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1、分组交换4.1分组交换原理分组交换原理电路交换不适合计算机数据通信时延小且固定信道利用率低。数据传送时间占信道占用时间的10%甚至1%不同类型、不同规格、不同速率终端很难互通带宽固定64Kbps可靠性差分组交换核心机制：存储转发分组交换的复用方式：异步时分复用异步时分复用异步时分复用F 1 2N第 i 帧F 1 2N第 i+1 帧F 1 2N第 i+2 帧图 TDM帧的一般结构同步时分复用（TDM）时间轴被分成周期性重复出现的帧，每帧有固定周期和固定时隙数-如PCM30/32，每帧周期固定125US，时隙个数32个。3异步时分复用异步时分复用异步时分复用（统计时分复用）ABCDt1t2t3t4
2、t5复用链路A1A2B1B2C1C2D1同步时分复用异步时分复用A1B1第 1 帧第 2 帧B2C1A1B1B2C1剩余可用时间时隙标头A2C2D1分组存储转发分组存储转发分组交换是一种存储转发式的交换，其存储转发的是报文的分组。0101001010101010010101报文数据首部数据首部分组与报文的关系分组头格式分组头格式 图图4-4 4-4 分组头格式分组头格式 通用格式识别符Q:限定符比特 D:传送确认比特S S:模式比特 01：模8 10：模128分组类型识别符为8位，区分各种不同的分组，共分如下4类。（1）呼叫建立分组用于在两个DTE之间建立交换虚电路。（2）数据传输分组用于两个
3、DTE之间实现数据传输。（3）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等。（4）呼叫释放分组在两个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等。呼叫请求分组格式呼叫请求分组格式 图图4-3 4-3 分组的组合与分解分组的组合与分解分组的交换方式分组的交换方式一个分组从发送终端传送到接收终端，必须沿一定的路径经过分组交换网络。那么分组是如何穿过网络的呢？目前有两种方法实现：数据报（Datagram）和虚电路（Virtual Circuit）。1.数据报（Datagram）2.虚电路（Virtual Circuit）分组交换方式分组交换方式1数据报方
4、式 分组交换的数据报方式继承了报文交换的优点。所谓数据报方式就是采用统计复用技术在分组网内根据每个分组的地址信息将数据分组由信源传送到信宿。交换节点对每一个分组单独进行处理，采用“存储转发”方式，根据分组中包含的目的地址信息和网络状态为每个分组独立寻找路由，属于同一用户的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，分组到达终点后应按原来的顺序组合用户数据信息。数据报方式的特点如下。（1）用户之间的通信不需要连接建立和拆除过程，根据分组头地址就可以直接传送数据，因此对于短报文通信效率比较高。（2）网络节点根据分组头地址自由地选路，可以避开网络中的拥塞路段或节点，因此网络传送分组的可靠性更高。如果一个节点
5、出现故障，分组可以通过其他路由传送。（3）数据报方式的缺点是分组和节点的开销较大。由于分组在网内按地址信息和网络状态向目的地方向传送，分组的到达终点次序随机，需要重新排序。每个分组的分组头要包含详细的目的地址。（4）数据报方式适用于短报文的数据通信，如询问/响应型、电子邮件型业务等。2虚电路方式虚电路方式 分组交换的虚电路方式继承了电路交换的优点。所谓虚电路方式就是采用统计复用技术，在用户数据分组传送前先通过发送呼叫请求分组建立端到端的虚电路，一旦虚电路建立，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送，传送完毕通过呼叫拆除分组来拆除虚电路。在这种方式中，用户的通信过程需要经过虚连接建立、分组传
6、输、虚连接拆除三个阶段。因此，虚电路提供的是面向连接服务。虚电路方式的特点如下。（1）分组的传输时延较小。（2）终端不需要重新排序。（3）虚电路建立后，每个分组头中不再需要包含详细的目的地址，而只需逻辑信道号就可以区分各个呼叫的信息，减少了每个分组的额外开销。（4）虚电路是由多段逻辑信道级联而成，虚电路在它经过的每段物理线路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级联构成了端到端的虚电路。（5）虚电路的缺点是当网络中线路或设备发生故障时，可能导致虚电路中断，必须重新建立连接才能恢复数据传输。（6）虚电路适用于长报文的数据通信。逻辑信道与交换虚电路逻辑信道与交换虚电路1逻辑信道的概念 在统计时分复用中
7、，虽然没有为各个终端分配固定的时隙，但通过各个用户的数据信息上所加的标记，仍然可以把各个终端的数据在线路上严格地区分开来。这样，在一条共享的物理线路上，实质上形成了逻辑上的多条子信道。各个子信道用不同的号码来表示。如图4-11所示，在高速的传输线上形成了分别为3个用户传输信息的逻辑上的子信道，我们把这种形式的子信道称为逻辑信道，用逻辑信道号（Logical Channel Number，LCN）来标识。图图4-11 4-11 逻辑信道划分示意图逻辑信道划分示意图2逻辑信道的特点逻辑信道的特点（1）由于分组交换采用动态统计时分复用方法，因此终端每次呼叫时，需要根据当时的资源情况分配LCN。同一个
8、终端可同时通过网络建立多个数据通路，它们之间通过LCN进行区分。（2）逻辑信道号是在用户至交换机的用户线或交换机之间的中继线上分配的，用于代表子信道的一种标号资源。（3）逻辑信道号是客观存在的。3交换虚电路的建立和释放交换虚电路的建立和释放 虚电路是分组交换的一种工作方式。虚电路分为两种：一种是交换虚电路（Switched Virtual Circuit，SVC），另一种是永久虚电路（Permanent Virtual Circuit，PVC）。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，通过呼叫
9、清除分组将虚电路拆除。永久虚电路是根据与用户约定，由网络运营者为其建立固定的虚电路，每次通信时用户无需呼叫就可直接进入数据传送阶段，就好像具有一条专线一样。永久虚电路一般适用于业务量较大的集团用户。采用交换虚电路通信需经历交换虚电路的呼叫建立、数据传输和虚电路的释放3个阶段。（1）交换虚电路的建立）交换虚电路的建立图图6-12 6-12 虚电路的建立虚电路的建立（2）数据传输（3）虚电路的释放图图6-13 6-13 虚电路释放过程虚电路释放过程4虚电路和逻辑信道的主要区别虚电路和逻辑信道的主要区别（1）虚电路是主、被叫DTE之间建立的虚连接；而逻辑信道是在DTE与交换机接口或网内中继线上分配的
10、，代表了信道的一种编号资源。（2）一条虚电路由多个逻辑信道连接而成，每条线路的逻辑信道号的分配是独立进行的。（3）一条虚电路具有呼叫建立、数据传输和呼叫释放过程。永久虚电路可在预约时由网络建立，也可通过预约予以清除；而逻辑信道是一种客观存在，它有占用和空闲的区别，但不会消失。（4）逻辑信道一般定义了如下一些状态。“准备好”状态：在逻辑信道上没有呼叫存在，逻辑信道号未分配。“呼叫建立”状态：正处在呼叫建立过程中，逻辑信道号已分配。“数据传输”状态：可以通过逻辑信道发送和接收数据。“呼叫释放”状态：呼叫正处在断开的过程中，所有网络资源被释放、逻辑信道返回到“准备好”状态。4.2 分组交换机分组交换
11、机 由于ITU-T只对分组交换网和终端之间的互连方式做了规范，而对网内的设备如交换机之间的协议并未做规范，因此各个厂家的内部协议并不统一，生产的分组交换机也是多种多样，不尽相同，但其完成的基本功能是一样的。从功能上讲，分组交换机一般由4个主要功能部件组成，即接口模块、分组处理模块、控制模块、维护操作与管理模块，两种工作模式下分组交换机的功能结构如图4-17所示。图图4-17 4-17 分组交换机的功能结构分组交换机的功能结构1接口功能模块接口功能模块 接口模块负责分组交换机和用户终端之间或与其他交换机之间的互连。接口模块包括中继接口模块和用户接口模块。接口模块完成接口的物理层功能，定义了用户线
12、和中继线接入分组交换机时的物理接口，包括机械、电气、功能、规程等特性。2分组处理模块分组处理模块 分组处理模块的主要任务是实现分组的转发。在采用虚电路和数据报的情况下处理稍有不同。3控制模块控制模块（1）连接建立与转发控制 虚电路模式 数据报模式（2）接口控制4维护操作与管理模块维护操作与管理模块 该模块完成对分组交换机各部分的维护操作和管理功能。分组交换机的指标体系分组交换机的指标体系（1）分组吞吐量（2）链路速率（3）并发虚呼叫数（4）平均分组处理时延（5）可靠性（6）可利用度（7）提供用户可选补充业务和增值业务的能力 4.3点对点协议点对点协议PPP（Point To point Pro
13、tocol）协议由X.25可靠传输协议发展而来不可靠协议定义低3层协议：网络层，数据链路层，物理层包括：链路控制协议LCP(Link Control Protocol)网络层控制协议NCP(Network Control Protocol)验证协议口令认证协议PAP(Password Authentication Protocol)握手认证协议CHAP(Challenge-Handshake Authentication Protocol)传输差错两大类：比特差错帧丢失、重复、失序。首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志字段F（二进制数（01111110）。标志字段是）PPP 帧的定界符。
14、首部地址字段A规定为 16 进制(FF)，即二进制数11111111；控制字段；C规定为 16 进制(03)，即二进制数00000011。这两个字段实际上并没有携带 PPP 帧的信息维护标志字段的唯一性维护标志字段的唯一性零比特填充在发送端，先扫描整个信息字段。只要发现有5个连续1，则立即填入一个O。因此保证在信息字段中不会出现 6个连续 1。接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确定一个帧的边界，接着再用硬件对其中的比特流进行扫描。当发现 5个连续 1时，就把这5个连续 1后的一个 0删除，以还原成原来的信息比特流。4.4 帧中继技术帧中继技术4.4.1 帧中继技术的产生1分组交换技术的时
15、代背景及其作用 分组交换技术是在通信网以模拟通信为主的时代背景下提出的，当时可提供数据传输的信道大多数是FDM电话信道，信道带宽为3003400Hz，这种信道的数据传输速率一般不超过9600bit/s，误码率为104105。由于数据通信的质量要求高，为了解决在高误码率、低质量的传输线路上实现数据可靠传送和计算机联网等功能，在X.25分组交换网内的每个节点必须提供强大的检错、纠错以及流量控制等功能。为了保证这些功能的实现，X.25分组交换网采用了路由选择、流量控制、逐段转发、逐段检错/纠错以及出错重发等技术。这些技术的应用，使得网络把误码率提高到小于1011的水平，能够实现不同终端之间互通，满足
16、了当时绝大多数数据通信的要求。因此，分组交换技术在数据通信方面，发挥了巨大作用。2光纤传输的普及应用3计算机网络技术迅猛发展4分组交换技术的局限性5社会的需求和技术的进步使得帧中继技术应运而生4.4.2 帧中继与帧中继与X.25的比较的比较1帧中继与分组协议分层比较图图6-19 6-19 帧中继与分组协议分层结构帧中继与分组协议分层结构2帧中继与帧中继与X.25的比较的比较（1）不同之处 与X.25相比，帧中继在第2层增加了路由的功能，但它取消了其他功能，例如在帧中继节点不进行差错纠正，因为帧中继技术建立在误码率很低的传输信道上，差错纠正的功能由端到端的计算机完成。在帧中继网络中的节点将舍弃有
17、错的帧，由终端的计算机负责差错的恢复，这样就减轻了帧中继交换机的负担。与X.25相比，帧中继不需要进行第3层的处理，它能够让帧在每个交换机中直接通过，即交换机在帧的尾部还未收到之前就可以把帧的头部发送给下一个交换机。一些第3层的处理，如差错/流量控制，留给智能终端去完成。（2）相同之处）相同之处 帧中继与X.25也有相同的地方。例如二者均可采用面向连接的通信方式，即采用虚电路交换，其中包括交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）两种。3帧中继的定义帧中继的定义 通过以上比较可见帧中继（Frame Relay，FR）技术是在OSI参考模型第2层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术，由于第
18、2层的数据单元为帧，故称之为帧中继。4.4.3 帧中继的协议结构与帧格式帧中继的协议结构与帧格式1帧中继协议结构 控制平面（C-plane）用户平面（U-plane）图图6-20 6-20 帧中继的协议结构帧中继的协议结构 （1）控制平面）控制平面 控制平面（简称C平面），它包括3层。Q.931/933Q.921I.430/431用于交换控制信息（2）用户平面）用户平面 用户平面（简称U平面），它使用了ITU-T Q.922协议，即帧方式承载业务的链路接入规程（Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services，LAPF）。（3）Q.922
19、中核心部分（中核心部分（DL-Core）的功能）的功能 帧定界、定位和透明性。用地址字段实现帧多路复用和解复用。对帧进行检测，确保0比特插入前/删除后的帧长是整数个字节。72 对帧进行检测，确保其长度不至于过长或过短。检测传输差错，将出错的帧丢弃（帧中继中不进行重发）。拥塞控制。2帧格式（帧格式（LAPF）帧方式链路接入规程（Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services，LAPF）是帧方式承载业务的链路接入规程，包含在ITU-T建议Q.922中，其帧格式如图6-21所示。图图6-21 LAPF6-21 LAPF帧格式帧格式（1）标志字
20、段（F）（2）地址字段 数据链路连接标识符（Data Link Connection Identifier，DLCI）命令/响应（C/R）地址扩展（EA）前向拥塞通知（FECN）后向拥塞通知（BECN）丢弃指示（DE）（3）信息字段（I）（4）帧校验序列（FCS）4.4.4 帧中继的交换原理帧中继的交换原理1帧的转发过程 帧中继是在分组交换技术基础上发展起来的，它取消了分组交换技术的数据报方式，而仅采用虚电路方式，向用户提供面向连接的数据链路层服务。2帧中继的帧中继的PVC管理管理 帧中继为计算机用户提供高速数据通道，因此，帧中继网提供的多为PVC连接，任何一对用户之间的虚电路连接都是由网络管
21、理功能预先定义的，如果数据链路出现故障，要及时将故障状态的变化及PVC的调整通知用户，这是由本地管理接口（Local Management Interface，LMI）管理协议负责的。PVC管理可完成以下功能。链路完整性证实。增加PVC通知。删除PVC通知。PVC状态通知（激活状态或非激活状态）。图图6-23 UNI6-23 UNI接口的接口的PVCPVC管理管理4.5.5 帧中继的主要特点帧中继的主要特点（1）帧中继协议取消了X.25的分组层功能，只有两个层次：物理层和数据链路层。（2）用户平面和控制平面分离。（3）传送的基本单元为帧，帧的长度是可变的，允许的最大长度为1K字节，要比X.25
22、网的缺省分组128字节长，特别适合于封装局域网的数据单元，减少了分段与重组的开销。（4）在数据链路层完成动态统计时分复用、帧透明传输和差错检测。（5）帧中继技术提供了一套有效的带宽管理和拥塞控制机制，使用户能合理传送超出约定带宽的突发性数据，充分利用了网络资源。（6）帧中继现在可提供用户的接入速率在64kbit/s2.048Mbit/s范围内，以后还可更高。（7）帧中继采用了面向连接的工作模式，可提供PVC业务和SVC业务。4.5移动通信中的分组交换移动通信中的分组交换通用无线分组业务GPRS(General Packet Radio Service)GPRS是GSM基础上发展的数据业务总结总结分组交换思想：存储转发快速分组交换：帧中继，ATM交换逻辑信道与虚电路分组交换的应用：固话网的数据传输，7号信令网，移动通信的数据传输