1、1,第4章 分組交換原理,基本概念、網(wǎng)絡形式、網(wǎng)絡體系結構、路由選擇、流量和擁塞控制、設備結構,2,4.1 概述,回顧電路交換模式的特點 起源于語音通信需求，直接將表示語音的電信號傳送和交換則利用實線傳輸和機械/電子模擬交換。 將語音信號波形數(shù)字編碼（PCM）后用數(shù)字代表某瞬間的幅度，采用同步時分復用和數(shù)字電路交換。 語音數(shù)字，每字節(jié)代表一個幅度值，以時間順序的比特流表示語音波形，接收端按順序還原，不必對數(shù)據(jù)進行額外處理。 交換時，用戶先進行撥號申請，由交換機分配傳送通路，通信中始終占用該通路直至通信結束。 通信帶寬固定，控制簡單，瞬時響應好，但無通話信號傳送時浪費資源，不對數(shù)據(jù)糾錯會引入雜音

2、干擾。,3,4.1 概述,分組交換模式的誕生 計算機技術誕生后，人類信息交互中的文件、數(shù)據(jù)等消息用數(shù)據(jù)表示和傳送。 計算機數(shù)據(jù)消息對出錯率要求很高，對時延和對數(shù)據(jù)抵達順序要求不嚴，因此需將數(shù)據(jù)封裝成有糾錯能力的分組進行傳送和交換。 數(shù)據(jù)被封裝成分組后，對于占用的傳送位置無要求，可采用統(tǒng)計復用，先來先傳。 由于要求交換節(jié)點對數(shù)據(jù)進行糾錯檢驗，必須等一個分組完全抵達交換節(jié)點后才能執(zhí)行，所以分組交換采用“存儲-檢查-轉發(fā)”的交換方式。,4,4.1 概述,分組交換的本質特征是數(shù)據(jù)以分組為單位，采用統(tǒng)計復用與存儲轉發(fā)工作模式。 統(tǒng)計復用，也稱異步時分復用，指將用戶數(shù)據(jù)劃分數(shù)據(jù)單元，若干比特，用邏輯標號標

3、識數(shù)據(jù)單元，構成分組，按照先來先服務復用傳輸信道。屬于動態(tài)分配共享資源，可提高傳輸信道的帶寬利用率。 存儲轉發(fā)，指分組數(shù)據(jù)抵達交換機先進行緩存，檢查無錯后再根據(jù)分組中攜帶的目的地址和資源狀況選擇路由，將分組經(jīng)出口連路轉發(fā)輸出。,5,分組的形成,6,圖4.1 統(tǒng)計復用示意,7,分組交換過程,8,分組交換與電路交換的對比,9,報文交換,報文交換，也屬于分組型數(shù)據(jù)交換，區(qū)別是數(shù)據(jù)單元包含用戶一次通信中的全部數(shù)據(jù)內(nèi)容。 報文交換也采用存儲轉發(fā)模式，特點是分組長度較大，有較大傳送時延。,10,圖4.3 報文交換與分組交換的對比,11,4.2 分組交換網(wǎng)的主要形式,兩種主要形式：面向連接和無連接 面向連接

4、，通信前先要分配資源和進行通信參數(shù)協(xié)商，然后進行數(shù)據(jù)交換傳送，通信結束后釋放所占用資源。 無連接，隨時可進行數(shù)據(jù)傳送，網(wǎng)絡總是處于準備好狀態(tài)。,12,4.2.1 面向連接分組交換網(wǎng),通信過程，類似電路交換網(wǎng)，連接發(fā)起者通過信令協(xié)議分組請求建立連接，交換機負責按照目的地址選擇下一節(jié)點，直至目的節(jié)點建立虛通路。 源目的節(jié)點間虛通路建立后，通信雙方沿已建立的邏輯虛通路互傳數(shù)據(jù)分組。 通信結束時，發(fā)送釋放連接的信令分組，雙向資源置閑。,13,4.2.1 面向連接分組交換網(wǎng),面向連接分組交換，目的節(jié)點地址只在虛連接建立過程中有效，用作交換機選路由和分配邏輯信道標記。 一條虛電路（源節(jié)點到目的節(jié)點）由多段

5、通信鏈路組成，每段鏈路由一個邏輯信道標號標記，該標記只在兩節(jié)點間的直連鏈路上有效。 傳送分組數(shù)據(jù)時，源節(jié)點將分配的局部有效的邏輯信道標號裝配在數(shù)據(jù)分組頭部一起傳送，歷經(jīng)的中間交換機根據(jù)標號查表確定轉發(fā)路徑和下一段鏈路的邏輯信道標號。,14,虛通路和邏輯信道的概念,邏輯信道，是兩端點之間建立數(shù)據(jù)分組傳送連接的標志，即對某個通信分配的標識，主要用途是在交換傳送過程中能正確識別分組所屬和正確轉交。 虛電路，是源端到目的端所歷經(jīng)的各個邏輯信道的組合，一條虛電路可由多段邏輯信道組成。 所謂虛電路，就是對用戶傳送數(shù)據(jù)而言似乎存在著一條通路，但是虛電路沒有物理上的對應，只是一種標記。,15,虛電路和邏輯信道

6、的概念,一條虛電路具有呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸和呼叫釋放過程，永久虛電路可預約并通過網(wǎng)絡永久建立，也可以預約清除。 邏輯信道的幾個狀態(tài)： 準備好，沒有呼叫，邏輯信道號未分配； 呼叫建立，正在建立過程中，邏輯信道已分； 數(shù)據(jù)傳輸，可以通過邏輯信道收發(fā)數(shù)據(jù)； 呼叫釋放，正在斷開連接，完成后返回準備好狀態(tài)。,16,4.2.1 面向連接分組交換網(wǎng),17,4.2.2 無連接分組交換網(wǎng),不必事先建立通路，沒有邏輯子信道概念。通信時源端直接將源和目的地址裝配在分組中一起發(fā)送，交換節(jié)點根據(jù)目的地址查表確定出口鏈路。 網(wǎng)絡以“無狀態(tài)”方式工作，轉發(fā)過程只依賴路由表、目的地址和出口鏈路的狀態(tài)隨機轉發(fā)。 鏈路狀態(tài)或網(wǎng)絡拓

7、撲變化，網(wǎng)絡會自動調(diào)整路由，同一用戶的數(shù)據(jù)分組會經(jīng)歷不同路徑傳送，不保證分組的端到端順序。 網(wǎng)絡以盡力而為方式傳送分組，不保證路由和服務質量，但分組傳送受局部網(wǎng)絡故障的影響較低。,18,4.2.3 兩種網(wǎng)絡的比較,不同領域專家的不同理念。 計算機域專家提出無連接，認為計算機是主體，網(wǎng)絡只是輔助實現(xiàn)相互通信。 電信領域專家基于已有的數(shù)字交換網(wǎng)，引入統(tǒng)計復用和存儲轉發(fā)技術，提出面向連接網(wǎng)絡，主要針對電報、傳真等數(shù)據(jù)通信。,19,4.2.3 兩種網(wǎng)絡的比較,20,4.3 分組網(wǎng)絡體系結構,分組網(wǎng)絡中，用戶數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和管理消息等都以分組形式交換和傳遞，分組消息處理均由設備自動執(zhí)行。 為了使復雜系統(tǒng)

8、易于實現(xiàn)，合理安排各子系統(tǒng)間相互關系，將分組網(wǎng)絡的功能縱向劃分為若干功能面，再將每個面橫向劃分為多個層，形成分層體系結構。,21,4.3.1 功能面,數(shù)據(jù)面（Data Plane），也稱用戶面，與傳遞用戶數(shù)據(jù)直接有關的功能，如分組頭處理、查表、內(nèi)部轉送、排隊等。 控制面（Control Plane），數(shù)據(jù)傳輸所需的支持功能，如路由表更新、面向連接網(wǎng)絡進行連接建立、拆除等。控制面功能類似電路交換網(wǎng)中的信令。 管理面（Management Plane），與網(wǎng)絡管理有關的功能。,22,4.3.2 分層,分層，將網(wǎng)絡功能分解并在若干水平層內(nèi)實現(xiàn)，每層只解決特定范圍內(nèi)的問題，各層之間定義明確的接口形式。

9、 分層的目的 降低系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度，各層只實現(xiàn)有限功能。 可使不同廠商的分組通信設備同層功能一致，方便互聯(lián)互通。 增加/刪減功能容易，并且不致影響已有設備或功能。 說明抽象通信服務的概念和實現(xiàn)方法。 體現(xiàn)協(xié)議的概念及其工作原理。,23,4.3.2 分層,24,4.3.2 分層,25,4.3.3 體系結構,一種網(wǎng)絡技術的各層及其協(xié)議統(tǒng)稱為該網(wǎng)絡的體系結構。分組網(wǎng)絡遵照國際標準化組織ISO提出的 “開放系統(tǒng)互連參考模型（簡稱OSI）”的體系結構。 OSI模型將網(wǎng)絡劃分為七個層次，定義了各層的功能和協(xié)議。 遵循OSI模型開發(fā)和生產(chǎn)網(wǎng)絡產(chǎn)品，可使全世界的多廠商多類通信設備都能在網(wǎng)絡上互聯(lián)互通。OSI體

10、系結構如圖4.7所示。,26,4.3.3 體系結構,物理層(physical layer)：主要功能是透明傳送比特流，完成信道的復用和解復用。信道分為同步與異步： 同步信道指信道上始終存在比特信號，需時鐘同步。 異步信道指僅在上層傳輸數(shù)據(jù)時才有信號，不需時鐘。 數(shù)據(jù)鏈路層(data link layer)：功能包括幀定界、差錯控制和流量控制。如果信道由多方共享，且采異步時分復用，鏈路層還需解決信道爭用問題， 采用“介質訪問控制”（MAC）協(xié)議。 網(wǎng)絡層(network layer)：控制網(wǎng)狀拓撲的通信網(wǎng)工作過程，功能包括路由計算、分組轉發(fā)、服務質量控制、擁塞控制等。,27,4.3.3 體系結構

11、,傳輸層（transport layer）：運行在終端上，提供端到端數(shù)據(jù)傳輸服務，包括復用解復用和端到端的可靠傳輸。 會話層（session layer）：用戶間建立會話，提供對話控制、令牌管理、同步控制等功能。 表示層（presentation layer）：為通信雙方提供公共的、獨立于具體設備的數(shù)據(jù)表示方法。 應用層（application layer）：提供特定類應用程序或業(yè)務所需的通信服務。例如發(fā)出那些請求、作出何種響應何如何傳送數(shù)據(jù)等。,28,4.4 分組網(wǎng)絡的路由選擇,路由選擇，依某一標準計算兩終端間最佳路徑，分配路徑信息到各節(jié)點構建路由表。 面向連接網(wǎng)絡，建立連接時查路由表生成轉

12、發(fā)表項，數(shù)據(jù)分組轉發(fā)時查轉發(fā)表完成轉發(fā)；無連接網(wǎng)絡，每個分組都根據(jù)路由表確定轉發(fā)出口。 路由選擇算法，要求正確、簡單、健壯、穩(wěn)定、公平和最優(yōu)等。健壯指部分鏈路故障導致拓撲改變但算法仍正常工作，穩(wěn)定指算法收斂快，公平指能均勻承擔業(yè)務負荷，最優(yōu)指代價最小。 代價可以是鏈路帶寬、傳播延遲、租用成本、流量狀況等。,29,4.4 分組網(wǎng)絡的路由選擇,代價為4，可以是帶寬、延遲、費用、流量等，兩個方向一樣。,30,4.4 分組網(wǎng)絡的路由選擇,路由算法分為靜態(tài)和動態(tài)，靜態(tài)算法離線計算，然后裝配到所有節(jié)點，適于拓撲結構很少變化的網(wǎng)絡。動態(tài)算法則是根據(jù)網(wǎng)絡拓撲變化現(xiàn)場計算，適合于拓撲結構經(jīng)常變化的網(wǎng)絡。 靜態(tài)路

13、由計算使用最短路徑算法，例如Dijkstra算法。動態(tài)路由使用距離-向量算法和鏈路-狀態(tài)算法。,31,4.4 分組網(wǎng)絡的路由選擇,靜態(tài)路由方案，第一選路由承擔業(yè)務負荷最先的50%，第二選承擔其次的25%業(yè)務負荷，再多的業(yè)務負荷由第三選擇路由承擔。 動態(tài)路由方案，分為集中式和分布式，集中式通過網(wǎng)管中心收集網(wǎng)絡狀態(tài)參數(shù)，計算最佳路經(jīng)并定期通知各節(jié)點；分布式則由各節(jié)點統(tǒng)計其到其他節(jié)點通信情況，定期向其他節(jié)點公告自己及相鄰節(jié)點的情況，綜合選擇一條最佳路由。,32,4.5 分組網(wǎng)絡性能指標與服務質量,4.5.1 性能指標 帶寬，指每秒可向信道中注入的比特數(shù)，也稱作吞吐量。 延遲，包括發(fā)送延遲、傳播延遲和

14、處理延遲： 發(fā)送延遲，也稱傳輸延遲，分組“注入”信道所需時間，計算方法是：發(fā)送延遲 = 分組長度 信道帶寬。 傳播延遲，分組從信道一端傳到另一端所需時間，計算方法是：傳播延遲 = 信道長度 信號傳播速率。 處理延遲，交換節(jié)點對分組進行存儲轉發(fā)處理所花費時間的總和。,33,4.5 分組網(wǎng)絡性能指標與服務質量,延遲抖動，指一次通信中分組端到端延遲的變化程度，會對流媒體傳送有影響。 分組丟失率，分組在傳輸過程中出錯或丟失的概率。線路誤碼率通常很低，分組丟失主要由于交換節(jié)點緩存空間有限而使分組排隊溢出造成。,34,4.5.2 網(wǎng)絡服務質量,服務質量，就是對網(wǎng)絡性能指標（如帶寬、延遲、丟失率等）提供保證

15、的情況。 如何保證服務質量： 根據(jù)流量特性和對服務質量要求，計算并分配所需的鏈路帶寬、緩存空間等資源。 能識別出提供保證的對象，常采用“流” 的概念。流是指一次特定通信在某方向上傳輸分組的集合，可通過源、目的地址和傳輸層頭信息來識別一個流。 傳輸期間，采取適當措施保證流得到為其所分配的資源，常用 “服務策略”或“排隊策略”等措施調(diào)整。,35,4.6 流量控制與擁塞控制,設置控制的原因 分組網(wǎng)絡中，兩個要互傳分組數(shù)據(jù)的終端速率不同時，低速終端來不及處理接收的數(shù)據(jù)會導致丟失，必須限制高速終端的分組流入速率； 分組節(jié)點中的緩沖存儲器是動態(tài)共享資源，流入節(jié)點的業(yè)務負荷超過閾值時也會引起分組丟失。 控制的目的，為了保證網(wǎng)絡中各鏈路的數(shù)據(jù)分組流量平滑均勻，提高網(wǎng)絡的總吞吐能力，保證數(shù)據(jù)通信的服務質量。,36,4.6 流量控制與擁塞控制,流量控制方法，當某一鏈路/終端流入的業(yè)務量超過某一閾值時，利用控制分組通知終端降低分組發(fā)送速率。 流量控制可以在某鏈路上兩端點之間進行，也可以在源目的端點之間進行。 擁塞，通常是由于隨機業(yè)務流經(jīng)某一鏈路時超出了該鏈路的最大負荷引起擁堵，解決辦法： 通知源端減慢發(fā)送速度； 選擇其他路徑傳送分組。,37,4.7 分組交換設備的結構,分組交換設備的功能是按照存儲轉發(fā)方式在各入出口之間交換