第七講分組交換原理

第七講分組交換原理1第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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(fù)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(jié)束。通信帶寬固定，控制簡單，瞬時響應(yīng)好，但無通話信號傳送時浪費資源，不對數(shù)據(jù)就錯會引入雜音干擾。2第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述分組交換模式的誕生計算機技術(shù)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(dá)順序要求不嚴(yán)，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(fù)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(dá)交換節(jié)點后才能執(zhí)行，所以分組交換采用存“儲-檢查-轉(zhuǎn)發(fā)”的交換方式。3第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述分組交換的本質(zhì)特征是數(shù)據(jù)以分組為單位，采用統(tǒng)計復(fù)用與存儲轉(zhuǎn)發(fā)工作模式。統(tǒng)計復(fù)用，也稱異步時分復(fù)用，指將用戶數(shù)據(jù)劃分?jǐn)?shù)據(jù)單元，若干比特，用邏輯標(biāo)號標(biāo)識數(shù)據(jù)單元，構(gòu)成分組，按照先來先服務(wù)復(fù)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(zhuǎn)發(fā)，指分組數(shù)據(jù)抵達(dá)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(zhuǎn)發(fā)輸出。4第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月分組的形成

5第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.1統(tǒng)計復(fù)用示意

6第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月分組交換過程

7第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月分組交換與電路交換的對比

對比項分組交換電路交換延遲不固定，有時可能很大固定，小所需的處理復(fù)雜簡單交換機成本較高較低帶寬利用率高低8第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月報文交換報文交換，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(zhuǎn)發(fā)模式，特點是分組長度較大，有較大傳送時延。9第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.3報文交換與分組交換的對比

10第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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，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(jié)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(luò)總是處于準(zhǔn)備好狀態(tài)。11第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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(fù)責(zé)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(jié)束時，發(fā)送釋放連接的信令分組，雙向資源置閑。12第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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(biāo)記。一條虛電路（源節(jié)點到目的節(jié)點）由多段通信鏈路組成，每段鏈路由一個邏輯信道標(biāo)號標(biāo)記，該標(biāo)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(biāo)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(biāo)號查表確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑和下一段鏈路的邏輯信道標(biāo)號。13第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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(biāo)志，即對某個通信分配的標(biāo)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(zhuǎn)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(yīng)，只是一種標(biāo)記。14第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月虛電路和邏輯信道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(yù)約并通過網(wǎng)絡(luò)永久建立，也可以預(yù)約清除。邏輯信道的幾個狀態(tài)：準(zhǔn)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(zhǔn)備好狀態(tài)。15第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1面向連接分組交換網(wǎng)

16第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月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(luò)以“無狀態(tài)”方式工作，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)。鏈路狀態(tài)或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，網(wǎng)絡(luò)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(luò)以盡力而為方式傳送分組，不保證路由和服務(wù)質(zhì)量，但分組傳送受局部網(wǎng)絡(luò)故障的影響較低。17第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3兩種網(wǎng)絡(luò)的比較不同領(lǐng)域?qū)＜业牟煌砟?。計算機域?qū)＜姨岢鰺o連接，認(rèn)為計算機是主體，網(wǎng)絡(luò)只是輔助實現(xiàn)相互通信。電信領(lǐng)域?qū)＜一谝延械臄?shù)字交換網(wǎng)，引入統(tǒng)計復(fù)用和存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，提出面向連接網(wǎng)絡(luò)，主要針對電報、傳真等數(shù)據(jù)通信。18第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3兩種網(wǎng)絡(luò)的比較

對比內(nèi)容面向連接網(wǎng)絡(luò)無連接網(wǎng)絡(luò)倡導(dǎo)者的技術(shù)領(lǐng)域電信計算機分組頭部中的用戶標(biāo)識信息邏輯子信道標(biāo)號完整的源、目的地址轉(zhuǎn)發(fā)處理開銷低高頭部開銷低高路由選擇僅在建連接時進行對每個分組進行交換節(jié)點失效時所有經(jīng)過它的虛電路都不能工作少數(shù)分組丟失，此后的通信還可進行一次通信任務(wù)內(nèi)分組的轉(zhuǎn)發(fā)路徑都相同可能互不相同分組順序能夠保證端到端順序不能保證服務(wù)質(zhì)量保證支持相對容易較困難19第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3分組網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分組網(wǎng)絡(luò)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(shè)備自動執(zhí)行。為了使復(fù)雜系統(tǒng)易于實現(xiàn)，合理安排各子系統(tǒng)間相互關(guān)系，將分組網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)。20第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.1功能面數(shù)據(jù)面（DataPlane），也稱用戶面，與傳遞用戶數(shù)據(jù)直接有關(guān)的功能，如分組頭處理、查表、內(nèi)部轉(zhuǎn)送、排隊等。控制面（ControlPlane），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(luò)進行連接建立、拆除等?？刂泼婀δ茴愃齐娐方粨Q網(wǎng)中的信令。管理面（ManagementPlane），與網(wǎng)絡(luò)管理有關(guān)的功能。21第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.2分層分層，將網(wǎng)絡(luò)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。分層的目的降低系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度，各層只實現(xiàn)有限功能?？墒共煌瑥S商的分組通信設(shè)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(shè)備或功能。說明抽象通信服務(wù)的概念和實現(xiàn)方法。體現(xiàn)協(xié)議的概念及其工作原理。22第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.2分層

23第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.2分層

24第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.3體系結(jié)構(gòu)一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各層及其協(xié)議統(tǒng)稱為該網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。分組網(wǎng)絡(luò)遵照國際標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)。OSI模型將網(wǎng)絡(luò)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(luò)產(chǎn)品，可使全世界的多廠商多類通信設(shè)備都能在網(wǎng)絡(luò)上互聯(lián)互通。OSI體系結(jié)構(gòu)如圖4.7所示。25第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.3體系結(jié)構(gòu)物理層(physicallayer)：主要功能是透明傳送比特流，完成信道的復(fù)用和解復(fù)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(datalinklayer)：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(fù)用，鏈路層還需解決信道爭用問題，采用“介質(zhì)訪問控制”（MAC）協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層(networklayer)：控制網(wǎng)狀拓?fù)涞耐ㄐ啪W(wǎng)工作過程，功能包括路由計算、分組轉(zhuǎn)發(fā)、服務(wù)質(zhì)量控制、擁塞控制等。26第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.3體系結(jié)構(gòu)傳輸層（transportlayer）：運行在終端上，提供端到端數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，包括復(fù)用／解復(fù)用和端到端的可靠傳輸。會話層（sessionlayer）：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（presentationlayer）：為通信雙方提供公共的、獨立于具體設(shè)備的數(shù)據(jù)表示方法。應(yīng)用層（applicationlayer）：提供特定類應(yīng)用程序或業(yè)務(wù)所需的通信服務(wù)。例如發(fā)出那些請求、作出何種響應(yīng)何如何傳送數(shù)據(jù)等。27第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4分組網(wǎng)絡(luò)的路由選擇路由選擇，依某一標(biāo)準(zhǔn)計算兩終端間最佳路徑，分配路徑信息到各節(jié)點構(gòu)建路由表。面向連接網(wǎng)絡(luò)，建立連接時查路由表生成轉(zhuǎn)發(fā)表項，數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)時查轉(zhuǎn)發(fā)表完成轉(zhuǎn)發(fā)；無連接網(wǎng)絡(luò)，每個分組都根據(jù)路由表確定轉(zhuǎn)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(dǎo)致拓?fù)涓淖兊惴ㄈ哉９ぷ?，穩(wěn)定指算法收斂快，公平指能均勻承擔(dān)業(yè)務(wù)負(fù)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。28第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4分組網(wǎng)絡(luò)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。29第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4分組網(wǎng)絡(luò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)很少變化的網(wǎng)絡(luò)。動態(tài)算法則是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓F(xiàn)場計算，適合于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常變化的網(wǎng)絡(luò)。靜態(tài)路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。30第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4分組網(wǎng)絡(luò)的路由選擇靜態(tài)路由方案，第一選路由承擔(dān)業(yè)務(wù)負(fù)荷最先的50%，第二選承擔(dān)其次的25%業(yè)務(wù)負(fù)荷，再多的業(yè)務(wù)負(fù)荷由第三選擇路由承擔(dān)。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(luò)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。31第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5分組網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)與服務(wù)質(zhì)量4.5.1性能指標(biāo)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(zhuǎn)發(fā)處理所花費時間的總和。32第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5分組網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)與服務(wù)質(zhì)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。33第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5.2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量服務(wù)質(zhì)量，就是對網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)（如帶寬、延遲、丟失率等）提供保證的情況。如何保證服務(wù)質(zhì)量：根據(jù)流量特性和對服務(wù)質(zhì)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(dāng)措施保證流得到為其所分配的資源，常用“服務(wù)策略”或“排隊策略”等措施調(diào)整。34第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月4.6流量控制與擁塞控制設(shè)置控制的原因分組網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(wù)負(fù)荷超過閾值時也會引起分組丟失?？刂频哪康?，為了保證網(wǎng)絡(luò)中各鏈路的數(shù)據(jù)分組流量平滑均勻，提高網(wǎng)絡(luò)的總吞吐能力，保證數(shù)據(jù)通信的服務(wù)質(zhì)量