第五章分组交换与帧中继技术本章教学基本要求：1．了解数据通信系统的组成；2．理解分组格式和帧格式；3．理解虚电路和逻辑信道的含义；4．理解OSI参考模型、X.25协议结构和帧中继协议结构；5．掌握分组交换的两种工作方式，即数据报和虚电路；6．掌握分组交换的路由选择方式和流量控制方式。
本章教学主要内容：一、数据通信概述二、分组交换技术三、通信协议四、帧中继一、数据通信概述1．数据通信的定义数据通信是计算机技术和通信技术相结合而产生的一种通信方式。
它通过通信线路将数据终端（信源或信宿）与计算机连接起来，从而可使不同地点的数据终端直接利用计算机来实现软、硬件和信息资源的共享。
2．数据通信的特点(1)数据通信是人-机或机-机间的通信，计算机直接参与通信是一个重要特征；(2)数据通信传输和处理的是离散数字信号，而不是连续的模拟信号；(3)传输速率高，要求接续和传输响应时间快；(4)传输系统质量高，要求误码率在10-8～10-10左右。
3．数据通信系统的基本构成数据通信系统基本构成如图5.1所示，由数据终端设备(DTE)、数据电路和计算机系统组成。
数据终端设备计算机系统图5.1 数据通信系统的构成(1)数据终端设备（DTE）：所有与网络端口相连的设备。
①分组型终端（PT）：能够执行X.25通信协议的终端，采用同步工作方式，具有发送和接收分组的功能。
②非分组型终端（NPT）：所有执行非X.25通信规程和无规程终端的统称，采用起止式异步工作方式，只具有发送和接收字符的功能。
此终端不能直接进入分组交换网，必须经过分组装拆设备（PAD）。
(2)数据电路：由传输信道和数据电路终接设备（DCE）组成。
DCE是数据通信设备中的一种，其主要功能是在数据终端设备和其接入的网络之间进行接口规程及电气上的适配，不同的数据通信系统所用的数据电路终接设备可以有所不同。
如果传输信道属于模拟信道，DCE的作用就是把DTE送来的数据信号变换为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，则DCE的作用是实现信号码型与电平的转换、信道特性的均衡、收发时钟的形成与供给以及线路接续控制等等。
(3)计算机系统：数据通信系统的核心部分，通常由通信控制器和中央处理机两部分组成。
它具有处理由数据终端设备输入的信息数据并将其结果输出给数据终端的功能。
①通信控制器：设在中央处理机和通信线路之间，用于管理与数据终端相联结的所有通信线路。
②中央处理机：用于处理由数据终端输入的数据。
二、分组交换技术1．分组交换技术的产生分组交换技术是伴随着计算机网络的发展而发展的。
其概念最初是在1964年8月由保罗.巴伦（Paul Baran）在美国兰德（Rand）公司的“论分布式通信”的研究报告中提出来的。
1965年英国国家物理实验室（NPL）的D.Davies构想了存储转发分组交换系统的原理，并与1967年公开发表了NPL关于分组交换的建议。
随后D.Davies在NPL实现了具有单一分组交换节点的局域网。
但直到1969年12月，美国国防部高级研究计划署（ARPA）资助的4结点分组交换网ARPANET投入运行，分组交换技术才真正第一次被应用到计算机网络中。
自70年代中期以来,分组交换网开始在世界各国迅速普及。
1975年，美国建立了世界上第一个开放的商用的分组交换网TELENET。
1978年法国的公用分组交换网TRANSPAC开放业务，随后欧洲其它国家也相继开放了公用分组交换网业务。
在亚洲较早建立公用分组交换网是日本的DDX—P(1979年开放业务)，其后是新加坡、韩国、以及台湾、香港等国家和地区的分组交换网。
80年代以后，几乎所有工业发达国家和部分发展中国家都已建立了自己国家的公用分组交换数据网络。
这些网络已相互连接,形成了世界范围的公用分组交换数据网。
与发达国家相比，我国的分组交换网络的研究与开发应用起步较晚，距世界先进水平还有一定的差距。
1989年建成了我国第一个公用分组交换数据试验网(CNPAC)，到1993年9月建成了新的国家分组交换主干网(CHINAPAC)。
CHINAPAC的组建，使我国分组交换技术的应用跨上一个新台阶。
2．资源分配(1)预分配资源技术：根据用户要求事先把线路的传输容量的一部分分配给他。
例如时分复用和频分复用。
(2)动态分配资源技术：根据用户实际需要分配线路资源。
例如统计时分复用。
3．分组的形成(1)报文的分组和组合分组的用户数据数据部分的长度是有一定限制的。
用户的数据报文的长度如果超过了分组的用户数据部分的最大长度，就必需将该报文分成多个分组。
每个分组的长度通常为128个字节，也可以根据通信线路的质量将每个分组的用户数据部分定义为32、64、256或1024个字节。
分组的形成如图5.2所示。
分组3F：标志序列FCS：帧检验序列A：地址字段C：控制字段图5.2 分组的形成与格式(2)分组头格式分组有两大类：数据分组和控制分组。
数据分组是用来承载用户数据的分组，控制分组是保证和控制数据分组在网络中正确传输和交换的分组。
可以通过分组头信息区分分组类型，每个分组的分组头可为三部分：通用格式识别符、逻辑信道号和逻辑信道组号、分组类型识别符。
如图5.3所示。
8 7 6 5 4 3 2 1通用格式识别符逻辑信道组号逻辑信道号分组类型识别符图5.3 分组头格式①通用格式识别符由分组头第1个字节的8～5位组成，第8个比特称为限定比特，用来区分传输的分组是用户数据分组还是控制信息分组。
第7比特称为传送确认比特，用来表明分组的确认是由本地完成，还是进行端到端的确认。
5、6两个比特称为模式比特，用来表示分组的顺序号按模8方式工作还是模128方式工作。
②逻辑信道号和逻辑信道组号逻辑信道号和逻辑信道组号共12比特，理论上可以同时支持4096个呼叫，但实际支持的逻辑信道数取决于接口的传输速率、与应用有关的信息流的大小和时间分布。
逻辑信道号在分组头的第2字节中，当编号大于256时，用逻辑信道组号扩充，扩充后的编号可达4096。
③分组类型识别符占用8比特，用来区分各种不同的分组，共分4类：a．呼叫建立分组。
用于在两个DTE之间建立交换虚电路。
这类分组包括：呼叫请求分组、入呼叫分组、呼叫接受分组和呼叫连接分组。
b．数据传输分组。
用于在两个DTE之间实现数据传输。
这类分组包括：数据分组、流量控制分组、中断分组和在线登记分组。
c．恢复分组。
用于实现分组层的差错恢复。
这类分组包括：复位分组、再启动分组和诊断分组。
d．呼叫释放分组。
用于在两个DTE之间断开虚电路。
这类分组包括;释放请求分组、释放指示分组和释放证实分组。
4．数据报和虚电路分组交换可以有两种工作方式：虚电路和数据报。
(1)虚电路方式①概念虚电路方式是指通信终端在开始通信之前，必须通过网络在通信的源和目的终端之间建立连接。
这种连接建立以后，用户发送的数据(以分组为单位)将通过该路径顺序经网络传送到达终点。
当通信结束时，用户发出拆除链接的请求，网络清除连接。
②特点a．面向连接的工作方式。
虚电路方式的通信具有严格的三个过程，即连接建立(呼叫建立)、数据传输和连接拆除(呼叫清除)。
因此说它是面向连接的，当然这个连接是一个逻辑的连接，即虚连接。
面向连接的工作方式对于长报文(大数据量)传输效率较高。
b．分组按序传送。
分组在传送过程中不会出现失序现象，分组发送的顺序与接收的顺序一致。
因而虚电路方式适于传送连续的数据流。
c．分组头简单。
由于在传送信息之前已建立好连接，所以数据分组的分组头较简单，不需要包含目的终端的地址，只需要包含能够识别虚连接的标志即可完成寻址功能。
信息传输的效率较高。
d．对故障敏感。
在虚电路方式中，一旦出现故障或虚连接中断，则通信中断，这有可能丢失数据，所以这种方式对故障比较敏感。
(2)数据报方式①概念数据报方式类似于报文传输方式，将每个分组作为一份报文来对待，信息传输之前无需建立连接，每个数据分组中都包含终点地址信息，分组交换机为每一个数据分组独立地寻找路径，属于同一份报文的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，因而会出现分组失序现象，进而需要在网络终点重新排序。
②特点a．无连接的工作方式。
数据报方式在信息传输之前无需建立连接，这种无连接工作方式对于短报文(小数据量)的传输效率较高。
b．存在分组失序现象。
由于每个数据分组都是独立选路，所以属于同一个通信的不同分组有可能会沿着不同的路径到达终点，先传送的分组后到，后发送的分组先到。
c．分组头复杂。
数据报方式的分组头比虚电路方式的分组头复杂，它包含目的终端地址，每个分组交换节点需要依此进行选路。
d．对网络故障的适应能力较强。
由于对每个数据分组是独立选路，所以当网络出现故障时，只要到目的终端还存在一条路由，通信就不会中断。
5．分组交换的原理图5.4表示了分组交换的工作原理。
图中有4个终端A、B、C和D，分别为非分组终端和分组终端。
分组终端是指终端可以将数据信息分成若干个分组，并能执行分组通信协议，可以直接和分组网络相接进行通信，图中B和C是分组终端。
非分组终端是指没有能力将数据信息分组的一般终端，为了能够允许这些终端利用分组交换网络进行通信，通常在分组交换机中设置分组装拆(PAD)模块完成用户报文信息和分组之间的转换，图中A、D是非分组终端。
在图中存在两个通信过程分别是终端A和终端C，以及终端B和终端D之间的通信。
非分组终端A发出带有接收终端C地址标号的报文，分组交换机甲将此报文分成两个分组，存入存储器并进行路由选择，决定将分组1直接传送给分组交换机乙，将分组2通过分组交换机丙传输给分组交换机乙，路由选择完毕，同时相应路由有空闲，分组交换机将两个分组从存储器中取出送往相应的路由。
在其他相应的交换机也进行同样的操作。
如果接收终端接收的分组是经由不同的路径传输而来的，分组之间的顺序会被打乱，接收终端必须有能力将接收的分组重新排序，然后递交给相应的处理器。
另外一个通信过程是在分组终端B和非分组终端D之间进行。
分组传输过程与A-C间传输相似，在接收端局通过装拆设备将分组组装成报文传输给非分组终端。
图5.4 分组交换的工作原理图8.5中终端A和终端C之间通信采用的是数据报方式，这里分组头部装载有关目的地址的完整信息，以便分组交换机寻径。
这种方法在用户之间的通信不需要经历呼叫建立和呼叫清除阶段，对短报文通信传输效率比较高，这一点类似数据的报文交换方式。
图8.5中终端B和D之间的通信使用虚电路方式，两个用户终端设备在开始互相传输数据之前必须通过网络建立逻辑上的连接，每个分组头部指明的只为虚电路标识号，而不必直接是目的地址的信息；数据分组按已建立的路径顺序通过网络，在网络终点不需要对数据重新排序，当发送端有数据发送，只要输出线上有空闲，数据就沿该路径传输给下一个交换节点，否则在交换机中等待。
