第 五章 分组交换与分组交换网（二）

null第5章 分组交换与分组交换网*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、设备结构网络服务质量*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： 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。流量控制与拥塞控制*流量控制与拥塞控制设置控制的原因 分组网络中，两个要互传分组数据的终端速率不同时，低速终端来不及处理接收的数据会导致丢失，必须限制高速终端的分组流入速率； 分组节点中的缓冲存储器是动态共享资源，流入节点的业务负荷超过阈值时也会引起分组丢失。 控制的目的，为了保证网络中各链路的数据分组流量平滑均匀，提高网络的总吞吐能力，保证数据通信的服务质量。流量控制与拥塞控制*流量控制与拥塞控制流量控制，当某一链路/终端流入的业务量超过某一阈值时，利用控制分组通知终端降低分组发送速率。 流量控制可以在某链路上两端点之间进行，也可以在源目的端点之间进行。 拥塞，通常是由于随机业务流经某一链路时超出了该链路的最大负荷引起拥堵，解决办法： 通知源端减慢发送速度； 选择其他路径传送分组。流量控制流量控制流量控制是分组交换网中的基本管理功能之一。它是指通过一定的手段使得在网中各个链路上的信息流量都保持在一定的上限之下，在分组交换方式中流量控制特别重要，这是因为存在下面3个方面的原因。 （1）由于中继线路是统计复用的，所以必须用流量控制的方法来防止线路过分拥挤，导致数据分组排队等待时间过长。电路交换中，一对终端在通信时得到的一条信道是供这个通信专用的，并可以满足其最大的通信能力要求，因此不需要排队，所以不存在这个问题。 流量控制流量控制（2）由于网上的终端速率可能不一致，所以必须用流量控制的方法来调整终端发送数据的速率，以防止向慢速终端发送的数据分组太多，超出其接受能力。在电路交换中，所有终端的通信速率都是一样的。 （3）由于终端和交换机处理数据分组的能力限制，必须使用流量控制方法在其不能处理更多数据时抑制对方的数据发送。 分组交换和电路交换的一个重要区别分组交换和电路交换的一个重要区别电路交换是立即损失制，即如果路由选择时没有空闲的中继电路可供选择，该呼叫建立就告失败，因此，只要根据预测话务量配备足够多的中继电路，就能保证呼叫不阻塞。电路交换的流量控制只是在交换机的处理机过负荷时才起作用，控制功能也较简单，主要是限制用户的发话话务量。 分组交换则不同，它是时延损失制，只要传输链路不全部阻断，路由选择总能选到一条链路，但是如果链路上待传送的分组过多，就会造成传送时延的增加，从而引起网络性能的下降，严重时甚至会使网络崩溃。 流量控制 滑动窗口法：把已经发出而未得到应答的数据分组数限制在一常数值W之下。W称为窗口尺寸。（控制应答数，即可控制发送速度） W过大：流量控制不及时； W过小：终端速度慢。流量控制路由选择路由选择路由选择：为网中的数据分组在多个可能的路由中选择一个路由进行传送。 路由选择功能并非是分组交换系统必须具有的，但是，在分组交换系统中增加即使是简单的路由选择功能，也可以在很大程度上改善系统的性能。 路由选择的基本原则 路由选择的基本原则 应选择性能最性的传送路径，通常最为重要的性能就是端到端的传送时延； 应使网内业务量分布尽可能均匀，以充分提高网络资源的利用率； 应具有故障恢复能力，当网络出现故障时，可自动选择迂回路由。路由选择方法的3个要素 路由选择方法的3个要素 路由选择准则：确定准则参数和参数的测量方法，选定的路由应使该参数最小化； 路由选择算法：由各段链路测得的准则参数计算得出最佳路由； 路由选择协议：链路准则参数变化信息的传递方式，属于网络协议的一部分。路由的分类路由的分类按路由选择准则划分，有最短路径法、最小时延法和最低费用法。这里，路径的定义比较清晰；时延的测量各个网有其不同的定义，比较复杂；费用则是由链路长度、数据率、是否要保密、传播时延、链路差错率情况等一个或多个因素综合确定的，定义并不统一。 按路由选择对网络变化的适应性划分，有静态法和动态法。前者或者不需要路由表，或者采用固定的路由表，因此不需要考虑传递网络变化信息的协议；后者的路由表将随着网络负荷的变化和网络拓扑的变化动态调整。 按路由表调整的方式划分，有分布式和集中式两种方式。前者由各个交换节点根据收到的网络变化信息自行调整其路由表；后者是各个节点将变化信息集中传送到网控中心，由网控中心统一调整路由表后下载到各个节点。差错控制差错控制在分组交换系统中，使用反馈重发方法来完成数据传输的差错控制。基本做法有两种： 第一种做法是：如果接收端发现接收的数据分组是有差错的，就向发送端发出重发请求，发送端收到重发请求后，重发数据分组，如此循环交替，直到收到正确的数据分组为止； 第二种做法是：接收端只对接收的正确数据分组向发送端发出确认应答，如果发送端在一定时间内收不到确认应答，或发现确认和数据分组序号不连续，就重发没有确认的数据分组。差错控制差错控制第一种情况是由于信道情况特别恶劣，或是其他原因，导致数据分组总是出错，在这种情况下，反复重发也将徒劳无益，反而导致信道的长时间无效占用，甚至使信道进入死锁状态，为了防止这种情况，一般在接收方或发送方都要设置一个最大重发次数N，超过这个N后，就要停止反馈重发过程，发生故障。 第二种情况是由于线路中断或信道情况特别恶劣，请求重发的数据分组也收不到，或任何数据分组都不能传送，导致通信双方进入无限期的等待状态。为防止这种情况的发生，一般在接收方和发送方都设置一个时间常数T，如果在时间T内收不到任何数据分组，就要停止反馈重发过程，报告发生故障。分组网络性能指标与服务质量*分组网络性能指标与服务质量性能指标 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。分组网络性能指标与服务质量*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。差错控制差错控制反馈重发机制也有两种实施办法。第一中办法是“端对端”反馈重发，即反馈重发只在两个终端之间进行。中间线路段上的交换机没有反馈重发机制，也不对数据分组的差错进行检验。第二种办法是逐段反馈重发，即在这若干段用户线路和中继线路中的每一段上进行差错检验和反馈重发。 逐段反馈重发的办法效率较高，但是逐段反馈重发的方法也有一个缺点，就是它的控制复杂程度较高 。 时延时延1）复用信号速率与各单路信号的速率之和大致相等 上图中的终端1和终端2分别以相同的速率发送信息，他们共同组成的多路复用信号的速率为终端1和终端2速率之和。其中，由于附加的时延，A和B的时延都大于一个分组的长度。时延时延2）复用信号速率小于各单路信号的速率之和 由于信息的到来是随机的，所以有可能在复用器中产生相当长的排队从而增加时延。同时，只要多路复用信号的速率小于各入端信号之和，在存储器中存储的信息就可能会越来越多，以至于超出存储器容量而发生“溢出”。考虑到这种情况，各单路信号经过一个复用和解复用的过程后，除时延外，还有可能发生部分的丢失。 分组交换的优缺点分组交换的优缺点1. 分组交换的忧点 （1）线路利用率较高。 （2）异种终端通信。 （3）数据传输质量好、可靠性高。 （4）负荷控制。 （5）经济性好。X.25概述X.25概述X.25是最早的分组交换技术国际，是基于面向连接网络分组终端与分组交换机之间的协议。 全称是“公用数据网络中通过专用电路连接的分组式数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的接口”。 主要功能是描述如何建立虚电路、传输数据、拆除链路、拆除虚电路, 以及差错控制、流量控制、情况统计等，并提供可选业务和配置功能。 X.25网络结构和通信协议X.25网络结构和通信协议 X.25为分组终端PT与分组交换机DCE之间的通信协议。X.28为非分组终端NPT与分组适配器PAD之间的通信协议。X.3规范PAD内部功能操作。X.29为PAD之间或PT与PAD之间的通信协议。X.25的应用环境X.25的应用环境 X.25的分层结构及协议X.25的分层结构及协议 物理层物理层物理层采用X.21建议。定义了DTE和DCE间的电气接口和建立物理的信息传输通路的过程。X.21建议规定如下： 机械特性：ISO 4903规定的15针连接器和引线分配，通常使用8线； 电气特性：平衡型； 同步串行传输； 点到点全双工； 适用于交换电路和租用电路。物理层接口物理层接口 数据链路层数据链路层在物理层之上实施信息传输控制，规定了在DTE和DCE之间交换分组的过程，功能包括： 和纠正传输差错，CRC校验，发现出错自动请求重发； 帧装/拆及帧同步； 帧排序和正确接收确认； 数据链路建立、拆除和复位控制； 流量控制。 链路层采用高级数据链路控制规程(HDLC)帧结构，是一种面向比特的同步通信规程。目前常用的为它的一个子集，平衡型链路接入规程(LAPB)。1.HDLC帧结构1.HDLC帧结构 1.HDLC帧结构1.HDLC帧结构(1) 标志F，采用0111 1110序列，区分两个不同的分组单元，标志一个分组的开始或结束。 为了避免分组单元内出现伪标志，采用信息码中连续5个连“1”自动插入“0”，收端5个连“1”自动除去“0”的比特填充技术，保证对数据透明传送。1.HDLC帧结构1.HDLC帧结构(2) 帧地址字段(A)，在X.25协议中，该字段用来区分两个方向的命令/响应帧以及单链路/多链路。 单链路，DCE发送命令/响应用A类，DTE用B类。多链路，DCE用C类，DTE用D类。 1.HDLC帧结构 1.HDLC帧结构(3) 帧的控制字段(C)，指示帧类型，规定了3种类型。 信息帧，bit 1为0，其余用作模8的发送顺序号N(S)和接收顺序号N(R)。 监控帧，用于保证信息帧的正确传送，3个类型： RR帧：收端准备好，期望接收序号为N(R)的下一个帧； RNR帧：示忙，希望对方暂停发送； REJ帧：拒绝了序号N(R)的帧，要求重发，此前帧确认。 未编号帧，用于对链路建立和断开过程控制。包括置以不平衡方式(SABM)、断开链路(DISC)、已断开链路(DM)、确认(UA)和拒绝(FRMR)帧。 1.HDLC帧结构 1.HDLC帧结构(4) 信息字段(I)，信息字段只在信息帧中有，其他类型帧没有。其内容为分组层帧。 (5) 帧校验序列(FCS)，通过16bitCRC校验操作后的余数，收端利用CRC校验检错，出错时丢弃该分组，并通知对端重发。 2.X.25的链路操作模式 2.X.25的链路操作模式 A站初始化，置发送分组序号和接收分组序号为0。B站初始化，置发送分组序号和接收分组序号为0。A站发出置链路为异步平衡模式SABM，B站用UA证实，链路建立。通信结束，B站发出请求断开链路，A占同意便发送证实分组，链路释放。分组层分组层1. 分组层的功能 为每个用户呼叫第一次通信提供一个逻辑信道； 通过逻辑信道(LCN)区分每个用户呼叫的分组； 提供有效的分组传输，包括序号确认和流量控制； 提供交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)连接； 提供建立和清除交换虚连接方法； 检测和恢复分组差错。2. 分组和I帧的关系2. 分组和I帧的关系 3. 分组头的格式与类型3. 分组头的格式与类型 分组头占3字节，由通用格式识别符GFI、逻辑信道组号LCGN、逻辑信道号LCN和类型标识TYPE组成。GFI占4比特。最高位Q是限定比特，0表示为用户数据分组，1为控制信息分组；D=0表示本地确认，D=1表示数据分组端到端确认；SS=01序号模8，SS=10序号模128。LCGN和LCN可区分4096个路基信道，0保留，实际可用4095个信道。TYPE用来区分分组类型。分组类型分组类型 控制分组格式控制分组格式 数据分组格式数据分组格式 4. X.25 分组级通信过程4. X.25 分组级通信过程 X.25分组网络的设备 X.25分组网络的设备1．分组交换机，完成终端与交换机间接口协议(X.25)和交换机间信令协议，完成分组消息的存储转发和提供分组网服务支持。 2．网路管理中心，与分组交换机共同协作保证网路正常运行。 3．分组装拆设备，完成非分组终端的X.25协议格式转换、装/拆分组、分组复用等。 4．远程集中器，类似分组交换机，但无路由功能。 帧中继概述帧中继概述帧中继(FR) ，是在OSI第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术，仅完成物理层和链路层核心层的功能，将流量控制、纠错等留给终端完成。 与X.25比较，特点： 只有物理层和链路层，网内节点处理大为简化，处理效率高，网络吞吐量高，通信时延低，用户接入速率在64kbit/s至2Mbit/s，最高可达34Mbit/s。 帧信息长度长，最大可达1600字节/帧。 在链路层完成动态复用、透明传输和差错检测。网内节点只检错不纠错，出错帧丢弃，无重传机制，额外开销小。 帧中继的分层结构及协议 帧中继的分层结构及协议帧中继的分层结构 仅完成物理层和链路层的核心功能，终端将数据发送到链路层，并封装在Q.922核心层的帧结构中，以帧为单位进行信息传送。 原OSI协议第2、第3层的一些处理，如纠错、流量控制等，留给终端完成。帧中继的分层结构帧中继的分层结构 U平面，提供端到端功能，用于传送用户数据，保持帧顺序，无重帧，采用Q.922建议核心部分，包括帧定界、透明传输、帧复用、帧长、检错和拥塞控制等。 C平面，完成控制操作，用于虚通路连接建立、维持和释放控制，保证控制报文可靠传递，采用Q.931和Q.921信令协议。 帧中继协议帧中继协议以帧方式承载业务的数据链路层协议和规程，简写为LAPF，包含在Q.922建议中。 LAPF使用I.430和I.431支持的物理层服务，允许在ISDN B/D/H通路上统计复用多个帧方式承载业务。 U平面核心功能只提供非确认信息传送方式，构成数据链路层的子层，其余部分是用户侧可选功能，提供窗口式确认信息传送方式。 帧中继的帧格式 帧中继的帧格式 图(a)为Q.922规定的帧中继帧格式，图(b)为LAPF帧格式，地址字段相同，添加了控制字段C，区分3种帧类型。地址字段区分同一通路上多个数据链路，占2~4字节，2字节时DLCI为10bit，更多字节时用EA控制，EA为0地址结束FECN为前向拥塞通知，1表示接收方网络拥塞。 BECN为后向拥塞通知，1表示发方网络拥塞。 DE为优先权，DE置1的帧当网络拥塞时可丢弃。 帧中继的管理与控制 帧中继的管理与控制PVC与SVC PVC为永久虚电路，指在终端之间建立固定的持续可用的虚电路连接，通路被分配一个DLCI值，发送的每一个帧都必须使用该DLCI。相当于专线，由I.22定义。 SVC为交换虚电路，指在终端之间通过呼叫建立交换虚电路来提供数据传送服务，结束时发送清除操作来终止虚电路。由Q.931定义。 帧中继采用统计复用，用户之间通过虚电路进行连接，每帧头部都包含连接标识符DLCI，节点机利用DLCI 查PVC路由表识别帧的去向。 DLCI是逻辑链路标记，只区分每段直连电路上的逻辑链路，端到端虚电路由多段逻辑链路组成。连接链接而构成的端到端的。 帧中继的带宽管理帧中继的带宽管理(1) 虚电路带宽控制，为用户分配3个参数：承诺突发量Bc、超过的突发量Be和约定信息速率CIR。 CIR是网络与用户约定的用户信息传送速率。 Bc是网络允许用户在Tc时间间隔传送的数据量， Tc=Bc/CIR 。 网络按Tc间隔对流量进行监视和控制。小于或等于CIR则正常传送；若超过CIR，网络拥塞时则丢弃Be部分，差错由终端解决。帧中继的带宽管理帧中继的带宽管理(2) 网络容量配置 网络运行初期，保证CIR用户数据传送，中继线容量等于所有PVC的CIR之和，适当提供CIR=0的虚电路业务。 随着发展，逐步增加PVC数量，保证资源的充分利用，CIR=0的业务尽量安排在空闲时间(例如夜间)进行通信。 帧中继拥塞流量控制技术帧中继拥塞流量控制技术原因，用户数据量过大或突发时间过长，负载超出网络的处理能力，会发生拥塞，导致网络服务性能下降，甚至瘫痪。 目的，为了尽量减少拥塞出现，维持质量稳定的服务，减少帧丢弃。1. 开环控制1. 开环控制靠网络来保证网络不发生拥塞，出现拥塞时不采取任何手段消除拥塞。 方法是通过底层协议处理来控制用户数据流量，如窗口、定时机制、输入控制等，网络有带宽余量时允许新的接入，否则拒绝接入。2. 闭环控制2. 闭环控制通过监测网络运行状态收集相关参数，如Bc、CIR、Be、TC、FECN、BECN、DE等参数信息，计算网络性能来实现闭环控制。 拥塞的闭环控制主要有漏斗法和闭环控制。(1) 漏斗法(1) 漏斗法网络为每个输入端分配一个队列，收到分组若队列中还有缓冲可用，则接收该分组并放入队尾，否则丢弃该分组。 漏斗控制是基于每条PVC来实现，每条PVC配Bc和Be缓冲区，用于检测Tc时间内的业务量。处理方法如下： 当接收帧的DE比特为“0”时，Tc内收到数据帧的比特数大于Bc，但小于（Bc+Be），小于Bc的部分正确接收，大于Bc部分的DE比特置为“1”，网络拥塞时可以丢弃这些帧。 收到帧的DE比特为“1”时，Tc内收到帧的比特数小于Be时则正确接收，否则丢弃。 (2) 闭环控制(2) 闭环控制降低违约PVC的业务量，保证每个用户的Bc。 网络监测到某方向发生拥塞时，沿该方向传送的帧的FECN置“1”，用户设备收到后采取相应措施，如停止发送、缩小窗口，或者提高接收速度。 帧中继网除利用FECN、BECN实现信息反馈外，还可利用路由协议OSPF广播链路状态，网络根据新的路由信息可避开拥塞链路。 帧中继设备帧中继设备用户接入设备 1．帧中继终端，符合帧中继用户-网络接口规程的终端，基本特性包括能实现链路层核心功能、拥塞管理和控制、PVC管理和通知、维护和测试等功能。 2．帧中继装/拆设备，能为非帧中继用户-网络接口的终端提供接入帧中继网络的设备，基本特性包括协议转换、拥塞管理和控制、业务集中、维护和测试等功能。 3．路由器和网桥，LAN经过帧中继互连构成互联网，主要设备是路由器和网桥，网络层互联采用路由器，数据链路层互联采用网桥。帧中继交换机帧中继交换机目前市场上帧中继交换机大致有三类： 改装型X.25分组交换机 基于帧中继结构设计的交换机 采用信元中继、ATM技术、支持帧中继接口的ATM交换机。 小 结小 结X.25网络是一个面向连接的三层结构网络，终端发送数据前要先建立虚电路，通信完毕要释放虚电路。网络各层协议，物理层X.21协议，数据链路层LAPB协议，分组层X.25协议。网络中分组传送采用统计复用、存储转发模式，链路层有严格的差错控制功能，可确保数据通信对误码率的要求。 帧中继是在X.25基础上，基于传输系统质量的提高，简化了链路层和分组层部分功能，网络只检错，无纠错和重传控制，差错由终端高层处理，控制简单，效率高、网络吞吐量大。