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。

5.2 分组交换的基本原理

5.2.1 分组传送方式（资源共享方式）

图 5.1 统计时分复用（ STDM ）

分组传送采用的是统计时分复用（ STDM ）的方式。

1 2 1 2 2 3 1 3

用户标识

用户数据

5.2.2 分组的形成

来自数据终端的用户数据可能是很长的报文，我们需要将该报文拆分成若干段，并加上分组头，组成一个完整的分组（ packet ），如图 5.2 所示。

图 5.2 分组的形成

用户数据

用户数据 用户数据 用户数据 用户数据分组头

分组头

分组头

分组头

分组

5.2.3 分组交换

一个分组从发送终端传送到接收终端，必须沿一定的路径经过分组交换网络。那么分组是如何穿过网络的呢？目前有两种方法实现：数据报（ Datagram ）和虚电路（ Virtual Circuit ）。

1. 数据报（ Datagram ） 2. 虚电路（ Virtual Circuit ）

数据报（ Datagram ）

在数据报方式中，分组被独立的对待，每一个分组都包含终点地址信息，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，一个被独立对待的分组就称为一个数据报

虚电路（ Virtual Circuit ）

虚电路方式就是指通信终端在收发数据之前，先在网络中建立一条逻辑连接，在通信过程中，用户数据按照顺序沿着该逻辑连接到达终点。注意虚电路指的是一条逻辑连接，而不是指一条专门的物理通路。同一条线路可能同时被多条虚电路使用。

分组交换网提供的虚电路交换方式有两种，一种是交换虚电路（ SVC ： Switch Virtual Circuit ），又称为虚呼叫（ Virtual Call ），另一种是永久虚电路（ PVC ：Permanent Virtual Circuit ）。

数据报和虚电路的对比 （ 1 ）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。 （ 2 ）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。

（ 3 ）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。

（ 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。

图 5.5 拥塞的影响

0.8 1.0

1.0开销理想的

受控制的

无控制的

提供负荷（发送的分组）

吞吐量（交付的分组）

a（ ）吞吐量

0.8 1.0

理想的

受控制的

无控制的

提供负荷（发送的分组）平均分组时延

b（ ）时延

流量控制的方法 证实法 预约法 许可证法

5.2.6 分组交换的工作过程

2 D 1 D3 D

C

2 C1 D2 D3 D

2 C 1 C

3 2 1 D

A一般终端

D一般终端

C分组型终端

B分组型终端

存储器

存储器

存储器

1分组交换机

2分组交换机

3分组交换机分组

可拆分成两个分组的报文

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 X.25协议是数据终端设备（ DTE）和数据电路端接设备（ DCE）之间的接口规程。它最初于 1976 年颁布，在 1980 年、 1984年、 1988 年、 1993年又进行了多次修改。它是目前使用最广泛的分组交换协议。

X.25协议定义了帧（ Frame ）和分组（ Packet ）的结构； 数据传输通路的建立和释放、数据的传输等过程；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，这属于分组交换网网络内部控制功能，由各个厂家决定。（参见《分组交换工程》 P163-165 ）

X.25协议分为三层：物理层、数据链路层和分组层，各层在功能上相互独立，如图 5.7所示。

图 5.7 X.25 的分层结构

物理层

数据链路层

分组层

物理层

数据链路层

分组层

分组级协议

帧级协议

物理级协议

高层协议

X.25

物理连接接口

DTE DCE

与远程DTE之间的高层协议

5.3.2 X.25 的物理层

物理层完成的主要功能如下： 在 DTE和 DCE接口处提供数据传输； 在设备之间提供控制信号； 提供时钟信号，用以同步数据流和规定比特速率；

提供电气地； 提供机械的连接器（如针、插头和插座）。

5.3.3 X.25 的数据链路层—— LAPB

X.25 数据链路层规程是要在物理层提供的双向的信息输送管道上实施信息传输的控制。一般情况下， X.25 的数据链路层采用的是 HDLC（高级数据链路控制规程）的一个子集 LAPB（平衡型链路访问规程）。

数据链路层帧类型与结构

按照帧的功能可以把帧分成三类：信息帧（ I 帧）、监控帧（ S帧）和无编号帧（ U帧）。 LAPB帧的基本结构如图 5.8所示，所有帧均包含标志 F、地址字段 A、控制字段 C、帧检验序列 FCS ，部分帧还包含信息字段 I。

图 5.8 LAPB帧的基本结构

F标志 地址字A段 C控制字段 I信息字段 FCS检验序列 F标志

8比特 8比特 8 16或 比特 变长 16 32或 比特 8比特

5.3.3 X.25 的分组层（虚呼叫的控制原理）

X.25 分组层是利用链路层提供的服务在DTE-DCE接口交换分组。它将一条逻辑链路按照动态时分复用的方法划分成多个子逻辑信道，允许多个用户终端或进程同时使用一条逻辑链路，以充分利用线路资源。

分组层的主要功能

在 X.25 接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道； 通过逻辑信道群号（ LCGN）和逻辑信道号（ LCN）

来区分与每个用户呼叫有关的分组； 为每个用户的呼叫连接提供有效的分组传输，包括顺

序编号、分组的确认和流量控制过程； 提供交换虚电路（ SVC ）和永久虚电路（ PVC ）的连

接； 提供建立和清除交换虚电路连接的方法； 监测和恢复分组层的差错。

虚电路与逻辑信道 前面我们分别介绍过虚电路和逻辑信道的概念，那么

这两者之间有什么联系和区别呢？（ 1 ）虚电路是在 DTE-DTE之间建立的虚连接，存在于

端到端之间；逻辑信道是 DTE-DCE接口或中继线上可分配的资源，存在于点到点之间，一条线路上可以存在多个逻辑信道。一条虚电路是由多个逻辑信道连接而成。每条线路的逻辑信道号是独立分配的，同一条虚电路在不通线路上的逻辑信道号可能是不相同的。

（ 2 ）逻辑信道是一直存在的，它分为占用和空闲两种状态；虚电路（不包括永久虚电路）随着通信的开始而建立，通信结束后就被清除。

呼叫建立过程主叫DTE

本地DCE

远端DCE

被叫DTE

建立入呼叫

呼叫请求

呼叫接受

接受

呼叫连接

X.25 X.25网络规程

呼叫拒绝 主叫DTE

本地DCE

远端DCE

被叫DTE

X.25 X.25网络规程

呼叫清除过程 主叫DTE

本地DCE

远端DCE

被叫DTE

清除清除指示

清除请求

DTE清除证实

证实

DCE清除证实

X.25 X.25网络规程

复位过程 主叫DTE

本地DCE

远端DCE

被叫DTE

X.25 X.25网络规程

主叫DTE

本地DCE

远端DCE

被叫DTE

X.25 X.25网络规程

（a）由DTE发起的复位

b（ ）由DCE发起的复位

重启（ Restart ）过程主叫DTE

本地DCE

远端DCE

被叫DTE

清除清除指示

重启请求

DTE清除证实

证实

重启证实

X.25 X.25网络规程

清除

清除 清除指示

DTE清除证实

证实清除指示

DTE清除证实

证实

5.4 分组交换机

5.4.1 分组交换机的结构 分组交换网的终端用户与网络之间的接口标准是统一

的，几乎所有的分组交换设备提供商都遵守并实现了这些标准。而交换网的网内通信规程、分组交换机的设计以及网络的维护、管理和控制至今没有统一的标准，各个厂家的内部协议是互相不兼容的，分组交换网设备也是多种多样的，没有统一的结构。这一节首先介绍分组交换系统的基本结构，在此基础之上简要介绍北方电信公司生产的 DPN-100 型分组交换机。

分组交换机的基本结构 交换单元

分组交换机交换单元的基本功能和电路交换机交换单元的基本功能是一致的，就是把信息从某个输入端口送到某个输出端口。

接口单元接口单元包括用户线路的接口单元和中继线路的接口单元。 其功能包括：用户线的监视和控制、分组的组合与分解、差错控制、传输控制规程的控制等。

控制单元控制单元用于完成整个系统的控制工作，其功能包括：呼叫处理、流量控制、路由选择、系统配置等。控制单元的功能一般由软件来完成。

5.4.2 性能指标

分组交换机的主要性能指标包括： （ 1 ）端口数，包括同步端口数和异步端口数。 （ 2 ）吞吐量，表示该交换机每秒能处理的分组数。在给出该指标时，必须给出分组的长度，通常为 128 字节 /分组。

（ 3 ）每秒能处理的呼叫次数。在一般情况下，该指标都是在不传送数据分组时给出的值。

（ 4 ）路由数，表示该交换机能与其他交换机相连接并能进行路由选择的值。

（ 5 ）平均分组处理迟延，是指在传送一个数据分组从输入端口至输出队列所需的平均处理时间。在给出该指标时也需要指出分组长度。

（ 6）提供用户可选补充业务的能力。 （ 7）支持 X.25等协议的版本时间。 （ 8）提供非标准接口的能力，如 SDLC、BSC等。

5.5 分组交换

5.5.1 分组交换网的构成

网络拓扑结构

a（ ）树形 b（ ）星形 c（ ）总线形

d（ ）环形 e（ ）网状形

分组交换网的基本结构

RCU

NPT

NPT

NPTNPT NPT

NPT

PT

PT

PT

PT

NPT 非分组型终端PT 分组型终端RCU 远程集中器NMC 网管中心

高速线路

高速或中速线路

转接交换机

本地交换机

NMC

PAD

PAD

PAD

5.5.2 中国公用分组交换网（ CHINAPAC ）

我国组建的第一个公用分组交换网简称 CNPAC ，是 1988 年从法国 SESA公司引进的实验网，该实验网于 1989 年 11月正式投入使用。由于该网络的覆盖面不大，端口数较少，无法满足信息量较大、分布较广的企业和部门的需求，原邮电部决定扩建我国的公用分组交换网，扩建的公用分组数据交换网简称 CHINAPAC ，于 1993年建成投入使用，由骨干网和地区网两级构成。

5.5.3 网络编号—— X.121

为了实现公用数据通信网的国际和国内互连通信， CCITT 制定了国际统一的网络编号方案——X.121 。

国际数据编号最大由 14位十进制数构成，如图 5.27所示。其中最前面的一位 P 为国际呼叫前缀，其值由各个国家决定，我国采用“ 0” 。紧接着 4位称为数据网络识别码 DNIC （ Data Network Identification Code ）， DNIC 由 3位数据国家代码 DCC（ Data Country Code ）和 1位网络代码组成。 DCC 的第 1位Z为区域号，世界划分为 6个区域，编号为 2-7（ Z=0和 Z=1备用， Z=8和 Z=9分别用于同用户电报网和电话网的相互连接）。DCC 的后两位原则上用于区分区域内的国家。例如中国的 DCC是“ 460” 。有 10个以上网络的国家可以分配 2 个以上的 DCC 。DCC 之后的一位用于区分为位于同一个国家内的多个网络。 CHINAPAC 的 DNIC 为“ 4603” 。

5.5.4 网间互连

分组交换网之间的互连

X.25网络A

DCE STEX.25网络B

STE DCE

用户A 用户B

X.25X.25 X.75

分组交换网与局域网的互连

物理层 X.25-1物理层

MAC

LLC

IP

TP

IP

LLC

MAC

X.25-3

X.25-2

物理层

MAC

LLC

IP

TP

X.25网

物理层 X.25-1

IP

LLC

MAC

X.25-3

X.25-2

工作站A 工作站B

网关1 网关2

LAN1 LAN2

TP：传运输层协议X.25-1 X.25-2 X.25-3分别为X.25分组层、数据链路层、物理层