1、 第20章数据通信网与数据 通信交换技术20.1数据通信网与计算机通信网数据通信网与计算机通信网20.2数据交换数据交换20.3数据通信网数据通信网20.4帧中继网帧中继网20.5数字数据网（数字数据网（DDN）20.6ATM通信网通信网本章小结本章小结 20.1 数据通信网与计算机通信网数据通信网与计算机通信网1.数据通信网的概念数据通信网是由分布在不同地点的数据终端设备、数据交换设备及通信线路等组成的通信网，它们之间通过网络协议实现网中各设备的数据通信。图20.1.1为数据通信网的一般结构，图中的节点是能完成数据传输和交换功能的设备。通过这些节点，与之相连的计算机或数据终端之间可进行数据通
2、信。图20.1.1 数据通信网结构2.计算机通信网将分布在不同地理位置的、具备独立功能的多台计算机、终端及其附属设备通过数据通信互连起来，可实现硬件与软件资源共享的计算机系统称为计算机通信网，它是计算机技术与通信技术相结合的产物。对于计算机通信网，目前尚未有一个明确的定义，但通常可以认为计算机通信网是用通信线路和网络连接设备将分布在不同地点的多台独立式计算机系统相互连接，按照网络协议进行数据通信，实现资源共享，为用户提供各种应用服务的信息系统。计算机通信网可分为不同形式，通常按网络规模和作用范围可将计算机通信网分为局域网(Local Area Network,LAN)、城域网(Metropol
3、itan Area Network,MAN)和广域网(Wide Area Network,WAN)。计算机通信网由通信子网和资源子网构成，其基本结构如图20.1.2所示。通信子网的主要功能是完成数据的传输、交换及通信控制，实际上也就是数据通信网。资源子网的主要任务是提供所需要共享的硬件、软件和数据等资源，并进行数据的处理。在使用计算机通信时，用户将整个网络看做是由若干个功能不同的计算机系统的集合，计算机通信网中的各个计算机子系统是相对独立的，它们形成一个松散结合的大系统。图20.1.2中的用户子网又称为资源子网，由许多设备诸如个人计算机、服务器、大型计算机、工作站和智能终端等组成，它们是网络中
4、信息传输的信源或信宿。用户子网通过通信子网实现用户的主机互连，从而达到资源共享的目的。图20.1.2 计算机通信网的一般结构20.2 数数 据据 交交 换换20.2.1 数据交换方式数据交换方式1.公用电话网的数据交换公用电话网(Public Switched Telephone Network,PSTN)是目前最普及的通信网络，为了充分利用PSTN的通信资源，可利用该通信网络进行数据传输。利用PSTN进行数据传输和交换，具有投资少、实现简易和使用方便的优点，它是数据通信常用的方法之一。PSTN的数据通信存在着传输速率低（目前最高速率仅为56 kb/s）、误码率高（误比特率一般在103105之
5、间）、接通率受限等缺点。针对上述缺点，推出了适合数据通信业务的公用数据网。2.公用数据网的数据交换公用数据网(Public Data Network,PDN)的数据交换有电路交换和存储转发交换两种方式。电路交换方式是指两台数据终端在相互通信之前，需预先建立起一条物理链路，在通信中独享该链路进行数据信息传输，通信结束后再拆除这条物理链路。电路交换方式分为空分交换方式和时分交换方式，其交换原理和技术与电话交换相似。存储转发交换方式分为报文交换方式、分组交换方式及帧方式。20.2.2 报文交换报文交换1.报文交换原理报文交换原理如图20.2.1所示。交换机中的通信控制器探询各条输入用户线路，若某条用
6、户线路有报文输入，则向中央处理机发出中断请求，并逐字把报文送入内存储器。图20.2.1 报文交换原理一旦接收到报文结束标志，则表示该份报文已全部接收完毕，中央处理机对报文进行处理，如分析报头、判别和确定路由、输出排队表等，然后将报文转存到外部大容量存储器，等待一条空闲的输出线路。一旦线路空闲，就再把报文从外存报文交换机存储调入内存储器，由通信控制器将报文从线路发送出去。在报文交换中，由于报文是经过存储的，因此通信不是交互式或实时的。对于报文交换，来自交换机不同输入线路的报文可在同一条输出线路，它们需要在交换机内部要排队等待发送，发送方式一般本着先进先出的原则。在局间中继线上，不同用户的报文占用
7、同一条线路（或通信链路）进行传输，在传输时采用统计时分复用技术将不同用户的报文复用在一起。不过，对不同类型的信息可以设置不同的优先等级，优先级高的报文可缩短排队等待时间。采用优先等级方式也可以在一定程度上支持交互式通信，在通信高峰时也可把优先级低的报文送入外存储器排队，以减少由于繁忙引起的阻塞。报文交换机主要由通信控制器、中央处理机和外存储器等组成，如图20.2.2所示。图20.2.2 报文交换机原理2.报文交换的优缺点（1）不同类型的数据终端设备间可相互进行通信。因为报文交换机具有存储和处理能力，可对输入/输出电路上的速率、编码格式进行变换。（2）报文交换无电路接续过程，来自不同用户的报文可
8、以在同一条线路上以报文为单位实现统计时分多路复用，线路可以以它的最高传输能力工作，大大提高了线路利用率。（3）用户不需要叫通对方就可以发送报文，无接续不成功的无呼损发生。（4）可实现同文报通信的多点传输，即同一报文可以由交换机转发到不同的收信地点。报文交换主要有以下缺点：（1）信息的传输时延大，而且时延的变化也大。（2）要求报文交换机有高速处理能力，且缓冲存储器容量大，从而导致了交换设备的成本、费用较高。因此，报文交换不利于实时通信，它较适用于公众电报和电子信箱业务。20.2.3 分组交换分组交换电路交换具有接续时间长、线路利用率低且不利于不同类型终端相互通信的缺点，而报文交换又具有传输时延太
9、长、不满足许多数据通信系统实时性要求的缺陷。分组交换技术既能提高接续速度，线路利用率高，又能减小传输时间，并且不同类型的终端能相互通信，它将电路交换与报文交换的优点结合在了一起，成为了数据交换中一种重要的交换方式。1.分组交换原理分组交换依然采用“存储转发”的方式，与以报文为单位的交换方式不同，而是把报文分割成了若干个比较短、规格化了的“分组”进行交换和传输，这些分组又称为“包”，所以分组交换也可称为包交换。分组交换是以分组为单位进行存储转发的，当用户的分组到达交换机时，先将分组存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路有空闲时，再将该分组发向接收交换机或用户终端。分组是由分组头和其后的用户数
10、据部分组成的。分组头包含接收地址和控制信息，其长度为310 B(Byte)，数据部分长度一般是固定的，平均为128 B，最大不超过256 B。一般，“分组”经交换机或网络的时间很短，通常一个交换机的平均时延为数毫秒或更短，所以，它能满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性要求。分组交换的工作原理如图20.2.3所示。图20.2.3 分组交换工作原理假设分组交换网有3个交换中心，交换中心的分组交换机编号分别为l、2、3；有4个数据用户终端，分别为A、B、C、D，其中B和C为分组型终端，A和D为一般终端；分组型终端以分组的形式发送和接收信息，而一般型非分组型终端发送和接收的不是分组，而是报文。所
11、以，一般型非分组型终端发送的报文要由分组装/拆设备PAD将其拆成若干个分组，以分组的形式在网中传输和交换，若接收终端为一般型非分组型终端，则由PAD将若干个分组重新组装成报文再送给一般型非分组型终端。在图20.2.3中，有两个通信过程，分别是非分组型终端A和分组型终端C之间的通信，以及分组型终端B和非分组型终端D之间的通信。非分组型终端A发出带有接收终端C地址的报文，分组交换机1将此报文拆成两个分组，存入存储器并选择路由，决定将分组 1 C 直接传送给分组交换机2，将分组 2 C 先传给分组交换机3，再由交换机3传送给分组交换机2，路由选择后，等到相应路由有空闲，分组交换机l便将两个分组从存储
12、器中取出送往相应的路由。其他相应的交换机也进行同样的操作，最后由分组交换机2将这两个分组送给接收终端C。由于C是分组型终端，因此在交换机2中不必经过PAD，直接将分组送给终端C。另一个通信过程是：分组型终端B发送的数据是分组，在交换机3中不必经过PAD，、2 D 、3 D 这三个分组经过相同的路由传输，由于接收终端为一般非分组型终端，所以在交换机2内PAD将三个分组组装成报文送给一般终端C。需要指出的是：来自不同终端的不同分组可以去往分组交换机的同一出线，这就需要分组在交换机中排队等待，一般本着先进先出的原则（也可采用优先制），等到交换机相应的输出线路有空闲时，交换机对分组进行处理并将其送出；
13、一般终端需经分组装/拆设备PAD才能接入分组交换网；分组交换最基本的思想就是实现通信资源的共享，采用的是统计时分复用技术(Statistical Time Division Multiplexing,STDM)。可将一条链路分成许多逻辑的子信道，统计时分复用是根据用户实际需要动态地分配线路逻辑子信道资源的方法。即当用户有数据要传输时才给它分配资源，当用户暂停发送数据时，不给它分配线路资源，此时的线路的传输资源可用于为其他用户传输更多的数据，如图20.2.4所示。图20.2.4 统计时分复用原理2.分组交换的特点分组交换的优点如下：（1）传输质量高。分组交换机具有差错控制、流量控制等功能，可实现
14、逐段链路的差错控制，而且对于分组型终端，在接收端也可以同样进行差错控制。所以，分组传输中差错率大大降低，误码率小于1010。（2）可靠性高。由于分组交换机至少与另外两个交换机相连接，当网中发生故障时，分组仍能自动选择一条避开故障地点的迂回路由传输，不会造成通信中断。（3）可为不同种类的终端相互通信提供方便。分组交换网进行存储转发交换，并以X.25协议的规程向用户提供统一的接口，从而能够实现不同速率、码型和传输控制规程终端间的互通。（4）能满足通信实时性要求。分组交换的传输时延较小，而且变化范围不大，能够较好地满足实时性要求。（5）可实现分组多路通信。由于每个分组都含有控制信息，因此分组型终端尽
15、管和分组交换机只有一条用户线相连，但也可以同时和多个用户终端进行通信。另外，由于采用了规范化了的分组，这样可简化交换处理，不要求交换机具有很大的存储容量，降低了网内设备的费用。此外，由于采用了统计时分复用技术，因此大大提高了通信电路的利用率，降低了通信电路的使用费用。分组交换的缺点如下：（1）对较长报文的传输效率比较低。由于传输分组时需要交换机有一定的开销，所附加的控制信息较多，因此，当报文较长时，所增加的附加信息也较多，而且这些信息在交换时将增加较多的处理负荷，所以对长报文的传输效率较低。（2）要求交换机有较高的处理能力。分组交换机需要对各种类型的分组进行分析处理，为分组在网中的传输提供路由
16、，并在必要时自动进行路由调整，为用户提供速率、代码和规程的变换，为网络的维护管理提供必要的信息等，因而要求交换机具有较高的处理能力。因此，大型分组交换网的投资较大。20.2.4 分组传输方式分组传输方式1.数据报方式数据报方式类似于报文交换方式。该方式将每个分组单独作为一个报文对待，分组交换机为每一个数据分组独立地寻找路由。不论是分组型数据终端发送的不同分组，还是非分组型数据终端分拆后的不同分组，同一终端所发送的不同分组可以沿着不同的路径到达目标终点。在网络的目标终点，分组的顺序可能不同于发送端，需要重新排序。分组型数据终端有排序功能，而非分组型数据终端没有排序功能。如果接收终端是分组型终端，
17、排序可以由终点交换机完成，也可以由分组型数据终端自己完成；但若接收端是非分组型数据终端，则排序功能必须由终点交换机完成，并将若干分组组装成报文再送该终端。如图20.2.4中所示，非分组数据终端A和分组型数据终端C之间的通信采用的就是数据报方式。数据报方式具有以下特点：（1）用户之间的通信不需要经历呼叫建立和呼叫清除阶段，对于数据量小的通信，传输效率比较高。（2）与虚电路方式比，数据报的传输时延较大，且时延不均衡。这是因为不同的分组可以沿不同的路径传输，而不同传输路径的延迟有着较大的差别。（3）同一终端送出的若干分组到达终端的顺序可能不同于发送端，需重新排序。（4）对网络拥塞或故障的适应能力放强
18、，一旦某个经由的节点出现故障或网络的一部分形成拥塞，数据分组可以另外选择传输路径。2.虚电路方式虚电路方式是两个用户终端设备在开始互相传输数据之前必须通过网络建立一条逻辑上的连接，称之为虚电路。一旦这种连接建立以后，用户发送的以分组为单位数据将通过该路径按顺序通过网络传送到达终点。当通信完成之后用户发出拆链请求，网络清除连接。虚电路传输方式的原理如图20.2.5所示。图20.2.5 虚电路方式原理假设终端A有数据要送往终端C，终端A首先要送出一个“呼叫请求”分组到节点1，要求建立到终端C的连接。节点1进行路由选择后决定将该“呼叫请求”分组发送到节点2，节点2又将该“呼叫请求”分组发送到终端C。
19、如果终端C同意接受这一连接，则发回一个“呼叫接受”分组到节点2，这个“呼叫接受”分组再由节点2送往节点1；最后由节点1送回给终端A。至此，终端A和终端C之间的逻辑连接，即虚电路就建立起来了。此后，所有终端A送给终端C的分组，或终端C送给终端A的分组都沿已建立的虚电路传送，不必再进行路由选择。同样，假设终端B和终端D也要进行通信，同样需要预先建立一条虚电路，其路径为终端B节点1节点2节点5终端D。由此可见，终端A和终端B送出的分组都要经过节点1到节点2的路由传送，即共享此路由，并且还可与其他终端共享。那么，不同终端的分组是如何区分的呢？为了区分1条线路上不同终端的分组，要对分组进行编号（即分组头
20、中的逻辑信道号），不同终端送出的分组其逻辑信道号不同，这相当于把线路分成了许多子信道一样，每个子信适用相应的逻辑信道号表示。多段逻辑信道链接起来就构成一条端到端的虚电路。虚电路有两种方式：永久虚电路(Premanent Virtual Circuit,PVC)和交换虚电路(Switched Virtual Circuit,SVC)。SVC指的是在2个终端用户之间通过虚呼叫建立电路连接，网络在建好的虚电路上提供数据信息的传送服务，终端用户通过呼叫拆除操作终止虚电路。PVC指的是在2个终端用户之间建立固定的虚电路连接，并在其上提供数据信息的传送服务。虚电路方式具有以下特点：（1）一次通信具有呼叫建
21、立、数据传输和呼叫清除3个阶段，对于数据量较大的通信传输效率高。（2）终端之间的路由在数据传送前已建立，不必像数据报那样节点要为每个分组作路由选择，但分组还是要在每个节点上存储、排队等待输出。（3）数据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，分组传输时延较小，而且不容易产生数据分组的丢失。（4）虚电路方式的缺点是当网络中由于线路或设备故障可能使虚电路中断时，需要重新呼叫建立新的连接，但现在许多采用虚电路方式的网络已能提供重连接的功能，当网络出现故障时将由网络自动选择并建立新的虚电路，不需要用户重新呼叫，并且不丢失用户数据。20.2.5 帧方式交换帧方式交换帧方式交换是一
22、种快速分组交换，是分组交换的升级技术。帧方式是在开放系统互连(OSI)参考模型的第二层，即数据链路层上以简化的方式传送和交换数据单元的一种方式。由于在数据链路层的数据单元一般称做帧，所以这种交换称为帧方式交换。帧方式交换的重要特点之一是简化了分组交换网中分组交换机的功能，从而降低了传输时延，节省了开销，提高了信息传输效率。帧方式交换有帧交换和帧中继两种类型。分组交换机具有差错检测和纠错、流量控制、分组级逻辑信道复用等功能；而帧中继交换机只进行差错检测，但不纠错，检测出错误时帧便将其丢掉，而且省去了流量控制、分组级的逻辑信道复用等功能，纠错、流量控制等功能由终端去完成。帧交换和帧中继的区别在于帧
23、交换保留了差错控制和流量控制功能，但不支持分组级的复用。20.3 数数 据据 通通 信信 网网通常认为数据通信网是以传输数据为主的。数据通信网可以进行数据信息的交换、传输和处理。数据交换的方式一般采用存储转发方式的分组交换。数据通信网是一个由分布在不同地点的数据终端设备、数据交换设备和数据传输链路所构成的网络，在网络协议的支持下，实现数据终端间的数据传输和交换。数据终端设备是数据通信网中信息传输的信源和信宿，主要功能是向通信网中的传输链路传送数据和接收数据，并具有一定的数据处理和数据传输控制功能。数据终端设备可以是计算机，也可以是一般数据终端。数据交换设备是数据交换网的核心，其基本功能是对接入
24、交换节点的数据传输链路进行汇集、转接接续和分配。数字数据网(Digital Data Network,DDN)中不采用交换设备，而是采用数字交叉连接设备(Digital Cross Connection,DXC)作为数据传输链路的转接设备；在广播式数据网中也没有交换设备，而采用多址访问技术来共享传输媒体。数据传输链路是数据信号传输的通道，其中包括数据终端到交换机路段链路的接入网和交换机之间的传输链路。传输链路上数据信号的传输方式有基带传输、频带传输和数字数据传输等。20.3.1 数据通信网的分类数据通信网的分类1.按拓扑结构分类按照数据通信的拓扑结构，数据通信网可分为网型网、格型网、星型网、树
25、型网、环型网、线型网、总线型网等。在数据通信中，骨干网一般采用网型网或格型网，本地网中可采用星型网。2.按传输技术分类按照传输技术，数据通信网可分为交换网和广播网。交换网由交换节点和通信链路构成，用户数据终端之间的通信要经过交换设备。根据所采用的交换方式的不同，交换网又可以分为电路交换网、分组交换网、帧中继网，另外还有采用数字交叉连接设备的DDN。在广播网中，每个数据站的收发信机共享同一传输媒质，按不同的媒体访问控制方式，广播网具有不同的类型。在广播网中，任一数据终端或节点所发送的信号可被其他数据终端或节点接收，无中间交换节点。绝大多数局域网都属于广播网。3.按传输距离分类局域网的传输距离一般
26、在几千米以内，传输速率在10 Mb/s以上，数据传输采用共享介质的访问方式，协议标准采用IEEE802协议标准。城域网的传输距离一般在50100 km之内，传输速率比局域网高，目前以光纤为传输媒质，能提供45150 Mb/s的高速率的业务，可进行数据、语音、图像等综合业务，通常覆盖整个城区和城郊。广域网（或称为核心网）的传输距离通常为几十千米到几千千米，有时也称为远程网，Internet就是广域网的典型代表。20.3.2 分组交换网分组交换网分组交换网主要由分组交换机、用户终端、远程集中器（Remote Concentrate Unit,RCU）、网络管理中心、传输线路等构成，其基本结构如图2
27、0.3.1所示。图20.3.1 分组交换网结构图1.分组交换机分组交换机是分组交换网的核心部分，根据在分组交换机网中的位置和作用可分为转接交换机和本地交换机两种。转接交换机具有容量大、线路端口数多、有路由选择功能等特点，主要用于交换机之间的互连。本地交换机的容量较小，只有局部交换功能，不具备路由选择功能。本地交换机可以接至数据终端，也可以接至转接交换机，但只可以与一个转接交换机相连，与网内其他数据终端互通时必须经过相应的转接交换机。分组交换机的主要功能如下：（1）提供网络交换虚电路和永久虚电路两项基本业务，实现分组在虚电路上的传送，完成信息交换。（2）实现X.25、X.75协议的各项功能。（3
28、）如果交换机需直接连接非分组型终端，或经电话网连接终端，则交换机还应有X.3、X.28、X.29、X.32等协议的功能。（4）在转接交换机中应有路由选择功能，以便在网中选择一条最佳路由。（5）能进行流量控制，防止网络阻塞，使不同速率的终端能互相通信。（6）能完成局部的维护、运行管理、故障报告与诊断、计费及一些网络的统计等功能。2.用户终端用户终端有分组型终端和非分组型终端两种。如计算机或智能终端等分组型终端发送和接收的均是规格化的分组，可以按照X.25协议等直接与分组交换网相连；而如字符型终端非分组型终端的用户数据不是分组数据，该终端不能直接接入分组交换网，而要通过分组装/拆设备才能接入到分组
29、交换网中。3.远程集中器远程集中器可以将离分组交换机较远地区的低速数据终端的数据集中起来，通过一条中、高速电路送往分组交换机，以提高电路利用率。远程集中器包含了分组装/拆设备的功能，可使非分组型终端接入分组交换网。远程集中器的功能介于分组交换机和分组装/拆设备之间，也可认为是装/拆功能与容量的扩大。4.网络管理中心网络管理中心有以下主要功能：（1）收集全网的信息。收集的信息主要有交换机或线路的故障信息，检测规程差错、网络拥塞、通信异常等网络状况信息，通信时长与通信量多少的计费信息，以及呼叫建立时间、交换机交换量、分组延迟等统计信息。（2）路由选择与拥塞控制。根据收集到的各种信息，协同各交换机确
30、定该时刻的某一交换机连接到相关交换机的最佳路由。（3）网络配置的管理及用户管理。网络管理中心针对网内交换机、设备与线路等容量情况、用户所选用补充业务情况及用户名与其对照号码等，向其所连接的交换机发出命令，修改用户参数表，对分组交换机的应用软件进行管理。（4）用户运行状态的监视与故障检测。网络管理中心通过显示各交换机和中继线的工作状态、负荷、业务量等，掌握全网运行状态并检测故障。5.传输线路传输线路是构成分组交换网的主要组成部分之一，包括交换机之间的中继传输线路和用户线路。交换机之间的中继传输线路主要有两种传输方式：一种是频带传输，另一种是数字数据传输。用户线路有三种传输方式：基带传输、数字数据
31、传输及频带传输。分组交换网通常采用两级结构。根据业务流量、流向和地区情况可设立一级交换中心和二级交换中心。一级交换中心可采用转接交换机，一般设在大、中城市，它们之间相互连接构成的网络通常称为骨干网。骨干网的业务量较大，且各个方向都有业务，所以骨干网采用网型网或不完全网型网的分布式结构。另外，通过某一级交换中心还可以与其他分组交换网以X.25 协议互连。二级交换中心可采用本地交换机，一般设在中、小城市。由于中、小城市之间的业务量较小，而它们与大城市之间的业务量一般较多，所以从一级交换中心到二级交换中心之间一般采用星型结构，必要时也可采用不完全网型结构。20.3.3 分组交换网的路由选择分组交换网
32、的路由选择分组交换网的路由选择就是分组能够在多条路径中选择一条最佳的路径从源点到达目标点。最佳路径的选择由路由选择算法来确定。所谓路由选择算法，是指交换机收到一个分组后，决定下一个转发的中继节点是哪一个、通过哪一条输出链路传送的策略。一个好的路由选择算法一般应满足以下要求：（1）在最短时间内使分组到达目的地。（2）算法简单，易于实现，以减少额外开销，而且算法应对所有用户都是平等的。（3）使网中各节点的工作量均衡，而且算法应能适应通信量和网络拓扑等的变化。路由选择算法分为非自适应型和自适应型路由选择算法两大类。非自适应型路由选择算法所依据的参数是根据统计资料得来的，在较长时间内不变；而自适应型路
33、由选择算法所依据的这些参数值将根据当前通信网内各有关因素的变化，随时做出相应的修改。以下介绍几种常用的路由选择算法。1.扩散式路由算法扩散式路由算法又称泛射算法，属于非自适应路由选择算法的一种。网内每一节点收到下一个分组后就将它同时通过各条输出链路发往各相邻节点，只有在到达目的节点时，该分组才被移出网外传输给用户终端。为了防止一个分组在网内重复循回，规定一个分组只能出入同一个节点一次。这样，不论哪一个节点或链路发生故障，除非目的节点有故障外，总有可能通过网内某一路由到达目的节点。扩散式路由选择算法的优点是简单、可靠性高。由于该路由选择与网络拓扑结构无关，即使网络严重故障或损坏，但只要有一条通路
34、存在，分组就能到达终点。但是这种方法的缺点是分组的无效传输量很大，网络的额外开销也大，网络中业务量的增加还会导致排队时延的加大。扩散式路由选择算法适合用于整个网内信息流量较少而又易受破坏的专用网。2.静态路由表法静态路由表法为查表路由法。查表路由法在每个节点中均采用路由表，它指明从该节点到网络中的任何终点应当选择的路径。路由表的计算可以由网络控制中心(NCC)集中完成，然后装入到各个节点，也可由节点自己计算完成路由表。常用的算法有最短路径算法和最小时延算法等。采用最短路径算法确定路由表时，主要依赖于网络的拓扑结构。由于网络拓扑结构的变化并不频繁，所以这种路由表的修改也不是很频繁的，因而该路由表
35、法称为静态路由表法，属于非自适应路由选择算法。以下以图20.3.2为例介绍静态路由算法。图20.3.2 静态路由表法网络结构根据最短路径的原则，以转接段数最少为最短路径。由网络控制中心计算得到的全网总的路由表如表20.3.1所示。表中列出了由6个节点中的任何一个作为源节点发送分组到任何一个终点节点时所经过的中继节点（或称为后续节点）。表20.3.1所示的路由表存储在网络控制中心的存储器中，网络控制中心要负责为每个节点交换机装入各节点的路由表，以供路由选择时使用。当网络结构发生变化或网络故障时，网络控制中心自动地重新生成路由表，以反映新网络的结构。3.动态路由表法动态路由表法也属于查表路由法，这
36、种方法确定路由的准则是最小时延算法。一般交换机中的路由表由交换机计算产生。最小时延算法是由网络相邻关系结构、中继线容量速率和分组队列长度来确定路由算法的。其中网络结构和中继线速率通常是较少变化的，而分组的队列长度却是一个经常变化的因素，这将导致时延的变化，所以交换机的路由表要随时做调整。这种随着网络的数据流或其他因素的变化而自动修改路由表的方法称为动态路由表法，即自适应型路由选择算法。依然以图20.3.2为例来说明动态路由算法。假设节点间的中继线速率分别为：12为9600 b/s；13为9600 b/s；14为56 000 b/s；24为 9600 b/s；25为56 000 b/s；35为9
37、600 b/s；36为56 000 b/s；46为9600 b/s；55为9600 b/s。图20.3.3所示为网络结构各条中继线上排队等待输出的分组数，并在每个节点的旁边列出了交换机计算出的有关线路的输出时延表。这里假定每个分组的长度为1000 bit，时延可以简单地等于等待传输的数据比特除以线路速率再乘上一个因数，该因数表示了因线路误码而引起线路重发的概率。图20.3.3 动态路由交换机时延在每个节点都计算出了它与相邻节点之间的时延估计值之后，它就与所有相邻节点之间交换各自时延表的副本，以便得知相邻节点的时延表。图20.3.4表示了图20.3.2中节点3与相邻节点交换时延表的副本之后的结果
38、。这样节点3就知道了通过相邻节点到达其他节点的时延情况，便可根据本节点和相邻节点的信息计算它的路由表。假定在不考虑线路排队时间情况下，节点接收一个分组然后输出的处理时间为25 ms。图20.3.4 动态路由表示例如虑节点3到节点l的路径，节点1是节点3的相邻节点，节点3通过其他节点均不能到达节点1，所以节点3直接到节点1是唯一路径，故时延为208 ms。节点3到节点2没有直达路径，它可以通过节点l或5到达。如果节点3通过节点1到达节点2，总的通路时延为208+105+25338 ms。如果经过节点5到达节点2，总的时延为312+71+25408 ms，按时延最小原则应当选择经过节点1为中继节点
39、。其他节点的算法依此类推，最后形成了节点3的路由表。自适应路由表的更新工作也可以由网络控制中心完成。网络控制中心实时收集网络中的所有节点和线路信息流量的信息，并计算出全网和各节点的路由表，然后将路由表的变化部分周期性地发往网络中的每一个节点。在上述所介绍的三种路由算法中，扩散式路由算法可确保网络连通的可靠性，但是总的时延将因传输量的倍增和非最佳路径的选择而增加；静态路由表法使用最短距离原则确定路由表，在正常工作条件下能保证良好的时延性能，但是它对网络中传输量变化和网络设施方面出现问题时的应变能力差；动态路由表法是按最小时延原则选择路由的，具有自适应能强的特点，能提供良好的时延性能，而且对网络工
40、作条件的变化具有灵活性，但是这要使交换机或网络控制中心在信息的存储能力、处理能力和网络的传输能力方面付出一定的代价。20.3.4 数据报与虚电路方式的路由选择数据报与虚电路方式的路由选择1.数据报方式的路由选择数据报方式中，由于每个分组可以在数据通信网内独立传输，所以交换节点要对每个数据分组进行路由选择。具体方法是节点收到数据分组时，根据分组头中的目的地址，查找节点内的路由表为分组选择路由，然后按照所选的路由将分组发送出去。2.虚电路方式的路由选择在虚电路方式中，分组传送的路由是在虚电路建立时确定的，即虚电路方式是对一次虚呼叫确定路由，路由选择是在节点接收到呼叫请求分组之后执行的。一旦虚电路建
41、立好，数据分组将沿着呼叫请求分组建立的虚电路路径到达目的地。在网络中存在一个端到端的虚电路路由表，该表分散在各节点中，指明了虚电所经过的各节点端口号和逻辑信道号(Logic Channel Number，LCN)之间的连接关系，其路由选择过程如图20.3.5所示。图中表示一般终端l、2和3通过PAD与终端之间建立虚电路的情况。图20.3.5 虚电路路由选择原理图假设途中经过两个分组交换节点，节点内的路由表中呼叫1、2、3分别表示终端1、2、3的虚呼叫。当各条虚电路建好以后，各终端的数据分组到交换节点时，节点根据分组头所携带的虚电路号码的标志(LCN)查路由表，便可决定将该分组转发到哪一条输出链
42、路、下一个节点是哪一个，直至到达目的节点。20.3.5 分组交换流量控制分组交换流量控制1.分组流量控制的概念分组流量控制是指限制进入分组网的分组数量。将单位时间内（每秒）由数据源输入到网络的分组数量称为负荷。将单位时间（每秒）内发送到网络终点的分组数量，即单位时间内流出网络的分组数量称为吞吐量。分组网中，当网络输入负荷较小时，各节点中分组的队列都很短，节点有较多的缓冲器接收新到达的分组，节点中的分组输出较快。但由于网络吞吐量随着输入负荷的增大而线性增长，当网络负荷增大到一定程度时，节点中的分组队列加长，有的缓冲存储器已占满，此时节点开始丢弃还在继续到达的分组，这就导致分组的重新传输增多。另外
43、，由于分组队列加长，时延加大，又导致各节点间对接收分组的证实返回变晚，也使一些本来已正确接收的分组由于满足超时条件而不得不重新发送，导致网络阻塞，吞吐量下降，严重时使数据停止流动，造成死锁。网络阻塞将会导致网络吞吐量的急剧下降和网络时延的迅速增加，严重影响网络的性能，而一旦发生死锁，网络将完全不能工作。所以，为避免这些现象的发生，必须要进行流量控制。因此，流量控制的目的是保证网络内数据流量的平滑均匀，提高网络的吞吐能力和可靠性，减小分组平均时延，防止阻塞和死锁。为了保证分组的正常通信，节点之间、数据终端设备和节点之间、源用户终端设备到终点用户终端设备之间等均要进行流量控制。在分组通信网中有以下
44、四种流量控制类型：（1）段级控制：分组通信中相邻两节点之间的流量控制，使之维持一个均匀的流量，避免局部地区的阻塞。（2）“网端”级控制：端系统与分组通信网中源节点之间的流量控制，以控制进网的总通信量，防止网络发生阻塞。（3）“源目的”级控制：分组通信网中源节点与目的节点之间的流量控制，防止目的节点由于缺少缓冲存储器而产生的阻塞。（4）“端端”级控制：两个互相通信的端系统之间的流量控制，防止终端由于缺缓冲器而出现阻塞。2.流量控制的方式流量的控制主要有证实法、预约法、许可证法和窗口等。证实法是发送方发送分组之后等待收方证实分组响应，然后再发送新的分组。接收方可以通过暂缓发送证实分组来控制发送方发
45、送分组的速度，从而达到控制数据流量的目的。证实法一般用于点到点的流量控制，也可以用于端到端的流量控制。预约法是由发送端对接收端发出分配缓冲存储区的要求后，根据接收端所允许发送的分组数量发送分组。这种方式的优点是可以避免出现抛弃分组。预约法适用于数据报方式，也可用在源计算机和终点计算机之间的流量控制。在源计算机向终点计算机发送数据之前，由终点计算机说明自己缓冲存储区容量大小，然后源计算机再决定向终点计算机发送多少数据。许可证法是为了避免网络出现阻塞，在网络内设置一定数量的“许可证”，每个“许可证”可携带一个分组。当许可证载有分组时称“满载”，满载的许可证到终点时卸下分组变为“空载”。许可证在网内
46、游动，分组在节点处得到“空许可证”之后才可在网内流动。采用许可证方式时，分组需要在节点等待得到许可证后才能发送，这可能产生额外的等待时延。但是，当网络负载不大时，分组很容易得到许可证。3.窗口流量控制法窗口流量控制法根据接收方缓冲存储器容量，用能够连续接收分组数目来控制收发方之间的通信量，这个分组数目就称为窗口尺寸W。换言之，窗口流量控制就是允许发送端发送的未被确认的分组数目不能超过窗口尺寸W。窗口尺寸是窗口流量控制法的关键，如果窗口尺寸过小，通过流量会限制过度，会降低分组网效率；而窗口尺寸过大就会失去防止阻塞的控制作用。在窗口流量控制中，发送端都要对每一数据分组都编一个发送顺序号，记作P(S
47、)。其初始数据分组顺序号为零，如采用模8运算，则顺序号在07之间循环。在接收端，在正确接收到分组并可继续接收分组的情况下，向对方发送RR分组表示“允许对方发送”，说明接收端已准备接收。在RR分组中，没有分组发送顺序号P(S)，只有接收顺序编号P(R)，表示接收方已正确接收了P(R)-1为止的所有数据分组。发送方用收到接收方发来的P(R)值更新其窗口的下限值，当发送方发送了规定的分组数后，如果未收到接收方发来的“允许发送”分组而不能更新窗口的下限，那么发送方便停止发送，直至收到“允许发送”分组而更新窗口的下限，如果接收方由于故障等原因暂时无法接收，则可以发送RNR分组以示接收方无能力接收。以下用
48、图20.3.6来说明窗口流量控制法的原理。设窗口尺寸W3，表示可连续发送3个分组。图20.3.6中a表示在发完P(S)2号分组后，由于窗口已满，必须停止发送，当发送方收到收方发来的P(R)l时，表示对方已正确收到P(S)=0的分组。此时根据收到的P(R)=1，更新窗口下限为1，因此允许发送P(S)=3号分组，发完后必须再次等待，因为这时窗口又满，如图中b所示。当收到P(R)4 时，表示对方已正确收到P(S)3以前的所有分组，因此允许发送P(5)4、5、6等。可以看到，当接收方发送P(R)时，指明它本身已准备接收对方将发送的那些顺序编号为P(R)，P(R)+1，P(R)+W1的分组，而发方对应的
49、顺序编号为P(S)，P(S)+1，P(S)+W1。上述是按模8运算的。图20.3.6 窗口流量控制原理以上所述原理，对于发送端，只有落在发送窗口范围内的分组才允许发送，可用滑动窗口形象地表示，如图20.3.7所示。图20.3.7 滑动窗口 20.4 帧中继网帧中继网20.4.1 帧中继的基本概念与特点帧中继的基本概念与特点1.帧中继的概念帧中继(Frame Relay,FR)技术是分组交换拓新，它是在OSI第二层上的一种传送和交换数据单元的技术，以帧为单位进行存储转发。帧中继交换机仅完成OSI物理层和链路层的核心功能，将流量控制、纠错控制等交给数据终端来完成，大大简化了节点处理机间的协议，缩短
50、了传输时延，提高了传输效率。（1）光纤化的传输线路。由于光纤具有通信容量大、传输速率高、误码率低的特点，使得数据传输的质量大大提高，避免了非光纤传输线路误码率高、数据重传率高的缺点，即使偶尔出现误码也可由数据终端进行处理和纠正，从而提高了传输效率，为高效率的数据传输和交换奠定了良好的基础。（2）用户终端的智能化。计算机的广泛应用，使得数据终端的智能化得到了长足的进步，数据终端的处理能力大大增强，从而可以把分组交换网中由交换机完成的一些功能诸如流量控制、纠错等交给数据终端去完成。这样可以大大减小分组交换机的工作负荷，使得分组交换机有了更多的计算能力用于交换处理，从而增加了节点的吞吐量，减少了时延
