1.分组交换原理

●数据分组是用来承载用户数据的分组
●控制分组是保证和控制数据分组在网络中正确传输和 交换的分组。 • 因此，为了区分不同类型的分组，分组头中还应包含 分组的类型。
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4.2 分组交换方式
• 两种主要形式：面向连接和无连接 • 面向连接（虚电路），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。逻辑连接不是物理连接，同一物理 信道可能同时被多个虚电路使用。
• 3、通过分组网接入数据通信的增值业务网，如电子信箱业务，国际 计算机互联网业务等。
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• 复用（TDD，FDD等）：对信道进行静态划分，使特定 的用户数据可以通过其所占用子信道的物理特性来标示。 • 交换：不同信道（链路）上的子信道的重新组合 • 头部（Head):分组总附加的比特。（用户标识和控制信 息） • 开销（overhead)：头部不是用户数据，分组的开销 • 净荷（Payload)：用户数据，分组交换节点只处理头部， 不处理净荷，用户端真正关心的是净荷。
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4.5 分组网络性能指标与服务质量
• 4.5.1 性能指标
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•
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– –
带宽，指每秒可向信道中注入的比特数，也称作 吞吐量。 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。
第5章 分组交换与分组 交换网
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
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• 分组交换技术是适应计算机通信的需求而发展起来的一种先进的 通信技术，是重要的数据通信手段之一。 • 分组交换技术具有信息传输质量高、网络可靠性高、线路利用率 高、经济性能好、利于不同类型终端间的相互通信等优点，可以 提供高质量的灵活的数据通信业务。分组交换技术已经被广泛的 应用于计算机通信网络中。快速分组交换技术（ Fast Packet Switching）、帧中继（Frame Relay）、异步传输模式（ATM） 等通信技术都是在分组交换技术的基础上产生与发展起来的。
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4.3 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。
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4.3.1 功能面
– 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 “服务策略”或“排队策略”等措施 调整。
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•
– –
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。
4.3.3 体系结构
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•
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(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。
用户数据
分组 头
用户数据
分组 头
用户数据
分组 头
用户数据
分组 头
用户数据
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分组
在同一个物理信道上可以同时传送属于多个不同 通信的分组，这些用户终端好像是分别占用了不同的 子信道进行数据的传送，我们称之为逻辑子信道。我 们使用逻辑信道号（LCN—Logic Channel Number））来标识每一个逻辑子信道，进而区别出 分组是属于哪个通信的。 分组有两大类：数据分组和控制分组。
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4、自适应路由选择 • 自适应路由选择就是路由选择是根据网络状况的变化而 动态改变的。路由选择的这种动态改变所依据的条件主 要是网络出现的拥塞和故障。当网络中的一部分发生了 拥塞，分组传送就要尽量绕过拥塞区域；当网络中的一 部分出现了故障，分组传送就要避开发生了故障的节点 或中继线。 • 由于这种方法能够提高网络的性能，路由选择灵活，所 以是目前使用最普遍的路由选择策略，被大规模的公用 分组交换网普遍采用。
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4.4 分组网络的路由选择
• 1、固定路由选择 2、洪泛式路由选择
3、随机路由选择
4、自适应路由选择
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• 洪泛式的优点是具有很高的可靠性。由于要经过源节 点和目的节点之间的所有路径，因此即使网络出现严 重故障，只要在源节点和目的节点之间至少存在一条 路径，分组都会被送达目的节点。另外，所有与源节 点直接或间接相连的节点都会被访问到，所以洪泛式
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4.5 分组网络性能指标与服务质量
• • 延迟抖动，指一次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。
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பைடு நூலகம்.5.2 网络服务质量
• 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：
• 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（Control Plane），数据传输所需 的支持功能，如路由表更新、面向连接网 络进行连接建立、拆除等。控制面功能类 似电路交换网中的信令。 • 管理面（Management Plane），与网络管 理有关的功能。
• 排队：缓存分组，再按照一定的顺序逐一发送到出口链 路 • 转发：为分组查找出口，将其转移到出口链路模块
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4.1 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。
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4.3.2 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
– 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。
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4.4 分组网络的路由选择
• 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。
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• 分组交换网的应用是多种多样的，主要有以下三种
• 1、利用分组网实现数据业务的处理。如金融系统的通存通兑、电子 汇兑、资金清算、自动取款机业务等；证券公司的行情发布；公安 部门的户籍、身份证管理等，都可以在分组网上开展。在提高工作 效率的同时，还带来了极大的经济效益。 • 2、利用分组网组建系统内部专网。随着计算机技术的快速发展，计 算机在机关，企事业单位得到了普遍的应用。将各部门的计算机联 成网络，使数据能准确、高速、可靠地在网内传输，并达到资源共 享，已成为各个部门迫切的通信需求。由于分组交换网组网灵活、 可靠性高、易于实施，适合不同机型、不同速率的客户通信，因此 可以利用分组交换网来组建系统内部的各种专网。
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4.3.3 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4.7所示。
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4.3.3 体系结构
• 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（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（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（application layer）：提供特定类应 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。
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• 虚电路交换方式又分为两种，一种是交换虚电路（SVC)， 另一种是永久虚电路(PVC)。
• ●SVC是指虚电路只在通信过程中存在，在数据传送之 前要建立逻辑的连接，也叫虚连接或虚电路，在数据传 送结束后需要拆除虚连接。 • ●PVC电路方式是指在两个用户之间存在一条永久的虚 连接（按用户预约，由网络运营管理者事先建好），不 论用户之间是否在通信，这条虚连接都是存在的。用户 之间若要通信则直接进入数据传输阶段，如同专线一样， 而不用经历虚电路的建立和拆除阶段。在实际应用中， 虚电路一般是指交换虚电路方式。
可以被应用于广播。洪泛式的缺点就是产生的通信量
负荷过高，额外开销过大，导致分组排队时延加大。
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• 随机路由选择方法的优点是比较简单、稳健性也较好。 采用这种方法产生的路由不是最小费用路由，也不是 最短路由，因此随机路由选择产生的通信量负荷一般 要高于最佳的通信量负荷，而低于洪泛法产生的通信 量负荷。 • 改进的随机路由选择方法是给每条输出路由分配一个 概率，可根据概率来选择路由。这个概率可以是基于 数据率的，也可以是基于费用。
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• 虚电路方式的特点：
• 面向连接的工作方式：虚电路方式的通信具有严格的三个过程， 即连接建立（呼叫建立）、数据传输、连接拆除（呼叫清除）。 因此我们说它是面向连接的。面向连接的工作方式对于长报文 （大数据量）传输效率较高。
•
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4.2.2 无连接分组交换网（数据报方式）
• 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，交换节点根据目的地址查表确定出口链路。 （分组头中含有目的终端地址信息） • 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。
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下图所示是采用统计时分复用的分组传送方式。多个分组共享线路 资源，每路通信分别用不同的用户标识来区别，如图中1、2、3，根 据分组传送的需要，每路通信的分组或疏或密地出现在线路上，即占 有不同的带宽。
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用户 数据
用户 标识
分组（packet）是由用户数据和分组头组成的。分组的用户数据 部分的长度是有限制的。如果来自数据终端的用户数据报文的长 度超过了分组的用户数据部分的最大长度，则需要将该报文拆分 成若干个数据段，并在每个数据段前加上分组头，形成分组。