[計算機硬件及網絡]第5章分組交換(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ， 其存儲轉發的基本數據單元是報文的 分組 （ Packet） 。 在電信網中 ， 電報通信用的是存儲轉發式 ， 存儲轉發的基本單位是電報的數據報文 ， 稱為報文交換 。 分組交換是報文交換的繼承和發展 。 分組交換繼承了存儲轉發這一交換機制 ， 但存儲轉發的基本數據單元是分組 （ 又稱為包 ） 。 報文一般較長 ， 分組通常是報文的一段 。 分組與報文的關系如下圖所示 。 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 … … … … … … 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0首 部 數 據 首 部 數 據 首 部 數 據分 組發 送 在 前報 文存儲轉發的原理 郵件的傳遞過程就是發端局（中轉局）把一定時間里收到的信件存起來，進行分揀，然后進行轉發，信件的傳遞過程就是一個典型的存儲轉發過程。 分組交換里面的每個分組由首部和數據兩部分組成，分組的首部包含比如目的地和源地址等重要的控制信息，網絡節點，只需處理首部即可獲知將分組發往何處。 交 換 技 術第 5 章分 組 交 換39 采用分組交換技術的通信網或通信子網稱為 分組交換網 (如下圖 )。 分組交換網由交換結點和鏈路組成 ， 鏈路的傳輸采用分組復用 ， 而結點的交換采用分組交換 。 分組交換網 BACED H1HHHHH32456 （ a ） 通 信 子 網 和 主 機 通 信 子 網H1H2H4H6H5H3結 點交 換 機ABDEC1 2 3 4123441 2 31 2 341234 （ b ） 結 點 交 換 機 的 兩 組 端 口 結 點交 換 機結 點交 換 機結 點交 換 機結 點交 換 機高 速 鏈 路交 換 技 術第 5 章分 組 交 換40 結點交換機處理分組的過程是：將收到的分組先放入緩沖區 ， 再查找 路由表 ， 然后確定將該分組交給某個端口轉發出去 。 一個分組交換網可以容許很多主機同時進行通信 ， 而一個主機中的多個進程也可以各自和不同主機中的不同進程進行通信 。 采用存儲轉發的分組交換 ， 實質上是采用了在數據通信的過程中斷續 (或動態 )分配傳輸帶寬的策略 ， 這對傳送突發式的計算機數據非常合適 ， 使得通信線路的 利用率 大大提高 。 分組交換網常采用網狀拓撲結構 ， 當發生網絡 擁塞 或少數結點 、 鏈路出現故障時 ， 可靈活地改變路由而不致引起通信的中斷或全網的癱瘓 。 交換機處理分組的過程 交 換 技 術第 5 章分 組 交 換41 分組交換的優點和存在的問題 優點 所采用的手段 高效 在分組傳輸中鏈路被統計復用，動態分配傳輸帶寬 靈活 每個結點均有智能 ， 可根據情況決定路由 迅速 以分組為單位，結點存儲轉發；網絡使用高速鏈路 可靠 采用完善的網絡協議和分布式多路由的通信子網 分組交換也帶來一些新的 問題 ， 分組在各結點存儲轉發時 ， 因為要排隊等待 ， 總會造成一定的時延 。 當網絡通信量大時 ， 這種時延也可能會很大 。 此外 ， 各分組必須攜帶的控制信息也造成了一定的額外開銷 。 整個分組交換網還需要專門的管理和控制機制 。 交 換 技 術第 5 章分 組 交 換42 分組交換方式 數據報分組交換在傳送數據之前 ， 不需要預先建立任何連接 ， 而是直接按照每個分組首部中的目的地址獨立選擇轉發路徑 。 優點 數據報方式路由靈活 ， 便于繞過過于繁忙或發生故障的結點或鏈路 ， 并且比較適合于短報文的傳送 。 缺點 數據報方式可能引起屬于同一報文的各個分組的亂序 。 因此 ， 屬于同一報文的分組需要編排序號 。 此外 ， 數據報提供的是一種 “ 盡力傳送 ” 的服務 。 分組交換方式 數據報 ( DG ) 虛電路 ( VC ) ｛ 一、數據報 數據報服務的特點是：主機只要想發送數據隨時可以發送，每個分組獨立在網絡內部流動，路由靈活，便于繞過過于繁忙或發生故障的節點或鏈路，比較適合于短報文傳送，在傳送多分組報文時由于各分組獨立選路，先發送的分組不一定先到達目的地，因此需要對屬于同一報文的分組編排序號。 當網絡發生擁塞時，網絡中的某個節點可能將一些分組丟失，所以數據報提供的服務是不能保證服務質量，是一種“盡力傳送”服務。 交 換 技 術第 5 章分 組 交 換44 數據報方式示意圖 BACED H1HHHHH32456 通 信 子 網交 換 技 術第 5 章分 組 交 換45 虛電路方式是在用戶數據傳送前 ， 先要通過發送呼叫請求分組建立端到端之間的連接通路 。 這種連接通路稱為虛通路或虛電路 (VC)。 在虛電路方式下 ， 屬于同一呼叫的各個數據分組均沿著同一虛電路流動 (路由相同 )， 分組的路由選擇是以呼叫為單位的 ， 而不是以單個分組為單位進行的 。 由于虛電路所經過的各條物理鏈路是采用異步時分復用方式傳輸分組的 ， 故虛電路連接不同于電路交換中的物理連接 ， 而是 邏輯連接 ， 并不獨占物理線路 。 在一條物理線路上可以同時存在多個虛電路 ， 也就是支持多個邏輯連接 。 虛電路實際使用的帶寬取決于單位時間內傳輸的分組數 ， 因而帶寬的分配是 動態 的 。 二、虛電路 46 主機要通信首先要發起一個虛呼叫 VC即一個特定格式的 “ 呼叫請求 ” 控制分組到目的主機 ， 要求建立連接， 同時尋找合適的路由 ， 目的主機同意通信就發回一個“ 呼叫接受 ” 的響應分組 ， 然后就可以傳送數據分組 ，數據傳送完畢后要釋放該虛電路 。 需要注意的是采用了存儲轉發技術 ， 虛電路的分組交換只是斷續的占用一段又一段的鏈路 ， 并沒有真正獨占該物理電路 ， 這一點跟電路交換里面在通話期間自始至終占用一條端到端的物理信道是不同的 。 交 換 技 術第 5 章分 組 交 換47 虛電路方式示意圖 BACED H1HHHHH32456 通 信 子 網V C 2V C 1交 換 技 術第 5 章分 組 交 換48 虛電路的好處是所有發送的分組都按發送的前后順序進入管道 ， 然后按照先進先出的原則沿著虛電路傳送到目的主機 ， 分組不會因網絡出現擁塞而丟失 (建立虛電路連接時 ， 在結點交換機中預留了緩沖區 )， 而且分組到達目的主機的順序與發送時的順序一致 。 此外 ， 還可以采取連接接納控制等措施進行流量控制 。因此虛電路對通信的服務質量 QoS有比較好的保證 。 虛電路有兩種建立方式：交換虛電路 (SVC)和永久虛電路 (PVC)。 通過用戶發送呼叫請求分組建立的虛電路稱為 SVC。 根據用戶預約 ， 由網絡運營者為之建立的永久性虛電路 ， 稱之為 PVC， 不需建立連接直接傳輸 。 采用虛電路方式的好處 交 換 技 術第 5 章分 組 交 換49 三 、 虛電路與數據報的比較 (1) 分組 首部 DG方式的分組首部包含詳細的目的地址 ，而 VC方式的分組首部只含有建立的 VC的邏輯信道標識 。 (4) 故障 敏感性 VC方式對故障較為敏感 。 DG方式中各個分組可選擇不同路由 ， 對故障的防衛能力較強 ， 從而可靠性較高 。 (5) 提供的 服務 和 應用 VC方式支持面向連接的服務 ， 適用于連續的數據流傳送 。 DG方式提供無連接服務 ， 適用于詢問 /響應型數據業務 。 采用 DG方式的典型例子是 IP網；而采用 VC方式的典型例子是 (2) 選路 VC方式預先有連接建立過程 ， 每個分組到達交換結點時只需查找路由表 ， 而無需進行復雜的選路 。 DG方式對每個分組都要獨立地進行選路 。 (3) 分組 順序 VC方式中 ， 分組不會產生失序現象 。 DG方式中的各個分組是獨立選路 ， 因而會引起失序 。 交 換 技 術第 5 章分 組 交 換50 分組交換網的路由選擇 路由問題概述 非自適應路由選擇 自適應路由選擇 分組交換網的主要功能是將分組從源結點傳送到目的結點 。 由于源結點和目的結點不一定相鄰 ， 中間可能要經過若干結點和結點間的鏈路 ， 因此必須為分組選擇路由 ， 即確定傳送路徑 。 那么路由應該如何表示 ？ 網絡依據什么信息來進行路由選擇 ？ 路由選擇應該采取哪些策略和算法 ？ 這些就是本節要討論的問題 。 本節的主要內容 交 換 技 術第 5 章分 組 交 換51 (1) 標頭指示法 標頭指示法是由源結點將路由信息標識在每個分組的標頭中 ， 故又稱為 源路由法 。 中轉結點交換機根據分組的標頭 ， 可知道將該分組轉發到那個端口 (鏈路 )。 因此每個分組的傳送路徑在它進入網絡之前就必須確定 。 如圖所示 ， 假定分組的路徑為 A－ C－ E－ D， 可將這四個結點的編號和相應的鏈路標識在分組標頭域中 。 被標識的結點和鏈路的出現順序 ， 應與分組穿越網絡的次序相符 。 路由問題概述 一、路由表示法 路由表示法 標頭指示法 路由表法 ｛ A C E DI2I4I7分 組 數 據分 組 標 頭路 由 信 息交 換 技 術第 5 章分 組 交 換52 (2) 路由表法 每個結點交換機中保持著一個路由表 ， 這個路由表是根據采用的路由選擇算法預先或實時地計算出來的 ， 它以 表格的形式 列出了分組從該結點傳送到任意目的結點的路由信息 。 右圖網絡各結點的路由表如下圖 。 1243路 由 表 結 點 1 的 路 由 表目 的 結 點下 一 結 點1 2 33 34 3結 點 2 的 路 由 表1 32 3 34 4結 點 3 的 路 由 表1 12 23 4 4結 點 4 的 路 由 表1 32 23 34 下 一 結 點 下 一 結 點下 一 結 點目 的 結 點目 的 結 點目 的 結 點交 換 技 術第 5 章分 組 交 換53 路由表的簡化 為了消除路由表中的重復項目 ， 可以用一個 默認路由(“*”)代替所有具有相同 “ 下一站 ” 的項目 。 默認路由比其它項目的優先級低 。 下圖為使用了默認路由的簡化路由表 ，只有超過一個以上的目的結點有相同的下一結點時才使用默認路由 ,這樣使路由表更簡潔從而減小搜索時間 。 目前廣域分組交換網大都采用路由表法實現分組的轉發 ，同時也可以支持標頭指示法 ， 下面集中討論得到最廣泛應用的路由表法 ,大型網絡使用路由選擇算法來產生路由表 。 目 的 結 點 下 一 結 點1 * 3目 的 結 點 下 一 結 點24 4* 34結 點 3 的 路 由 表目 的 結 點 下 一 結 點1 12 23 4結 點 2 的 路 由 表結 點 1 的 路 由 表目 的 結 點 下 一 結 點224 * 3結 點 4 的 路 由 表交 換 技 術第 5 章分 組 交 換54 路由表的簡化 路由問題就是解決分組交換網中的各結點交換機應該如何進