第七章1213 分组交换技术

第七章分组交换技术现代通信网中采用的交换方式主要有电路交换、分组交换方式。1、电路传送模式（CTM：circuitTransferMode）电路交换、多速率电路交换、快速电路交换。2、分组传送模式（PTM：PacketTransferMode）分组交换、帧交换、快速分组交换等。及其后出现的ATM、IP、MPLS均归类于PTM。3、异步传送模式（ATM：AsynchronousTransferMode）ATM交换是电路交换和分组交换的结合，引言数据通信的特点凡是以编码方式表示并能用脉冲形式在信道上传送的信息。数据通信的特点是突发性很强，对差错敏感，对时延不敏感。不同传输速率：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。7-1分组交换的基本原理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。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。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（分组）。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信息和控制信息，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。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。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。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。数据传送完毕后，释放该呼叫占用的资源。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的连接表交换虚电路和永久虚电路虚电路分为两种：交换虚电路(SVC，SwitchedVirtualCircuit)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。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。三、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。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。提供数据报和虚电路服务的思路来源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。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。7．2X．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。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。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-TX．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。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——平衡型链路接入协议(LAPB，LinkAccessProceduresBalanced)作为数据链路的控制规程。一）链路层的主要功能链路层的主要功能有：1、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。2、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。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。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，FrameReject)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。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FCSFCS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。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。7．3帧中继7．3．1帧中继技术发展的背景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。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。7．3．2帧中继的协议栈和帧格式一．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