第 五章 分组交换与分组交换网(二)

1第5章分组交换与分组交换网基本概念、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2网络服务质量服务质量，就是对网络性能指标（如带宽、延迟、丢失率等）提供保证的情况。如何保证服务质量：根据流量特性和对服务质量要求，计算并分配所需的链路带宽、缓存空间等资源。能识别出提供保证的对象，常采用“流”的概念。流是指一次特定通信在某方向上传输分组的集合，可通过源、目的地址和传输层头信息来识别一个流。传输期间，采取适当措施保证流得到为其所分配的资源，常用“服务策略”或“排队策略”等措施调整。3流量控制与拥塞控制设置控制的原因分组网络中，两个要互传分组数据的终端速率不同时，低速终端来不及处理接收的数据会导致丢失，必须限制高速终端的分组流入速率；分组节点中的缓冲存储器是动态共享资源，流入节点的业务负荷超过阈值时也会引起分组丢失。控制的目的，为了保证网络中各链路的数据分组流量平滑均匀，提高网络的总吞吐能力，保证数据通信的服务质量。4流量控制与拥塞控制流量控制方法，当某一链路/终端流入的业务量超过某一阈值时，利用控制分组通知终端降低分组发送速率。流量控制可以在某链路上两端点之间进行，也可以在源目的端点之间进行。拥塞，通常是由于随机业务流经某一链路时超出了该链路的最大负荷引起拥堵，解决办法：通知源端减慢发送速度；选择其他路径传送分组。流量控制流量控制是分组交换网中的基本管理功能之一。它是指通过一定的手段使得在网中各个链路上的信息流量都保持在一定的上限之下，在分组交换方式中流量控制特别重要，这是因为存在下面3个方面的原因。（1）由于中继线路是统计复用的，所以必须用流量控制的方法来防止线路过分拥挤，导致数据分组排队等待时间过长。电路交换中，一对终端在通信时得到的一条信道是供这个通信专用的，并可以满足其最大的通信能力要求，因此不需要排队，所以不存在这个问题。流量控制（2）由于网上的终端速率可能不一致，所以必须用流量控制的方法来调整终端发送数据的速率，以防止向慢速终端发送的数据分组太多，超出其接受能力。在电路交换中，所有终端的通信速率都是一样的。（3）由于终端和交换机处理数据分组的能力限制，必须使用流量控制方法在其不能处理更多数据时抑制对方的数据发送。分组交换和电路交换的一个重要区别电路交换是立即损失制，即如果路由选择时没有空闲的中继电路可供选择，该呼叫建立就告失败，因此，只要根据预测话务量配备足够多的中继电路，就能保证呼叫不阻塞。电路交换的流量控制只是在交换机的处理机过负荷时才起作用，控制功能也较简单，主要是限制用户的发话话务量。分组交换则不同，它是时延损失制，只要传输链路不全部阻断，路由选择总能选到一条链路，但是如果链路上待传送的分组过多，就会造成传送时延的增加，从而引起网络性能的下降，严重时甚至会使网络崩溃。滑动窗口法：把已经发出而未得到应答的数据分组数限制在一常数值W之下。W称为窗口尺寸。（控制应答数，即可控制发送速度）W过大：流量控制不及时；W过小：终端速度慢。流量控制路由选择路由选择：为网中的数据分组在多个可能的路由中选择一个路由进行传送。路由选择功能并非是分组交换系统必须具有的，但是，在分组交换系统中增加即使是简单的路由选择功能，也可以在很大程度上改善系统的性能。路由选择的基本原则应选择性能最性的传送路径，通常最为重要的性能就是端到端的传送时延；应使网内业务量分布尽可能均匀，以充分提高网络资源的利用率；应具有故障恢复能力，当网络出现故障时，可自动选择迂回路由。路由选择方法的3个要素路由选择准则：确定准则参数和参数的测量方法，选定的路由应使该参数最小化；路由选择算法：由各段链路测得的准则参数计算得出最佳路由；路由选择协议：链路准则参数变化信息的传递方式，属于网络协议的一部分。路由的分类按路由选择准则划分，有最短路径法、最小时延法和最低费用法。这里，路径的定义比较清晰；时延的测量各个网有其不同的定义，比较复杂；费用则是由链路长度、数据率、是否要保密、传播时延、链路差错率情况等一个或多个因素综合确定的，定义并不统一。按路由选择对网络变化的适应性划分，有静态法和动态法。前者或者不需要路由表，或者采用固定的路由表，因此不需要考虑传递网络变化信息的协议；后者的路由表将随着网络负荷的变化和网络拓扑的变化动态调整。按路由表调整的方式划分，有分布式和集中式两种方式。前者由各个交换节点根据收到的网络变化信息自行调整其路由表；后者是各个节点将变化信息集中传送到网控中心，由网控中心统一调整路由表后下载到各个节点。差错控制在分组交换系统中，使用反馈重发方法来完成数据传输的差错控制。基本做法有两种：第一种做法是：如果接收端发现接收的数据分组是有差错的，就向发送端发出重发请求，发送端收到重发请求后，重发数据分组，如此循环交替，直到收到正确的数据分组为止；第二种做法是：接收端只对接收的正确数据分组向发送端发出确认应答，如果发送端在一定时间内收不到确认应答，或发现确认和数据分组序号不连续，就重发没有确认的数据分组。差错控制第一种情况是由于信道情况特别恶劣，或是其他原因，导致数据分组总是出错，在这种情况下，反复重发也将徒劳无益，反而导致信道的长时间无效占用，甚至使信道进入死锁状态，为了防止这种情况，一般在接收方或发送方都要设置一个最大重发次数N，超过这个N后，就要停止反馈重发过程，报告发生故障。第二种情况是由于线路中断或信道情况特别恶劣，请求重发的数据分组也收不到，或任何数据分组都不能传送，导致通信双方进入无限期的等待状态。为防止这种情况的发生，一般在接收方和发送方都设置一个时间常数T，如果在时间T内收不到任何数据分组，就要停止反馈重发过程，报告发生故障。15分组网络性能指标与服务质量性能指标带宽，指每秒可向信道中注入的比特数，也称作吞吐量。延迟，包括发送延迟、传播延迟和处理延迟：发送延迟，也称传输延迟，分组“注入”信道所需时间，计算方法是：发送延迟=分组长度／信道带宽。传播延迟，分组从信道一端传到另一端所需时间，计算方法是：传播延迟=信道长度／信号传播速率。处理延迟，交换节点对分组进行存储转发处理所花费时间的总和。16分组网络性能指标与服务质量延迟抖动，指一次通信中分组端到端延迟的变化程度，会对流媒体传送有影响。分组丢失率，分组在传输过程中出错或丢失的概率。线路误码率通常很低，分组丢失主要由于交换节点缓存空间有限而使分组排队溢出造成。差错控制反馈重发机制也有两种实施办法。第一中办法是“端对端”反馈重发，即反馈重发只在两个终端之间进行。中间线路段上的交换机没有反馈重发机制，也不对数据分组的差错进行检验。第二种办法是逐段反馈重发，即在这若干段用户线路和中继线路中的每一段上进行差错检验和反馈重发。逐段反馈重发的办法效率较高，但是逐段反馈重发的方法也有一个缺点，就是它的控制复杂程度较高。时延1）复用信号速率与各单路信号的速率之和大致相等上图中的终端1和终端2分别以相同的速率发送信息，他们共同组成的多路复用信号的速率为终端1和终端2速率之和。其中，由于附加的时延，A和B的时延都大于一个分组的长度。CBAcbacBAabc时延2）复用信号速率小于各单路信号的速率之和由于信息的到来是随机的，所以有可能在复用器中产生相当长的排队从而增加时延。同时，只要多路复用信号的速率小于各入端信号之和，在存储器中存储的信息就可能会越来越多，以至于超出存储器容量而发生“溢出”。考虑到这种情况，各单路信号经过一个复用和解复用的过程后，除时延外，还有可能发生部分的丢失。CBAcbacBAabCDde48K48K64KdDE分组交换的优缺点1.分组交换的忧点（1）线路利用率较高。（2）异种终端通信。（3）数据传输质量好、可靠性高。（4）负荷控制。（5）经济性好。X.25概述X.25是最早的分组交换技术国际标准，是基于面向连接网络分组终端与分组交换机之间的协议。全称是“公用数据网络中通过专用电路连接的分组式数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的接口”。主要功能是描述如何建立虚电路、传输数据、拆除链路、拆除虚电路,以及差错控制、流量控制、情况统计等，并提供可选业务和配置功能。X.25网络结构和通信协议PTX.25X.25PTNPTX.28X.29X.3X.29分组交换机2分组交换机A1PAD分组交换机3PAD分组交换网X.25为分组终端PT与分组交换机DCE之间的通信协议。X.28为非分组终端NPT与分组适配器PAD之间的通信协议。X.3规范PAD内部功能操作。X.29为PAD之间或PT与PAD之间的通信协议。X.25的应用环境DCEPT（DTE）MODEMMODEM分组交换网PSPS…注：PT分组型终端PS分组交换机X.25X.25的分层结构及协议DTEDTE/DCE接口DCE链路逻辑接口物理接口多信道逻辑接口用户高层分组层数据链路层物理层用户数据H用户数据FAC信息FCSF比特流网络(a)X.25接口逻辑结构(b)信息流关系物理层物理层采用X.21建议。定义了DTE和DCE间的电气接口和建立物理的信息传输通路的过程。X.21建议规定如下：机械特性：ISO4903规定的15针连接器和引线分配，通常使用8线；电气特性：平衡型；同步串行传输；点到点全双工；适用于交换电路和租用电路。物理层接口T（传送）C（控制）DR(接收)DTI(标志)CES（信号，即比特定时)EB（字节定时）任选Ga（DTE公共回线）G（地）数据链路层在物理层之上实施信息传输控制，规定了在DTE和DCE之间交换分组的过程，功能包括：检测和纠正传输差错，CRC校验，发现出错自动请求重发；帧装/拆及帧同步；帧排序和正确接收确认；数据链路建立、拆除和复位控制；流量控制。链路层采用高级数据链路控制规程(HDLC)帧结构，是一种面向比特的同步通信规程。目前常用的为它的一个子集，平衡型链路接入规程(LAPB)。1.HDLC帧结构8bit01111110地址控制8bit8bitFCS16bit用户选定电文信息帧0N(S)PN(R)控制信息字段：最低位为0表示是信息帧；N(S)为发送序号；P为轮询位；N(R)为证实序号。8bit8bit8bit16bit监视/无编号帧FCS控制地址011111101110SSPN(R)111P100111F110监视控制字段SABN命令控制字段无编号响应控制字段SS编码解释00接收就绪；10接收未就序；01拒绝。图5.5HDLC帧结构1.HDLC帧结构(1)标志F，采用01111110序列，区分两个不同的分组单元，标志一个分组的开始或结束。为了避免分组单元内出现伪标志，采用信息码中连续5个连“1”自动插入“0”，收端5个连“1”自动除去“0”的比特填充技术，保证对数据透明传送。1.HDLC帧结构(2)帧地址字段(A)，在X.25协议中，该字段用来区分两个方向的命令/响应帧以及单链路/多链路。单链路，DCE发送命令/响应用A类，DTE用B类。多链路，DCE用C类，DTE用D类。地址类型链路配置二进制地址值A单链路00000011B00000001C多链路00001111D000001111.HDLC帧结构(3)帧的控制字段(C)，指示帧类型，规定了3种类型。信息帧，bit1为0，其余用作模8的发送顺序号N(S)和接收顺序号N(R)。监控帧，用于保证信息帧的正确传送，3个类型：RR帧：收端准备好，期望接收序号为N(R)的下一个帧；RNR帧：示忙，希望对方暂停发送；REJ帧：拒绝了序号N(R)的帧，要求重发，此前帧确认。未编号帧，用于对链路建立和断开过程控制。包括置以不平衡方式(SABM)、断开链路(DISC)、已断开链路(DM)、确认(UA)和拒绝(FRMR)帧。1.HDLC帧结构(4)信息字段(I)，信息字段只在信息帧中有，其他类型帧没有。其内容为分组层帧。(5)帧校验序列(FCS)，通过16bitCRC校验操作后的余数，收端利用CRC校验检错，出错时丢弃该分组，并通知对端重发。2.X.2