分组交换技术简介

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图5.15分组交换网示意图值得注意的是，X.25分组交换网是产生于20世纪70年代的第一个商用的分组交换网，本节所讲述的分组交换的概念及技术等，都是基于X.25分组交换网的。图5.16表示分组交换节点在路由选择中的工作原理。

1.分组交换网络的构成

分组交换技术最适合传输的是数据，任何一个数据通信系统都是由终端、数据电路和计算机系统3种类型的设备组成的。图5.14表示数据通信系统的基本构成。由图5.14可看出，远端的数据终端设备（DTE）通过数据电路与计算机系统相连，数据电路由传输信道和数据电路终接设备（DCE）组成。如果传输信道是模拟信道，DCE 的作用就是把DTE 送来的数据信号变换成模拟信号再送往信道；或者反过来，把信道送来的模拟信号变换成数据信号再送到DTE。如果信道是数字的，DCE的作用就是实现信号码型与电平的转换，信道特性的均衡，收发时钟的形成、供给以及线路接续控制等。

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图5.14　数据通信系统构成

传输信道从不同角度有不同的分类方法，如有模拟信道和数字信道之分，专用线路和交换网线路之分，有线信道和无线信道之分，频分、时分、码分信道之分等。

由图5.14还可看出，数据电路加上传输控制规程就是数据链路，因此数据链路比数据电路的传输质量好得多。

分组交换网是一个由分布在各地的数据终端设备、数据交换设备和数据传输链路所构成的网络，在网络协议（软件包括OSI下3层协议）的支持下，实现数据终端间的数据传输和交换。分组交换网示意图如图5.15所示，其硬件构成包括数据终端设备、分组交换设备及数据传输链路。

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图5.15　分组交换网示意图

值得注意的是，X.25分组交换网是产生于20世纪70年代的第一个商用的分组交换网，本节所讲述的分组交换的概念及技术等，都是基于X.25分组交换网的。

2.路由选择

（1）交换节点在路由选择中的工作原理

分组进入交换节点，节点中央处理单元（CPU）对分组进行测试，包括对分组网络层目的地址的检验，在这个基础上，分组被安排在正确的出线，并进入相应的队列等待发送。由节点选择正确的出线的过程被称为路由选择功能。图5.16表示分组交换节点在路由选择中的工作原理。

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图5.16　分组交换节点在路由选择中的工作原理

分组通过交换节点的延迟有3个主要因素：在CPU 及出链路队列中的排队时间，CPU 处理时间和分组传输时间。

完成路由选择功能通常采用下面两种途径。

1）表控路由选择

表控路由选择是最常用的方法，此方法要求每个节点存储并保持一张路由选择表，其中包括分组标识（ID）与出链路间的对应关系。分组的ID 可以是分组的目的地址，也可以是分组的源站与目的站的组合地址或分组所属的虚电路标识。确定正确的出链路包括检验分组报文头、提取分组标识，然后查路由选择表，最后确定出链路。

2）无表路由选择

无表路由选择适用于网络无法保持路由选择表的情况。例如，当使用高速链路时，CPU处理过程要求每个分组报文很小，因此无法查找并保持长路由选择表。采用无表路由选择时，每个分组报文的路由不需要查表确定，如随机路由选择、源站路由选择和计算式路由选择等。

（2）确定最佳路径

一般来说，人们都希望沿可用的最佳路径传送分组。设计和执行路由选择程序的重要依据是路径选择准则。传送分组报文至目的站可以按时间最短的原则或费用最小的原则等来选择路径。

前面已讲过分组在网络传输中延迟有3个因素，但分组延迟的可预测因素只有传输时间，因为排队及处理时间主要取决于网络的业务状况并随时间而变化，只能大致估计。

确定费用有不同的方法，网络设计不一样，对通信费用的确定也不一样。相邻节点之间的一段链路费用可以是最短路径、数据速率的费用以及平均传输延迟的费用等。

如果网络采用虚电路路由，那么在虚电路建立的同时选定一条路径，此路径适用于整个连接过程。尽管所选的路径可以提供最小延迟，但无法保证通过此路径的所有分组都能获得最小延迟。如果采用数据报路由，一个路由选择决定只适用于一个分组，这样每个分组实际经历的延迟就比较接近理想的最小延迟。

（3）路由选择程序的分类

路由算法的分类标准很多。按照能否根据网络状况的变化而动态调整，可以分为静态（非自适应）和动态（自适应）两大类；按照工作的模式，可以分为集中式和分布式两大类。

1）静态和动态

如前所述，典型的最短路径算法是：对每条链路赋予费用值，并在路由表中产生最短路径，如果频繁地执行最短路径运算，而且运算是根据对网络条件的实时测量，那么这种路由选择过程就称为动态的或自适应的。否则，称为静态的。需要强调的是，即使采用静态程序，路由选择表也是变化的，只不过变化的频率较低，而且参数通常是根据对网络条件的长期测量，取平均值。

2）集中与分布

在集中式路由选择程序中，路由控制中心负责计算网络的最短路径。如果程序是动态的，每个节点必须按周期向控制中心报告其链路状态，控制中心也需周期性地向各节点提供路由选择表。集中式路由选择的控制中心是系统的脆弱点，为保证路由控制中心的可靠性，其控制功能需备份。

在分布式路由选择程序中，所有网络节点都进行最短路由计算。例如，当某一节点处理来自其周围链路的信息时，分布式程序需提供每个节点的可用信息，以便执行分布式计算。

（4）最短路由选择算法

这里所讲述的最短路径算法是由E.Dijkstra提出的，它能确定从任一源节点至网络中其他所有节点的最短路径，称这些路径的集合为最短前向路径树。

算法描述如图5.17所示，寻找从源节点1到其他各节点的最短通路。令D（u）为源节点1到任一节点u 的距离，它就是沿某一通路的所有链路的长度之和；再令L（i，j）为节点i至节点j 之间的距离。算法如下。

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图5.17　求最短通路算法的网络举例

①初始化。令N 表示网络节点的集合。先令N={1}。对所有不在N 中的节点u，写出

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②寻找一个不在N 中的节点w，其D（w）值为最小。把w 加入N 中，然后对所有不在N 中的节点用∑D（u），D（w）+L（w，u）中较小的值去更新原有的D（u）值，即

③重复步骤②，直到所有的网络节点都在N 中为止。

表5.1是对图5.17进行求解的详细步骤。

表5.1　计算图6.5中网络的最短通路

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最后就得出以节点1 为根的最短通路树，如图5.18（a）所示。节点1 内的路由表如图5.18（b）所示。当然，像这样的路由表，在所有其他各节点中都应当有一个。但这就需分别以这些节点为源节点，重新执行算法，然后才能找出其最短通路树以及相应的、放在源节点中的路由表。

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图5.18　最短通路树和节点1的路由表

3.流量控制与拥塞控制

分组交换网的流量控制是指限制进入分组网的分组数量，往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量的控制。流量控制所要做的就是使发送端发送数据的速率不能使接收端来不及接收；但问题并不这么简单，就像如不加以交通限制，道路交通会发生阻塞一样，分组交换网如果不进行流量控制，也会出现拥塞现象，甚至造成死锁。

网络拥塞往往是由许多因素引起的，可以是网络内的通信业务量过负荷，或者网络中存在“瓶颈口”。分组交换网中，当网络输入负荷比较小时，各节点中分组队列都很短，节点有足够的缓冲器接收新到达的分组，使网络吞吐量随着输入负荷的增大而线性增长；但当网络负荷增大到一定程度时，节点中的分组队列加长，有的缓冲存储器已占满，节点开始抛弃还在继续到达的分组，导致分组的重传增多，时延加大，加剧网络拥塞，吞吐量下降，严重时使数据停止流动，造成死锁。

网络拥塞不能单靠增加网络资源来解决。因为问题的实质往往是整个系统的各部分不匹配。只有所有部分都平衡了，问题才会得到解决。

拥塞控制是一个全局性过程，涉及所有的主机、路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。它与流量控制关系密切，某些拥塞控制算法是向发送端发送控制报文，并告诉发送端，网络已出现麻烦，必须放慢发送速率，这点又和流量控制是很相似的。

对于流量控制和拥塞控制在网络中所起的作用，可以用图5.19表示。图5.19中横坐标是网络负载，代表单位时间内输入给网络的分组数目，因此网络负载也称为输入负载；纵坐标是吞吐量，代表单位时间内从网络输出的分组数目。图5.19中3条曲线分别表示理想流量控制、实际流量控制和无流量控制的3种情况。从图5.19中可以看出，没有流量控制或拥塞控制时网络会出现拥塞，甚至会死锁。

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图5.19　流量与拥塞所起的作用

有很多方法可用来监测网络的拥塞，主要指标包括：由于缺少缓冲空间而被丢弃的分组的百分数，平均队列长度，超时重传分组数，平均分组时延等。这些指标的上升都标志着拥塞的增长。

当监测到拥塞发生时，要将拥塞发生的信息传送到产生分组的源站，或是在分组中保留一个比特或字段来表示网络中是否产生了拥塞，使源站知道网络拥塞而采取必要措施。

拥塞控制还可以有许多方法，如许可证法、结构化缓冲池法、抑制分组法、预留缓冲区法、重新启动法等，这里就不一一讲述了。

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