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分组交换

在通信过程中,通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制实现数据交互的通信方式,被称为分组交换(PS:packet switching)。

分组交换也称为包交换,它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段,在每个数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部,每个带有首部的数据段就构成了一个分组。首部指明了该分组发送的地址,当交换机收到分组之后,将根据首部中的地址信息将分组转发到目的地,这个过程就是分组交换。能够进行分组交换的通信网被称为分组交换网。

分组交换的本质就是存储转发,它将所接受的分组暂时存储下来,在目的方向路由上排队,当它可以发送信息时,再将信息发送到相应的路由上,完成转发。其存储转发的过程就是分组交换的过程。

分组交换的思想来源于报文交换,报文交换也称为存储转发交换,它们交换过程的本质都是存储转发,所不同的是分组交换的最小信息单位是分组,而报文交换则是一个个报文。由于以较小的分组为单位进行传输和交换,所以分组交换比报文交换快。报文交换主要应用于公用电报网中。

分组交换的实质就是将要传输的数据按一定长度分成很多组,为了准确的传送到对方,每个组都打上标识,许多不同的数据分组在物理线路上以动态共享和复用方式进行传输,为了能够充分利用资源,当数据分组传送到交换机时,会暂存在交换机的存储器中,然后根据当前线路的忙闲程度,交换机会动态分配合适的物理线路,继续数据分组的传输,直到传送到目的地。到达目地之后的数据分组再重新组合起来,形成一条完整的数据。

分组是由分组头和其后的用户数据部分组成的。分组头包含接收地址和控制信息,其长度为3--10B,用户数据部分长度是固定的,平均为128B,最长不超过256B。这里有一个问题需要说明:同一分组网内分组长度是固定的,而不同分组网分组长度可以不同。分组交换:路由选择确定了输出端口和下一个节点后,必须使用交换技术将分组从输入端口传送到输出端口,实现输送比特通过网络节点。

分组交换技术是在计算机技术发展到一定程度,人们除了打电话直接沟通,通过计算机和终端实现计算机与计算机之间的通信,在传输线路质量不高、网络技术手段还较单一的情况下,应运而生的一种交换技术。

分组交换也称包交换,它是将用户传送的数据划分成多个更小的等长部分,每个部分叫做一个数据段。在每个数据段的前面加上一些必要的控制信息组成的首部,就构成了一个分组。首部用以指明该分组发往何地址,然后由交换机根据每个分组的地址标志,将他们转发至目的地,这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。分组交换实质上是在“存储转发”基础上发展起来的。它兼有电路交换和报文交换的优点。

在分组交换方式中,由于能够以分组方式进行数据的暂存交换,经交换机处理后,很容易地实现不同速率、不同规程的终端间通信。

1970年左右,人们开始研究一种新的长途数字数据通信的体系结构形式:分组交换。虽然使用的分组交换技术与那时相比已经取得了很大的发展,但是今天分组交换的基本技术与70年代的网络技术基本上是相同的,而且分组交换仍然是实现长途数据通信少数有效的技术中的一种。并且两种最新的广域网技术:帧中继和ATM,基本上是分组交换方式的变种。

分组交换是作为一种解决交互式处理应用的技术而发展起来的,它设计用来支持突发性的数据流的传送,这种业务流的持续连接时间长而业务量低。分组交换网络采用了统计复用技术,即多个会话连接可以共享一条通信信道,这无疑大大提高了传输效率。然而,共享通信链路会引入时延。因此未来我们要考虑的一个关键问题是分组交换网络如何传送时延敏感的业务流,比如实时业务流。在分组交换网络中,分组通过一系列中间节点进行选路,通常要跨越多个网络。它们以存储转发的方式在一系列分组交换机(即路由器)之间转发,最终到达目的地。在传输过程中信息被分割成包含目的地址和序列号的分组。

按照实现方式,分组交换可以分为数据报分组交换和虚电路分组交换。

数据包分组交换要求通信双方之间至少存在一条数据传输通路。发送者需要在通信之前将所要传输的数据包准备好,数据包都包含有发送者和接收者的地址信息。数据包的传输彼此独立,互不影响,可以按照不同的路由机制到达目的地,并重新组合。

在这种方式中,每个分组按一定格式附加源与目的地址、分组编号、分组起始、结束标志、差错校验等信息,以分组形式在网络中传输。网络只是尽力地将分组交付给目的主机,但不保证所传送的分组不丢失,也不保证分组能够按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是不可靠的,也不保证服务质量。如图9-2(a)所示,主机H1向H5发送的分组,有的经过节点A-B-E,有的经过A-C-E或A-B-C-E,主机H2向H6发送的分组,有的经过节点B-D-E,有的经过B-E。数据报方式一般适用于较短的单个分组的报文。其优点是传输延时小,当某节点发生故障时不会影响后续分组的传输。缺点是每个分组附加的控制信息多,增加了传输信息的长度和处理时间,增大了额外开销。

它与数据报方式的区别主要是在信息交换之前,需要在发送端和接收端之间先建立一个逻辑连接,然后才开始传送分组,所有分组沿相同的路径进行交换转发,通信结束后再拆除该逻辑连接。网络保证所传送的分组按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是可靠的,也保证服务质量。如图9-2(b)所示,主机H1向H5发送的所有分组都经过相同的节点A-B-E,主机H2向H6发送的所有分组也都经过相同的节点B-E。

这种方式对信息传输频率高、每次传输量小的用户不太适用,但由于每个分组头只需标出虚电路标识符和序号,所以分组头开销小,适用长报文传送。

虚电路分组交换像电路交换一样,通信双方需要建立连接,只是与电路交换不同,分组交换的连接是虚拟连接(又称为虚电路),连接中不存在一个独占的物理线路。根据虚拟连接的实现方式,可以把虚电路分为交换虚电路和永久虚电路。

交换虚电路是需要通信双方通过请求建立一个临时连接,然后进行通信,当通信结束之后,该临时连接就被拆除。

永久虚电路是通信双方无需请求,只需要按照双方约定建立一个连接,并在约定时间内一直保持。

由此可得,面向连接工作方式和无连接工作方式的特点。

(1)面向连接工作方式的特点

不管是面向物理的连接还是面向逻辑的连接,其通信过程可分为三个阶段:连接建立、传送信息、连接拆除。

一旦连接建立,该通信的所有信息均沿着这个链接路径传送,且保证信息的有序性(发送信息顺序与接收信息顺序一致)。

信息传送的时延比无连接工作方式的时延小。

一旦建立的连接出现故障,信息传送就要中断,必须重新建立连接,因此对故障敏感。

(2)无连接工作方式的特点

没有连接建立过程,一边选路、一遍传送信息。

属于同一通信的信息沿不同路径到达目的地,该路径事先无法预知,无法保证信息的有序性(发送信息顺序与接收信息顺序不一致)。

信息传送的时延比面向连接工作方式的时延大。

对网络故障不敏感。

(1)信息传送的最小单位是分组

分组由组头和用户信息组成,分组头含有选路和控制信息。

(2)面向连接(逻辑连接)和无连接两种工作方式

虚电路采用面向连接的工作方式,数据报是无连接工作方式

(3)统计时分复用(动态分配带宽)

统计时分复用的基本原理是把时间划分为不等长的时间片,长短不同的时间片就是传送不同长度分组所需的时间,对每路通信没有固定分配时间片,而是按需使用。这就意味着使用这条复用线传送分组时间的长短,由此可见统计时分复用是动态分配带宽的。

(4)信息传送为有差错控制

分组交换是专门为数据通信网设计的交换方式,数据业务的特点是可靠性要求高,对实时性要求没有电话通信高,因而在分组交换中为保证数据信息的可靠性,设有CRC校验、重发等差错控制机制,以满足数据业务特性的需求。

(5)信息传送不具有透明性

分组交换对所传送的数据信息要进行处理,如拆分、重组信息等。

(6) 基于呼叫延迟制的流量控制

在分组交换中,当数据流量较大时,分组排队等待处理,而不像电路交换那样立即呼损掉,因此其流量控制基于呼叫延迟。

分组交换网与电路交换网相比有许多优点

较之电路交换对链路的独占性而言,不同的数据分组可以在同一条链路上以动态共享和复用方式进行传输,通信资源利用率高,从而使得信道的容量和吞吐量有了很大的提升。因为结点到结点的单个链路可以由很多分组动态共享。分组被排队,并被尽可能快速地在链路上传输。

一个分组交换网络可以实行数据率的转换:两个不同数据率的站之间能够交换分组,因为每一个站以它的自己的数据率连接到这个结点上。

在同一个链路上可以同时传输不同类型和规格的数据,当分组网络上有大量的分组时,可以根据设定数据传输的排队机制,保证优先级高的分组优先传输。当电路交换网络上负载很大时,一些呼叫就被阻塞了。在分组交换网络上,分组仍然被接受,只是其交付时延会增加。

在使用优先级时,如果一个结点有大量的分组在排队等待传送,它可以先传送高优先级的分组。这些分组因此将比低优先级的分组经历更少的时延。

分组交换网与电路交换网相比也有一些缺点

一个分组通过一个分组交换网结点时会产生时延,而在电路交换网中则不存在这种时延。

因为一个给定的源站和目的站之间的各分组可能具有不同的长度,可以走不同的路径,也可以在沿途的交换机中经历不同的时延,所以分组的总时延就可能变化很大。这种现象被称为抖动。抖动对一些应用来讲是不希望有的(例如:电话话音和实时图像等实时应用中)。

要将分组通过网络传送,包括目的地址在内的额外开销信息和分组排序信息必须加在每一个分组里。这些信息降低了可用来运输用户数据的通信容量。在电路交换中,一旦电路建立,这些开销就不再需要。另外,分组交换网络是一个分布的分组交换结点的集合,在理想情况下,所有的分组交换结点应该总是了解整个网络的状态。但是,不幸的是,因为结点是分布的,在网络一部分状态的改变与网络其他部分得知这个改变之间总是有一个时延。此外,传递状态信息需要一定的费用,因此一个分组交换网络从来不会“完全理想地”运行。

挂在分组交换网上的终端有两类:分组型终端和一般终端。所谓分组型终端是以分组的形式发送和接收信息;一般终端它发送和接收的信息是报文,需经分组装拆设备处理后才能接入分组交换网。若发送终端是一般终端,要由PAD将其发送的报文拆成若干个分组再送往分组交换网上传输;若接收终端是一般终端,要由PAD将属于一份报文的若干个分组重新组装成报文再送给一般终端。

分组交换的基本原理是采用“存储转发”技术,从源站发送报文时,将报文划分成有固定格式的分组(Packet),把目的地址添加在分组中,然后网络中的交换机将源站的分组接收后暂时存储在存储器中,再根据提供的目的地址,不断通过网络中的其它交换机选择空闲的路径转发,最后送到目的地址。这样就解决了不同类型用户之间的通信,并且不需要像电路交换那样在传输过程中长时间建立一条物理通路,而可以在同一条线路上以分组为单位进行多路复用,所以大大提高了线路的利用率。

分组交换是把电路交换和报文交换的优点结合起来产生的一种交换技术。电路交换过程类似于打电话,当用户需发送数据时,主叫方需通过呼叫,由交换网完成被叫才与它建立一条物理连接数据通路,需拆除连接时,由通信双方中任一方完成。它的特点是适合发送一次性大批量的信息。由于建立连接时间长,传递短报文时,效率较低。并且对通信双方在信息传输速率、编码格式、通信协议等方面完全兼容,这就限制了不同速率、不同编码格式、不同通信协议的双方用户进行通信。报文交换的基本原理是采用“存储-转发”技术,从源站发送报文时,把目的地址添加在报文中,然后网络中的交换机将源站的报文接收后暂时存储在存储器中,再根据提供的目的地址,不断通过网络中的其它交换机选择空闲的路径转发,最后送到目的地址。这样就解决了不同类型用户之间的通信,并且不需要像电路交换那样在传输过程中长时间建立一条物理通路,而可以在同一条线路上以报文为单位进行多路复用,所以大大提高了线路的利用率。但此种方式时延较长,时延变化大,不适用于实时及会话式通信,但适用于电子邮件、计算机文件、公用电报等业务。

分组交换仍采用“存储-转发”技术,但不像报文交换那样以报文为单位进行交换,而是将报文划分成有固定格式的分组(Packet)进行交换、传输,一般为1kbit~数千位,每个分组按一定格式附加源与目的地址,分组编号、分组起始、结束标志、差错校验等信息,以分组形式在网络中传输。当源DTE将分组以比特串形式传送至本地分组交换机PSE后,本地PSE收到每个分组要求的转发信息,不管是否接通目的地址设备,都先存储起来,然后检查目的地址,在PSE保存的路由表中找到该目的地址规定的发送通路,PSE即按允许的最大发送速率转发该分组。同样,每个中转PSE均按此方式存储、转发每个分组,直到将分组送到目的地pSE,再由该PSE送达目的地址DTE(见图8-7)。按上述方式传送的是分组交换中的数据报方式。一般适用于较短的单个分组的报文。其优点是传输可靠性高、传输延时小,由于PSE上的存储器容量减小,所以提高了经济性,缺点是每个分组附加的控制信息多,增加了传输信息的长度和处理时间,增大了额外开销。

分组交换的另一种方式叫虚电路方式,它与数据报方式的区别主要是在信息交换之前,由源DTE向本地PSE发送一特定呼叫请求的分组,其中含有目的DTE的地址及逻辑信道识别符,并由PSE中转转发。若呼叫被目的DTE接受,则相应的响应“呼叫接受”予以应答,网络即发出一个“呼叫连通”给源DTE,此时呼叫建立,在两台DTE之间建立一条称作虚电路的逻辑通路,信息就能在这条虚电路上传输,直到数据交换结束,虚电路被拆除,相应的逻辑信道识别符被释放。所以虚电路方式在每次通信时都有虚电路建立、数据传输和拆除三个阶段,类似于电路交换方式,但在网络中的传输是分组交换方式。这种方式对信息传输频率高、每次传输量小的用户不太适用,但由于每个分组头只需标出虚电路标识符和序号,所以分组头开销小,适用长报文传送。

公用分组交换数据网是实现不同类型计算机之间进行远距离数据传送的重要公共通信平台,是国际上普遍采用的一种广域连接方式。国际电信联盟的电信标准部门ITU-TSS制定的X.25协议是世界上许多电信组织和厂商支持和遵守的国际标准。X.25网络是国际上广泛采用的公用数据网络。X.25是Tyltmet于1970年引入的,它是第一代分组交换系统。X.25网络是为传送数据而发展起来的,因此它与电话业务供应商不是直接的竞争关系。X.25分组交换技术是为了满足具有交互式特性的业务而出现的。交互式处理是在20世纪60年代末出现的,它是一种连接时间长,但数据量低的突发性数据流。X.25提供了一种可以使得多路会话共享同一通信信道的技术。

X.25网络提出X.25技术时,网络主要还是一个模拟的环境。模拟网络的一个较严重的问题是:噪声在通过一些放大器时会被放大,这会导致非常高的差错率。因此,X.25提供的一个增值业务就是在网络内实施差错控制功能。由于分组交换是存储转发技术,在每一个中间节点,要对分组进行差错检测。如果分组一切正常的话,中间节点将对原始发送节点发出确认信息;如果中间节点接收到的分组有差错,节点将发出信息要求重传。因此,在分组路经的任何一个节点,如果发现噪声积累造成差错,就会对差错进行纠正,从而可以保证数据流更为准确地发送。就像PSTN网络一样,X.25分组交换网络也是分级的。

在X.25分组交换网络中,分组交换机分为两大类:(1)一类交换机靠近用户端,实际上,它们位于网络的接入点。这类交换机的功能包括选路、转发分组以及差错检测和纠正。另外,为了能够支持不同类型计算机的接入,完成不同协议之间的转换,或者不同工作速率、不同编码方式之间的转换,还需要一些附加的功能,而这些功能就是在接入点处的交换机完成的。换句话说,因为它可以根据你的要求进行必要的转换工作,并将这种转换作为网络业务的一部分,因此通过X.25网络,你可以实现不同类型的设备之间的连接。(2)第二类交换机在网络的内部,它们不提供前面提到的高级别的增值功能,仅仅完成分组的选路、转发以及差错控制和检测。非标准X.25终端需要通过一个分组拆装设备(PAD)连接到一个X.25网络。PAD完成协议的转换,生成X.25标准规定的分组,这样数据才能通过X.25网络传送。这些PAD可以放在用户侧,也可以放在网络侧。X.25本质上是ITU-T制定的用户设备和分组交换网络之间的标准接入协议。它定义了分组模式的终端通过专用电路接入到公共数据网络的接口。还有一些常用的X系列协议,它们是:

(1)X.28是终端设备与PAD之间的标准协议;

(2)X.29是PAD与网络之间的标准协议;

(3)X.75是两个或多个的分组交换网络互联的网关协议,其中一个网络可以是专用的分组数据网络,而另一个可以是公共分组数据网络,或者它们是两个不同运营商网络等等。

X.25网络的优缺点:判断一个特定技术的优缺点首先要看它所处的大环境。在一个模拟信息基础环境中,噪声是个大问题,因此差错控制是必须的。但是,在每个中间节点,除了要选路以确定下一跳之外,还要对每一个分组实施差错控制,就会增加端到端的传输时延。因为X.25分组交换网络只用来传送数据,所以时延或者分组的丢失对它来说并不是十分关键的参数。X.25的另一个贡献是它的分组大小。它使用相对较小的分组,一般为128字节或256字节。对这一问题的优劣评价也是随着时间的不同而改变的。由于噪声的因素,小的分组在X.25网络中是十分有利的。如果在网络中有噪声,将会有差错出现,因而分组经常需要进行重发。很显然,重发相对小的分组比重发长的大块信息效率更高,因此,X.25特别设计成使用较小的分组。同样,因为它是早期的网络,所以适合工作在相对低速率的链路。链路速率范围一般从56kbit/s到2Mbit/s。

X.25的优点如下:(1)由于X.25是第一个提供第三层网络地址信息,从而使得分组能够在一系列中间节点和网络中进行路由和中继的技术,因此它有很强的寻址功能;(2)由于使用了统计复用技术,它的带宽利用率较高;(3)分组可以绕开发生拥塞的节点而通过其他连接和节点重新进行路由,因此改善了拥塞控制能力;(4)能够持续地在每一个中间节点上对所有类型的差错进行检测和纠错,因此差错控制功能得以提高;(5)在节点和线路发生故障时可以重新选路,因此可用性很高。

X.25的缺点如下:(1)排队时延较大;(2)低速通信链路;(3)分组尺寸较小,带宽的利用率不如采用较大尺寸分组的新协议高;(4)没有QoS保证,因此不适于对时延敏感的应用;(5)仅用于传输数据,而今天我们正努力寻求综合业务的解决方案。

X.25协议简介:使用公共数据网的一个重要部分就是与它们的接口。ITUX.25标准就是一种广泛使用的接口。许多人使用术语“X.25网络”,这导致许多人错误地认为X.25定义了网络协议。但事实并非如此,X.25只是定义了DTE与公共数据网相连的DCE间的协议(图9-4)。因此,X.25可严格地作为通过公共数据网的用户-网络接口或用户-用户接口。X.25协议是指用分组方式工作并通过专用电路和公用数据网连接的终端使用的数据终端设备(DTE)和数据电路终端设备(DCE)之间的接口的协议。它定义了物理层、数据链路层、分组层(即网络网)三层协议,分别对应于ISO/OSI七层模型的下三层。

(1)物理层:基本功能是建立、保持和拆除DTE和DCE之间物理链路,定义了物理链路的机械、电气、功能和规程的特性,提供同步、全双工的点到点比特流的传输手段,DTE和本地DCE之间的接口按X.21建议规定。(2)数据链路层:通过DTE和本地分组交换机PSE(PacketSwitchedEquipment)间的物理链路向分组层提供等待重发、差错控制方式的分组传送服务,所以可靠性高,这一层规定的LAPB(LinkAccessProcedureBalanced)规程是HDLC规程的平衡类子集,主要规定了数据链路的建立和拆除规程、建立后的信息传输规程以及差错控制、流量控制等。另外这一层还规定了多链路规程MLP(MultiLinkProcedure),通过在多条平行的数据链路上同时传送信息帧,以提高信息的吞吐量和可靠性。

(3)分组层(网络层):主要描述DTE/DCE接口上交换控制信息和用户数据的分组层规程,规定了虚电路业务规程、基本分组结构、数据分组格式以及可选用的用户业务功能等。这一层采用的是时分复用原理,实现一个源DTE利用一条物理电路呼叫多个目的DTE进行分组数据交换。此外还提供永久虚电路PVC业务,这是供用户固定使用的虚电路,源DTE不用必须建立呼叫即能使用虚电路。X.25中各分层协议的相互关系。

分组交换的网络结构一般由分组交换机、网络管理中心、远程集中器、分组装拆设备、分组终端/非分组终端和传输线路等基本设备组成。(1)分组交换机实现数据终端与交换机之间的接口协议(X25),交换机之间的信令协议(如X75或内部协议),并以分组方式的存储转发、提供分组网服务的支持,与网路管理中心协同完成路由选择、监测、计费、控制等。根据分组交换机在网络中的地位,分为转接交换机和本地交换机两种;(2)网路管理中心(NMC)与分组交换机共同协作保证网路正常运行。

其主要功能有网路管理、用户管理、测量管理、计费管理、运行及维护管理、路由管理、搜集网路统计信息以及必要的控制功能等等,是全网管理的核心;(3)分组装拆设备(PAD)的主要功能是把普通字符终端的非分组格式转换成分组格式,并把各终端的数据流组成分组,在集合信道上以分组交织复用,对方再将收到的分组格式作相反方向的转换。(4)远程集中器的功能类似于分组交换机,通常含有PAD的功能,它只与一个分组交换机相连,无路由功能,使用在用户比较集中的地区,一般装在电信部门。(5)提供网络的基本业务:交换虚电路和永久虚电路及其他补充业务,如闭和用户群,网路用户识别等。在端到端计算机之间通信时,进行路由选择,以及流量控制。能提供多种通信规程,数据转发,维护运行,故障诊断,计费与一些网络的统计等。


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