第五章分組交換與分組交換網5.1分組交換技術與分組交換網分組交換也稱為包交換，是在報文交換基礎上發展起來的一種交換技術。基本思想：將要傳送的數據按一定的長度分成多個數據段，這些數據段稱為“分組”，發送端把這些“分組”分別發送出去。到達目的地，目的交換機將一個個“分組”按順序裝好，還原成原文件發送給收端用戶，這一過程稱為分組交換。分組交換技術：快速分組交換技術，幀中繼，異步傳輸模式。進行分組交換的通信網稱為分組交換網。典型應用：ARPANET，CHINAPAC。5.2分組交換的基本原理5.2.1分組傳送方式(資源共享方式)

圖5.1統計時分復用（STDM）

分組傳送采用的是統計時分復用的方式，具有動態分配帶寬和用標記區別數據所屬用戶的特點，實現了多用戶對線路資源的共享，同時提高了線路資源的利用率，并可很好地支持突發性業務。5.2.2分組的形成來自數據終端的用戶數據可能是很長的報文，我們需要將該報文拆分成若干段，并加上分組頭，組成一個完整的分組（packet），如圖5.2所示。

圖5.2分組的形成

分組頭中主要包含邏輯信道號(LCN)、分組的序號以及其他的控制信息。分組的類別：數據分組控制分組5.2.3分組交換方式分組交換：分組從源端經分組交換網中各交換節點到達目的端的過程。實現方式：虛電路方式數據報方式虛電路方式虛電路方式就是指通信終端在收發數據之前，先在網絡中建立一條邏輯連接，在通信過程中，用戶數據按照順序沿著該邏輯連接到達終點。通信結束后，需要拆除該連接。注意：虛電路指的是一條邏輯連接，而不是指一條專門的物理通路。同一條線路可能同時被多條虛電路使用。虛電路方式分類交換虛電路SVC虛電路只在通信過程中存在，在數據傳送之前要建立邏輯連接也叫做虛連接或虛電路，數據傳輸結束后需要拆除虛連接。永久虛電路PVC在兩個用戶之間存在一條永久的虛連接，不論用戶之間是否通信，這條虛連接都存在。虛電路方式的特點面向連接的工作方式分組按序傳送分組頭簡單對故障敏感數據報方式在數據報方式中，分組被獨立的對待，每一個分組都包含終點地址信息，彼此之間相互獨立的尋找路徑，同一份報文的不同分組可能沿著不同的路徑到達終點。在這種技術中，一個被獨立對待的分組就稱為一個數據報。特點：無連接的工作方式存在分組失序現象分組頭復雜對網絡故障的適應能力較強數據報和虛電路的對比數據報省掉了呼叫的建立和清除過程，如果只傳送少量的分組，那么采用數據報方式的傳輸效率會比較高。對于數據報方式，由于每個分組是各自獨立在網絡中傳輸的，所以分組不一定按照發送時的順序到達網絡終點，因此在網絡終點必須對分組重新排序。而對于虛電路的方式，分組按已建立的路徑順序通過網絡，在網絡終點不需要對分組重新排序。在數據報方式下，由于每個數據分組都要獨立的尋找路徑，所以單個數據分組傳輸的時延較大。而虛電路一旦建立，單個數據分組的傳輸時延則會小得多。數據報方式對網絡的適應能力較強。電路交換與分組交換的比較電路交換分組交換接續時間較長數據報沒有接續時間，虛電路較長傳輸延遲時間平均短，偏差小，標準時延只有ms級平均長，偏差大，標準時延低于200ms傳輸可靠性一般，誤碼率小于10-7較高，誤碼率小于10-15傳輸效率高，呼叫建立后沒有額外開銷較低，每個分組都有額外開銷傳輸帶寬固定分配帶寬動態分配帶寬電路利用率低高過負荷控制拒絕繼續呼叫減少每個用戶的有效帶寬，時延增加交換機費用一般比較便宜費用較高應用實時話音業務數據通信業務5.2.4路由選擇分組交換網的主要功能就是接受來自源站點的分組，并將它們傳送到目的站點。因為通常在網絡中存在多條從源站點到目的站點的路徑也就是路由，所以為了完成分組傳送這個任務，必須選擇其中的一條路徑，這就是路由選擇功能。常見路由選擇策略：固定路由選擇洪泛式路由選擇隨機路由選擇自適應路由選擇5.2.5流量控制分組交換網中各個節點交換機的處理能力和各條線路的傳輸容量是一定的，但是用戶終端發送分組的時間和數量具有隨機性。如果不對數據流進行控制，有可能造成網內數據流分布不均勻，部分節點和線路上的數據流超過其處理能力或傳輸容量，造成網絡的阻塞。嚴重時，分組在網絡中無法傳送，不斷被丟棄，源節點無法發送新的數據，目的節點也收不到分組，造成死鎖。流量控制方法證實法－－滑動窗口證實機制，用于點到點的流量控制和端到端的流量控制。預約法－－預約緩沖存儲區許可證法－－在網絡中設置一定數量的許可證（空載，滿載），用來攜帶分組5.3分組交換協議——X.25協議5.3.1分組交換協議的結構分組交換協議是在分組交換過程中數據終端設備與分組交換網內各交換節點之間關于信息傳輸過程、信息格式和內容等的約定。分為：接口協議UNI網內協議NNIX.25協議是數據終端設備（DTE）和數據電路端接設備（DCE）之間的接口協議，實現了接口協議的標準化，使得各種DTE能夠自由連接到各種分組交換網上。它是目前使用最廣泛的分組交換協議。X.25協議定義了幀（Frame）和分組（Packet）的結構；數據傳輸通路的建立和釋放、數據的傳輸等過程；順序控制、差錯控制和流量控制等機制；以及分組交換提供的基本業務和可選業務等。X.25屬于接口規程，沒有定義路由選擇算法，這屬于分組交換網網絡內部控制功能，由各個廠家決定。（參見《分組交換工程》P163-165）X.25協議分為三層：物理層、數據鏈路層和分組層，各層在功能上相互獨立，如圖5.7所示。圖5.7X.25的分層結構5.3.2X.25的物理層物理層協議規定了DTE和DCE之間的電氣特性、功能特性和機械特性以及協議的交互流程。物理層完成的主要功能如下：在DTE和DCE接口處提供數據傳輸；在設備之間提供控制信號；提供時鐘信號，用以同步數據流和規定比特速率；提供電氣地；提供機械的連接器（如針、插頭和插座）。5.3.3X.25的數據鏈路層——LAPBX.25數據鏈路層規程是要在物理層提供的雙向的信息輸送管道上實施信息傳輸的控制。一般情況下，X.25的數據鏈路層采用的是HDLC（高級數據鏈路控制規程）的一個子集LAPB（平衡型鏈路訪問規程）。HDLC的兩種鏈路配置：平衡配置：提供點到點鏈路非平衡配置：提供點到點鏈路和點到多點鏈路X.25只提供點到點的鏈路方式。數據鏈路層完成的功能DTE與DCE之間的數據傳輸發送和接收端信息的同步傳輸過程中的檢查和糾錯有效的流量控制協議性錯誤的識別和告警鏈路層狀態的通知數據鏈路層幀類型與結構按照幀的功能可以把幀分成三類：信息幀（I幀）、監控幀（S幀）和無編號幀（U幀）。LAPB幀的基本結構如圖5.8所示，所有幀均包含標志F、地址字段A、控制字段C、幀檢驗序列FCS，部分幀還包含信息字段I。圖5.8LAPB幀的基本結構各字段作用與功能標志F：01111110，用于幀定界。地址字段A：在DTE和DCE之間交換的幀有兩種：命令幀：用來發送信息或產生某種操作；響應幀：對命令幀的響應。地址字段的作用就是來區分兩個傳輸方向上的命令幀和響應幀－－單鏈路。A地址(03)：DCE的命令幀，DTE的響應幀B地址(01)：DTE的命令幀，DCE的響應幀地址字段還用來區分多鏈路的命令幀和響應幀。C地址(0F)：DCE的命令幀，DTE的響應幀D地址(07)：DTE的命令幀，DCE的響應幀控制字段：用來區分幀的類型并攜帶控制信息的。各字段作用與功能命令響應幀名稱控制字段比特編碼87654321信息幀I信息幀N(R)PN(S)0監控幀RRRR接收準備好N(R)P/F0001RNRRNR接收未準備好N(R)P/F0101REJREJ拒絕N(R)P/F1001無編號幀DM已斷開方式000F1111SABM置異步平衡方式001P1111DISC斷開010P0011UA無信號確認011F0011FRMR幀拒絕100F0111SABME置擴充的異步平衡方式011P1111信息幀（I幀）用途：傳輸分組層的分組數據，只在數據傳輸過程中使用。識別標識：C字段第一個比特為0。組成：N(S)：發送序號N(R)：接收序號探尋位(P)：P=1表示要探詢對端狀態監控幀（S幀）用途：保護信息幀的正確傳輸，沒有I字段，只在數據傳輸過程中使用。識別標識：C字段前兩位為1和0。控制字段包括接收序號N(R)。可作為命令幀和響應幀，所以C字段第五位為P或F位。分類：RR幀：已正確接收到N(R)-1號及以前的幀，準備好接受N(R)號信息幀；RNR幀：已正確接收到N(R)-1號及以前的幀，但此時處于忙狀態暫時不能接收新的I幀；REJ幀：已正確接收到N(R)-1號及以前的幀，請求對方重新發送標號N(R)開始的幀。無編號幀（U幀）用途：應用于鏈路的建立、斷開和復位等控制過程。識別標識：C字段前兩位為11。組成：第五位為P/F位，34678位用于區分不同U幀。分類：SABM：命令幀，用于請求建立鏈路，接收方用UA幀表示同意，用DM表示拒絕；DISC：命令幀，用于斷開鏈路連接，接收方用UA幀表示同意；DM：響應幀，表示本方已處于鏈路斷開狀態，還可以用作對SABM的否定回答；UA：響應幀，對無編號命令幀的肯定應答；FRMR：響應幀，通知對方出現了用重發無法恢復的差錯狀態。包含信息字段，提供拒絕原因；SABME：命令幀，功能與SABM一致，工作方式為模128方式。各字段作用與功能信息字段只有信息幀和無編號幀的FRMR幀會包含信息字段。信息幀中的信息字段為來自分組層的分組數據。FRMR幀的信息字段為拒絕的原因。幀檢驗序列FCS用來檢查幀通過鏈路傳輸可能產生的錯誤。在發送方按照特定算法對發送信息進行計算而生成，并附于幀尾；在接收端通過檢查FCS判別在傳輸過程中是否發生了錯誤。數據鏈路層工作原理數據鏈路層的主要功能是建立數據鏈路，利用物理層提供的服務為分組層提供有效可靠的分組信息的傳輸。階段劃分：鏈路建立信息傳送鏈路斷開系統參數和變量N(S)：發送序號，只包含在信息幀中，用來表示該信息幀的編號；N(R)：接收序號，包含在信息幀和監控幀中，用來通知對端本端希望接受的下一個信息幀的編號；V(S)：發送變量，存在于通信實體中，用來保存下一個發送的信息幀的編號；V(R)：接收變量，存在于通信實體中，用來保存希望接受的下一個信息幀的編號；K：允許未證實的最大幀數，即最大窗口數；T：時鐘，又稱定時器。用于超時處理。鏈路建立過程DTE和DCE都可啟動鏈路建立過程，但是實際上常由用戶側的DTE在接入時啟動建立，網絡側的DCE處于守候狀態，通過發送連續的F標志表示信道已激活。鏈路建立時，只要任一方發送一個SABM命令幀，對方如認為可以進入信息傳送階段，就回送UA響應幀，同時把V(R)和V(S)置0，對端收到UA幀后，將V(R)和V(S)置0，鏈路建立成功。如果對方認為尚不能開始信息傳送，就回送DM響應幀，表示鏈路未能建立起來。信息傳輸過程順序編號證實機制滑動窗口大小為K，表示可發送的未證實順序編號的I幀個數。通過I和S幀的N(R)進行證實。為提高效率，可在連續收到多個I幀后，對序號正確的多個I幀進行一次確認，N(R)等于最后一個幀的N(S)+1。如果接收方可接受新的I幀，而且有I幀發送，則用I幀捎帶確認。如果沒有I幀發送，就用RR幀確認。如果接收方處于忙狀態，就發送RNR確認，直到接收方可以接收新的I幀，再發送RR幀確認。超時重發機制鏈路斷開過程鏈路斷開過程是一個雙向對稱過程，可由DTE或DCE發起。任一方發出DISC命令幀，如果對方此時尚處于信息傳送階段，則回送UA響應幀，然后進入斷鏈階段；如果對方已進入斷鏈階段，則回送DM響應幀。DTEDTESABMUAI0,0RR1I1,0I2,0I3,0RR4I0,4I4,1I1,5I1,5RR2DISCUAV(S)=0,V(R)=0V(S)=1,V(R)=0V(S)=5,V(R)=2V(S)=2,V(R)=0V(S)=3,V(R)=0V(S)=4,V(R)=0V(S)=5,V(R)=1V(S)=4,V(R)=1V(S)=0,V(R)=0V(S)=2,V(R)=5V(S)=0,V(R)=1V(S)=2,V(R)=5V(S)=0,V(R)=2V(S)=0,V(R)=3V(S)=0,V(R)=4V(S)=1,V(R)=5V(S)=1,V(R)=4時鐘

超時建立鏈路信息傳輸斷開鏈路5.3.3X.25的分組層X.25分組層是利用鏈路層提供的服務在DTE-DCE接口交換分組。它將一條邏輯鏈路按照動態時分復用的方法劃分成多個子邏輯信道，允許多個用戶終端或進程同時使用一條邏輯鏈路，以充分利用線路資源。分組層的主要功能在X.25接口為每個用戶呼叫提供一個邏輯信道；通過邏輯信道群號（LCGN）和邏輯信道號（LCN）來區分與每個用戶呼叫有關的分組；提供交換虛電路（SVC）和永久虛電路（PVC）的連接；提供建立和清除交換虛電路連接的方法；為每個用戶的呼叫連接提供有效的分組傳輸，包括順序編號、分組的確認和流量控制過程；監測和恢復分組層的差錯。

分組的類型與結構分組：分組層傳送信息的最小單位。分類：數據分組：承載用戶信息的分組；控制分組：用于虛呼叫連接的建立、清除和恢復。數據鏈路層通過I幀承載分組信息。分組的組成：分組頭：通用格式識別符(GFI)，邏輯信道群號和邏輯信道號(LCGN+LCN)，分組類型識別符(PTI)；分組數據I幀FACFCSF分組頭分組信息字段分組頭格式GFI：Q：用來區分分組是用戶數據(Q=0)還是控制數據;D：表示數據分組是DTE到DCE的本地確認(D=0)還是DTE到DTE的端到端確認；SS：用來表示分組的順序編號是模8方式(SS=01)，還是模128方式(SS=10)。LCGN+LCN：X.25采用統計時分復用方式共享帶寬；用途：區分邏輯信道。PTI：GFILCGNLCNPTI87654321QDSS8765分組的分類分組類型從DCE到DTE從DTE到DCEPTI87654321數據分組DCE數據DTE數據xxxxxxx0控制分組流量控制分組DCERRDTERRxxx00001DCERNRDTERNRxxx00101DTEREJxxx01001其他控制分組呼叫建立分組入呼叫呼叫請求00001011呼叫連接呼叫接收00001111傳輸控制分組DCE中斷DTE中斷00100011DCE中斷證實DTE中斷證實00100111登記請求11110011登記證實11110111呼叫清除分組清除指示清除請求00010011DCE清除證實DTE清除證實00010111恢復分組復位指示復位請示00011011DCE復位證實DTE復位證實00011111重啟指示重啟請求11111011DCE重啟證實DTE重啟證實11111111診斷11110001數據分組數據用戶用于傳送用戶數據組成：P(S)：發送分組序號P(R)：接受分組序號M比特：后續數據比特，M=1表示該數據分組之后還有同一報文的分組，M=0表示該數據分組是報文的最后一個分組。P(R)MP(S)087654321虛電路與邏輯信道前面我們分別介紹過虛電路和邏輯信道的概念，那么這兩者之間有什么聯系和區別呢？（1）虛電路是在DTE-DTE之間建立的虛連接，存在于端到端之間；邏輯信道是DTE-DCE接口或中繼線上可分配的資源，存在于點到點之間，一條線路上可以存在多個邏輯信道。一條虛電路是由多個邏輯信道連接而成。每條線路的邏輯信道號是獨立分配的，同一條虛電路在不通線路上的邏輯信道號可能是不相同的。（2）邏輯信道是一直存在的，它分為占用和空閑兩種狀態；虛電路（不包括永久虛電路）隨著通信的開始而建立，通信結束后就被清除。分組層工作原理分組傳送方式采用統計時分復用，將一條邏輯鏈路劃分為多個邏輯信道，允許多個通信同時使用一條邏輯鏈路。用邏輯信道號LCN標志每一個邏輯信道。X.25協議就是關于DTE和DCE接口之間虛呼叫分組數據通信的協議。分組層所要完成的功能就是在DTE和DCE接口之間建立虛電路連接，傳輸分組信息以及在通信結束時清除虛電路連接。系統參數和變量P(S)：發送分組號P(R)：接收分組號發送窗口：可以發送的未確認的最大分組數發送計時器：與數據鏈路層的T功能一致2.數據傳輸分組順序編號確認機制--滑動窗口超時重發機制鏈路層與分組層的不同點鏈路層幀的編號和確認在一條鏈路上進行；分組層分組的編號及確認是在一條虛電路上進行的。幀和分組的編號沒有關系。鏈路層的確認是在DTE和DCE之間進行，按照流量控制的類型分屬于點到點的流量控制。分組層的確認可在DTE和DCE以及主叫DCE和被叫DCE之間進行，具有點到點和端到端的流量控制。5.4分組交換機5.4.1分組交換機的結構分組交換網的終端用戶與網絡之間的接口標準是統一的，幾乎所有的分組交換設備提供商都遵守并實現了這些標準。而交換網的網內通信規程、分組交換機的設計以及網絡的維護、管理和控制至今沒有統一的標準，各個廠家的內部協議是互相不兼容的，分組交換網設備也是多種多樣的，沒有統一的結構。分組交換機的基本結構交換單元 分組交換機交換單元的基本功能和電路交換機交換單元的基本功能是一致的，就是把信息從某個輸入端口送到某個輸出端口。區別：

首先，分組交換數據的突發性，在輸入輸出端口可能存在消息隊列，所以需要對信息進行緩沖存儲；

其次，分組交換采用統計時分復用，所以需要對分組頭中相應標示進行分析，以此作為選路的依據，而電路交換機以時隙作為依據。接口單元 接口單元包括用戶線路的接口單元和中繼線路的接口單元。其功能包括：用戶線的監視和控制、分組的組合與分解、差錯控制、傳輸控制規程的控制等。控制單元 控制單元用于完成整個系統的控制工作，其功能包括：呼叫處理、流量控制、路由選擇、系統配置等。控制單元的功能一般由軟件來完成。5.5分組交換網5.5.1分組交換網的構成分組交換機用戶終端設備分組裝拆設備遠程集中器網絡管理中心傳輸線路5.5.2分組交換網的工作原理5.6幀中繼5.6.2幀中繼技術的特點幀中繼協議處理大為簡化。幀中繼的數據傳輸只涉及物理層和數據鏈路層兩層協議第二層協議只具有核心的功能：幀透明傳輸、差錯檢測和統計復用，不再完成糾錯、重發等操作大大簡化了交換節