2.1.7　分组交换网

分组交换协议是在20世纪70年代设计的。为了理解设计背后的动机，我们需要对旧时代的技术背景有一定的了解。尽管苹果二代计算机在当时已经取得了很大的成功，但PC和工作站却还没有盛行并且也没有获得更多的网络支持。然后，大多数人都使用便宜的“无智能终端”来通过计算机网络访问远程大型机。这些无智能终端具有最小的智能和存储量，它们的屏幕显示完全是由网络另一端的大型机所控制的。为了广泛地支持无智能终端，分组交换网的设计者们决定“将智能放在网络中”。这种设计思路和我们目前的因特网设计相反，因特网的设计思路是将很多复杂的事物处理放在终端。

在20世纪70年代晚期到80年代早期的技术背景中另一个重要的部分是关于物理链路的。在这段时间，几乎所有的有线链路都是嘈杂的、易出错的铜线链路。那时候，光纤链路还处于实验室研究阶段。通过远程铜线连接所出现的比特错误率比现在的光纤链路高很多倍。由于这么高的错误率，在每个中继线的基础上进行有错误检测的分组交换网协议的设计是很有意义的。

分组交换是一种存储转发的交换方式，它将用户的报文划分成一定长度的分组，以分组为存储转发，因此，它比电路交换的利用率高，比报文交换的时延要小，而具有实时通信的能力。分组交换利用统计时分复用原理，将一条数据链路复用成多个逻辑信道，最终构成一条主叫用户、被叫用户之间的信息传送通路，称之为虚电路实现数据的分组传送。

分组交换是为适应计算机通信而发展起来的一种先进通信手段，它以X.25协议为基础，可以满足不同速率，不同型号终端与终端、终端与计算机、计算机与计算机间以及局域网间的通信，实现数据库资源共享。

1．分组交换网的组成

分组交换网由分组交换机、网络管理中心、分组装拆设备、远程集中器、用户终端和传输线路等基本设备组成。

（1）分组交换机

分组交换机实现数据终端与交换机之间的接口协议和交换机之间的信令协议，并以分组方式存储转发，提供分组网服务的支持，与网络管理中心协同完成路由选择、监测、计费、控制等功能。根据分组交换机在网络中的地位，可以把分组交换机分为转接交换机和本地交换机两种。前者交换容量大，线路端口多，具有路由选择功能，主要用于交换机之间的互连；后者通信容量小，只有局部交换功能，不具有路由选择功能或仅仅具有简单的选择路由功能。

（2）网络管理中心（NMC）

为了使全网有效、协调地运行，更好地发挥网络性能，并在部分通信电路和交换机发生故障时依然能正常运行，同时为网络管理者以及用户提供更方便的服务，应在全网设置网络管理中心。

·网络管理中心的功能如下。

·网络配置管理与用户管理，日常运行数据的收集与统计。

·路由选择与拥塞控制，故障告警与网络状态显示。

·根据交换机提供的计费信息完成计费管理。

（3）分组装拆设备（PAD）

分组装拆设备实际上是一个规程转换器或者网络服务器。PAD的作用是将来自非分组终端的字符信息去掉起、止比特后组装成分组，送入分组交换网。在接收端再还原分组信息为字符信息，发送给目的用户终端。

（4）远程集中器

远程集中器可以将远离分组交换机的低速数据终端的数据集中起来，通过一条中、高速电路送往分组交换机，以提高电路利用率。远程集中器含分组装拆设备的功能，可以使得非分组型终端接入分组交换网。

（5）用户终端

用户终端有两种：分组型终端（PT）和非分组型终端（NPT）。PT具有支持X.25协议的接口，能直接接入分组交换网，而NPT须经过分组装拆设备才能进入分组交换网。通过分组交换网络，分组型终端之间，非分组型终端之间，分组型终端与非分组型终端之间都能互相通信。

（6）传输线路

传输线路是包括交换机的中继传输线路和用户线路。

2．分组交换网的特点

相对于电路交换，分组交换提供了更加灵活的网络能力，但同时也要求网络设备和终端设备具备更强的处理能力。

（1）传输质量高

分组交换网具有严格的检错纠错功能。它不仅在节点交换机之间传输分组时采用差错校验与自动请求重发技术，而且对于某些具有拆装分组功能的终端在用户线部分也可以进行差错控制，因而使分组在网内传送中的出错率大大降低，网络的传输质量大大提高。

（2）信息传递安全可靠

分组在分组交换网中传送时的路由选择是动态的，分组交换机通过路由算法选择一个最佳路径。由于一个分组交换机至少与另外两个交换机相连接，当网内某一交换机或中继线发生故障时，分组交换机能自动选择一条避开故障点的迂回路由进行传输，保证通信不中断。

（3）允许不同类型的终端相互通信

分组交换网以X.25协议向用户提供标准接口。由于传送的用户分组采用存储转发的方式，凡不符合X.25协议的数据终端接入时，网络能提供协议转换功能，使不同协议的终端能相互通信。

（4）电路利用率高

分组交换网采用了虚电路技术，即在一条物理线路上能同时提供多条信息通路，实现了线路带宽的动态分配，统计时分复用，因此电路利用率高。

（5）传送信息有一定时延

由于所有要传送的分组信息都要在交换机内排队，在到达与接收终端相连的交换机后还要重组，因此传送信息有一定的时延。

（6）可实现全国漫游

通过申请账号和密码可实现全国漫游。

（7）经济性能好

由于采用与通信距离无关而按信息量与使用时间长短相结合的方式计费，大大降低了通信费用，在异地通信上更显出其优越性。

3．分组交换网的性能

分组交换网主要有以下几个方面的性能指标，即分组传输时延、虚电路建立时间、传输差错率和网络利用率。

（1）分组传输时延

分组传输时延是指从网络源点（发送端）节点收到发送端用户送来的一个完整分组的最后一个比特起，到把这个数据分组送到终点（接收端）节点并准备好向接收端用户送出该数据分组的这段时间。分组传输时延首先取决于节点交换机的处理能力。处理能力用每秒能处理的分组数来表示。传输时延也与从源节点到终点节点的数目、传输距离以及数据信道的带宽和质量等有关。

（2）虚电路建立时间

虚电路建立时间实质上是呼叫请求分组的传输时延与呼叫接受分组的传输时延之和。呼叫请求分组传输时延是指主叫用户所连源点节点收到该呼叫请求分组并准备向被叫转送的一段时间。类似地，呼叫接受分组传输时延是指被叫用户所连节点到被叫用户送来呼叫接收分组最后一个比特起，直到主叫用户所连节点收到并准备好向主叫用户转送的一段时间。

（3）传输差错率

传输差错率是用来衡量数据传输质量的，由于在链路中采用了非常有效的循环冗余校验码（CRC）和差错检测自重发系统，所以分组交换网的传输质量是较高的。

（4）网络利用率

网络利用率是指分组交换网的可利用程度，也是衡量用户对整个网络质量的评价之一。

综上所述，分组交换是为适应数据通信而发展起来的一种通信手段，它可以满足不同速率、不同型号的终端与终端间以及局域网间的通信，实现数据库资源共享。与其他交换方式不同，分组交换是按一定规则，把一整份数据报文分割成若干定长的数据段，并给每一数据段加上收、发终端地址及其他控制信息，然后以分组为单位在网内传播。

4．X.25分组交换网

X.25是一个使用电话或者ISDN设备作为网络硬件设备来架构广域网的ITU-T网络协议。它的物理层、数据链路层和网络层都是按照OSI体系模型来架构的。在国际上，X.25的提供者通常称X.25为分组交换网，如表2-1所示。

表2-1　X.25三层结构

（1）X.25物理层

X.25的物理层定义了数据终端设备——数据通信设备（DTE－DCE），之间的接口特性，为帧级提供一个物理连接，实现比特流的透明传输。

（2）X.25的数据链路层（帧级）

X.25帧级采用了高级数据链路控制规程（HDLC）的帧结构，是HDLC的一个子集——平衡型链路接入规程（LAPB）。LAPB使用异步平衡模式，允许两个复合站中的任何一个建立平衡连接，即双向链路。

（3）X.25的分组层

X.25的分组层提供端到端的连接。用户数据在X.25的分组层（相当于网络层）的数据字段，加上X.25的首部控制信息后，就组装成为X.25分组。

设计者将智能放在X.25网络中的一个方法就是使用虚电路。

在X.25中，虚电路的概念是非常重要的。一条虚电路在穿越分组交换网络的两个地点之间建立一条临时性或永久性的“逻辑”通信信道。使用一条电路可以保证分组是按照顺序抵达的，这是因为它们都按照同一条路径进行传输。它为数据在网络上进行传输提供了可靠的方式。在X.25中有两种类型的虚电路。

1）交换虚电路（SVC）

交换虚电路（SVC）就是两个数据终端要通信时先用呼叫程序建立电路（即虚电路），然后发送数据，通信结束后用拆线程序拆除虚电路。

2）永久虚电路（PVC）

在两个端点结点之间保持一种固定连接。X.25使用呼叫建立分组，从而在两个端点站点之间建立一条通信信道。一旦这个呼叫建立了，在这两个站点之间数据分组就可以传输信息了。注意，由于X.25是一种面向连接的服务，因而分组不需要源地址和目的地址。虚电路为传输分组通过网络到达目的地提供了一条通信路径。然而，对分组授予了一个号码，这个号码可以被连接源地和目的地的信道鉴别。

5．ChinaPAC网络

中国公用分组交换数据网（ChinaPAC）是中国信息产业部经营管理的公用分组交换网。它以X.25协议为基础，可满足不同速率、不同型号终端之间，终端与计算机之间，计算机之间以及局域网之间的通信。ChinaPAC于1993年建成投产。ChinaPAC的开通，大大方便了金融、政府、跨国企业等客户计算机联网，实现了国内数据通信与国际的接轨，提高国内企业的综合竞争力，满足了改革开放对数据通信的需求。

根据业务流量、流向、行政区域管理和运营管理等因素，可将ChinaPAC全网分为3级，即国家骨干网、省级网和本地网。

1）国家骨干网

国家骨干网由设置在各省、自治区和直辖市的32个骨干网节点组成。根据业务的分布、流量、流向等因素，选定北京、上海、沈阳、武汉、成都、西安、广州、南京为骨干汇接节点。骨干汇接节点之间采用完全网状结构相连，其他骨干节点采用不完全网状结构相连。一般情况下，每个骨干节点应至少与两个其他骨干节点、一个骨干汇接节点相连。

国家骨干网节点负责其所属的省级网节点的业务汇接，以及转接骨干节点之间的业务。其中，骨干汇接节点还负责汇接从属于它的各省的骨干节点的业务，骨干网节点一般不直接提供用户接入服务。

另外，设北京、上海为国际出入口局，广州为我国港澳地区出入口局。

国家骨干网采用集中式管理，网管中心设在北京的一个分组交换中心内。

2）省级网

省级网由设置在各省、自治区和直辖市内的省内节点组成，节点的数量和设置地点须根据网络结构和业务组织管理的需要来确定。

在省内，也可以根据需要选定适当的节点作为省内汇接节点，各节点之间采用不完全网状结构，其他节点与省内汇接节点相连，每个省内节点至少与两个其他节点相连，省内节点与骨干网节点之间的电路段一般不超过两个。

省级网节点负责其所属的本地网节点的业务汇接，以及转接省内各节点之间的业务。在没有组建本地网的地方，省级网节点还负责用户的业务接入。

3）本地网

在省内一些发达的城市和地区可以组建本地网。本地网由本地节点组成，负责所在区域的数据用户的业务接入，完成本地交换功能。