分组交换
现代交换技术第4章分组交换技术
第4章 分组交换技术
2．分组交换的缺点
上面介绍了分组交换的诸多优点，但任何技术在具有优点 的同时都不可避免地具有一些缺点，分组交换也不例外。它的 这些优点都是有代价的。
(3) 分组交换技术的协议和控制比较复杂，如我们前面提到 的逐段链路的流量控制，差错控制，还有代码、速率的变换方 法和接口，网络的管理和控制的智能化等。这些复杂的协议使 得分组交换具有很高的可靠性，但是它同时也加重了分组交换 机处理的负担，使分组交换机的分组吞吐能力和中继线速率的 进一步提高受到了限制。
第4章 分组交换技术
第4章 分组交换技术
4.1 概述 4.2 分组交换原理 4.3 X.25协议 4.4 分组交换机 4.5 帧中继技术 思考题
第4章 分组交换技术
4.1 概 述
4.1.1 分组交换的产生背景
分组交换PS(Packet Switching)技术的研究是从20世纪60年代开 始的。当时，电路交换技术已经得到了极大的发展。电路交换技 术是最适合于话音通信的，但随着计算机技术的发展，人们越来 越多地希望多个计算机之间能够进行资源共享，即能够进行数据 业务的交换。数据业务不像电话业务那样具有实时性，而是具有 突发性的特点，并要求高度的可靠性。这就要求在计算机之间有 高速、大容量和时延小的通信路径。在计算机之间进行数据通信 时，传统的电路交换技术的缺点越来越明显：固定占用带宽，线 路利用率低，通信的终端双方必须以相同的数据率进行发送和接 收等。所有这些都表明电路交换不适合于进行数据通信。因此， 大约在20世纪60年代末、70年代初，人们开始研究一种新形式的、 适合于进行远距离数据通信的技术——分组交换。
名词解释分组交换
名词解释分组交换名词解释分组交换分组交换是一种计算机网络通信方式，它将数据分成小块或包，每个包都有一个自己的地址和传输控制信息，然后通过不同的路径从源节点到目标节点进行传输。
分组交换是现代计算机网络中常见的数据传输方式。
在这种方式下，信息被分成更小的单元，每个单元（或包）都是独立传输的。
名词解释在分组交换中，有几项必要的组成元素需要解释：1.数据包（packet）：用来传输数据的最小单位。
它包含了数据和元数据，元数据包括了源地址和目的地址、校验和、长度等信息。
2.报文（message）：报文是分组交换过程中的上层逻辑单位，就是我们要传输的有用数据。
在传输之前被分成数据包，然后通过网络传输。
3.分组（datagram）：分组就是将数据包划分成特定的大小，以便于传输，大小通常在几百到几千字节之间。
分组是一个独立的单元，包含数据和一些头部信息。
4.路由器（router）：分组交换网络中的重要设备，主要用于分组的转发和路由选择。
路由器可以根据数据包的目标地址和网络拓扑信息来决定数据包的转发路径。
5.负载（payload）：负载是数据包中真正要传输的数据部分，与元数据相比，它是数据包中占据的大部分空间。
分组交换的工作原理在分组交换的传输过程中，数据被分成一系列小块，每个小块被称为数据包，然后将数据包单独传输到目标节点。
这种方式可以有效地利用网络带宽资源，保证了数据传输的可靠性和传输效率。
整个传输过程通常包括以下几个步骤：1.将输入数据划分成数据包。
2.对每个数据包进行路由选择，确定传输路径。
3.路由器将数据包发送到下一个节点，并在途中进行转发。
4.接收方节点接收数据包，并将其重新组成原始数据。
分组交换的优点1.利用带宽资源更高效：由于数据被分成小块进行传输，这种方式可以更好地利用网络带宽资源，提高网络效率和传输速率。
2.支持多种传输协议：分组交换可以支持多种传输协议，包括UDP、TCP等协议。
这种通信方式可以被广泛地应用于多种不同的应用场景。
第11章分组交换网
11.1分组交换基本概念和网络结构 11.1分组交换基本概念和网络结构
• 二者比较： 二者比较：
分组头： 分组头：数据报方式的每个分组头都包含详细的目的 地址信息； 地址信息；虚电路分组头中只含有虚电路的逻辑信道 标识即可。 标识即可。 选路：虚电路方式有预先建立过程， 选路：虚电路方式有预先建立过程，存在一定的处理 开销。但是虚电路一旦建立， 开销。但是虚电路一旦建立，分组不再需要进行复杂 的选路；数据报方式不需要建立过程， 的选路；数据报方式不需要建立过程，对每个分组都 要独立地进行选路。 要独立地进行选路。
虚电路分为两种： 交换虚电路SVC(Switching 虚电路分为两种 ： 交换虚电路 SVC(Switching Virtual Circuit) 和 永 久 虚电 路 PVC(Permanent Circuit)。 Virtual Circuit)。 SVC指在每次呼叫时用户通过发送呼叫请求分 SVC 指在每次呼叫时用户通过发送呼叫请求分 组来临时建立虚电路的方式。 组来临时建立虚电路的方式。 PVC指应用户预约 ， PVC 指应用户预约， 由网络运营者为之建立固 指应用户预约 定的虚电路。 定的虚电路。它一般适用于业务量较大的集团用 户。
11.1分组交换基本概念和网络结构 11.1分组交换基本概念和网络结构
1 2 3 … N … 同 步 时 分 复 用
帧 N … 2 1 时隙 (a) N … … …
帧 … 时间 … 时间 (b) 2 1
统 计 时 分 复 用
时隙
标志码
信息N 5 信息2 3 信息N 5 信息1 2
11.1分组交换基本概念和网络结构 11.1分组交换基本概念和网络结构
11.1分组交换基本概念和网络结构 11.1分组交换基本概念和网络结构
分组交换
呼叫 1 2 入 3 4 10 12 2 2 出 62 63
端口号 LCN 端口号 LCN
节点A 2 3
节点B
1 2
DTE3 DTE4
节点B路由表
呼叫 1 2 入 3 3 62 63 1 2 出 22 23
端口号 LCN 端口号 LCN
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勤学 务实 开拓 创新
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勤学 务实 开拓 创新
分组交换原理
5.2.5 流量控制
流量控制的必要性:
在分组交换网中，网络节点采用存储-转发的机制对 分组进行处理，如果分组到达的速率大于节点处理分 组的速率，就可能造成网络节点中存储区被填满，导 致后来的分组无法被处理。
线路的传输容量也是有限的，如果网络中数据流分 布不均匀，可能会导致某些线路上流量超过其负载能 力，分组无法被及时传送。
5.2.4 路由选择
路由选择的策略：有4种方法
2、固定路由选择： 2)实现: 分组交换网根据一定的准则计算出每一对源节点 和目的节点之间的路由，并把它们保存在路由表中; 路由的计算可以由网络控制中心（NCC）完成，然 后装入各个节点中，也可由节点自身完成。每个节 点对应一张路由表;
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分组交换原理
5.2.4 路由选择
路由选择的策略：有4种方法
1、洪泛法：
原理:每个节点接收到一个分组后检查是否收到过 该分组，如果收到过就将它丢弃，如果未收到过，则 把该分组发往除了分组来源的那个节点以外的所有相 邻的节点。这样，同一个分组的副本将经过所有的路 径到达目的节点。目的节点接受最先到达的副本，后 到的副本将被丢弃。
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勤学 务实 开拓 创新
分组交换技术
分组交换技术
什么是分组交换技术
分组交换技术，也称为路由交换技术，是一种应用数据通信技术，是在网络中将数据数据以一定的固定大小的包（分组）的形式传送的技术。
使用的协议可能是不用的，但是主要的协议是TCP/IP，它允许数据在相邻的节点之间进行网络传输。
特点：
1、互联网的支撑：分组交换技术为互联网的流动提供了支撑，因为它允许不同的网络之间的信息交换；
2、传输速度快：分组交换技术使得数据传输速度更快，允许更多的信息以更短的时间进行传输；
3、信息隔离：分组交换技术使得数据可以与其他信息隔离，以避免资料等受到损害；
4、降低延迟：分组交换技术可以有效降低传输数据的时延；
5、节省带宽：分组交换技术提供的节省带宽的机会，能够缩短电路的拥塞程度。
应用：
1、路由协议：分组交换技术在路由协议中大量应用，用来传输报文；
2、网络拓扑设计：它有助于改善网络拓扑设计，提高了网络传输的效
率；
3、无线网络：它既可以应用于有线网络，也可以用于无线网络，例如WLAN；
4、负载均衡：分组交换技术可以帮助更好的实现负载均衡；
5、多播技术：通过分组交换，可以有效实现多播技术。
总结：
分组交换技术是一种应用数据通信技术，是在网络中将数据数据以一定的固定大小的包（分组）的形式传送的技术。
它为互联网的流动提供了支撑，传输速度快，可以与其他信息隔离，降低延迟，节省带宽的特点，以及路由协议、网络拓扑设计、无线网络、负载均衡以及多播技术的应用，使得它在建立网络上发挥着重要作用。
什么是分组交换
网络技术什么是分组交换将数据分割成为一定长度的数据块，并赋于称为标题的标识信息，构成“信息分组”，以信息分组为单位进行数据传输的交换方式称为分组交换。
分组交换机将从发送终端传送来的信息分组存入存储器中，再按标题地址信息发送到接收端，这种交换称为存储交换方式。
分组交换是以“统计式分时多路方式”为基本原理的。
分组交换中，在所有终端都不同时互相传送数据的前提下，为了减轻对中继线路容量的抑制，当有可能发生通信量阻塞时，必须在通信节点之间进行流控制，分组交换是是1960年美国提出在1980年大会上承认了X.25建议，并制定了分组交换的标准框架。
X.25的物理层使用X.21；数据链路层以LAPB （平衡型链路访问规程）为基础，所有的控制都是以帧的形式进行的。
分组交换是一种广域通讯技术，它将数据分成小组后在共享数据网络中传输，而不使用专用线路。
分组交换与电路交换的区别在于它采用虚电路（数据报），即它是由从某一共享线路网络中按需分配的带宽构成的。
在分组交换网络中进行数据交换的两方之间并无直接的物理连接。
这种连接只是一种逻辑上的。
在虚拟线路中，为每个呼叫建立一个专门路径，该呼叫的所有分组均沿着这一路径通过网络传送。
被传输的数据被分成短组，并通过网络分别传输。
在目的地，分组被重新组装成原始格式。
抑制对数据的发送。
此外，地址信息的正确交接是通信成功的必要条件，因此，必须对每一通信节点进行错误控制。
分组交换的一些优点：线路效率高，因为长距离线路可由多个呼叫和用户动态地共享；负载处理：网络提供缓冲能力来处理暂时的负载增加，不会造成阻塞；数据速率转换：数据以不同的速率在用户之间相互交换；成本较低，因为许多用户可以共享网络资源。
CSMA/CD（载波侦听多重接入/碰撞检测）在这一协议中，各站听从总线并且仅在总线空余时才进行传输。
如果出现碰撞，则信息分组将在一随机时间过后重发。
CRC（循环冗余检查)一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的和数附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法。
第五讲 分组交换与分组交换网
一般终端A
C 可拆分成两个 分组的报文
分组交换机1
1 C
2
C
分组交换机2 2 3 D 2 D 1 D 2 C 3 2 1 D C 1 C
3
D
2 分组
D
1
D
分组型终端C
分组型终端B
分组交换机3
一般终端D
存储器
存储器 分组拆装设备
5.3 分组交换协议——X.25协议
5.3.1 分组交换协议的结构
（4）数据报方式对网络的适应能力较强。
5.2.4 路由选择
分组交换网的主要功能就是接受来自源站点的 分组，并将它们传送到目的站点。因为通常在 网络中存在多条从源站点到目的站点的路径也 就是路由，所以为了完成分组传送这个任务， 必须选择其中的一条路径，这就是路由选择功 能.
几种常见的路由选择策略：
固定路由选择 泛法路由选择 随机路由选择 自适应路由选择
5.2.5 流量控制
分组交换网中各个节点交换机的处理能力和各条线路 的传输容量是一定的，但是用户终端发送分组的时间 和数量具有随机性。如果不对数据流进行控制，有可 能造成网内数据流分布不均匀，部分节点和线路上的 数据流超过其处理能力或传输容量，造成网络的阻塞。 严重时，分组在网络中无法传送，不断被丢弃，源节 点无法发送新的数据，目的节点也收不到分组，造成 死锁。
第五章 分组交换与分组交换网
5.1 分组交换技术与分组交换网
分组交换也称为包交换。将要传送的数 据按一定的长度分成多个数据段，这些 数据段称为“分组”，发送端把这些 “分组”分别发送出去。到达目的地， 目的交换机将一个个“分组”按顺序装 好，还原成原文件发送给收端用户，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。
现代交换原理第4章分组交换技术
路由选择算法 集中式路由交换
动态法
01
扩散式路由法 固定路由表法
静态法：
02
*
数据通信系统性能指标
有效性质量指标是衡量系统传输能力的主要指标，通常从码元传输速率、信息传输速率、频带利用率和差错率等方面来考虑。
*
信息传输速率&码元传输速率
01
I = log2 1/P = log2 N (bit)
2
当主叫DTE想要建立虚呼叫时，它就发送“呼叫请求”分组，该分组包括可供分配的高端的LCN和被叫DTE地址。
3
X.25分组层的数据传输过程与链路层的情况非常类似，数据发送和接受确认、重发过程、窗口机制、流量控制等方面的设计思想是相同的。
4
在虚呼叫任何一端的DTE都能够清除呼叫，通过发送“呼叫清除”分组和“清除指示”分组来完成呼叫清除过程。
8 7 6 5 4 3 2 1
*
分组的传输
分组装配和拆卸设备
（Packet Assembler/Disassembler ，PAD）
是一个规程转换器或者说是网络服务器，主要功能是向各种不同的终端提供服务，帮助它们进入分组交换网，或者具体说就是帮助终端要发送的数据生成分组，并通过线路发送给网络（交换机）。
X.25协议产生背景
数据通信网发展的重要里程碑是采用分组交换方式，构成分组交换网。和电路交换网相比，分组交换网的两个站之间通信时，网络内不存在一条物理电路供其专用，因此不会像电路交换那样，所有的数据传输控制仅仅涉及到两个站之间的通信协议。
X.25是ITU-T制定的WAN通信协议标准，它定义了用户设备与网络设备之间的连接是如何建立和维护的。X.25在OSI/RM出现之前就制定了，在OSI和CCITT的共同努力下，X.25与OSI/RM的下三层可以对应起来，只是第三层叫做“分组层”，物理层建议采用X.21bis，数据链路层采用平衡型链路接入规程LAP B的异步平衡模式ABM。
分组交换与分组交换网概要
3 、 分组交换方式
（2）数据报方式 在数据报方式中，信息传输之前无需建立连接，分组头 中包含终点地址信息，不同分组彼此之间相互独立的寻找 路径，同一份报文的不同分组可能沿着不同的路径到达终 点。在这种技术中，一个被独立处理的分组就称为一个数 据报。 数据报方式的特点：
6
3 、 分组交换方式
（3）数据报和虚电路方式的对比 （a）数据报省掉了呼叫的建立和清除过程，如果只传送少 量的分组，那么采用数据报方式的传输效率会比较高。 （b）对于数据报方式，由于每个分组是各自独立在网络中 传输的，所以分组不一定按照发送时的顺序到达网络终点，因 此在网络终点必须对分组重新排序。而对于虚电路的方式，分 组按已建立的路径顺序通过网络，在网络终点不需要对分组重 新排序。 （c）在数据报方式下，由于每个数据分组都要独立的寻找路 径，所以单个数据分组传输的时延较大。而虚电路一旦建立， 单个数据分组的传输时延则会小得多。 （d）数据报方式对网络的适应能力较强。
X.25协议定义了帧（Frame）和分组（Packet）的结构，以及数据 传输通路的建立、释放、数据传输等过程，顺序控制、差错控制和流量控 制等机制，以及分组交换提供的基本业务和可选业务等。X.25属于接口 规程，没有定义路由选择算法，这属于分组交换网络内部控制功能。
14
三、分组交换协议—X.25协议
成死锁。
吞 吐 量
开销
理想的
平
受控的
均
时
延
非受控的 理想的
非受控的
受控的
提供负荷
提供负荷 11
5 、 流量控制
(2)流量控制机制 (a)相邻节点之间点到点的流量控制 (b)用户终端和网络节点之间点到点的流量控制 (c)网络的源节点和终点之间点到点的流量控制 (d)用户源终端和目的终端之间点到点的流量控制
分组交换的概念
分组交换的概念分组交换概念分组交换是一种在计算机网络中用于实现数据传输的技术。
它将待发送的数据分割为较小的数据包（或称为分组），并通过网络传输。
与之相对的是电路交换，它在数据传输过程中需要建立独占的通信路径。
分组交换基于存储转发的原则，即当一个分组到达交换机时，交换机会先将其完整地存储在内存中，然后再根据目的地址在网络中选择最佳的转发路径进行转发。
这种方式保证了分组交换的高效性和灵活性，并且在网络中实现了多路复用。
相关内容在分组交换中，有一些重要的概念和技术值得关注：•终端设备：终端设备是分组交换网络的起点和终点，例如计算机、手机等。
•分组：数据传输时被拆分为较小单元的数据包，包含发送地址、目的地址和数据等信息。
•交换机：用于在网络中转发分组的设备，决定了分组转发的路径和方式。
•路由：用于确定分组在网络中传输的路径和转发规则的过程，使用路由协议来实现。
•存储转发：分组到达交换机后，先完整地存储在内存中，然后再根据目的地址选择最佳路径进行转发。
•多路复用：分组交换允许多个分组通过同一网络线路同时传输，提高了网络的利用率。
•虚电路：为了提高分组交换的效率，可以使用虚电路来建立一条逻辑通信路径，优化分组传输。
•拥塞控制：当网络中的流量过大时，容易出现拥塞现象，需要通过拥塞控制技术来优化网络性能。
分组交换作为计算机网络中重要的传输方式之一，广泛应用于互联网等各种网络中，为数据的快速传输和有效通信提供了技术支持。
在分组交换网络中，数据通过分组的形式在网络中传输，通过多路复用和存储转发等技术实现了高效的数据传输。
虽然分组交换存在一定的拥塞控制问题，但其优势远大于劣势，因此被广泛应用并得到了不断的发展和改进。
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收到的数据
最后还原成原来的报文
最后，在接收端把收到的数据恢复成为 原来的报文。
报文
1101000110101010110101011100010011010010 数 据 数 据 数 据
这里我们假定分组在传输过程中没有出 现差错，在转发时也没有被丢弃。
网络核心部分 H2 路由器 网络 主机 H1
H4 H6
H5 H3
网络核心部分 路由器 H2 B 主机 H1 发送的 分组 C H3 D E
H4 H6
A
H5
分组交换网的示意图
H2 路由器 B 主机 H1 A H5 互联网 E H6 H4 D
注意分组路径的变化！
H2 向 H6 发送分组 H1 向 H5 发送分组
C H3
分组交换的优点
高效 动态分配传输带宽，对通信链路 是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机 发送分组。 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式 的路由选择协议使网络有很好的生存性。
报文 数 分组 1 据 首部 分组 2 首部 分组 3 首部 数 据 数 据
请注意：现在左边是“前面”
分组交换的传输单元
分组交换网以“分组”作为数据传输单 元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收 端在左边）。 分组 1
首部 数 据 分组 2 首部 数 据 分组 3 首部 数 据
分组首部的重要性
分组交换带来的问题
分组在各结点存储转发时需要排队，这 就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少 的控制信息）也造成了一定的开销。
存储转发原理 并非完全新的概念
在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了 基于存储转发原理的报文交换(message tching)。 报文交换的时延较长，从几分钟到几小 时不等。现在报文交换已经很少有人使 用了。
三种交换的比较
线路交换
连接建立 报 文
报文交换
分组交换
数据传送
报文
报 文
连接释放 报 文 t
A
数据传送 的特点
B
C
D
A
B
C
D
A
B
C
D
比特流直达终点
报文 报文 报文
分组 分组 分组
存储 存储 转发 转发
存储 存储 转发 转发
线路交换、分组交换
1. 线路交换的主要特点
两部电话机只需要用一对电线就能够互 相连接起来。
更多的电话机互相连通
5 部电话机两两相连，需 10 对电线。
N 部电话机两两相连，需 N(N – 1)/2 对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线 对的数量与电话机数的平方成正比。
使用交换机
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。
收到分组后剥去首部
接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
分组 1 首部 数 据 分组 2 首部 数 据 分组 3 首部 数 据
当电话机的数量增多时，就要使用交换 机来完成全网的交换任务。
交换机
“交换”的含义
在这里，“交换”(switching)的含义就是 转接——把一条电话线转接到另一条电 话线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换” 就是按照某种方式动态地分配传输线路 的资源。
线路交换的特点
线路交换必定是面向连接的。 线路交换的三个阶段：
电路交换传送计算机数据效率低
计算机数据具有突发性。 这导致通信线路的利用率很低。
2. 分组交换的主要特点
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。
报文
1101000110101010110101011100010011010010
假定这个报文较长 不便于传输
添加首部构成分组
每一个数据段前面添加上首部构成分组。
建立连接 通信 释放连接
电路交换举例
A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行
中继线 A 用户线 交换机 交换机 C 用户线 D 交换机 中继线 交换机 B
电路交换举例
C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行
中继线 A 用户线 交换机 交换机 C 用户线 D 交换机 中继线 交换机 B