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分組交換是以分組為單位進行信息傳輸和交換的方式,即將到達交換機的分組先送到存儲器暫時存儲和處理,等到相應的輸出電路有空閑時再送出。分組由分組頭和其後的用戶數據部分組成,分組頭包含接收地址和控制信息,其長度為3-10B,用戶數據部分長度是固定的,平均為128B,最長不超過256B。分組交換路由選擇確定了輸出埠和下一個節點后,必須使用交換技術將分組從輸入埠傳送到輸出埠,實現輸送比特通過網路節點。

1 分組交換 -簡介

分組交換(Packet switching)是以分組為單位進行信息傳輸和交換的方式,即將到達交換機的分組先送到存儲器暫時存儲和處理,等到相應的輸出電路有空閑時再送出。

分組由分組頭和其後的用戶數據部分組成,分組頭包含接收地址和控制信息,其長度為3-10B,用戶數據部分長度是固定的,平均為128B,最長不超過256B。分組交換路由選擇確定了輸出埠和下一個節點后,必須使用交換技術將分組從輸入埠傳送到輸出埠,實現輸送比特通過網路節點。

2 分組交換 -產生與發展

分組交換分組交換

1970年左右,人們開始研究一種新的長途數字數據通信的體系結構形式:分組交換(英文:Packet Switch,縮寫為PS)。

現在分組交換的基本技術與70年代的網路技術基本上是相同的,而且分組交換仍然是實現長途數據通信少數有效的技術中的一種。並且兩種最新的廣域網技術:幀中繼和ATM,基本上是分組交換方式的變種。分組交換是作為一種解決互動式處理應用的技術而發展起來的,它設計用來支持突發性的數據流的傳送,這種業務流的持續連接時間長而業務量低。

分組交換網路採用了統計復用技術,即多個會話連接可以共享一條通信通道,這無疑大大提高了傳輸效率。然而,共享通信鏈路會引入時延。在分組交換網路中,分組通過一系列中間節點進行選路,通常要跨越多個網路。它們以存儲——轉發的方式在一系列分組交換機(即路由器)之間轉發,最終到達目的地。在傳輸過程中信息被分割成包含目的地址和序列號的分組。

分組交換模型最著名的使用是互聯網,它是一個分組交換網路,在多種網路技術上運行網路層互聯網協議。乙太網,X.25和幀中繼都是分組交換網的數據鏈路層國際標準。新的行動電話技術像GPRS和 i-mode也是使用分組交換。 

3 分組交換 -方式分類

數據報方式
分組交換分組交換9-2

在這種方式中,每個分組按一定格式附加源與目的地址、分組編號、分組起始、結束標誌、差錯校驗等信息,以分組形式在網路中傳輸。網路只是儘力地將分組交付給目的主機,但不保證所傳送的分組不丟失,也不保證分組能夠按發送的順序到達接收端。所以網路提供的服務是不可靠的,也不保證服務質量。如圖9-2所示,主機H1向H5發送的分組,有的經過節點A-B-E,有的經過A-C-E或A-B-C-E,主機H2向H6發送的分組,有的經過節點B-D-E,有的經過B-E。

數據報方式一般適用於較短的單個分組的報文。其優點是傳輸延時小,當某節點發生故障時不會影響後續分組的傳輸。缺點是每個分組附加的控制信息多,增加了傳輸信息的長度和處理時間,增大了額外開銷。

虛電路方式

它與數據報方式的區別主要是在信息交換之前,需要在發送端和接收端之間先建立一個邏輯連接,然後才開始傳送分組,所有分組沿相同的路徑進行交換轉發,通信結束后再拆除該邏輯連接。網路保證所傳送的分組按發送的順序到達接收端。所以網路提供的服務是可靠的,也保證服務質量。主機H1向H5發送的所有分組都經過相同的節點A-B-E,主機H2向H6發送的所有分組也都經過相同的節點B-E。這種方式對信息傳輸頻率高、每次傳輸量小的用戶不太適用,但由於每個分組頭只需標出虛電路標識符和序號,所以分組頭開銷小,適用長報文傳送。

它與數據報方式的區別主要是在信息交換之前,需要在發送端和接收端之間先建立一個邏輯連接,然後才開始傳送分組,所有分組沿相同的路徑進行交換轉發,通信結束后再拆除該邏輯連接。網路保證所傳送的分組按發送的順序到達接收端。所以網路提供的服務是可靠的,也保證服務質量。這種方式對信息傳輸頻率高、每次傳輸量小的用戶不太適用,但由於每個分組頭只需標出虛電路標識符和序號,所以分組頭開銷小,適用長報文傳送。

4 分組交換 -原理

分組交換的基本原理是採用「存儲——轉發」技術,從源站發送報文時,將報文劃分成有固定格式的分組(Packet),把目的地址添加在分組中,然後網路中的交換機將源站的分組接收后暫時存儲在存儲器中,再根據提供的目的地址,不斷通過網路中的其它交換機選擇空閑的路徑轉發,最後送到目的地址。這樣就解決了不同類型用戶之間的通信,並且不需要像電路交換那樣在傳輸過程中長時間建立一條物理通路,而可以在同一條線路上以分組為單位進行多路復用,所以大大提高了線路的利用率。

5 分組交換 -特點

分組交換分組交換
1、線路利用率高:分組交換以虛電路的形式進行通道的多路復用,實現資源共享,可在一條物理線路上提供多條邏輯通道,極大地提高線路的利用率。使傳輸費用明顯下降。

2、不同種類的終端可以相互通信:分組網以X.25協議向用戶提供標準介面,數據以分組為單位在網路內存儲轉發,使不同速率終端,不同協議的設備經網路提供的協議變換功能后實現互相通信。

3、信息傳輸可靠性高:在網路中每個分組進行傳輸時,在節點交換機之間採用差錯校驗與重發的功能,因而在網中傳送的誤碼率大大降低。而且在網內發生故障時,網路中的路由機制會使分組自動地選擇一條新的路由避開故障點,不會造成通信中斷。

4、分組多路通信:由於每個分組都包含有控制信息,所以分組型終端可以同時與多個用戶終端進行通信,可把同一信息發送到不同用戶。

5、計費與傳輸距離無關:網路計費按時長、信息量計費,與傳輸距離無關,特別適合那些非實時性,而通信量不大的用戶。 

6 分組交換 -應用

分組交換在計算機通信網中的應用:由於分組交換具有線路利用率高、可靠性好的優點,使它在計算機通信網中得到廣泛應用,歸納起來其應用方式主要有以下兩種。

1、分組交換作為計算機通信網的交換方式。分組交換是目前在計算機通信網中應用的最多的一種交換方式。利用分組交換網可連接到各種計算機,分組交換網作為廣域網的一種形式,為計算機之間提供數據傳輸和交換。

2、利用分組交換進行區域網互連。

7 分組交換 -優缺點

優點
分組交換分組交換

分組交換網與電路交換網相比有許多優點:

(1)線路利用率更高:因為結點到結點的單個鏈路可以由很多分組動態共享。分組被排隊,並被儘可能快速地在鏈路上傳輸。

(2)一個分組交換網路可以實行數據率的轉換:兩個不同數據率的站之間能夠交換分組,因為每一個站以它的自己的數據率連接到這個結點上。

(3)排隊制:當電路交換網路上負載很大時,一些呼叫就被阻塞了。在分組交換網路上,分組仍然被接受,只是其交付時延會增加。

(4)支持優先順序:在使用優先順序時,如果一個結點有大量的分組在排隊等待傳送,它可以先傳送高優先順序的分組。這些分組因此將比低優先順序的分組經歷更少的時延。

缺點

分組交換網與電路交換網相比也有一些缺點:

(1)時延:一個分組通過一個分組交換網結點時會產生時延,而在電路交換網中則不存在這種時延。

(2)時延抖動:因為一個給定的源站和目的站之間的各分組可能具有不同的長度,可以走不同的路徑,也可以在沿途的交換機中經歷不同的時延,所以分組的總時延就可能變化很大。這種現象被稱為抖動。抖動對一些應用來講是不希望有的(例如:電話話音和實時圖像等實時應用中)。

(3)額外開銷大:要將分組通過網路傳送,包括目的地址在內的額外開銷信息和分組排序信息必須加在每一個分組裡。這些信息降低了可用來運輸用戶數據的通信容量。在電路交換中,一旦電路建立,這些開銷就不再需要。另外,分組交換網路是一個分佈的分組交換結點的集合,在理想情況下,所有的分組交換結點應該總是了解整個網路的狀態。但是,不幸的是,因為結點是分佈的,在網路一部分狀態的改變與網路其他部分得知這個改變之間總是有一個時延。此外,傳遞狀態信息需要一定的費用,因此一個分組交換網路從來不會「完全理想地」運行。

8 分組交換 -分組交換數據網

公用分組交換數據網是實現不同類型計算機之間進行遠距離數據傳送的重要公共通信平台,是國際上普遍採用的一種廣域連接方式。國際電信聯盟的電信標準部門ITU-TSS制定的X.25協議是世界上許多電信組織和廠商支持和遵守的國際標準。X.25網路是國際上廣泛採用的公用數據網路。X.25是Tyltmet於1970年引入的,它是第一代分組交換系統。

X.25網路是為傳送數據而發展起來的,因此它與電話業務供應商不是直接的競爭關係。X.25分組交換技術是為了滿足具有互動式特性的業務而出現的。互動式處理是在20世紀60年代末出現的,它是一種連接時間長,但數據量低的突發性數據流。X.25提供了一種可以使得多路會話共享同一通信通道的技術。

X.25協議
分組交換分組交換

使用公共數據網的一個重要部分就是與它們的介面。ITUX.25標準就是一種廣泛使用的介面。X.25協議是指用分組方式工作並通過專用電路和公用數據網連接的終端使用的數據終端設備(DTE)和數據電路終端設備(DCE)之間的介面的協議。它定義了物理層、數據鏈路層、分組層(即網路網)三層協議,分別對應於ISO/OSI七層模型的下三層。

(1)物理層:基本功能是建立、保持和拆除DTE和DCE之間物理鏈路,定義了物理鏈路的機械、電氣、功能和規程的特性,提供同步、全雙工的點到點比特流的傳輸手段,DTE和本地DCE之間的介面按X.21建議規定。

(2)數據鏈路層:通過DTE和本地分組交換機PSE(PacketSwitchedEquipment)間的物理鏈路向分組層提供等待重發、差錯控制方式的分組傳送服務,所以可靠性高,這一層規定的LAPB(LinkAccessProcedureBalanced)規程是HDLC規程的平衡類子集,主要規定了數據鏈路的建立和拆除規程、建立后的信息傳輸規程以及差錯控制、流量控制等。另外這一層還規定了多鏈路規程MLP(MultiLinkProcedure),通過在多條平行的數據鏈路上同時傳送信息幀,以提高信息的吞吐量和可靠性。

分組交換分組交換圖9-6

(3)分組層(網路層):主要描述DTE/DCE介面 上交換控制信息和用戶數據的分組層規程 ,規定了虛電路業務規程、基本分組結構、數據分組格式以及可選用的用戶業務 功能等。這一層採用的是時分復用原理,實現一個源DTE利用一條物理電路呼叫多個目的DTE進行分組數據交換。此外還提供永久虛電路 PVC業務,這是供用戶固定使用的虛電路,源DTE不用必須建立呼叫即能使用虛電路。X.25中各分層協議的相互關係見圖9-6。

網路構成

分組交換的網路結構一般由分組交換機、網路管理中心、遠程集中器、分組裝拆設備、分組終端/非分組終端和傳輸線路等基本設備組成。

分組交換分組交換
1、分組交換機實現數據終端與交換機之間的介面協議(X·25),交換機之間的信令協議(如X·75或內部協議),並以分組方式的存儲轉發、提供分組網服務的支持,與網路管理中心協同完成路由選擇、監測、計費、控制等。根據分組交換機在網路中的地位,分為轉接交換機和本地交換機兩種;

2、網路管理中心(NMC)與分組交換機共同協作保證網路正常運行。

其主要功能有網路管理、用戶管理、測量管理、計費管理、運行及維護管理、路由管理、搜集網路統計信息以及必要的控制功能等等,是全網管理的核心;

3、分組裝拆設備(PAD)的主要功能是把普通字元終端的非分組格式轉換成分組格式,並把各終端的數據流組成分組,在集合通道上以分組交織復用,對方再將收到的分組格式作相反方向的轉換。

4、遠程集中器的功能類似於分組交換機,通常含有PAD的功能,它只與一個分組交換機相連,無路由功能,使用在用戶比較集中的地區,一般裝在電信部門。

5、提供網路的基本業務:交換虛電路和永久虛電路及其他補充業務,如閉和用戶群,網路用戶識別等。在端到端計算機之間通信時,進行路由選擇,以及流量控制。能提供多種通信規程,數據轉發,維護運行,故障診斷,計費與一些網路的統計等。

用戶進網方式

分組交換分組交換
電話撥號入網:用戶採用X.28規程或X.32規程,用一個數據機通過公用電話網(PSTN)連到分組交換網上。

專線入網:專線用戶可租用市話模擬線或數字數據專線,採用X.28或X.25規程。方便地進入CHINAPAC。CHINAPAC向用戶。提供兩種基本業務功能:交換虛電路——指在兩個用戶之間建立的臨時邏輯連接。永久虛電路——指在兩個用戶之間建立的永久性的邏輯連接。用戶一開機,一條永久虛電路就自動建立起來了。

在分組交換方式中,由於能夠以分組方式進行數據的暫存交換,經交換機處理后,很容易地實現不同速率、不同規程的終端間通信。

9 分組交換 -地震中微信比電話更給力,緣於分組交換

分組交換震後人們焦急聯繫家人

2013年4月20日,四川省雅安市蘆山縣發生7.0級地震,導致數百個基站停止服務,有些地下寬頻光纖也受了傷,加上四川方向的話務量劇增,許多手機、座機無法接通或不時掉線,但微信、微博的使用卻更為穩定。其主要原因是微信的工作原理是分組交換的業務模式。分組交換經過壓縮處理,佔用的通道可寬可窄,信息可以一站站推送,有傳輸空間時再送出。而傳統的語音通信、簡訊都是電路交換,需要建立一條點對點的獨享通道。在同等網路條件下,微信佔用的網路資源要小得多,並且走的是數據通道。

這意味著,遇到地震等緊急事件時,電話服務往往會出現擁擠甚至堵塞,簡訊的到達率比電話要高,而微信甚至微博則會更通暢。

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