5.2.4 分组交换网

分组交换网（Packet Switching Network）是数据通信的基础网。分组交换也称包交换，它将用户传送的报文划分成一定长度的数据段，并称为分组，在每个数据段的前面加上一个分组头，用来说明该分组的源地址和目的地址，然后由网络交换机把它们转发至目的地，这个过程称为分组交换。

分组交换采用存储-转发方式，先把整个分组存储起来，登记排队，一旦网络出现空闲，立即发送，所以称为无连接传输。分组交换比电路交换的信道利用率高，比报文交换的时延要小。

分组交换网的突出优点是可以在一条电路上同时开放多条虚电路，为多个用户同时使用，网络具有动态路由功能和先进的误码纠错功能。

其中，虚电路又称逻辑虚电路，是由分组交换网采用时分复用技术而获得的面向连接的信道复用通信服务。在两个节点或应用进程之间建立起一个逻辑上的连接（称之为虚电路）后，就可以在两个节点之间依次发送每一个分组，接收端收到分组的顺序必然与发送端的发送顺序一致，因此接收端无须负责在收集分组后重新进行排序。

分组交换网的主要优点是：网络带宽利用率高；提供定性的QoS服务；时分信道复用功能；具有动态路由功能和先进的误码纠错功能；可以实施不同速率、码型、规程转换，允许不同类型、不同速率、不同编码格式和不同通信规程的终端之间互相通信，实现数据库资源共享。

分组交换网的主要缺点是：网络延时和延时抖动较大，网络性能有不确定性。

常用分组交换网有：FR、ATM、IP互联网、WLAN、WiIMAX。

1.FR（Frame Relay，帧中继通信网）

FR是一种用于连接计算机系统的面向连接的分组通信方法，用户信息流以帧为单位在网络内传送，通过“虚电路”将帧传送到目的地。用户与网络接口之间以虚电路进行连接，对用户信息流进行统计时分信道复用，提高了网络资源的利用率。帧中继还可以灵活提供带宽，即按需要分配带宽；具有较高的吞吐量和较低延时，可靠性高且灵活性强。

（1）FR（帧中继通信网）使用光缆作为传输介质，因此误码率极低，能实现近似无差错传输，减少了进行差错校验的开销，提高了网络的吞吐量，它的数据传输速率之高和传输时延之低比X.25网络要分别高或低至少一个数量级。

（2）帧中继是一种宽带分组交换，使用异步统计时分信道复用技术，其传输速率可高达44.6Mbit/s。同一条物理链路层可以承载多条逻辑虚电路，而且网络可以根据实际流量动态调配虚电路的可用带宽，帧中继的每一个帧沿着各自的虚电路在网络内传送。

（3）仅提供面向连接的虚电路服务。主要用于数据传输，而不适合语音、视频或其他对时延敏感的信息传输。

（4）仅能检测到传输错误，而不能纠正错误，只是简单地将错误帧丢弃。

（5）帧长度可变，允许最大帧长度在1600B以上。

2.ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输网）

ATM是综合了电路交换的简单性、实时性和分组交换的灵活性而形成的一种高速分组交换技术；它集数据交换、信道复用、传输为一体，采用异步时分复用信道方式。

ATM是以传送信元为基础的分组交换和信道复用技术，采用面向连接的传输方式，将数据分割成固定长度的信元，通过信元的首部或标头来区分不同信道，通过虚连接进行交换。具有高速数据传输率和支持多种类型（如声音、视频、数据和图像）的通信，适用于局域网和广域网，是实现B-ISDN（宽带综合业务数字网）的核心技术之一。

信元是ATM的传送单元，它不同于普通网络传输的帧或者包，因为帧和包是变长的，而ATM的信元是定长的，长度只有53个字节，其中5个字节是信元头，48个字节是信息段，用来承载用户要分发的信息。信元头包含各种控制信息、CRC校验码。

ATM提供任意节点间的连接和能够进行同时传送。来自网络不同节点的信息经多路信道复用成为一条信元流。

在ATM网络中引入了两个重要概念：VP（虚通道）和VC（虚电路），它们用来描述ATM信元单向传输的路由。一条物理链路可以复用多条虚通道，每条虚通道又可以复用多条虚电路，并用相应的标识符来标识，即VPI和VCI。VPI和VCI独立编号，VPI和VCI一起才能唯一地标识一条虚通路。一个单独的VPI和VCI是没有意义的，只有进行链接之后，形成一个VP链和VC链，才形成一个有意义的链接。

ATM网络由相互连接的ATM交换机构成，有交换机与终端和交换机与交换机之间的两种连接。因此交换机支持两类接口：UNI（通用网络接口）和网络节点间的NNI（网络内部接口）。ATM信元有两种不同的信元头对应两类接口。

ATM的接入带宽已达到2～155Mbit/s，因此适合高带宽、低延时或高数据突发等应用。

ATM的主要优点：高带宽、有QoS保证的服务质量和可扩展的、能提供所有速度与应用的拓扑结构。

ATM协议能为所有的传输类型提供同构网络，不论是支持传统的电话、娱乐电视，还是支持LAN、MAN和WAN上的计算机网络传输，都使用同一协议。在设计上，ATM协议能处理等时数据，如视频、音频及计算机之间的其他数据通信。

ATM协议在带宽上被设计成可扩展的，并能支持实时多媒体应用。标准正好能执行1级光学载体OC-1（51.84Mbit/s）到48级光学载体OC-48（2.488Gbit/s）的传输速率。

3.IP互联网

采用IP（Internet Protocol）互联网协议的传输网络简称IP互联网。IP协议给每个数据包写上发送主机的地址（源地址）和接收主机的地址（目的地址），具有源地址和目的地址和其他相关信息的数据包就可以在物理网上传送了。

IP互联网是面向无连接分组传输网络，采用存储/转发、支持多播；网络带宽、延时、抖动延时和丢包率等会受网络负载影响；动态路由可能会使包次序颠倒。

IP互联网可以为公众客户提供最高100Mbit/s带宽，可为政企客户提供最高1000Mbit/s带宽，IP网络的中继线带宽可达100Gbit/s，正在大力向光纤互联网方向发展。

（1）IP互联网的特性。在IP互联网上承载实时多媒体业务时，对IP技术来说是一大挑战，因为IP互联网承载实时传输业务时有两大缺陷：首先，IP技术本身是面向无连接技术，IP互联网提供的是“尽力而为”的传输，网络本身是不保证传输可靠性的；其次，在TCP/IP体系中的TCP或UDP虽然可以提供一定的容错和纠错功能，但对于传输实时多媒体业务来说，TCP（传输控制协议）的重传机制就显得苍白无力了，因为重传引入的延时对于实时多媒体业务来说是不能忍受的，而UDP（用户数据报协议）本身是不可靠的。因此必须找到一个能够解决多媒体在因特网上传输问题的途径。于是就引出了QoS服务质量问题。

（2）QoS（服务质量）。QoS（Quality of Service）是服务质量的简称，是指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的技术，是网络的一种安全机制。

在正常情况下，如果网络只用于无时间延迟限制的应用系统，并不需要QoS，比如E-mail设置，但是当网络发生拥塞时，所有的数据流都有可能被丢弃。为满足用户对不同应用的服务质量要求，就需要网络能根据用户要求分配和调度网络资源，对不同的数据流提供不同的服务质量，对实时性强且重要的数据报文优先处理，对于实时性不强的普通数据报文，提供较低的处理优先级，网络拥塞时甚至会丢弃数据包，于是QoS应运而生。

对于网络业务来说，能够有效地分配网络带宽，更加合理地利用网络资源。因此QoS（服务质量）包括传输带宽、传送时延、数据丢包率和时延抖动等。

对于支持QoS功能的设备来说，应能针对某种类别的数据流，标识它的相对重要性，可以为它赋予某个级别的传输优先级，并使用设备所提供的各种优先级转发策略、拥塞避免机制等为这些数据流提供特殊的传输服务。

简单来说，QoS可以让路由器自动判断各个网络设备执行任务所需的网络带宽并进行自动分配，保障重要的网络行为数据优先转发，让每个上网用户都能流畅上网，更加合理地利用网络资源。

1）QoS的定义：ITU-T将QoS定义为：QoS是一个综合指标，用来衡量一个服务的满意程度。QoS允许用户在丢包、延迟、抖动和带宽等方面获得可预期的服务水平。

2）QoS的功能：当网络发生拥塞时，所有的数据流都有可能被丢弃。为满足用户对不同应用不同服务质量的要求，就需要网络能根据用户的要求分配和调度资源，对不同的数据流提供不同的服务质量：对实时性强且重要的数据报文优先处理；对于实时性不强的普通数据报文，提供较低的处理优先级，甚至丢弃。

QoS是指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟、拥塞控制、资源预留、流量控制、差错控制等问题的一种技术。

QoS尽力避免网络拥塞，在不能避免拥塞时对带宽进行有效管理，降低报文丢包率，调控IP网络流量，为特定用户或特定业务提供专用带宽，支撑网络上的实时业务。QoS不能创造带宽，只能是让带宽的分配更加合理。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。

3）QoS的服务模型。网络通信都是由各种应用数据流组成的，这些数据流对网络服务和性能的要求各不相同，比如FTP（文件传输协议）下载业务希望能获取尽量多的带宽，而VoIP语音业务则希望能保证尽量少的延迟和抖动等。但是所有这些应用的特殊要求又取决于网络所能提供的QoS能力，根据网络对应用的控制能力的不同，可以把网络的QoS能力分为以下三种模型：

①Best-Effort（尽力而为）服务模型：Best-Effort（尽力而为）是单一服务模型，也是最简单的服务模型。网络尽最大的可能性来发送报文。但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。

Best-Effort服务模型是网络的缺省服务模型，通过FIFO（First in First out）先入先出队列来实现。它适用于绝大多数网络应用，如FTP、E-Mail等。

尽力而为的服务实质上并不属于QoS的范畴，因为在尽力而为的通信中，并没有提供任何服务或转发保证。

②Int-Serv（综合型）服务模型：Int-Serv是用硬件方式来实现的QoS，是固化在设备里面的一些应用程序。它的实现主要依赖于一个重要的协议：RSVP资源预留协议，RSVP运行在从源端到目的端的每个设备上，以防止其消耗资源过多。

综合服务型中，网络节点在发送报文前，需要向网络申请资源（网络带宽）预留，确保网络能够满足数据流的特定服务要求。

综合服务型QoS可以提供保证型服务和负载控制型服务两种服务：

·保证型服务（Guaranteed Service）提供保证的带宽和时延限制来满足应用程序的要求。如VoIP（IP网络电话）应用可以预留10Mbit/s带宽和要求不超过1s的时延。

·负载控制型服务（Controlled-Load Service）保证即使在网络过载的情况下，仍能对报文提供类似Best-Effort模型在未过载时的服务质量，即在网络拥塞的情况下，保证某些应用程序报文的低时延和低丢包率需求。

但是，综合服务型对设备的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，设备的存储和处理能力会遇到很大的压力。综合服务模型的可扩展性差，因此，不适于在流量汇集的骨干网上大量应用。

③Diff-Serv（区分型）服务模型：Diff-Serv是一种多服务模型，它可以满足不同的服务需求，对不同业务的数据流进行分类，并对报文按类进行优先级标记，然后提供有差别的服务，可以对各种不同类的数据流进行控制。这个控制是通过一个控制表（策略表）来实现的。

QoS区分型服务一般用来为一些重要的应用提供端到端的QoS服务质量，通过数据分类、流量标记、流量调节、拥塞管理和拥塞避免技术来实现。

与综合型服务不同，区分型服务不需要通知网络为每个业务预留资源。区分型服务实现简单，扩展性较好。表5-2是各种应用的QoS需求。