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1、第第4 4章章 分组交换原理分组交换原理 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14.1 概述回顾电路交换模式的特点起源于语音通信需求，直接将表示语音的电信号传送和交换则利用实线传输和机械/电子模拟交换。将语音信号波形数字编码（PCM）后用数字代表某瞬间的幅度，采用同步时分复用和数字电路交换。语音数字，每字节代表一个幅度值，以时间顺序的比特流表示语音波形，接收端按顺序还原，不必对数据进行额外处理。交换时，用户先进行拨号申请，由交换机分配传送通路，通信中始终占用该通路直至通信结束。通信带宽固定，控制简单，瞬时响应好，但无通话信号传送时浪费资源，不对数据纠错会引入杂音
2、干扰。24.1 概述分组交换模式的诞生计算机技术诞生后，人类信息交互中的文件、数据等消息用数据表示和传送。计算机数据消息对出错率要求很高，对时延和对数据抵达顺序要求不严，因此需将数据封装成有纠错能力的分组进行传送和交换。数据被封装成分组后，对于占用的传送位置无要求，可采用统计复用，先来先传。由于要求交换节点对数据进行纠错检验，必须等一个分组完全抵达交换节点后才能执行，所以分组交换采用“存储-检查-转发”的交换方式。34.1 概述分组交换的本质特征是数据以分组为单位，采用统计复用与存储转发工作模式。统计复用统计复用，也称异步时分复用，指将用户数据划分数据单元，若干比特，用逻辑标号标识数据单元，构
3、成分组，按照先来先服务复用传输信道。属于动态分配共享资源，可提高传输信道的带宽利用率。存储转发存储转发，指分组数据抵达交换机先进行缓存，检查无错后再根据分组中携带的目的地址和资源状况选择路由，将分组经出口连路转发输出。4分组的形成 5图4.1 统计复用示意 6分组交换过程 7分组交换与电路交换的对比 对比项对比项分分组组交交换换电电路交路交换换延延迟迟不固定，有不固定，有时时可能可能很大很大固定，小固定，小所需的所需的处处理理复复杂杂简单简单交交换换机成本机成本较较高高较较低低带宽带宽利用率利用率高高低低8报文交换报文交换，也属于分组型数据交换，区别是数据单元包含用户一次通信中的全部数据内容。
4、报文交换也采用存储转发模式，特点是分组长度较大，有较大传送时延。9图4.3 报文交换与分组交换的对比 104.2 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，然后进行数据交换传送，通信结束后释放所占用资源。无连接无连接，随时可进行数据传送，网络总是处于准备好状态。114.2.1 面向连接分组交换网通信过程通信过程，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
5、向资源置闲。124.2.1 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。13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
6、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。14虚电路和逻辑信道的概念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。逻辑信道的几个状态：准备好，没有呼叫，逻辑信道号未分配；呼叫建立，正在建立过程中，逻辑信道已分；数据传输，可以通过逻辑信道收发数据；呼叫释放，正在断开连接，完成后返回准备好状态。154.2.1 面向连接分组交换网 164.2.2 无连接分组交换网不必事先建立通路，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
7、换节点根据目的地址查表确定出口链路。网络以“无状态”方式工作，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。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。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。174.2.3 两种网络的比较不同领域专家的不同理念。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。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。184.2.3 两种网络的比较 对比内容对比内容面向面向连
8、连接网接网络络无无连连接网接网络络倡倡导导者的技者的技术领术领域域电电信信计计算机算机分分组头组头部中的用部中的用户标识户标识信息信息逻辑逻辑子信道子信道标标号号完整的源、目的地址完整的源、目的地址转发处转发处理开理开销销低低高高头头部开部开销销低低高高路由路由选择选择仅仅在建在建连连接接时进时进行行对对每个分每个分组进组进行行交交换节换节点失效点失效时时所有所有经过经过它的虚它的虚电电路路都不能工作都不能工作少数分少数分组丢组丢失，此后失，此后的通信的通信还还可可进进行行一次通信任一次通信任务务内分内分组组的的转发转发路径路径都相同都相同可能互不相同可能互不相同分分组顺组顺序序能能够够保保证
9、证端到端端到端顺顺序序不能保不能保证证服服务质务质量保量保证证支持支持相相对对容易容易较较困困难难194.3 分组网络体系结构分组网络中，用户数据、控制数据和管理消息等都以分组形式交换和传递，分组消息处理均由设备自动执行。为了使复杂系统易于实现，合理安排各子系统间相互关系，将分组网络的功能纵向划分为若干功能面，再将每个面横向划分为多个层，形成分层体系结构。204.3.1 功能面数据面数据面（Data Plane），也称用户面，与传递用户数据直接有关的功能，如分组头处理、查表、内部转送、排队等。控制面控制面（Control Plane），数据传输所需的支持功能，如路由表更新、面向连接网络进行连接
10、建立、拆除等。控制面功能类似电路交换网中的信令。管理面管理面（Management Plane），与网络管理有关的功能。214.3.2 分层分层分层，将网络功能分解并在若干水平层内实现，每层只解决特定范围内的问题，各层之间定义明确的接口形式。分层的目的分层的目的降低系统实现的复杂度，各层只实现有限功能。可使不同厂商的分组通信设备同层功能一致，方便互联互通。增加/删减功能容易，并且不致影响已有设备或功能。说明抽象通信服务的概念和实现方法。体现协议的概念及其工作原理。224.3.2 分层 234.3.2 分层 244.3.3 体系结构一种网络技术的各层及其协议统称为该网络的体系结构。分组网络遵照国
11、际标准化组织ISO提出的“开放系统互连参考模型（简称OSI）”的体系结构。OSI模型将网络划分为七个层次，定义了各层的功能和协议。遵循OSI模型开发和生产网络产品，可使全世界的多厂商多类通信设备都能在网络上互联互通。OSI体系结构如图所示。254.3.3 体系结构物理层物理层(physical layer)：主要功能是透明传送比特流，完成信道的复用和解复用。信道分为同步与异步：同步信道指信道上始终存在比特信号，需时钟同步。异步信道指仅在上层传输数据时才有信号，不需时钟。数据链路层数据链路层(data link layer)：功能包括帧定界、差错控制和流量控制。如果信道由多方共享，且采异步时分复
12、用，链路层还需解决信道争用问题，采用“介质访问控制”（MAC）协议。网络层网络层(network layer)：控制网状拓扑的通信网工作过程，功能包括路由计算、分组转发、服务质量控制、拥塞控制等。264.3.3 体系结构传输层传输层（transport layer）：运行在终端上，提供端到端数据传输服务，包括复用解复用和端到端的可靠传输。会话层会话层（session layer）：用户间建立会话，提供对话控制、令牌管理、同步控制等功能。表示层表示层（presentation layer）：为通信双方提供公共的、独立于具体设备的数据表示方法。应用层应用层（application layer）：提
13、供特定类应用程序或业务所需的通信服务。例如发出那些请求、作出何种响应何如何传送数据等。274.4 分组网络的路由选择路由选择路由选择，依某一标准计算两终端间最佳路径，分配路径信息到各节点构建路由表。面向连接网络，建立连接时查路由表生成转发表项，数据分组转发时查转发表完成转发；无连接网络，每个分组都根据路由表确定转发出口。路由选择算法，要求正确、简单、健壮、稳定、公平和最优等。健壮指部分链路故障导致拓扑改变但算法仍正常工作，稳定指算法收敛快，公平指能均匀承担业务负荷，最优指代价最小。代价可以是链路带宽、传播延迟、租用成本、流量状况等。284.4 分组网络的路由选择 代价为代价为4，可以是带，可以
14、是带宽、延迟、费用、流宽、延迟、费用、流量等，两个方向一样。量等，两个方向一样。294.4 分组网络的路由选择路由算法分为静态和动态，静态算法离线计算，然后装配到所有节点，适于拓扑结构很少变化的网络。动态算法则是根据网络拓扑变化现场计算，适合于拓扑结构经常变化的网络。静态路由计算使用最短路径算法，例如Dijkstra算法。动态路由使用距离-向量算法和链路-状态算法。304.4 分组网络的路由选择静态路由方案静态路由方案，第一选路由承担业务负荷最先的50%，第二选承担其次的25%业务负荷，再多的业务负荷由第三选择路由承担。动态路由方案动态路由方案，分为集中式和分布式，集中式通过网管中心收集网络状
15、态参数，计算最佳路经并定期通知各节点；分布式则由各节点统计其到其他节点通信情况，定期向其他节点公告自己及相邻节点的情况，综合选择一条最佳路由。314.5 分组网络性能指标与服务质量4.5.1 性能指标带宽带宽，指每秒可向信道中注入的比特数，也称作吞吐量。延迟延迟，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。324.5 分组网络性能指标与服务质量延迟抖动延迟抖动，指一次
16、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。334.5.2 网络服务质量网络服务质量服务质量服务质量，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
17、“服务策略”或“排队策略”等措施调整。344.6 流量控制与拥塞控制设置控制的原因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。354.6 流量控制与拥塞控制流量控制方法流量控制方法，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
18、的端点之间进行。拥塞拥塞，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。364.7 分组交换设备的结构分组交换设备的功能是按照存储转发方式在各入出口之间交换数据分组，在数据面处理分组头部、转发表、缓存与队列管理、流量整形、队列调度、内部数据交换等；控制面处理路由协议、建立与拆除连接、连接接纳控制等；管理面处理网管协议。37低速分组交换设备 低速分组交换设备，硬件低速分组交换设备，硬件就是配置多个网卡的计算就是配置多个网卡的计算机，全部功能都由机，全部功能都由CPU集集中完成。中完成。网络接口卡只网络接口卡只负责物理层和负责物理层和数据链路层功数据链路层功能。能。38高速分组交换设备 交换机构采用共享存储、总线交换机构采用共享存储、总线或交叉开关实现，完成各模块或交叉开关实现，完成各模块间的分组数据转移交换。间的分组数据转移交换。功能卡模块，自带功能卡模块，自带CPU，负责处理本，负责处理本模块功能规定的分组，并通过交换机模块功能规定的分组，并通过交换机构与其它模块交换数据。构与其它模块交换数据。39