在通信过程中,通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制实现数据交互的通信方式,被称为分组交换(PS:packet switching)。

1.分组交换原理

挂在分组交换网上的终端有两类:分组型终端和一般终端。所谓分组型终端是以分组的形式发送和接收信息;一般终端它发送和接收的信息是报文,需经分组装拆设备处理后才能接入分组交换网。若发送终端是一般终端,要由PAD将其发送的报文拆成若干个分组再送往分组交换网上传输;若接收终端是一般终端,要由PAD将属于一份报文的若干个分组重新组装成报文再送给一般终端。
分组交换的基本原理是采用“存储——转发”技术,从源站发送报文时,将报文划分成有固定格式的分组(Packet),把目的地址添加在分组中,然后网络中的交换机将源站的分组接收后暂时存储在存储器中,再根据提供的目的地址,不断通过网络中的其它交换机选择空闲的路径转发,最后送到目的地址。这样就解决了不同类型用户之间的通信,并且不需要像电路交换那样在传输过程中长时间建立一条物理通路,而可以在同一条线路上以分组为单位进行多路复用,所以大大提高了线路的利用率。
分组交换是把电路交换和报文交换的优点结合起来产生的一种交换技术。电路交换过程类似于打电话,当用户需发送数据时,主叫方需通过呼叫,由交换网完成被叫才与它建立一条物理连接数据通路,需拆除连接时,由通信双方中任一方完成。它的特点是适合发送一次性大批量的信息。由于建立连接时间长,传递短报文时,效率较低。并且对通信双方在信息传输速率、编码格式、通信协议等方面完全兼容,这就限制了不同速率、不同编码格式、不同通信协议的双方用户进行通信。报文交换的基本原理是采用“存储-转发”技术,从源站发送报文时,把目的地址添加在报文中,然后网络中的交换机将源站的报文接收后暂时存储在存储器中,再根据提供的目的地址,不断通过网络中的其它交换机选择空闲的路径转发,最后送到目的地址。这样就解决了不同类型用户之间的通信,并且不需要像电路交换那样在传输过程中长时间建立一条物理通路,而可以在同一条线路上以报文为单位进行多路复用,所以大大提高了线路的利用率。但此种方式时延较长,时延变化大,不适用于实时及会话式通信,但适用于电子邮件、计算机文件、公用电报等业务。
分组交换仍采用“存储-转发”技术,但不像报文交换那样以报文为单位进行交换,而是将报文划分成有固定格式的分组(Packet)进行交换、传输,一般为1kbit~数千位,每个分组按一定格式附加源与目的地址,分组编号、分组起始、结束标志、差错校验等信息,以分组形式在网络中传输。当源DTE将分组以比特串形式传送至本地分组交换机PSE后,本地PSE收到每个分组要求的转发信息,不管是否接通目的地址设备,都先存储起来,然后检查目的地址,在PSE保存的路由表中找到该目的地址规定的发送通路,PSE即按允许的最大发送速率转发该分组。同样,每个中转PSE均按此方式存储、转发每个分组,直到将分组送到目的地pSE,再由该PSE送达目的地址DTE(见图8-7)。按上述方式传送的是分组交换中的数据报方式。一般适用于较短的单个分组的报文。其优点是传输可靠性高、传输延时小,由于PSE上的存储器容量减小,所以提高了经济性,缺点是每个分组附加的控制信息多,增加了传输信息的长度和处理时间,增大了额外开销。
分组交换的另一种方式叫虚电路方式,它与数据报方式的区别主要是在信息交换之前,由源DTE向本地PSE发送一特定呼叫请求的分组,其中含有目的DTE的地址及逻辑信道识别符,并由PSE中转转发。若呼叫被目的DTE接受,则相应的响应“呼叫接受”予以应答,网络即发出一个“呼叫连通”给源DTE,此时呼叫建立,在两台DTE之间建立一条称作虚电路的逻辑通路,信息就能在这条虚电路上传输,直到数据交换结束,虚电路被拆除,相应的逻辑信道识别符被释放。所以虚电路方式在每次通信时都有虚电路建立、数据传输和拆除三个阶段,类似于电路交换方式,但在网络中的传输是分组交换方式。这种方式对信息传输频率高、每次传输量小的用户不太适用,但由于每个分组头只需标出虚电路标识符和序号,所以分组头开销小,适用长报文传送。

分组交换原理

2.分组交换分类

按照实现方式,分组交换可以分为数据报分组交换和虚电路分组交换。
数据报分组交换
数据包分组交换要求通信双方之间至少存在一条数据传输通路。发送者需要在通信之前将所要传输的数据包准备好,数据包都包含有发送者和接收者的地址信息。数据包的传输彼此独立,互不影响,可以按照不同的路由机制到达目的地,并重新组合。
在这种方式中,每个分组按一定格式附加源与目的地址、分组编号、分组起始、结束标志、差错校验等信息,以分组形式在网络中传输。网络只是尽力地将分组交付给目的主机,但不保证所传送的分组不丢失,也不保证分组能够按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是不可靠的,也不保证服务质量。如图9-2(a)所示,主机H1向H5发送的分组,有的经过节点A-B-E,有的经过A-C-E或A-B-C-E,主机H2向H6发送的分组,有的经过节点B-D-E,有的经过B-E。数据报方式一般适用于较短的单个分组的报文。其优点是传输延时小,当某节点发生故障时不会影响后续分组的传输。缺点是每个分组附加的控制信息多,增加了传输信息的长度和处理时间,增大了额外开销。
虚电路分组交换
它与数据报方式的区别主要是在信息交换之前,需要在发送端和接收端之间先建立一个逻辑连接,然后才开始传送分组,所有分组沿相同的路径进行交换转发,通信结束后再拆除该逻辑连接。网络保证所传送的分组按发送的顺序到达接收端。所以网络提供的服务是可靠的,也保证服务质量。如图9-2(b)所示,主机H1向H5发送的所有分组都经过相同的节点A-B-E,主机H2向H6发送的所有分组也都经过相同的节点B-E。
这种方式对信息传输频率高、每次传输量小的用户不太适用,但由于每个分组头只需标出虚电路标识符和序号,所以分组头开销小,适用长报文传送。
虚电路分组交换像电路交换一样,通信双方需要建立连接,只是与电路交换不同,分组交换的连接是虚拟连接(又称为虚电路),连接中不存在一个独占的物理线路。根据虚拟连接的实现方式,可以把虚电路分为交换虚电路和永久虚电路。
交换虚电路是需要通信双方通过请求建立一个临时连接,然后进行通信,当通信结束之后,该临时连接就被拆除。
永久虚电路是通信双方无需请求,只需要按照双方约定建立一个连接,并在约定时间内一直保持。
由此可得,面向连接工作方式和无连接工作方式的特点。
(1)面向连接工作方式的特点
不管是面向物理的连接还是面向逻辑的连接,其通信过程可分为三个阶段:连接建立、传送信息、连接拆除。
一旦连接建立,该通信的所有信息均沿着这个链接路径传送,且保证信息的有序性(发送信息顺序与接收信息顺序一致)。
信息传送的时延比无连接工作方式的时延小。
一旦建立的连接出现故障,信息传送就要中断,必须重新建立连接,因此对故障敏感。
(2)无连接工作方式的特点
没有连接建立过程,一边选路、一遍传送信息。
属于同一通信的信息沿不同路径到达目的地,该路径事先无法预知,无法保证信息的有序性(发送信息顺序与接收信息顺序不一致)。
信息传送的时延比面向连接工作方式的时延大。
对网络故障不敏感。

分组交换分类

3.分组交换特点

(1)信息传送的最小单位是分组
分组由组头和用户信息组成,分组头含有选路和控制信息。
(2)面向连接(逻辑连接)和无连接两种工作方式
虚电路采用面向连接的工作方式,数据报是无连接工作方式
(3)统计时分复用(动态分配带宽)
统计时分复用的基本原理是把时间划分为不等长的时间片,长短不同的时间片就是传送不同长度分组所需的时间,对每路通信没有固定分配时间片,而是按需使用。这就意味着使用这条复用线传送分组时间的长短,由此可见统计时分复用是动态分配带宽的。
(4)信息传送为有差错控制
分组交换是专门为数据通信网设计的交换方式,数据业务的特点是可靠性要求高,对实时性要求没有电话通信高,因而在分组交换中为保证数据信息的可靠性,设有CRC校验、重发等差错控制机制,以满足数据业务特性的需求。
(5)信息传送不具有透明性
分组交换对所传送的数据信息要进行处理,如拆分、重组信息等。
(6) 基于呼叫延迟制的流量控制
在分组交换中,当数据流量较大时,分组排队等待处理,而不像电路交换那样立即呼损掉,因此其流量控制基于呼叫延迟。

分组交换特点

4.分组交换的优缺点

优点:
1利用率高
较之电路交换对链路的独占性而言,不同的数据分组可以在同一条链路上以动态共享和复用方式进行传输,通信资源利用率高,从而使得信道的容量和吞吐量有了很大的提升。因为结点到结点的单个链路可以由很多分组动态共享。分组被排队,并被尽可能快速地在链路上传输。
2数据率
一个分组交换网络可以实行数据率的转换:两个不同数据率的站之间能够交换分组,因为每一个站以它的自己的数据率连接到这个结点上。
3排队机制
在同一个链路上可以同时传输不同类型和规格的数据,当分组网络上有大量的分组时,可以根据设定数据传输的排队机制,保证优先级高的分组优先传输。当电路交换网络上负载很大时,一些呼叫就被阻塞了。在分组交换网络上,分组仍然被接受,只是其交付时延会增加。
4优先级
在使用优先级时,如果一个结点有大量的分组在排队等待传送,它可以先传送高优先级的分组。这些分组因此将比低优先级的分组经历更少的时延。
缺点:
1时延
一个分组通过一个分组交换网结点时会产生时延,而在电路交换网中则不存在这种时延。
2时延抖动
因为一个给定的源站和目的站之间的各分组可能具有不同的长度,可以走不同的路径,也可以在沿途的交换机中经历不同的时延,所以分组的总时延就可能变化很大。这种现象被称为抖动。抖动对一些应用来讲是不希望有的(例如:电话话音和实时图像等实时应用中)。
3开销大
要将分组通过网络传送,包括目的地址在内的额外开销信息和分组排序信息必须加在每一个分组里。这些信息降低了可用来运输用户数据的通信容量。在电路交换中,一旦电路建立,这些开销就不再需要。另外,分组交换网络是一个分布的分组交换结点的集合,在理想情况下,所有的分组交换结点应该总是了解整个网络的状态。但是,不幸的是,因为结点是分布的,在网络一部分状态的改变与网络其他部分得知这个改变之间总是有一个时延。此外,传递状态信息需要一定的费用,因此一个分组交换网络从来不会“完全理想地”运行。

分组交换的优缺点