第5章分组交换与帧中继技术

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孝拜暴
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1 第 5 章分组交换与帧中继技术

2 本章提纲 5.1 数据通信概述 5.2 分组交换技术 5.3 X.25 协议 5.4 帧中继技术

3 5.1 数据通信概述数据通信就是按照通信协议, 利用数据传输技术在功能单元之间传递数据信息, 从而实现计算机与计算机计算机与终端以及终端与终端之间的数据信息传递而产生的一种通信技术数据通信包含两方面内容 : 数据的传输和数据传输前后的处理, 例如数据的集中交换控制等

4 1. 数据通信的基本结构数据通信系统由 3 大部分组成, 即发送器信道和接收器目前, 使用较多的是采用通用数据电路 (Universal Seven-Part Data Circuit) 来描述一个终端 A 与终端 B 间的数据通信系统, 如图所示

5 2. 数据通信系统示例模型输入汉字 PC 机数字比特流调制解调器模拟信号公用电话网模拟信号调制解调器数字比特流 PC 机显示汉字数据电路

6 5.2 分组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一定长度的数据包, 每个数据包叫做一个分组在每个分组的前面加上一个分组头, 包含用于控制和选路的有关信息

7 1. 分组形成过程在发送端, 先把较长的报文划分成较短的固定长度的数据段然后每一个数据段前面添加上首部构成分组报文报文数据数据数据分组 1 首部数据分组 2 首部数据分组 3 首部数据

8 分组传送过程分组交换网以分组作为数据传输单元, 每一个分组的首部都含有地址等控制信息分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息, 把分组转发到下一个结点交换机用这样的存储转发方式, 最后分组就能到达最终目的地接收端收到分组后剥去首部还原成报文最后, 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文分组 3 分组 2 分组 1 首部数据首部数据首部数据报文数据数据数据

9 分组交换网示意图 D H 2 分组交换是基于存储转发路由器 3D 2D 1D H 4 3D D H 2 向 H 6 发送分组 H 1 向 H 5 发送分组主机 C 3C H 1 2C 1C A 2C B 3C 1C 2D C 3D 1D 2C 1C 3C E 3C 1C 3D 2D 2C H 5 1D C D H 6 H 3 分组交换网

10 2. 分组交换方式分组交换有两种工作方式 : 虚电路方式数据报方式

11 (1) 虚电路方式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 (SVC), 另一种是永久虚电路 (PVC) 交换虚电路 (SVC) 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, 通过呼叫清除分组将虚电路拆除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

12 A B 交换机 1 虚电路方式示意图 2 1 交换机交换机虚电路方式 2 1 交换机 C 5 交换机 4 交换机 D 图中建立了 2 条虚电路, 分别是 A C 和 B D, A C 和 B D 之间的分组都沿着同一条虚电路传送

13 虚电路的特点虚电路表示这只是一条逻辑上的连接, 分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送, 而并不是真正建立了一条物理连接请注意, 电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似, 但并不完全一样

14 (2) 数据报方式数据报只提供简单灵活的无连接的尽最大努力交付的服务应用层运输层网络层数据链路层物理层分组 H 1 H 2 丢失应用层运输层网络层数据链路层物理层 H 1 发送给 H 2 的分组可能沿着不同路径传送

15 3. 分组交换的资源分配技术分组交换采用统计时分复用技术 (STDM) 在统计时分复用中, 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物理线路逻辑信道

16 逻辑信道划分示意图

17 虚电路和逻辑信道的主要区别虚电路是主被叫 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, 代表了信道的一种编号资源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

18 DTEA 至 DTEB 的虚电路是由 3 段逻辑信道串联起来的

19 4. 分组交换的路由选择和差错控制在通信网中, 网络节点间一般都存在一条或多条路径为了充分利用网络资源, 通过节点交换机相关软件及路由选择协议, 在多条路由中选择一条较好的路由 H 1 H 2 网 1 R 1 R 3 R 5 R 6 R 7 网 6 R 9 R 2 网 2 R 4 网 7 网 3 网 5 R 8 网 4 网 8

20 (1) 常见的路由选择算法 1. 固定型算法 1 洪泛法 (Flooding) 2 固定路由表算法 2. 自适应路由选择 3. 最短路径算法

21 (2) 分组交换中的差错控制在传输过程中可能会产生比特差错 :1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1 为了保证数据传输的可靠性, 在计算机网络传输数据时, 必须采用各种差错检测措施

22 常用的差错控制方法 1 前向差错控制 ( 前向纠错 FEC) 2 自动反馈重发 (ARQ) 3 混合纠错方式 (HEC)

23 5. 分组交换的流量控制和拥塞控制流量控制 (1) 流量控制原因为了确保网络正常运行, 避免阻塞发生, 必须限制过多的信息到达节点 H R 1 你发得太快了, 能否慢点?

24 (1) 流量控制的实现端端控制方式和网端控制方式端 - 端流量控制 H 1 H 2 R 1 网 1 R 2 网 2 网 - 端流量控制网 3

25 (2) 拥塞控制拥塞控制与流量控制关系密切, 但它们之间也存在一些差别拥塞控制的前提, 就是网络能够承受现有的负荷拥塞控制是一个全局性的过程, 涉及到所有的终端和节点, 以及与降低网络传输性能有关的所有因素

26 5.3 X.25 协议在分组通信网中, 终端设备是通过接口接入分组交换机的, 因此, 为了使得各种终端设备都能和不同的分组交换机进行连接, 接口协议就必须标准化在分组交换网中, 这个接口上的协议称为 X.25 协议 X.25 协议是数据终端设备 (DTE) 和数据电路终接设备 (DCE) 之间的接口规程 X.25 使得两台数据终端设备 DTE 可以通过现有的电话网络进行通信

27 1. X.25 协议分层结构 X.25 协议是在传输介质质量较差终端智能较低以及对通信速率要求不高的历史背景下, 由 ITU-T 的前身 CCITT 按照电信级标准制定的, 它含有复杂的差错控制和流量控制措施, 只能提供中低速率的数据通信业务, 主要用于广域网互连

28 2. HDLC 介绍 X.25 使用 HDLC 作为其链路层协议 HDLC 是由 ISO 定义的面向比特的数据链路控制协议的总称面向比特的协议是指传输时以比特作为基本单位 HDLC 中 LAPB 的帧结构如图所示, 主要有三个字段组成 (1) 标志 (F) (2) 地址字段 (A) (3) 控制字段 (C)

29 5.4 帧中继技术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, 误码率为 10 4 ~10 5, 信道传输条件差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

30 1. 帧中继技术的背景为了保证数据的可靠传输,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随着通信技术和计算机网络技术的发展, 尤其是光纤的广泛使用, 信道的误码率已大大下降, 因此传统的分组交换技术如 X.25 协议已不适应现在网络的发展和需求社会的需求和技术的进步使得帧中继技术应运而生

31 2. 帧中继与 X.25 分组协议比较

32 帧中继的特点与 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

33 3. 帧中继的协议结构与帧格式帧中继的协议结构可以分为用户平面 (U Plane) 控制平面 (C Plane)

34 控制平面和用户平面控制平面 ( 简称 C 平面 ), 它包括 3 层用户平面 ( 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)

35 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, 其帧格式如图所示

36 帧格式说明 (1) 标志字段 (F) (2) 地址字段 1 数据链路连接标识符 (Data Link Connection Identifier,DLCI) 2 命令 / 响应 (C/R) 3 地址扩展 (EA) 4 前向拥塞通知 (FECN) 5 后向拥塞通知 (BECN) 6 丢弃指示 (DE) (3) 信息字段 (I) (4) 帧校验序列 (FCS)

37 4. 帧中继交换原理帧中继采用统计复用技术, 每一条线路和每一个物理端口可容纳许多虚电路, 用户之间通过虚电路进行连接在每一帧的帧头中都包含虚电路号 -- 数据链路连接标识符 (DLCI), 这是每一帧的地址信息帧中继的虚电路是由多段 DLCI 的逻辑连接链接而构成的端到端的逻辑链路目前帧中继网主要提供永久虚电路 (PVC) 业务, 每一个节点机中都存在 PVC 路由表, 每一个节点机中的 PVC 路由表是由网络管理部门建立的在 PVC 路由表中包含每一条虚电路的输入链路号和在该输入链路上的 DLCI 值及对应的输出链路号和在输出链路上的 DLCI 值当帧进入网络时, 节点机通过 DLCI 值查找 PVC 路由表, 从而确定帧的发送链路, 在 PVC 路由表中找出对应的下段 PVC 的号码 DLCI, 并变换数据帧中的 DLCI 值, 然后将帧准确地送往下一节点机

38 帧中继交换示意图

Chapter #

Chapter # 第三章 TCP/IP 协议栈本章目标通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型掌握 IP 协议原理理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍主机主机 Internet TCP/IP 早期的协议族全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层应用层主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层

第5章 分组交换与帧中继技术

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