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第七章 分组交换技术

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  1. 第七章分组交换技术

  2. 数据通信的特点 数据通信的特点是突发性很强,对差错敏感,对时延不敏感。突发性强表现为在短时间内会集中产生大量的信息。 突发性的定量描述为峰值比特率和平均比特率之比,对于一般的数据传输,突发性可高达50;对于文件检索和传送,突发性也可达20。如果数据通信采用电路交换方式,分配固定的带宽,在用户没有信息发送时,其它的用户也不能使用这部分空闲的带宽,信道利用率太低;而在用户需要高速传输数据时,用户能够使用的最大带宽也只限于分配给用户的带宽,不能满足用户的要求。 对差错敏感是指数据通信要求数据传送的内容不能出错,关键数据细微的错误都可能造成灾难性后果。 对时延不敏感是指数据通信的各部分数据之间没有严格的时间关系。 由于数据通信的这些特点,数据通信主要采用分组交换技术。 由于分组交换技术的迅速发展,现在利用分组交换技术不仅可以用来完成数据通信业务,也可以用来完成话音和视频通信。在下一代网络中主要采用分组交换技术。

  3. 7-1分组交换的基本原理

  4. 分组的概念 分组交换采用存储转发技术。在分组交换中,将欲需要发送的整块数据称为一个报文。在发送报文之前,先将较长的报文划分成为较小的数据段。 在每个数据段前加有一个3-10个字节的分组头,在分组头中包含有分组的地址和控制信息,以控制分组信息的传输和交换。并以分组为单位进行传输和交换。 分组交换有虚电路(面向连接)和数据报(无连接)这两种方式。

  5. 一.虚电路方式 虚电路是指两个用户在进行通信之前要通过网络建立逻辑上的连接 在建立连接时,主叫用户发送“呼叫请求”分组,在该分组中,包括被叫用户的地址及为该呼叫在出通路上分配的虚电路标识,网络中的每一个节点都根据被叫地址选择出通路,为该呼叫在出通路上分配虚电路标识,并在节点中建立入通路上的虚电路标识与出通路上虚电路标识之间的对应关系,向下一节点发送“呼叫请求”分组。 被叫用户如同意建立虚电路,可发送“呼叫连接”分组到主叫用户。当主叫用户收到该分组时,表示主叫用户和被叫用户之间的虚电路已建立,可进入数据传输阶段。 在呼叫建立阶段,在虚电路经过的各个分组交换机中建立虚电路标示之间的对应关系。

  6. 虚电路方式完成交换的示意图 分组交换机5的连接表 分组交换机4的连接表

  7. 交换虚电路和永久虚电路 虚电路分为两种:交换虚电路(SVC,Switched Virtual Circuit)和永久虚电路(PVC,PermanentVirtualCircuit)。 交换虚电路是指在每次呼叫时用户通过发送呼叫请求分组临时建立的虚电路;一旦虚电路建立后,属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送;当通信结束后,即通过呼叫清除分组将虚电路拆除。 永久虚电路是指网络运营者根据与用户约定,为其事先建立的固定虚电路,每次通信时用户无需呼叫就可直接在该永久虚电路上传送数据。后一种方式一般适用于业务量较大的集团用户。 X.25、帧中继、ATM和多协议标签MPLS采用的是虚电路方式。

  8. 二.数据报方式 数据报方式是独立地传送每一个数据分组,每一个数据分组都包含终点地址的完整信息,每一个节点都要为每一个分组独立地选择路由,因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终点。 由于每条路由上的时延不尽相同,分组到达的顺序与发送顺序可能不一致,终端要将它们重新排序。 IP网络中交换采用的是数据报方式。

  9. 虚电路方式和数据报方式的比较 虚电路方式在一次通信过程中具有呼叫建立、数据传输和释放呼叫三个阶段,有一定的处理开销,但一旦虚电路建立,数据分组按照已建立的路径通过网络,分组能按照发送顺序到达终点,在每个中间节点不需要进行复杂的选路,对数据量较大的通信效率高。但对故障较为敏感,当虚电路连接中的某条传输链路或某个交换节点发生故障时可能引起虚电路的中断。 数据报方式在用户通信时不需要呼叫建立和释放阶段,网络随时都可接受主机发送的分组(即数据报)。网络为每个分组独立地选择路由。网络只是尽最大努力地将分组交付给目的主机,但网络对源主机没有任何承诺。网络不保证所传送的分组不丢失,也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在多长的时限内必须将分组交付给目的主机。 但是数据报方式在用户通信时不需要呼叫建立和释放阶段,对短报文传输效率比较高,对网络故障的适应能力较强,当网络中某个节点发生故障时可另外选择路由来传送数据。

  10. 根据统计,网络上传送的报文长度,在很多情况下都很短。若采用128个字节为分组长度,则往往一次传送一个分组就够了。这样,用数据报既迅速又经济。若用虚电路,为了传送一个分组而需要建立虚电路和释放虚电路效率就显得太低。根据统计,网络上传送的报文长度,在很多情况下都很短。若采用128个字节为分组长度,则往往一次传送一个分组就够了。这样,用数据报既迅速又经济。若用虚电路,为了传送一个分组而需要建立虚电路和释放虚电路效率就显得太低。 为了在交换结点选择路由,在使用数据报时,每个分组必须携带完整的地址信息。但在使用虚电路的情况下,每个分组不需要携带完整的目的地址,而仅需要有个很简单的虚电路号码的标志,这就使分组的控制信息部分的比特数减少,在传送大量分组时就减少了额外开销。

  11. 在网络上提供数据报和虚电路服务的思路来源 在网络上提供数据报和虚电路这两种服务的思路来源不同。 虚电路服务的思路来源于传统的电信网。电信网将其中的用户终端设置得非常简单,由电信网完成保证可靠通信的一切措施,因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。 数据报服务使用另一种完全不同的新思路。它力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散,因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。但这种网络要求使用较复杂且有相当智能的主机作为用户终端。可靠通信由用户终端中的软件来保证。

  12. OSI一开始就按照电信网的思路来对待网络,坚持“网络提供的服务必须是非常可靠的”这样一种观点,因此OSI在网络层(以及其他的各个层次)采用了虚电路服务。 然而美国ARPANET的一些专家则认为,根据多年的实践证明,不管用什么方法设计网络,网络(这可能由多个网络互连而成)提供的服务并不可能做得非常可靠,用户主机仍要负责端到端的可靠性。所以他们认为:让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。 当然,网络出了差错不去处理而让两端的主机来处理肯定会延误一些时间,但技术的进步(光纤的出错的概率远小于电缆传输)传输使得网络出错的概率已越来越小,因而让主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多的负担,反而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行。因特网能够发展到今天这样的规模,充分说明了在网络层提供数据报服务是非常成功的。 但是,随着因特网的迅速发展,要求因特网不仅要传输数据信息,还需要传输对时间同步有严格要求的话音业务和视频业务,这些业务对网络的服务质量有很高的要求,为了满足这些业务的要求,在因特网上又出现了将无连接技术和面向连接技术紧密结合的多协议标签交换MPLS。

  13. 7.2 X .25简介 在广域网中最先得到使用的分组网协议是X .25,X.25协议定义了数据终端设备DTE和公用分组交换网之间的接口。目前,传统的分组交换技术显得有些过时,但分组交换是后来发展的各种数据交换技术(如帧中继、ATM交换等)的基础,因此了解X.25协议的原理和技术对理解帧中继、ATM交换技术是十分必要的。 X.25是在传输介质质量较差、终端智能较低、对通信速率要求不高的历史背景下,由ITU-T的前身CCITT制定的,包含复杂的差错控制和流量控制措施,能提供中低速率的数据通信业务,主要用于广域互连

  14. 一.X.25协议的层次结构 X.25协议包括物理层、数据链路层和分组层(网络层)。最下面是物理层,接口标准是X.21建议书。第二层是数据链路层,接口标准是平衡型链路接入规程LAPB,它是高级信令链路规程HDLC的一个子集。第三层是分组层(网络层),在这一层上,在DTE与DCE之间可建立多条逻辑信道(0~4095号)。这样可以使一个DTE同时和网上其他多个DTE建立虚电路并进行通信。

  15. 二.X.25的物理层 X.25的物理层定义了DTE和公用分组交换网之间建立、维持、释放物理链路的过程,包括机械、电气、功能和规程等特性。 X.25物理层接口采用ITU-T X.21、X.21bis和V系列建议。而X.21bis和V系列建议实际上是兼容的,因此可以认为是两种接口。 其中X.21建议用于数字传输信道,接口线少,接口功能多,是比较较理想的接口标准。 X.21bis接口标准与V.24或RS-232兼容,主要用于模拟传输信道。 X.25物理层的功能是提供传送信息的物理通道,在物理层数据传送的单位是比特流。物理层不执行重要的控制功能。控制功能主要由链路层和分组层来完成。

  16. 三.X.25的数据链路层 数据链路层规定了在DTE和公用分组交换网之间的线路上交换帧的过程。链路层规程在物理层的基础上执行一些控制功能,以保证帧的正确传送。 X.25数据链路层采用高级数据链路控制规程HDLC的子集一一平衡型链路接入协议(LAPB,Link Access Procedures Balanced)作为数据链路的控制规程。

  17. 一)链路层的主要功能 链路层的主要功能有: 11.将D信道上传送的信息按照一定的格式组装成帧,能进行帧的定界并采取一定的措施来保证信息的透明传输。 22.能够进行顺序控制,保持数据链路上各帧的发送和接收顺序。 3、能够检测出在数据链路上出现的传输错误、格式错误和操作错误。 4、用重发的方法来纠正检测到的传输错误。 5.流量控制 6、识别并向高层协议报告规程性错误。

  18. 二)链路层的帧结构 在数据链路层上将物理层上传送的信息组装成帧,一帧由标志字段F、地址段A、控制段C、信息段I和帧检验段FCS组成。 1、标志段F 标志段F用于帧的定界,每一帧的开始和结束都是标志段F。标志段长度为8比特,其编码为“01111110”。为了防止在帧中的其他字段出现与F相同的码组,在发送端采用“0”插入,在接收端采用“0”删除,其原理与No.7信令系统第2级信令单元定界相同。 2、地址段A 地址字段由8位组成。在LAPB中,由于是点到点的链路,A表示的总是响应站的地址,用于区分两个传输方向上的命令帧/响应帧,即它表示的是命令帧的接收者和响应帧的发送者的地址。

  19. 3、控制段C 在LAPB中定义了三种类型的帧: 信息帧(I帧):用来传送上层用户数据,并捎带传送流量控制和差错控制信息。 监视帧(S帧):专门用来传送流量控制和差错控制信息。 未编号帧(U帧):用来传送链路控制信息。 I帧的控制段包含帧(正在发送的帧)的序号N(S)以及发送侧正在等待接收的帧序号N(R)。 S帧仅包含准备接收的帧序号N(R)。S帧中的SS比特是监视功能编码(SS=00表示接收准备好RR,SS=10表示接收末准备好RNR,SS=01表示接收拒绝REJ)。 U帧中的5个M比特是链路控制功能的编码。包括:置异步平衡方式(SABM)、断链(DISC)、已断链(DM)、无编号确认(UA)、帧拒绝(FRMR)等。其中,SABM、DISC分别用于建立链路和断开链路,均为命令帧;后三种为响应帧,其中UA和DM分别为对前两个命令帧的肯定和否定响应,帧拒绝(FRMR,Frame Reject)表示接收到语法正确但语义不正确的帧,它将引起链路的复原。

  20. 4、信息段I 信息段I仅在I帧中出现,用来传送高层用户的数据(分组层的信息) 5、帧检验段FCS FCS是错误检测码,占16比特,由发送端根据所需发送的数据内容,按照一定的算法计算而产生。接收端只需将收到的数据和FCS的值按照同样的算法进行计算,就能发现传输中的错误。 计算FCS的算法与No.7信令系统第2级中计算校验码CK的算法相同。

  21. 四.分组层 X.25的分组层将一条数据链路按统计时分复用的方式划分为许多个逻辑信道,允许多个用户同时使用数据信道,以充分利用逻辑链路的传输能力和交换机资源,实现通信能力和资源的按需分配。分组层的功能如下: 1.在X.25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道,并通过逻辑信道号(LCN)区分与每个逻辑信道有关的分组; 2.为每个逻辑信道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; 3.提供交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC),提供建立和清除交换虚电路连接的方法; 4.监测和恢复分组层的差错。 交换虚电路(SVC)需要在每次通信前建立虚电路,对于SVC,分组层的操作包括三个阶段:呼叫建立、数据传输和呼叫清除。 永久虚电路(PVC)由运营商的网管静态设置,对于PVC,只有数据传输阶段的操作。

  22. 7.3 帧中继

  23. 7.3.1帧中继技术发展的背景 通信网以模拟通信为主的时代背景的主要问题: 数据传输的信道大多数是频分制电话信道,信道带宽低,误码率高 终端功能简单 为了满足通信的要求,X.25协议规定了丰富的控制功能,通过X.25协议的控制,一方面实现了信道的多路复用,另一方面把误码率提高到小于10-11水平,满足了绝大多数数据通信的要求。 但是X.25协议规定了复杂的控制功能,增加了分组交换机处理的负担,使分组交换机的吞吐量和中继线速率的进一步提高受到了限制,使分组的传输时延比较大。 20世纪80年代以来,数字通信、光纤通信及计算机技术取得了飞速的发展 计算机终端的智能化和处理能力不断提高,使得终端系统完全有能力完成原来由分组网节点所完成的功能。 高性能光纤传输系统的大量使用,使得传输质量极大提高,从而可以把差错纠正放到端系统去完成,以提高节点的转发效率。 开始研究新的分组交换技术以适应新的传输和交换要求。 帧中继就是一种新的快速分组交换技术。

  24. 7.3.2帧中继的协议栈和帧格式

  25. 一.帧中继协议栈结构 帧中继的设计思想非常简单,帧中继将用户平面和控制平面的分离 用户平面用来完成用户信息的传输 增加了控制平面来完成信令信息的处理、传送和管理,信令用于逻辑连接的建立和拆除。

  26. 帧中继协议栈的结构 帧中继在用户平面采用数据链路核心协议,将X.25网络的下三层协议进一步简化,取消了网络节点的差错控制、流量控制功能,网络只进行差错检查,当检查到差错时将出错的帧丢弃,并将X.25网络第三层的虚电路复用和路由选择的功能交由第二层完成。 控制平面完成信令信息的处理、传送和管理,信令用于逻辑连接的建立和拆除。

  27. 帧中继的帧格式 标志段F用于帧的定界,每一帧的开始和结束都是标志段F。 数据链路连接标识DLCI主要用来标志同一通路上的不同的虚电路连接。 后向显式拥塞通知比特(BECN)置1,则指示接收者与该帧相反方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响 当DE置1表明在网络发生拥塞时,为了维持网络的服务水平,该帧应先丢弃 前向显式拥塞通知比特(FECN)置1,则表明与该帧同方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响 包含用户数据,可以是任意的比特序列,但其长度必须是整数字节

  28. 三.帧中继协议的功能 帧中继将用户平面和控制平面的分离 在用户平面采用的是数据链路核心协议-LAPF核心。 在控制平面使用独立的逻辑通道,包含数据链路层和网络层 在数据链路层,为了确保控制信息可靠传递,使用具有差错控制和流量控制的基于D信道的链路接入规程LAPD 网络层的呼叫控制协议采用Q.933协议。

  29. 数据链路核心协议-LAPF核心 LAPF核心用以支持帧中继的数据传送,其功能十分简单。主要包括: ①帧定界、定位和透明传送; ②利用DLCI进行帧复用和解复用; ③检验帧不超长、不过短,且为8b的整数倍; ④利用FCS检错,如发现有错,则丢弃; ⑤利用FECN和BECN通知被叫用户和主叫用户网络发生拥塞; ⑥利用DE位实现帧优先级控制。

  30. 呼叫控制协议Q.933 呼叫控制协议的功能是建立和释放SVC。 呼叫控制协议协议消息在DLCI=0的专用信令链路上传送,用来建立和释放用户平面上的虚电路连接。 目前帧中继网主要提供永久虚电路(PVC)业务,每一个节点机中都存在PVC路由表,每一个节点机中的PVC路由表是由网络管理部门建立的。

  31. 7.3.3 帧中继交换原理 帧中继采用统计复用技术, 每一条线路和每一个物理端口可容纳许多虚电路,用户之间通过虚电路进行连接。 在每一帧的帧头中都包含虚电路号--数据链路连接标识符(DLCI),这是每一帧的地址信息。帧中继的虚电路是由多段DLCI的逻辑连接链接而构成的端到端的逻辑链路。 目前帧中继网主要提供永久虚电路(PVC)业务,每一个节点机中都存在PVC路由表,每一个节点机中的PVC路由表是由网络管理部门建立的。 在PVC路由表中包含每一条虚电路的输入链路号和在该输入链路上的DLCI值及对应的输出链路号和在输出链路上的DLCI值。 当帧进入网络时,节点机通过DLCI值查找PVC路由表,从而确定帧的发送链路,在PVC路由表中找出对应的下段PVC的号码DLCI,并变换数据帧中的DLCI值,然后将帧准确地送往下一节点机。

  32. 帧中继交换的示意

  33. 7.4 ATM

  34. ATM的基本工作原理 ATM是英文“Asynchronous Transfer Mode”(异步转送方式)的缩写。 在这种转送方式中,信息被组织成固定长度的信元在网络中传输和交换 异步的的含义是来自一个特定用户的信息的信元不需要周期性地出现。

  35. 1.信元 在ATM中,信元是信息传输、复用和交换的基本单位。 每个信元都具有固定的长度,总是53个字节,5个字节是信头(Header),48个字节是信息域(Information field)。 信头中包含这个信元的路径信息,优先度、一些维护信息和信头的纠错码。 信息段中包含用户需传送的信息内容,这些信息透明地穿过网络。

  36. 2.复用 ATM采用异步时分复用方式。 由于采用异步时分复用,每个用户需发送信元的时间是随机的,就可能发生碰撞

  37. 3.交换 ATM采用面向连接的方式工作,交换节点完成的是虚电路的交换,同一虚电路上的所有信元都选择同样的路由,经过同样的通路到达目的地。

  38. 永久(半永久)虚电路和交换虚电路 永久(半永久)虚电路是由网络管理人员在网络管理中心控制完成的准静态连接,交换虚电路是由网络用户通过信令控制改变的动态连接。 一般将完成永久连接或半永久连接的设备称为ATM交叉连接设备,ATM交叉连接设备接受网络管理中心的控制,其信头翻译表是由网络管理中心来控制的。 一般将完成动态连接的设备称做ATM交换机,ATM交换机由信令来控制,其信头翻译表是由ATM交换机中的控制部分通过接收到的信令来建立的。

  39. 二 ATM信元的结构 在信头中主要包含一般流量控制域GFC、虚通道标识符VPI、虚信道标识符VCI、载荷类型指示PTI、信元丢弃优先级CLP和头错误检查HEC。

  40. 信头中各个域的用途 (1)一般流量控制域GFC 用于控制用户向网上发送信息的流量。 (2)虚通道标识符VPI和虚信道标识符VCI 虚通道标识符VPI和虚信道标识符VCI用来将一条传送ATM信元的信道划分为多个子信道,每个子信道相当于分组网中的一条虚电路。 具有相同的VPI和VCI的信元属于同一条虚电路。

  41. (3)载荷类型指示PTI

  42. (4)信元丢弃优先级CLP CLP占一个比特,用以表示信元的优先级,当CLP为1时,表示该信元具有较低的优先级,当网络出现拥塞时将先被丢弃,CLP值为0的信元具有较高的优先级,网络尽可能不将其丢弃。 (5)头错误检查HEC HEC占8个比特,用来检测信头的传输错误。HEC采用的是一种循环冗余码CRC,其产生方法是将信头的前4个字节的内容和X8相乘后被生成多项式(X8十X2十X十1)除,所得的余数与010l0101模2加后的值就是HEC。 利用HEC可以纠正单个比特的错误并检测多个比特的错误。 信元定界也是基于信头中前4个字节和HEC的关系来完成的。

  43. 三.与电路交换方式和分组交换方式的比较

  44. 1.电路交换方式 电路交换方式长期以来用于电话网。电路交换方式的基本特征是将电路作为传输、复用和交换的基本单位。所谓电路,在采用时分复用方式的线路上指的是具有固定比特率的一个时隙。

  45. 电路交换的特点: (1)在通信开始时应首先建立连接,在通信结束时应释放连接。 、 (2)一个连接在通信期间始终占用某一固定的数字子信道,这些数字子信道是依据其在时间轴上的位置来确定的。 (3)一旦连接建立以后,信息在系统中的传输时延基本上是一个恒定值。 (4)同步时分复用系统中的各个子信道的速率是固定分配的。不可能在不改变这个系统的情况下临时调配各个子信道的速率。 (5)交换节点对传输中出现的错误不进行校正,对节点的处理要求简单。

  46. 2.分组交换方式 分组交换方式的特点是以分组作为通信网中传输、复用和交换的基本单位。 分组,指的是定长或不定长的数据段。每个分组中除了包含用户需传送的信息外,还包含一个分组头,在分组头中包含有一个链路标识符,用以标志该分组传送的信息属于哪一个虚电路。 经过上述划分的信道称为标志化信道。在标志化信道中,信息属于哪一个信道和它在时间轴上的位置没有必然的联系。

  47. 分组交换的基本特点是: (1)分组交换采用的是统计复用方法,可以将信道按照需要动态地分配给条虚电路,信道利用率较高。 (2)在分组交换中普遍采用逐段反馈重发的措施,以保证数据传输是无差错的。所谓逐段反馈重发,是指在数据分组经过的每个节点都对数据分组进行检错,在发现错误后要求对端重新发送。 (3)分组数据在通信网中传送的时延是随机的,这主要是因为数据分组在交换节点有可 能要排队等待,另外,逐段反馈也可能引入附加的时延。 (4)由于要进行逐段差错控制,交换节点的处理负担较重。

  48. ATM的特点 1.采用统计时分复用方式 2.取消了逐段的差错控制和流量控制,信头的功能被简化 3.采用面向连接的方式 4.有较强的流量控制功能,能保证业务的服务质量 5.信元长度固定,信息段长度短

  49. ATM协议结构 在ATM协议参考模型中包含有物理层、ATM层、ATM适配层AAL和高层。