1、分组交换技术1 概述概述 2 分组交换原理分组交换原理 3 X.25协议协议 4 帧中继技术帧中继技术 5.1 概述v分组交换PS(Packet Switching)技术的研究是从20世纪60年代开始的。适合于进行远距离数据通信的技术.v分组交换技术是一种存储转发的交换技术，它结合了电路交换和早期的存储转发交换方式报文交换的特点，克服了电路交换线路利用率低的缺点，同时又不像报文交换那样时延非常大。分组的形成分组的形成v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），如图所示。u 分组交换的优缺点分组交换的优缺点 1.分组交
2、换的优点分组交换的优点(1)线路利用率较高。分组交换在线路上采用动态统计时分复用的技术传送各个分组，因此提高了传输介质(包括用户线和中继线)的利用率(2)异种终端通信。由于采用存储转发方式，不需要建立端到端的物理连接，因此不必像电路交换中那样，通信双方的终端必须具有同样的速率和控制规程。(3)数据传输质量好、可靠性高(4)负荷控制(5)经济性好2分组交换的缺点分组交换的缺点v信息传送时延大 分组在每个节点机内都要经历存储、排队、转发的过程v用户的信息被分成了多个分组，每个分组附加的分组头都需要交换机进行分析处理，从而增加了开销v分组交换技术的协议和控制比较复杂 有流量控制，差错控制，还有代码、
3、速率的变换方法和接口，网络的管理和控制的智能化等协议5.2 分组交换原理分组交换原理u统计时分复用统计时分复用 是采用动态分配(即按需分配)，只有在用户有数据传送时才给它分配资源.每个终端的数据使用一个自己独有的“标记”，各个用户数据是以分组头中的“标记”来区分的.优点:获得较高的信道利用率 缺点:产生附加的随机时延并且有丢失数据的可能by21xa复用器ba21yx终端A终端B终端C空闲标记图5.1 统计时分复用u 逻辑信道逻辑信道 在一条共享的物理线路上，实质上形成了逻辑上的多条子信道，各个子信道用相应的号码表示,即逻辑信道号LCN 逻辑信道号LCN:由逻辑信道群号及群内逻辑信道号组成终端终
4、端1终端2终端n255254201255254201进程进程进程逻辑信道线路计算机图5.2 逻辑信道的概念示意v逻辑信道具有如下特点：在终端每次呼叫时，根据当时的实际情况分配LCN,每次呼叫可以分配不同的逻辑信道号.同一个终端可以同时通过网络建立多个数据通路，它们之间通过LCN来进行区分只具有局部意义总是处于下列状态中的某一种：“准备好”状态、“呼叫建立”状态、“数据传输”状态、“呼叫清除”状态。u虚电路和数据报虚电路和数据报1虚电路方式虚电路方式用户的通信需要经历连接建立、数据传输、连接拆除三个阶段，也就是说，它是面向连接的方式。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
5、：Switch Virtual Circuit），又称为虚呼叫（Virtual Call），另一种是永久虚电路（PVC：Permanent Virtual Circuit）。cba3213 2 13 2 1cba节点机3节点机4终端A终端C节点机1节点机2节点机5终端B终端DVC1VC23 2 1c b a3 2 1c b a图5.3 虚电路示意图v虚电路的特点(1)虚电路的路由选择仅仅发生在虚电路建立的时候，在以后的传送过程中，路由不再改变(2)所有分组遵循同一路由，分组将以原有的顺序到达目的地，终端不需要进行重新排序，分组的传输时延较小。(3)一旦建立了虚电路，每个分组头中不再需要有详细的
6、目的地地址，而只需有逻辑信道号就可以区分每个呼叫的信息，这可以减少每一分组的额外开销。(4)虚电路是由多段逻辑信道构成的，每一个虚电路在它经过的每段物理链路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级连构成了端到端的虚电路。(5)虚电路的缺点是当网络中线路或者设备发生故障时，可能导致虚电路中断，必须重新建立连接。(6)虚电路的使用场合：虚电路适用于一次建立后长时间传送数据的场合，其持续时间应显著大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。2.数据报方式数据报方式 每一个数据分组中都含有终点地址信息节点根据分组中包含的终点地址为每一个分组独立地寻找路由，同一用户的不同分组可能沿着不同的路径到达终点,在网络
7、的终点需要重新排队，组合成原来的用户数据信息c b a节点机1节点机2节点机4cba节点机3c b a终端A终端B图5.4 数据报方式示意图u路由选择在选择路由算法时,需考虑三个方面:(1)路由选择准则 以跳数或以链路状态为准则(2)路由选择协议 依据路由选择的准则,在节点之间进行路由信息的收集和发布的规程和方法(3)路由选择算法 如何获得一个准则参数最小的路由.有集中式和分布式v路由选择方法固定型算法1)洪泛法 不需路由表,可靠性很高2)随机路由选择 按照一定的概率从中选择一条链路发送分组.不需路由表,有良好的健壮性.但选出的路由并不是最优的.3)固定路由表算法 是静态路由算法中最常用的.路
8、由表是在整个系统进行分配生成的,并基本保持不变.自适应路由算法 路由选择根据网络情况的变化而变化.优点:1)提高网络性能 2)有助于拥塞的控制最短路径算法 最佳路由流量控制与拥塞控制u流量控制的作用流量控制的作用防止网络吞吐量下降和传输时延增加避免网络死锁网络及用户之间的速率匹配u流量控制的层次流量控制的层次段级:相邻节点间信息流量的控制沿到沿级:网络源节点与网络目的节点接入级:从DTE到网络源节点端到端级:从源DTE到目的DTE之间拥塞的影响拥塞的影响 u流量控制方法滑动窗口机制:用于DTE和相邻节点之间,DTE和DTE之间缓冲区预约方式:用于源节点到目的节点之间许可证:适用于DTE到网络源
9、节点之间v拥塞控制方法v从拥塞节点向部分或所有源节点发送一个控制分组v根据路由选择信息调整新分组产生的速率v利用探测分组控制拥塞v在分组经过时添加拥塞指示消息LAN路由器ABC路由器LAN广域网源端BECNFECN拥塞目的端拥塞通知分组交换的工作过程分组交换的工作过程5.3 X.25 协协 议议vX.25建议是数据终端设备DTE(Digital Terminal Equipment)与数据电路终接设备DCE(Data Circuit-terminating Equipment)之间的接口协议。vX.25协议分为三层：物理层，链路层和分组层，分别和OSI的下三层一一对应，分组层数据链路层帧级协议
10、分组层数据链路层物理层物理层物理级协议物理媒介X.25高层协议与远程DTE之间的高层协议分组级协议DTEDCE图5-13 X.25协议的分层结构X.25的物理层的物理层v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）。u数据链路层数据链路层v链路层规定了在DTE和DCE之间的线路上交换X.25帧的过程。v主要功能有：在DTE和DCE之间有效地传输数据；确保接收器和发送器之间信息的同步；监测和纠正传输中产生的差错；识别并向高层协议报告规程性错误；向分组层通知链路层的
11、状态。LAPB帧结构X.25的链路层采用了高级数据链路控制规程HDLC帧结构，并推荐它的一个子集平衡型链路接入规程LAPB(Link Access Procedures Balanced)作为链路层规程。它通过置异步平衡方式(SABM)命令要求建立链路。用LAPB建立链路只需要由两个站中的任意一个站发送SABM命令，另一站发送UA响应即可以建立双向的链路。FACIFCSF帧头信息字段帧尾图 LAPB的帧结构 (1)标志F：编码为01111110，所有的帧都应以F开始和结束。(2)地址字段A：由一个8比特组组成，表示响应站的链路层地址。(3)信息字段I：在X.25中，长度限额一般为一个分组长度，
12、即128字节或256字节。(4)帧校验序列FCS：FCS采用循环冗余码，可以用移位寄存器实现。(5)控制字段C：由一个8比特组组成，主要作用是指示帧的类型。v信息帧(I帧)：由帧头、信息字段I和帧尾组成。I帧用于传输高层的信息，即在分组层之间交换的分组，分组包含在I帧的信息字段中。C字段的第1个比特为“0”v监控帧(S帧)：没有信息字段，其作用是用来保护I帧的正确传送.C字段的第2、1位为“01”v无编号帧(U帧)：其作用不是用于实现信息传输的控制，而是用于实现对链路的建立和断开过程的控制.C字段的第2、1位为“11”分 类 名 称 缩写 作 用 信息帧 I 帧 传输用户数据 接收准备好 RR
13、 向对方表示已经准备好接收下一个 I 帧 接收未准备好 RNR 向对方表示“忙”状态，这意味着暂时不能接收新的 I 帧 监控帧 拒绝帧 REJ 要求对方重发编号从 N(R)开始的 I 帧 置异步平衡方式 SABM 用于在两个方向上建立链路 断链 DISC 用于通知对方，断开链路的连接 已断链方式 DM 表示本方已与链路处于断开状态，并对 SABM 做否定应答 无编号确认 UA 对 SABM 和 DISC 的肯定应答 无编 号帧 帧拒绝 FRMR 向对方报告出现了用重发帧的办法不能恢复的差错状态，将引起链路的复原 X.25数据链路层的帧类型数据链路层的帧类型链路操作过程链路操作过程 数据链路层的
14、操作分为三个阶段：链路建立，帧的传输和链路断开。1)链路建立 DTE通过发送连续的标志F来表示它能够建立数据链路。2)帧的传输 当链路建立之后，就进入信息传输阶段，即在DTE和DCE之间交换I帧和S帧。DTEDCESABMUA链路建立的过程3)链路断开过程 链路断开过程是一个双向的过程，可由任意方发起。DTEDCEDISCUA链路断开的过程分组层分组层 X.25的分组层利用链路层提供的服务在DTEDCE接口上交换分组。它将一条数据链路按统计时分复用的方法划分为许多个逻辑信道，允许多台计算机或终端同时使用，实现通信能力和资源的按需分配。v分组层功能:提供逻辑信道提供有效的分组传输提供交换虚电路(
15、SVC)和永久虚电路(PVC)监测和恢复分组层的差错分组格式分组格式由分组头和分组数据两部分组成87654321GFILCGNLCN分组类型识别符分组数据分组头(1)通用格式识别符GFI：包含4 bit，Q=0时为用户数据，Q=1时为控制信息。D=0表示数据分组由本地确认(在DTEDCE接口上确认)，D=1表示数据分组进行端到端(DTEDTE)确认。SS=01表示按模8方式工作，SS=10表示按模128方式工作。(2)逻辑信道群号LCGN和逻辑信道号LCN：共12 bit，用于区分DTEDCE接口上许多不同的逻辑信道。X.25分组层规定一条数据链路上最多可分配16个逻辑信道群，每群内最多可有2
16、56条逻辑信道，除了第0号逻辑信道有专门用途外，其余4095条逻辑信道均可分配给虚电路使用。(3)分组类型识别符：共8 bit，用来区分各种不同的分组。X.25的分组层共定义了4大类30个分组。表表5.3 X.25定义的分组类型定义的分组类型分组层操作过程分组层操作过程 X.25支持两类虚电路连接：交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)。SVC要在每次通信时建立虚电路，操作包括呼叫建立、数据传输、呼叫清除三个阶段.PVC是由运营商设置好的，不需要每次建立。只有数据传输阶段的操作，无呼叫建立和清除过程。1)SVC的呼叫建立过程 当主叫DTE1想要建立虚呼叫时，它就在至交换机A的线路上选择一个
17、逻辑信道(图中为253)，并发送呼叫请求分组GFI LCGN LCN 0 0 0 0 1 0 1 1 主叫 DTE 地址长度 被叫 DTE 地址长度 被叫 DTE 地址 被叫 DTE 地址 0 0 0 0 主叫 DTE 地址 主叫 DTE 地址 0 0 0 0 其它信息 DTE1253入LCNB出20LCNCLCN/20ABDA20入LCNC出78LCN表(b)LCN/253DTE1(主叫)DTE2(被叫)B78入LCNDTE2出10LCN表(a)表(c)呼叫请求分组LCN/253建立LCN/20建立LCN/78入呼叫LCN/10呼叫接受LCN/10接受LCN/78接受LCN/20呼叫连接LC
18、N/253LCN/78LCN/10 2)数据传输阶段 当主叫DTE和被叫DTE之间完成了虚呼叫的建立之后，就进入了数据传输阶段，DTE 和DCE对应的逻辑信道就进入数据传输状态。此时，在两个DTE之间交换的分组包括数据分组、流量控制分组和中断分组。3)SVC的呼叫清除过程 在虚电路任何一端的DTE都能够清除呼叫。呼叫清除过程将导致与该呼叫有关的所有网络信息被清除，所有网络资源被释放。清除请求清除清除清除指示清除证实证实证实清除证实DTE1(主叫)交换机A交换机B交换机CDTE2(被叫)X.25X.255.4 帧中继技术帧中继技术 u 帧中继的基本原理及技术特点帧中继的基本原理及技术特点 帧中继
19、是在OSI参考模型第二层(数据链路层)的基础上采用简化协议传送和交换数据的一种技术，由于第二层的数据单元为帧，故称之为帧中继。它是X.25分组网在光纤传输、用户终端日益智能化的条件下的发展。它仅完成物理层和链路层核心层的功能，而将流量控制、纠错等复杂的控制交给智能终端去完成，大大简化了节点机之间的协议。协议简化 只有两个层次：物理层和数据链路层用户平面和控制平面的分离Q.931/Q.933用户可选的终端功能Q.921Q.922核心功能1.430或1.431用户侧Q.922核心功能Q.921Q.931/Q.9331.430或1.431网络侧C平面U平面U平面C平面帧中继与X.25比较:传送的基本
20、单元为帧，帧的长度是可变的，允许的最大长度为l KB，要比X.25网的缺省分组128 B长，减少了分段与重组的处理开销。在数据链路层完成动态统计时分复用、帧透明传输和差错检测。帧中继网内节点若检测到差错，就将出错的帧丢弃，不采用重传机制，减少了帧序号、流量控制、应答等开销.降低了网络时延。X.25网产生的时延为510 ms，帧中继节点的处理时延小于1 ms。v帧中继技术提供了一套有效的带宽管理和拥塞控制机制v帧中继现在可提供用户的接入速率在 64 kb/s2.048 Mb/s范围内v帧中继采用了面向连接的工作模式，可提供PVC业务和SVC业务。帧中继包括两个操作平面：控制平面(C-plane)
21、：用于建立和释放逻辑连接，传送并处理呼叫控制消息；用户平面(U-plane)：用于传送用户数据和管理信息。1)控制平面 控制平面(简称C平面)包括三层。第3层规范使用ITU-T的建议Q.931/Q.933定义了帧中继中的信令过程，包括提供永久虚连接PVC业务的管理过程，交换虚连接SVC业务的呼叫建立和拆除过程。第2层的Q.921协议是一个完整的数据链路协议D信道链路接入规程LAPD(Link Access Procedures on the D-channel)，它在C平面中为Q.931/Q.933的控制信息提供可靠的传输。C平面协议仅在用户和网络之间操作。2)用户平面 用户平面(简称U平面)
22、使用了ITU-T Q.922协议，即帧方式链路接入规程LAPF(Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services)，帧中继只用到了Q.922中的核心部分，称为DL-Core。帧中继的帧格式帧中继的帧格式DLCIC/REA87654321DLCIDEEAFECN BECN第1字节第2字节F87654321AIFFCSDLCI(高阶比特)C/R EA0 DLCI(低阶比特)FECN BECN DE EA1 (1)数据链路连接标识符DLCI(Data Link Connection Identifier)：当采用2字节的地址字段时，DLCI占1
23、0位，其作用类似于X.25中的LCN，用于识别UNI接口或NNI接口上的永久虚连接、呼叫控制或管理信息。其中，DLCI=161007共992个地址供帧中继使用，在专设的一条数据链路连接(DLCI0)上传送呼叫控制消息，其它值保留或用于管理信息。与X.25的逻辑信道号LCN相似，对于标准的帧中继接口，DLCI只有局部(或本地)意义。(2)命令/响应(C/R)：命令/响应与高层应用有关，帧中继本身并不使用，它透明通过帧中继网络。(3)扩展地址EA：当EA为0时，表示下一个字节仍为地址字段；当EA为1时，表示下一个字节为信息段的开始。依照此法，地址字段可扩展为3字节或4字节。(4)正向显式拥塞通知F
24、ECN：用于帧中继的拥塞控制，用来通知用户启动拥塞控制程序。若某节点将FECN置为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产生时延。(5)反向显式拥塞通知BECN：若某节点将BECN置为1，即指示接收端，与该帧相反方向传输的帧可能受网络拥塞的影响产生时延。(6)丢弃指示DE：用于帧中继网的带宽管理。若DE为1，则表明网络发生拥塞时，为了维持网络的服务水平，该帧与DE为0的帧相比应先丢弃。帧中继相关协议帧中继相关协议vQ.922中核心部分(DL-Core)的功能 DL-Core的功能包括：(1)帧定界、同步和透明传输；(2)用地址字段实现帧多路复用和解复用；(3)对帧进行检测，确保0
25、比特插入前/删除后的帧长是整数个字节；(4)对帧进行检测，确保其长度不致于过长或过短；(5)检测传输差错，将出错的帧舍弃(帧中继中不进行重发)；(6)拥塞控制。v呼叫控制协议 用来建立和释放SVC,属于高层信令协议,在DLCI=0的专用信令链路上传送.呼叫建立消息共有3个：setup(呼叫建立)，call proceeding(呼叫进展)和connect(连接)。呼叫释放消息也有3个：disconnect(拆链)，release(释放)和release complete(释放完成)。v本地管理协议(LMI)负责将故障状态的变化及PVC的调整通知用户.属于高层协议,在DLCI=0的专用信令链路上
26、传送.LMI管理协议定义了两个消息：状态询问STATUS ENQUIRY消息和状态响应消息STATUS。setupproceedingcallconnectsetupconnect主叫用户网络被叫用户(a)disconnectreleasedisconnectrelease用户网络用户(b)completereleasecompletereleaseSVC的建立和释放过程(a)建立过程；(b)释放过程LAN路由器ABC路由器LANENQUIRYSTATUSSTATUS广域网帧中继的交换原理帧中继的交换原理v帧的转发过程 帧中继采用虚电路方式，向用户提供面向连接的数据链路层服务。它是在链路层进行
27、统计复用的，这些复用的逻辑链路是用DLCI来标识的。DLCI并不指示目的地址，而是标识用户和网络节点以及节点与节点之间的逻辑虚连接.DLCI具有本地意义.帧中继中的虚连接是由各段的DLCI级连构成的.帧中继网只提供PVC时，每一个帧中继交换机中都存在PVC转发表.帧中继网中，一般都由路由器作为用户，负责构成帧中继的帧格式。路由器在帧内置 DLCI值，将帧经过本地UNI接口送入帧中继交换机，如图所示,建立了三条PVC：PVC1为路由器1到路由器2：2535；PVC2为路由器1到路由器3：35455565；PVC3为路由器1到路由器4：203040。FR CFR ALAN1LAN3LAN4LAN2
28、路由器1路由器 4路由器3路由器 2PVC1PVC2PVC3203525304535556540帧中继网FR B表a 交换机A的转发表输入端DLCI输出端DLCI路由器120交换机B30路由器125路由器235路由器135交换机B45表c 交换机C的转发表输入端DLCI输出端DLCI交换机B55路由器365表b 交换机B的转发表输入端DLCI输出端DLCI交换机A30路由器440交换机A45交换机C55带宽管理和拥塞控制v带宽管理 带宽管理是指网络对每条虚连接上传送的用户数据量进行监控，以保证带宽资源在用户间的合理分配。使用下列约定的4个参数：(1)承诺的时间间隔时Tc (2)承诺的信息速率CIR (3)承诺的突发长度Bc (4)超量突发长度Be用户接入速率允许最大的信息传送速率承诺的信息速 率被丢掉的帧可能丢掉的帧标记DE1确保传送的帧DE0tT0TcT0BcBcBe比特图5.31 帧中继的带宽管理v拥塞控制网络发现拥塞和控制拥塞的措施有(1)显式拥塞通知。在发生轻微拥塞的情况下，网络利用帧结构中的拥塞指示位FECN、BECN来通知端点用户。(2)丢弃DEl的帧。若发生严重拥塞，除继续采用FECN、BECN来通知用户外，网络将丢弃DE=1的帧来对自身进行保护。LAN路由器ABC路由器LAN广域网源端BECNFECN拥塞目的端图 显式拥塞通知作业:P140 2,3,6,8,9
