第五章分组交换与分组交换网一.ppt
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1、1 第第5 5章章 分组交换与分组交换网分组交换与分组交换网 o 基本概念、网络形式、网 络体系结构、路由选择、 流量和拥塞控制、设备结 构 分组交换的产生背景分组交换的产生背景 分组交换是为数据通信而设计的交换方式,在出现分 组交换之前,采用电路交换和报文交换传输数据,但这两 种交换方式不能完全适应数据通信的要求,因此后来出现 了针对数据通信特点而设计的分组交换方式。 数据通信的特点 (1)完全是机器与机器之间的通信。 (2)业务突发性。 (3)误码率要求高。 (4)时延要求不高。 分组交换的产生背景分组交换的产生背景 分组交换方式是一种存储-转发的交换方式,它结合 电路交换和报文交换的特点
2、,克服了电路交换线路利用率 低、不能动态利用线路资源等缺点,同时又不像报文交换 那样时延非常大。因此,分组交换技术自从产生后便在数 据通信领域得到了迅速的发展。且随着数据业务量的不断 增大,现在更有用分组交换方式IP交换。 3 分组交换的基本原理分组交换的基本原理 资源分配 1. 固定分配资源法 固定分配资源法也称为预分配资源方法,它是根据用 户要求预先把线路传输容量的某一部分固定地分配给 某个用户。它采取的方式是把线路传输时间轮流分配 给每个用户,每个用户只在分配的时间里向线路发送 信息和接收信息 缺点: 当在分配的时间内用户没有信息要传输时,这段时间 也不能由其他用户使用,而保持空闲状态,
3、所以线路 的利用率较低。 分组交换的基本原理分组交换的基本原理 固定分配资源法又分“时分复用”(TDM,Time Division Multiplexing)和“频分复用”(FDM, Frequency Division Multiplexing)两种。时分复用 就是将线路传输的时间轮流分配给每个用户,每个用 户只在分配的时间里使用线路发送和接收信息。而且 ,当在分配的时间里用户没有信息要传输时,也不能 给其他用户使用,即这段时间只由它来独享。 分组交换的基本原理分组交换的基本原理 位置化信道 在固定分配资源的方式下,每个用户的数据都在固定的子信 道中传输,具体的实现方法是,在电路上按时间分割
4、成 等长的时间单元(称为帧),在每帧里又按时间分成等 长的时隙,并按照时间顺序编号。每帧中相同时间位置 的时隙用来传输同一信源的信息,接收很容易根据时间 位置区分不同的用户信息 分组交换的基本原理分组交换的基本原理 2. 动态资源分配技术 为了克服固定分配资源方式的缺点,采取用户有 数据传输时才给他分配资源的方法,称为动态分 配或按需分配。当用户暂停发送数据时,不给他 分配线路资源,线路的传输能力可用于为其他用 户传输数据。因为在许多情况下,各单路信号并 非连续不断,而是断断续续的,传送单路信号的 线路上有很多时间空闲,因此可将此空闲时间分 配给其他用户使用。这种根据用户实际需要分配 线路资源
5、的方法也称为统计时分复用(STDM) 。 分组交换的基本原理分组交换的基本原理 每个用户的数据传输速率可以高于平均速率,最高可以 达到线路总的传输能力。例如,对32路的E1线路,传输速率 为2Mb/s,32个用户的平均速率为64Kb/s,当用固定分配复用 方式时,每个用户最高传输速率为64kb/s,而在统计时分复 用方式下,每个用户的最高速率可以达到2Mb/s(包含用户信 息的分组头在内)。统计时分复用原理如图所示。 分组交换的基本原理分组交换的基本原理 统计时分复用 分组交换的基本原理分组交换的基本原理 o 标志化信道 在统计时分复用方式下,各个用户数据在通信线路上互相 交织传输,没有固定的
6、时间位置,为了识别来自不同 终端的用户数据,在发送到线路之前先给这些数据打 上与终端或子信道有关的“标记”,通常是在用户数 据的开头加上终端号或子信道号,这样在接收端就可 以通过识别用户数据的“标记”把它们区分开来。因 为统计时分复用对每个单路信号使用一个独有的标志 码,通过该标志码来区分不同用户的数据 分组交换的基本原理分组交换的基本原理 o统计时分复用的优点是可以获得较高的信道利用率。 由于在分组交换方式中,每个终端的数据使用一个自 己独有的“标记”,可以把传送的信道按照需要动态 地提供给每个终端用户,从而提高了传送信道的利用 率。 o统计复用的缺点是会产生附加的随机时延和丢失数据 的可能
7、。这是由于用户传送数据的时间和间隔都是随 机的,若多个用户同时发送数据,则必然会有一部分 用户数据需要等待一段时间才能占用信道进行传输。 若这种情况持续下去,由于缓冲器容量的限制,就有 可能发生部分数据被丢失的情况。 2008.4 两种资源分配方式对应两种时分复用方式和两种信道类型两种资源分配方式对应两种时分复用方式和两种信道类型 。 分组交换的基本原理分组交换的基本原理 分组交换的基本思想分组交换的基本思想 把用户要传送的信息分成若干个小的数据块,即分组 ,这些分组长度较短,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
8、每个交换节点首先 对收到的分组进行暂时存储,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。 分组交换的特点分组交换的特点 分组交换可以实现资源共享,并为用户提供可靠、有 效的数据传输服务。它克服了电路交换中独占线路、线路 利用率低的缺点。同时,由于分组的长度短、格式统一, 便于交换机进行处理,因此它又比传统的“报文交换”有 较小的时延。 逻辑信道逻辑信道 在统计时分复用方式下,虽然没有为各个终端分配固定的 物理上的子信道,但是通过对数据分组的编号,仍然可以把各 个终端的数据在线路上严格地区分开来,就好像线路也分成了 许
9、多子信道一样,每个子信道用相应的号码表示,因此把这种 子信道称为逻辑信道。 逻辑信道为终端提供独立的数据传输通路,线路的逻辑信 道号可以独立于终端的编号,逻辑信道号作为线路的一种资源 可以在终端要求通信时由STDM分配给它。对同一个终端,每次 呼叫可以分配不同的逻辑信道号,用线路的逻辑信道号给终端 的数据分组作“标记”比用终端号更加灵活方便,这样一个终 端可以同时通过网络建立多个数据通路,STDM可以为每个通路 分配一个逻辑信道号,并在STDM中建立终端号和逻辑信道号对 照表,网络通过逻辑信道号识别出是哪个终端发来的数据, 逻辑信道逻辑信道 图7-4 逻辑信道的概念 逻辑信道的特点逻辑信道的特
10、点 (1)由于分组交换采用动态统计时分复用方法,因此是在终端每次 呼叫时,根据当时的实际情况分配“逻辑信道号”的。 说明: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 在同一次呼叫连接中,来自某一个终端的数据的逻辑信道号应 该是相同的。 (2)逻辑信道号是在用户至交换机或交换机之间的网内中继线上可 以被分配的、代表了信道的一种编号资源。 逻辑信道号并不在全网中有效,而是在每段链路上局部有效 ,或者说,它只具有局部意义。网内的节点设备要负责出/入线上 逻辑信道号的转换。 (3)逻辑信道号是一种客观的存在。逻辑信道总是处于下列状态中 的某一种:“准备好”状态、“呼叫建
11、立”状态、“数据传输” 状态、“呼叫清除”状态。 分组的形成分组的形成 形成分组后,为了区分分组的类型,每个分组都有 一个分组头,它由3个字节构成,其格式如图7-6所示。 分组头包含三个部分:通用格识别符GFI、逻辑信道组号 LCGN和逻辑信道号LCN、分组类型识别符。 分组的形成分组的形成 通用格式识别符由分组头第1个字节的85位组成, 如图所示。其中,Q比特第8比特)称为限定符比特,用 来区分传输的分组是用户数据还是控制信息,Q比特是任 选的,如不需要,则Q比特总是置0。D比特(第7比特)为传 送确认比特,D0表示数据分组由本地(DTE与DCE之间)确 认,Dl表示数据分组进行端到端(DT
12、E与DTE之间)确认。 SS比特(第6、5比特)为模式比特,SS01表示分组的顺序 编号按模8方式工作,SS10表示按模128方式工作。 分组的形成分组的形成 逻辑信道组号和逻辑信道号共12比特,用以表示在DTE 与交换机之间的时分复用信道上以分组为单位的时隙号, 在理论上可以同时支持4096个呼叫,实际上支持的逻辑信 道数取决于接口的传输速率、与应用有关的信息流的大小 和时间分布。逻辑信道号在分组头的第2字节中,当编号大 于256时,用逻辑信道组号扩充,扩充后的编号可达4096。 分组的形成分组的形成 o 分组类型识别符为8比特,区分各种不同的分 组,共分4类; 呼叫建立分组用于在两个DTE
13、之间建立交换虚电路 。这类分组包括:呼叫请求分组、入呼叫分组、呼 叫接受分组和呼叫连接分组。 数据传输分组用于两个DTE之间实现数据传输。这 类分组包括:数据分组、流量控制分组、中断分组 和在线登记分组。 恢复分组实现分组层的差错恢复,包括复位分组、 再启动分组和诊断分组。 呼叫释放分组用在两个DTE之间断开虚电路,包括 释放请求分组、释放指示分组和释放证实分组。 分组的形成分组的形成 链路层的帧格式链路层的帧格式 o 数据链路控制协议可分为两大类:面向字 符的协议和面向比特的协议。 n 面向字符的协议以字符作为传输的基本单位 ,并用10个专用字符控制传输过程。这类协 议发展较早,至今仍在使用
14、。 n 面向比特的协议以比特作为传输的基本单位 ,它的传输效率高,已广泛应用于公用数据 网 链路层的帧格式链路层的帧格式 o 分组交换中都采用高级数据链路控制 (HDLC)规程来封装,通过HDLC帧结构的 形式在链路上传输。 链路层的帧格式链路层的帧格式 在HDLC中,基本的数据传送单位是帧,每个帧中有多少个bit是任意的,不必 恰好是多少个字符。这种规程又叫做面向比特的通信规程。HDLC中F、A、C、I 、FCS称为字段,各个字段的含义如下: F:标志字段,它是一个恒定的8bit字符01111110。它的作用是作为帧的定界 。 A:地址字段,因为链路层的作用是保证相邻节点之间的可靠传输,不存
15、在地 址选择问题,这里的A字段并不是网络层的地址含义,它只是用来表示相 连节点之间的方向。 C:控制字段,用于规定该帧的具体类型,并含有某些其他参数。其他参数和 类型的具体规定涉及分组交换的过多细节,与本书的目标不一致,因此 忽略它。若需要了解请参阅其他书籍。 I:信息字段,就是需要发送的信息正文。即前面网络层形成的分组。 FCS:校验字段,校验字段用来判断接收的帧是否正确。它采用循环冗余校验 (CRC)方式,使用的多项式为X16+X12+X5+1。 27 分组交换网的主要形式分组交换网的主要形式 两种主要形式:面向连接和无连接 面向连接,通信前先要分配资源和进行通信参数协商, 然后进行数据交
16、换传送,通信结束后释放所占用资源。 无连接,随时可进行数据传送,网络总是处于准备好状 态。 28 面向连接分组交换网面向连接分组交换网 通信过程,类似电路交换网,连接发起者通过信令协议 分组请求建立连接,交换机负责按照目的地址选择下一 节点,直至目的节点建立虚通路。 源目的节点间虚通路建立后,通信双方沿已建立的逻辑 虚通路互传数据分组。 通信结束时,发送释放连接的信令分组,双向资源置闲 。 29 面向连接分组交换网面向连接分组交换网 面向连接分组交换,目的节点地址只在虚连接建立 过程中有效,用作交换机选路由和分配逻辑信道标记。 一条虚电路(源节点到目的节点)由多段通信链路 组成,每段链路由一个
17、逻辑信道标号标记,该标记只在 两节点间的直连链路上有效。 传送分组数据时,源节点将分配的局部有效的逻辑 信道标号装配在数据分组头部一起传送,历经的中间交 换机根据标号查表确定转发路径和下一段链路的逻辑信 道标号。 30 虚通路和逻辑信道的概念虚通路和逻辑信道的概念 逻辑信道,是两端点之间建立数据分组传送连接的标志 ,即对某个通信分配的标识,主要用途是在交换传送过 程中能正确识别分组所属和正确转交。 虚电路,是源端到目的端所历经的各个逻辑信道的组合 ,一条虚电路可由多段逻辑信道组成。 所谓虚电路,就是对用户传送数据而言似乎存在着一条 通路,但是虚电路没有物理上的对应,只是一种标记。 31 虚电路
18、和逻辑信道的概念虚电路和逻辑信道的概念 o一条虚电路具有呼叫建立、数据传输和呼叫释放过 程,永久虚电路可预约并通过网络永久建立,也可 以预约清除。 o逻辑信道的几个状态: n 准备好,没有呼叫,逻辑信道号未分配; n 呼叫建立,正在建立过程中,逻辑信道已分; n 数据传输,可以通过逻辑信道收发数据; n 呼叫释放,正在断开连接,完成后返回准备好 状态。 32 面向连接分组交换网面向连接分组交换网 33 无连接分组交换网无连接分组交换网 o不必事先建立通路,没有逻辑子信道概念。通信 时源端直接将源和目的地址装配在分组中一起发 送,交换节点根据目的地址查表确定出口链路。 o网络以“无状态”方式工作
19、,转发过程只依赖路由 表、目的地址和出口链路的状态随机转发。 o链路状态或网络拓扑变化,网络会自动调整路由 ,同一用户的数据分组会经历不同路径传送,不 保证分组的端到端顺序。 o网络以尽力而为方式传送分组,不保证路由和服 务质量,但分组传送受局部网络故障的影响较低 。 34 两种网络的比较两种网络的比较 o 不同领域专家的不同理念。 n 计算机域专家提出无连接,认为计算机是主 体,网络只是辅助实现相互通信。 n 电信领域专家基于已有的数字交换网,引入 统计复用和存储转发技术,提出面向连接网 络,主要针对电报、传真等数据通信。 35 两种网络的比较两种网络的比较 对比内容面向连接网络无连接网络
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- 第五 分组 交换
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