分组交换：高效的网络传输与可靠服务质量

1.分组交换（Packet Switching）

分组交换是报文交换的一种改进，也是采用存储—转发的交换机制，以分组（Packet）为单位在网络内传输数据。网络发送结点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收与存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。每个分组传送可独立、互不相关。接收结点接收来自网络具有该结点地址的分组，并重新将分组组装成信息或报文。

每个分组头部都包含分组的地址和控制信息（路由选择、流量控制和阻塞控制），并给出该分组在报文中的编号，并要标明报文中的最后一个分组，以便接收结点知道整条报文是否已经传输结束。分组具有固定长度，故不需要每个分组的结束标志。典型分组如图2-28所示。

图2-28 分组交换的通用信息格式

分组方式将报文分成若干个分组，每个分组长度规定上限，有限长度的分组可降低每个结点所需存储空间，分组可存储到内存，提高了交换速度。因此，分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。报文分组交换是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。

2.分组交换原理

分组交换有两种方式：虚电路（Virtual Circuit，VC）分组方式和数据报（DataGram，DG）分组方式，采用两种不同的方法来管理被传输的分组数据流，下面分别介绍。

（1）虚电路方式

虚电路是指两个DTE（数据终端设备）在进行通信之前通过网络建立的逻辑上的连接，虚电路交换是一种面向连接（Connection Oriented，CO）的网络服务方式。如图2-29所示，虚电路交换的整个通信过程包括呼叫建立、数据传输和呼叫释放三个阶段，其工作过程类似于电路交换方式。虚电路不是电路交换中的物理连接，而是逻辑连接，是“虚拟”的连接，并不独占电路，在一条物理线路上可同时建立多个虚电路，实现资源共享。

●呼叫建立阶段：主叫用户发出“呼叫请求”分组。被叫用户如果同意建立虚电路，则发送“呼叫连接”分组到主叫用户。当主叫用户收到该分组时，表示主叫用户和被叫用户之间的虚电路已经建立起来，可进入数据传输阶段。

图2-29 分组交换虚电路的处理过程

●数据传输阶段：虚电路建立起来后，主叫、被叫用户就可以在已建立的逻辑连接上交换数据分组了。在预建路径上的中间结点都知道把这些分组传到哪里，分组按顺序到达终点，不再需要复杂的路由选择。接收端不需要对收到的分组重新排序，分组的传输时延小，且容易发现分组丢失。

虚电路。传输过程如图2-30所示，站点A要向站点D传送一个报文，报文在交换结点1被分割成4个数据报（数据报1、2、3和4），沿一条逻辑链路1-6-3-4，按顺序发送。

图2-30 虚电路分组交换方式的传输过程

虚电路方式不适于站点之间具有频繁连接和交换短小数据的网络应用，因为虚电路的建立和释放都需要占用一定的时间。

（2）数据报方式

数据报是面向无连接（ConnectionLess，CL）的数据传输方式，工作过程类似于报文交换。当采用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。在这种传输方式中，每个报文分组都作为独立的信息单位传送，与前后分组无关，数据报每经一个中继结点，都需进行路由选择。数据报的前部增加了地址信息字段，网络中的各个中间结点根据地址信息和确定的路由规则，选择输出端口，暂存和排队数据报，并在传输介质空闲时，发往介质乃至最终结点。当一对站点之间需要传输多个数据报时，因每个数据报均被独立传输与路由，因此在网络中可能会走不同路径，产生不同时间延迟，按序发送的多个数据报以不同的顺序达到终点。因此结点必须具有存储和重新排序的能力。如图2-31所示，站点A要向站点D发送一个报文，报文在交换结点1被分割成4个数据报，它们分别经过不同的路径到达站点D，数据报1的传送路径是1-6-3-4，数据报2的传送路径是1-2-3-4，数据报3的传送路径是1-6-5-4，数据报4传送的路径是1-2-5-4。由于4个数据报所经路径不同，从而导致它们到达时乱了顺序（2、1、4、3）。所以接收端必须要对已收到的、属于同一报文的数据报重新排序，恢复报文原来顺序。

图2-31 数据报交换的传输过程

数据报交换方式的特征：由于用户DTE之间的通信没有呼叫建立和释放阶段，适宜短报文通信。该交换方式对网络故障的自适应能力强，但路由选择复杂，分组传输时延较大，且各不相同。数据报基本处理过程如图2-32所示。

（3）分组交换的特征

●分组交换具有差错控制功能，每个分组在网络内传输时可以分段（在节点之间）独立地进行差错流量控制，而不是全程（终端与终端间）进行差错控制，因而网络内全程误码率可达到10^-10以下。

图2-32 数据报基本处理过程

●分组交换对线路动态复用，传输效率高。由于提供线路的分组采用时分多路复用，包括用户线和中继线等信道都可实现多个用户的分组同时在信道上传送，实现多路复用。另外由于是动态复用，即有用户数据传输时才发送分组，占用一定的信道资源，无用户数据传输时则不占用信道资源。这样，一条传输线路上可同时有多个用户终端通信，实现信道资源共享，提高信道的利用率。

●可在不同终端之间通信。由于分组交换采用存储—转发方式且具有统一的标准接口，因此，在分组交换网中，能够实现通信速率、编码方式、同步方式及传输规程不同的终端之间的通信。

●提供可靠的服务质量（QoS）。分组交换网提供的虚电路服务，具有近似无差错的传输质量。分组交换网内具有路由选择、拥塞控制等功能，当网络线路或设备产生故障后，网络内可自动为分组选择迂回路由进行传送，以保证提供可靠的服务质量。

●经济性好。由于采用动态多路复用，线路的利用率高，可相对降低用户的通信费用。另一方面，分组交换可准确计算用户通信量，这样就可根据通信量计费，而与通信距离无关。

●为用户提供补充业务。分组交换网除提供交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）基本业务外，还提供一系列用户可选补充业务，如闭合用户群、反向计费、快速选择等业务。

●分组交换的主要缺点。分组传送时延不固定，平均时延较长，可达数百毫秒；而且每个分组附加的头部都需交换机处理，增加开销，因此分组交换不适宜传送实时性要求较高的数据，如语音、图像等。分组交换主要适用于数据量较小、实时性要求不高的及突发性或断续性的数据传送。

3.分组交换网

公用分组交换网的网络结构，根据网络规模可采用二级或三级结构。我国公用分组网（CHINAPAC）采用三级结构，即国家骨干网、省内网和本地网三级。国家骨干网由设置在直辖市、省会和自治区首府的骨干结点组成，省内网由设置在省内各城市的省内结点组成，本地网可根据需要建立，由城市或地区的本地结点组成。(www.xing528.com)

（1）分组交换网构成

以二级结构为例，公用分组交换网的组成如图2-33所示。

图2-33 分组交换网的构成

分组交换网主要由分组交换结点机，网络管理中心（NMC），高速、中速传输线路，分组装拆设备（PAD），分组终端等设备构成。分组交换机的功能主要是将用户的业务接入分组网。分组装拆设备将低速的字符终端接入分组网。分组终端是遵从X.25协议的终端，或PC及主机。

（2）分组交换网各部分功能

●分组交换机。分组数据网枢纽，根据分组交换机在网络中所处地位，可分为中转（汇接）交换机和本地交换机。前者通信容量大，每秒处理分组数多，所有线路端口都是用于交换机之间互连的中继端口，因此该机的路由选择功能强，能支持线路速率高；后者通信容量小，每秒能处理的分组数少，绝大部分线路端口为用户端口，主要接至用户数据终端，只允许一个或几个线路端口作为中继端口接至中转交换机，并具有本地交换功能，所以无路由选择功能或仅有简单路由选择功能。将上述两种交换机功能合一，称为本地与汇接合一的分组交换机，既有汇接交换机功能，负责到其他交换机的转接或汇接，又具有用户端口。

●分组装拆设备。分组装拆设备（PAD）的功能主要体现在对各种数据终端设备（DTE）的支持。PAD最主要有两个功能：①规程转换功能。指将非分组终端的简单接口规程与X.25协议相互转换。非分组终端的字符通过PAD组装成分组以便发至交换机；同时从交换机来的分组通过PAD拆卸成字符，以便非分组终端的接收。②数据集中功能。在PAD中，将各终端的字符数据流组成分组后，在PAD至交换机具有X.25协议接口的中、高速线路上交织复用，以便于有效利用线路并扩充非分组终端接入的端口数。

●分组终端。具有X.25协议接口的分组终端是能接入分组交换数据网的数据通信终端设备。分组终端负责数据的输入输出，同时还具有传输顺序控制、差错控制以及调制解调器的接口控制等功能。

4.分组交换网的业务

1）闭合用户群在合同期内，允许多个用户组成一个群，群内用户可以互相通信，组成自己的专用网，但不能与群外用户通信。

2）快速选择。如用户需要传输数据量小于128B，则可在建立及释放虚电路时，将用户数据附上，从而省去通信过程，提高通信速度。

3）反向计费。即对方付费业务。

4）限制呼入/呼出。在合同期内，用户可在某段时间内不接受呼叫，也不能呼出。

5）呼叫转移。在合同期内，当用户忙或出现故障时，交换机自动将呼叫转移到用户预约的号码上。

5.宽带交换

随着数据通信高速发展，其应用范围也越来越宽广，现有交换技术已远远不能满足需求。例如，声频、视频、数字、图像等多媒体的传输要求高速、宽带的数据通信网。过去因网络传输线路质量不高，传输误码率较高，数据通信协议要使用一系列技术手段保证传输可靠性，这些技术都需网络设备进行复杂的协议处理，从而限制了网络吞吐量的提高。正是这些需求促进了宽带交换技术的发展，并产生了新的数据通信技术。宽带交换只需进行很少的误码处理，具有极高的吞吐量和高效处理突发事件的能力。

6.快速分组交换技术

快速分组交换并非一种数据传送机制，而是一个总概念。在实现技术上，主要有两大类：帧中继（Frame Relay）和信元中继（Cell Relay）。

帧中继所采用的技术与分组交换技术十分类似，但帧中继网络中，只有检错机制，而无重发纠错机制。发生错误后的操作就是丢弃出错的帧。由此网络处理大大减轻，但这要求终端设备保证数据的完整性。帧中继机制将数据以不同长度的帧的格式转发，以统计复用的方式复用到传输线路上，非常适合于广域网的高速数据应用。

信元中继方式以分组交换原理，将数据分成若干信元在线路上传输。信元的长度固定为53B，因此，信元通过网络传输的时延能够预测。异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）是信元中继的传输和交换技术。

7.三种数据交换技术的比较

1）电路交换。在数据传输之前必须设置一条完全的通路。在电路释放之前，该通路由一对用户完全占用。该交换技术有两大优点：第一是传输延迟小，唯一的延迟是物理信号的传播延迟，这得益于一旦建立物理连接，便不再需要交换开销；第二是一旦电路建立，便不会发生冲突，因为它独享物理线路。但电路交换技术的缺点是效率不高。

2）报文交换。报文交换是包交换技术。电报系统使用的就是报文交换技术。报文交换不事先建立物理电路，报文从源点传送到目的地采用存储—转发的方式，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线路将数据转发给下一个交换设备，如此循环往复直至将数据发送到目的结点。报文也需要排队（产生延迟），因此，报文交换不适用于交互式的通信，不能满足实时通信的要求。为此又引入了分组交换技术。

3）分组交换。分组交换技术是报文交换技术的改进，交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，数据被划分成一个个分组，且分组大小有严格的上限规定。这使得分组可被缓存在交换设备的内存而非磁盘中。同时由于分组交换网能够保证任何用户都不能长时间独占某传输线路，因而它非常适合于交互式通信。

图2-34是电路交换、报文交换和分组交换三种技术的原理示意。

图2-34 电路交换、报文交换和分组交换技术原理

a）电路交换 b）报文交换 c）分组交换

在具有多个分组的报文中，中间交换机在接收第二个分组之前，就可转发已经接收到的第一个分组，即各个分组可同时在各个结点对之间传送，这样可减少传输延迟，提高网络吞吐量。这是分组交换比报文交换优越的地方。

分组交换除吞吐量较高外，还提供一定程度的差错检测和代码转换能力。因此，计算机网络常使用分组交换技术，偶尔才使用电路交换技术。

分组交换的拥塞、报文分片和重组等问题的不同处理方法，导致分组交换的不同实现。

电路交换和分组交换技术有许多不同。关键是电路交换中信道带宽是静态分配，而分组交换中信道带宽是动态分配与释放的。在电路交换中已分配的信道带宽未使用时都被浪费，而分组交换中，这些未使用的信道带宽可被其他分组利用，因为信道不是为某对结点所专用，从而使信道利用率提高。但正因为信道非专用，突发的输入数据可能会耗尽交换设备的存储空间，造成分组丢失。另一不同之处是电路交换完全透明，发送方和接收方可使用任何速率（物理线路支持范围内）、任意帧格式进行数据通信。在分组交换中，发送方和接收方必须按一定的数据速率和帧格式进行通信。在电路交换中，通信费用取决于通话时间和距离，而与通话量无关，原因是电路交换通信双方是独占信道带宽的。而在分组交换中通信费用主要按流量计算，互联网电话是使用分组交换技术的新型电话，话费远低于传统电话，原因就在于此。