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。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）。

10. 注：DTE－Data Terminal Equipment，数据终端设备 图5.3 虚电路路由表

11. DTE1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。DTE1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。

12. 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比较高。 • （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。

13. 电路交换与分组交换比较

14. 5.2.4 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 .

15. 几种常见的路由选择策略： • 固定路由选择 • 泛法路由选择 • 随机路由选择 • 自适应路由选择

16. 1、固定路由选择 • 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。 • 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。

17. 表5.4 固定路由选择举例

18. 使用固定的路由选择，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。使用固定的路由选择，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。 • 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。

19. 2、洪泛式路由选择 • 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。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。

20. 表5.5 洪泛式路由选择示例

21. 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。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。

22. 3、随机路由选择 • 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。输出路由被选中的概率可能是相等的，也可能是不等的。 • 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。

23. 4、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。 • 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。 • 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。

24. 5.2.5 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。

25. 图5.5 拥塞的影响

26. 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）相邻节点之间的点到点的流量控制 • （2）用户终端和网络节点之间的点到点的流量控制 • （3）网络的源节点和终点节点之间的端到端的流量控制 • （4）源用户终端和终点终端之间的端到端的流量控制

27. 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。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

28. 流量控制的方法 • 证实法 • 预约法 • 许可证法

29. （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。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。

30. （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，以避免目的节点在有多个分组到达时，因进行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。

31. （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，这种额外时延也较大。

32. 5.2.6 分组交换的工作过程 • 分组交换网采用的是分组交换方式，其实质是存储转发。交换机连接的终端有两种：分组型终端（PT）和非分组型终端（NPT），分组型终端可以直接发送分组，非分组型终端送出的是报文，需要经过分组装拆设备（PAD）对报文进行分组的装拆、速率的匹配、协议转换等等，才能送交交换机处理。

33. 交换机将分组进行存储，然后根据包含在分组头中的控制信息及分组交换网的路由选择策略转发分组，来自不同通信的分组在网内以统计时分复用的方式被传送。分组被传送到目的交换机，如果目的终端是NPT，则由PAD把分组恢复成原始报文；如果目的终端是PT，则只需把分组按照顺序传送到该终端即可。分组交换很容易实现在不同速度和不同规程的终端间通信，而这在电路交换方式中是很困难的。分组交换网可提供虚电路和数据报交换方式。图5.27是分组交换网的基本工作原理。

34. 5.2.6 分组交换的工作过程

35. 5.3 分组交换协议——X.25协议 5.3.1 分组交换协议 • 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。

36. 5.3.1 分组交换协议的结构 • 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，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； 数据传输通路的建立和释放、数据的传输等过程；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，这属于分组交换网网络内部控制功能，由各个厂家决定。（参见《分组交换工程》P163-165） • 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，如图5.7所示。

37. 图5.7 X.25协议的分层结构

38. X.25协议是标准化的接口协议，任何要接入到分组交换网的终端设备必须在接口处满足协议的规定。要接入到分组交换网的终端设备不外乎两种，一种是具有X.25协议处理能力、可直接接入到分组交换网的终端，我们称之为分组型终端（PT－Packet Terminal）；另一种是不具有X.25协议处理能力、必须经过协议转换才能接入到分组交换网的终端，我们称之为非分组型终端（NPT－Non-Packet Terminal）。

39. 其中完成协议转换的设备被称作分组装拆设备（PAD－Packet Assembler/Disassembler），利用PAD可实现PT和NPT之间、相同用户协议的NPT之间以及不同用户协议的NPT之间经分组交换网的通信。常见的NPT多为字符型终端，ITU-T（原CCITT）专门为这一类终端的PAD制定了一组建议，称作3X建议，包括描述PAD功能及其控制参数的X.3建议，描述PAD到本地字符型终端的X.28建议，描述PAD至远端PT或远端PAD的X.29建议。

40. 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。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

41. 5.3.2 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）。

42. 5.3.3 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）。

43. X.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 ●链路层状态的通知

44. 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（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。 图5.8 LAPB帧的基本结构

46. 5.3.3 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服务在DTE-DCE接口交换分组。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。

47. 分组层的主要功能 • 在X.25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道； • 通过逻辑信道群号（LCGN）和逻辑信道号（LCN）来区分与每个用户呼叫有关的分组； • 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； • 提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）的连接； • 提供建立和清除交换虚电路连接的方法； • 监测和恢复分组层的差错。

48. 1、分组的类型与结构 • 分组层传送信息的最小单位为分组。分组的种类有多种，但主要分为两大类：一类是数据分组，即真正承载用户信息的分组；另一类是控制分组，用于虚呼叫连接的建立、清除和恢复。数据链路层通过I帧来承载分组信息，不管何种类型的分组均放在I帧的信息字段中，每一个I帧包含一个分组。分组与I帧的关系如图5.14所示。 图5.14 分组与I帧的关系

49. 分组是由分组头和分组数据组成。分组头的格式如图5.15所示。分组头含有3个字段，共3个字节，这3个字段分别为：通用格式识别符、逻辑信道群号和逻辑信道号、分组类型识别符分组是由分组头和分组数据组成。分组头的格式如图5.15所示。分组头含有3个字段，共3个字节，这3个字段分别为：通用格式识别符、逻辑信道群号和逻辑信道号、分组类型识别符 图5.15 分组头格式

50. （1）通用格式识别符（GFI） • GFI由分组头的第一个字节的5～8位组成，共4个比特，其格式如图5.16所示。它定义了分组的一些通用功能，Q比特用来区分分组是用户数据（Q=0）还是控制信息（Q=1），D比特用来标识数据分组是DTE到DCE的本地确认（D=0）还是DTE到DTE的端到端确认（D=1），SS比特用来表示分组的顺序编号是模8方式（SS=01）还是模128方式（SS=10）。 图5.16 GFI格式