第四章分組交換技術

第四章分組交換技術與幀中繼3幀中繼原理與幀中繼網絡X.25協(xié)議2分組交換原理12023/2/41《現(xiàn)代交換技術》第四章分組交換技術與幀中繼4.1分組交換原理

2023/2/42《現(xiàn)代交換技術》分組交換（PacketSwitching）特征：存儲—轉發(fā)；以分組為單位；差錯控制；統(tǒng)計時分復用應用：數(shù)據(jù)報：類似于報文交換；虛電路：類似于電路交換。

背景：綜合了電路交換和報文交換的優(yōu)點，同時對它們的缺點進行改進，是現(xiàn)代通信網絡的的基礎交換技術。

2023/2/43《現(xiàn)代交換技術》分組交換（優(yōu)點）

高效：統(tǒng)計時分復用方式，大大提高了線路利用率；

迅速：在網絡輕負荷時，時延小且變化不大，滿足計算機交互業(yè)務的要求；

靈活：提供了不同速率、不同代碼、不同同步方式、不同通信控制協(xié)議的數(shù)據(jù)終端之間能夠互通的靈活的通信環(huán)境；

可靠：具有差錯控制功能，保證數(shù)據(jù)的準確性（10-10）；傳輸路徑可變。2023/2/44《現(xiàn)代交換技術》分組交換（缺點）網絡重負荷時，時延大；長報文通信傳輸效率低；技術實現(xiàn)復雜。2023/2/45《現(xiàn)代交換技術》數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)輸入輸出設備傳輸控制器數(shù)據(jù)終端設備（DTE）通信控制器主機中央計算機系統(tǒng)（DTE）數(shù)據(jù)電路終接設備（DCE）接口數(shù)據(jù)電路終接設備（DCE）傳輸信道接口數(shù)據(jù)電路數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構成2023/2/46《現(xiàn)代交換技術》頻分復用FDMFDM：傳輸信道總帶寬劃分成若干個子頻帶，每一個子頻帶傳輸一路信號。2023/2/47《現(xiàn)代交換技術》同步時分復用TDM：將信道的傳輸時間劃分成若干時隙，各路信號輪流在自己的時隙內獨占信道傳輸。固定分配帶寬2023/2/48《現(xiàn)代交換技術》源端目的端節(jié)點A節(jié)點B統(tǒng)計時分復用SDM:把時隙動態(tài)地分配給各個終端，即當終端的數(shù)據(jù)要傳送時，才會分配到時隙。動態(tài)分配帶寬

節(jié)點C2023/2/49《現(xiàn)代交換技術》分組的形成用戶數(shù)據(jù)用戶數(shù)據(jù)分組頭用戶數(shù)據(jù)分組頭2023/2/410《現(xiàn)代交換技術》分組頭格式87654321

通用格式標識符：對不同類型分組，其含義是不同的。

邏輯信道號LCN：16×256＝4096條，其中0號被LCN保留，只開放4095條。

分組類型標識符號：見表4.4分組類型。2023/2/411《現(xiàn)代交換技術》分組的傳輸分組裝配和拆卸設備（PacketAssembler/Disassembler，PAD）

是一個規(guī)程轉換器或者說是網絡服務器，主要功能是向各種不同的終端提供服務，幫助它們進入分組交換網，或者具體說就是幫助終端要發(fā)送的數(shù)據(jù)生成分組，并通過線路發(fā)送給網絡（交換機）。2023/2/412《現(xiàn)代交換技術》以分組為單位傳送數(shù)據(jù)源端目的端節(jié)點A節(jié)點B節(jié)點C2023/2/413《現(xiàn)代交換技術》分組的交換數(shù)據(jù)報方式Datagram虛電路方式VirtualCircuit2023/2/414《現(xiàn)代交換技術》數(shù)據(jù)報方式321412341423143232023/2/415《現(xiàn)代交換技術》12342134123431422413虛電路方式2023/2/416《現(xiàn)代交換技術》路由選擇動態(tài)法（1）路由選擇算法（2）集中式路由交換

靜態(tài)法：（1）擴散式路由法（2）固定路由表法2023/2/417《現(xiàn)代交換技術》有效性質量指標是衡量系統(tǒng)傳輸能力的主要指標，通常從碼元傳輸速率、信息傳輸速率、頻帶利用率和差錯率等方面來考慮。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)性能指標2023/2/418《現(xiàn)代交換技術》每個碼元的信息量為:I=log21/P=log2N(bit)所以,信息速率為:Rb

=I?RB=RB?log2N(bit)信息傳輸速率&碼元傳輸速率2023/2/419《現(xiàn)代交換技術》

頻帶利用率用系統(tǒng)單位頻帶內所實現(xiàn)的信息傳輸速率來衡量。表示為

η=Rb/B (bit/s/Hz)

式中，B為系統(tǒng)所需的傳輸帶寬，Rb為系統(tǒng)的信息速率。頻帶利用率2023/2/420《現(xiàn)代交換技術》差錯率：誤碼率、誤字率、誤組率在系統(tǒng)傳輸?shù)拇a元總數(shù)中發(fā)生差錯的碼元數(shù)所占的比例稱誤碼率。記為

Pe 式中，n是在一定時間內系統(tǒng)傳輸?shù)拇a元總數(shù)；ne是在相同時間內傳輸中產生的錯碼數(shù)。差錯率2023/2/421《現(xiàn)代交換技術》分組交換機的指標體系端口數(shù)分組吞吐量鏈路速度并發(fā)虛呼叫數(shù)平均分組處理時延可靠性可利用度為用戶提供補充業(yè)務和增值業(yè)務的能力2023/2/422《現(xiàn)代交換技術》第四章分組交換技術與幀中繼4.2X.25協(xié)議

2023/2/423《現(xiàn)代交換技術》X.25協(xié)議產生背景數(shù)據(jù)通信網發(fā)展的重要里程碑是采用分組交換方式，構成分組交換網。和電路交換網相比，分組交換網的兩個站之間通信時，網絡內不存在一條物理電路供其專用，因此不會像電路交換那樣，所有的數(shù)據(jù)傳輸控制僅僅涉及到兩個站之間的通信協(xié)議。

X.25是ITU-T制定的WAN通信協(xié)議標準，它定義了用戶設備與網絡設備之間的連接是如何建立和維護的。X.25在OSI/RM出現(xiàn)之前就制定了，在OSI和CCITT的共同努力下，X.25與OSI/RM的下三層可以對應起來，只是第三層叫做“分組層”，物理層建議采用X.21bis，數(shù)據(jù)鏈路層采用平衡型鏈路接入規(guī)程LAPB的異步平衡模式ABM。2023/2/424《現(xiàn)代交換技術》X.25協(xié)議的應用環(huán)境X.25:

“在公用數(shù)據(jù)網上以分組方式工作的數(shù)據(jù)終端設備DTE和數(shù)據(jù)電路終接設備DCE之間的接口”。2023/2/425《現(xiàn)代交換技術》特征:工作在OSI/RM的低3層采用分組交換，面向連接(虛電路)，可靠性高多路復用。一條物理鏈路支持多條虛電路點對點傳輸，不支持廣播支持多種高層協(xié)議，它們均作為普通數(shù)據(jù)被封裝在X.25的分組中在網絡中傳送工作速率≤64KbpsX.25分組交換網（PDN）2023/2/426《現(xiàn)代交換技術》X.25協(xié)議的系統(tǒng)結構和信息流關系

DTEDTE/DCE接口

DCE

鏈路邏輯接口

物理接口

多信道邏輯接口

用戶高層

分組層

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

用戶數(shù)據(jù)

H用戶數(shù)據(jù)

FAC信息

FCSF

比

特

流

網

絡

(a)

X.25接口邏輯結構

(b)

信息流關系

2023/2/427《現(xiàn)代交換技術》物理層X.25協(xié)議的物理層規(guī)定采用X.21建議。物理層定義了DTE和DCE之間建立、維持和釋放物理鏈路的過程，包括機械、電氣、功能和過程特性，相當于OSI的物理層。2023/2/428《現(xiàn)代交換技術》物理層X.25的物理層就像一條輸送比特流的管道，只負責傳輸，不執(zhí)行重要的控制功能，控制功能主要由鏈路層和分組層來完成。

X.21建議規(guī)定如下：機械特性：采用ISO4903規(guī)定的15針連接器和引線分配，通常使用8線；電氣特性：平衡型電氣特性；同步串行傳輸；點到點全雙工；適用于交換電路和租用電路。2023/2/429《現(xiàn)代交換技術》數(shù)據(jù)鏈路層X.25鏈路層規(guī)定了在DTE和DCE之間的線路上交換X.25幀的過程。鏈路層規(guī)程用來在物理層提供的雙向的信息傳送管道上實施信息傳輸?shù)目刂?。鏈路層的主要功能如下：差錯控制，采用CRC循環(huán)校驗，發(fā)現(xiàn)出錯時自動請求重發(fā)；幀的裝配和拆卸及幀同步；幀的排序和對正確接收的幀的確認；數(shù)據(jù)鏈路的建立、拆除和復位控制；流量控制。2023/2/430《現(xiàn)代交換技術》高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLCX.25規(guī)定了兩種數(shù)據(jù)鏈路結構（對稱型和平衡型）以及與其對應的兩類規(guī)程（LAP和LAPB），鑒于LAP規(guī)程存在明顯的缺點，一般不再使用，而采用采用平衡型數(shù)據(jù)鏈路結構和平衡鏈路訪問規(guī)程規(guī)程（LinkAccessProceduresBalanced，LAPB）。LAPB按高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程（High-LevelDataLinkControl，HDLC）的格式傳送控制信息和數(shù)據(jù)信息。規(guī)定DTE和DCE之間采用全雙工物理鏈路連接，信息傳輸只按點到點方式進行，不采用多點方式。2023/2/431《現(xiàn)代交換技術》HDLC幀結構標志字段（F）：01111110；比特填充技術。地址字段（A）:8bit,表示256個站地址?？刂谱侄危–）：表示幀類型、編號及命令、響應。三種類型：I幀、S幀、U幀。信息字段（I）：可以是任意長度的比特序列，必須是8bit的整數(shù)倍。幀校驗字段（FCS）：循環(huán)冗余校驗。

2023/2/432《現(xiàn)代交換技術》

X.25數(shù)據(jù)鏈路層的幀類型分類名稱縮寫作用信息幀—I幀傳輸用戶數(shù)據(jù)監(jiān)控幀（S幀）接收準備好RR向對方表示已經準備好接收下一個I幀接收未準備好RNR向對方表示忙狀態(tài)，這意味著暫時不接收新的I幀拒絕幀REJ要求對方重發(fā)編號從N(R)開始的I幀無編號幀（U幀）置異步平衡方式SABM用于在兩個方向上建立鏈路斷鏈DISC用于通知對方，斷開鏈路的連接已斷鏈方式DM表示本方已與鏈路處于斷開狀態(tài)，并對SABM做否定應答無編號確認UA對SABM和DISC的肯定應答幀拒絕FRMR對雙方報告出現(xiàn)了重發(fā)幀的辦法不能恢復差錯狀態(tài)，將引起鏈路的復原2023/2/433《現(xiàn)代交換技術》

LAPB模8方式控制字段的分類格式控制字段比特76543210信息（I）幀N（R）PN（S）0監(jiān)控（S）幀N（R）P/FSS01無編號（U）幀MMMP/FMM112023/2/434《現(xiàn)代交換技術》信息幀I幀用于數(shù)據(jù)傳送，它包含信息字段。I幀由幀頭、信息字段I和幀尾組成。I幀的C字段的第一個比特為“0”，這是識別I幀的唯一標志；其它7位用于提供I幀的控制信息：在I幀控制字段中b1～b3比特為N(S)，b5～b7比特為N（R）。2023/2/435《現(xiàn)代交換技術》監(jiān)控幀監(jiān)控幀用于監(jiān)視和控制數(shù)據(jù)鏈路，完成信息幀的接收確認、重發(fā)請求、暫停發(fā)送請求等功能。監(jiān)控幀不具有信息字段。監(jiān)控幀的代碼、名稱和功能如表4.1所示。2023/2/436《現(xiàn)代交換技術》無編號幀無編號幀用于數(shù)據(jù)鏈路的控制，它本身不帶編號，可以在任何需要的時刻發(fā)出，而不影響帶編號的信息幀的交換順序。它可以分為命令幀和響應幀。用5個比特位（即M1、M2）來表示不同功能的無編號幀。無編號幀的代碼、名稱和功能如表4.1所示。2023/2/437《現(xiàn)代交換技術》

X.25鏈路操作模式在鏈路層的三種類型的幀中（與HDLC幀類似），只有I幀才用來攜帶X.25分組，I幀只能用作命令幀而不能作為響應幀，這樣I幀的地址字段內總是I幀的目的地址（DTE→DCE時為B，DCE→DTE時為A）。根據(jù)幀中的地址碼可知該幀是命令幀還是響應幀，因為在命令幀中填對方的地址，在響應幀中填自己的地址，如表所示。若幀中地址碼既不是地址A，又不是地址B，則該幀作廢。 方向幀類型DTE（用戶）→DCE（網絡）DCE（網絡）→DTE（用戶）命令幀B10000000A11000000響應幀A11000000B100000002023/2/438《現(xiàn)代交換技術》復合站鏈路的建立和釋放2023/2/439《現(xiàn)代交換技術》分組層分組層對應于OSI的網絡層。X.25分組層規(guī)程主要功能是利用鏈路層提供的服務在DTE、DCE接口交換分組，將一條邏輯鏈路按統(tǒng)計時分復用的方法劃分為許多子邏輯信道，允許多個終端同時利用高速的數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)。當主叫DTE想要建立虛呼叫時，它就發(fā)送“呼叫請求”分組，該分組包括可供分配的高端的LCN和被叫DTE地址。X.25分組層的數(shù)據(jù)傳輸過程與鏈路層的情況非常類似，數(shù)據(jù)發(fā)送和接受確認、重發(fā)過程、窗口機制、流量控制等方面的設計思想是相同的。在虛呼叫任何一端的DTE都能夠清除呼叫，通過發(fā)送“呼叫清除”分組和“清除指示”分組來完成呼叫清除過程。2023/2/440《現(xiàn)代交換技術》分組和信息幀的關系為了實現(xiàn)分組層的功能，需要各種類型的分組，所有的分組通過鏈路層在DTE和DCE之間傳輸時都放在信息幀（I幀）的信息字段中，每個I幀載送一個分組，如圖所示。2023/2/441《現(xiàn)代交換技術》控制分組格式2023/2/442《現(xiàn)代交換技術》數(shù)據(jù)分組格式2023/2/443《現(xiàn)代交換技術》虛電路的建立和清除過程

圖3-6虛電路的建立和清除

釋放確認

釋放確認

釋放指示

呼叫請求

數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)

呼叫接通

呼叫接收

網

絡

入呼叫

呼叫請求

DTEADCEADCEBDTEB

3個階段：呼叫建立階段、數(shù)據(jù)傳輸階段、虛電路釋放階段2023/2/444《現(xiàn)代交換技術》虛電路的建立和清除過程DTEA對DCEA發(fā)出一個呼叫請求分組，表示希望建立一條到DTEB的虛電路。該分組中含有虛電路號，在此虛電路被清除以前，后續(xù)的分組都將采用此虛電路號；網絡將此呼叫請求分組傳送到DCEB；DCEB接收呼叫請求分組，然后給DTEB送出一個呼叫指示分組，該分組與呼叫請求分組具有相同的格式，但其中的虛電路號不同，虛電路號由DCEB在未使用的號碼中選擇；DTEB發(fā)出一個呼叫接收分組，表示呼叫已經接受；DTEA收到呼叫接通分組（該分組和呼叫請求分組具有相同的虛電路號），此時虛電路已經建立；DTEA和DTEB采用各自的虛電路號發(fā)送數(shù)據(jù)和控制分組；DTEA(或DTEB)發(fā)送一個釋放請求分組，緊接著收到本地DCE的釋放確認分組；DTEA(或DTEB)收到釋放指示分組，并傳送一個釋放確認分組。此時DTEA和DTEB之間的虛電路就清除了。2023/2/445《現(xiàn)代交換技術》X.25用戶業(yè)務功能基本業(yè)務交換虛電路（SVC）永久虛電路（PVC）可選業(yè)務非標準窗口大小的協(xié)商非標準分組長度的協(xié)商吞吐量等級的協(xié)商中斷時延選擇和指示擴展分組順序號D比特修改分組重發(fā)反向計費網絡用戶識別（NUI）計費信息可選業(yè)務RPOA選擇（與網關有關）呼叫重定向被叫線路地址修改通知搜索群業(yè)務功能呼叫受阻單向邏輯信道號閉合用戶群（CUG）業(yè)務功能在線業(yè)務功能登記快速選擇2023/2/446《現(xiàn)代交換技術》第四章分組交換技術與幀中繼4.3幀中繼原理與幀中繼網絡

2023/2/447《現(xiàn)代交換技術》幀中繼是八十年代初發(fā)展起來的一種數(shù)據(jù)通信技術，其英文名為FrameRelay，簡稱FR。它是從X.25分組通信技術演變而來的。2023/2/448《現(xiàn)代交換技術》幀中繼技術首先在美國和歐洲得到應用。1991年末，美國第一個幀中繼網－Wilpac網投入運行，它覆蓋全美91個城市。在北歐，芬蘭、丹麥、瑞典、挪威等在90年代初聯(lián)合建立了北歐幀中繼網WORDFRAME;以后英國等許多歐洲國家也開始了幀中繼網的建設和運行。在我國，中國國家?guī)欣^骨干網于九七年初初步建成，至98年各省幀中繼網也相繼建成。2023/2/449《現(xiàn)代交換技術》X.25分組交換技術的優(yōu)點流量控制：可有效防止網絡擁塞；路由選擇：可建立最佳傳輸路徑；統(tǒng)計時分復用：提高了線路利用率；差錯控制：提高了可靠性。信道的傳輸能力快速分組交換技術如何有效提高分組交換網的吞吐量和傳輸速率？2023/2/450《現(xiàn)代交換技術》幀中繼標準的發(fā)展1986AT&T首先提出幀中繼業(yè)務；1988CCITT公布幀中繼業(yè)務框架標準I.122；1989ANSI開始幀中繼技術標準的研究工作；1990幀中繼產品生產廠家(CISIO、DEC、NT、STRATACOM)創(chuàng)建幀中繼委員會；1991幀中繼委員會更名為FRFORUM;1992ITU-T、ANSI幀中繼標準相繼出臺；1993FRFORUM成員增加到100多個，公布了相應的幀中繼標準系列。2023/2/451《現(xiàn)代交換技術》幀中繼協(xié)議與X.25協(xié)議

電氣機械等特性、比特流傳輸

數(shù)據(jù)成幀、差錯/流量控制

路由選擇、虛電路復用

(a)X.25協(xié)議

電氣機械等特性、比特流傳輸

數(shù)據(jù)成幀、路由選擇

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

(b)幀中繼協(xié)議

分組層

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

分組層

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

2023/2/452《現(xiàn)代交換技術》幀中繼基本功能無差錯傳輸媒介性能高智能用戶終端的處理能力流量控制、糾錯交由終端處理；節(jié)點僅完成OSI物理層和鏈路層核心功能；CRC差錯檢查特點：吞吐量高、時延小、適合通信距離長、突發(fā)性業(yè)務。2023/2/453《現(xiàn)代交換技術》虛電路的帶寬管理Bc

承諾突發(fā)長度(committedburstsize)Be超量突發(fā)長度(excessburstsize)CIR承諾信息傳輸速率(committedinformationrate)Tc

承諾時間間隔Tc＝Bc/CIR(committedratemeasurementinterval)

2023/2/454《現(xiàn)代交換技術》在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務中，特別象DDN，用戶預定了一條64K的電路，那么它只能以64Kbit/s的速率來傳送數(shù)據(jù)。而在幀中繼技術中，用戶向幀中繼業(yè)務供應商預定的是約定信息速率(簡稱CIR)，而實際使用過程中用戶可以以高于CIR的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，卻不必承擔額外的費用。舉例來說，一個用戶預定了CIR=64Kbit/s的幀中繼電路，并且與供應商鑒定了另外兩個指標，Bc(承諾突發(fā)量)、Be(超過的突發(fā)量)，當用戶以等于或低于64Kbit/s的速率發(fā)送數(shù)據(jù)時，網絡定將負責地傳送，當用戶以大于64Kbit/s的速率發(fā)送數(shù)據(jù)時，只要網絡有空(不擁塞)，且用戶在一定時間(Tc)內的發(fā)送的量（突發(fā)量）小于Bc+Be時，網絡還會傳送，當突發(fā)量大于Bc+Be時，網絡將丟棄幀。所以幀中繼用戶雖然付了64Kbit/s的信息速率費(收費依CIR來定)，卻可以傳送高于64Kbit/s的數(shù)據(jù)，這是幀中繼吸引用戶的主要原因之一。2023/2/455《現(xiàn)代交換技術》幀格式的比較LAPF幀格式(LinkAccessProcedurestoFrameModeBearerServices)

HDLC幀格式（High-LevelDataLinkControl）

2023/2/456《現(xiàn)代交換技術》數(shù)據(jù)鏈路層幀接入?yún)f(xié)議LAPF標志（F）DLCIC/R