第 4章 分组交换技术
第 4章 分组交换技术
4.1 概述
4.2 分组交换原理
4.3 X.25协议
4.4 分组交换机
4.5 帧中继技术
思考题
第 4章 分组交换技术
4.1 概 述
4.1.1 分组交换的产生背景
分组交换 PS(Packet Switching)技术的研究是从 20世纪 60年代开
始的。当时，电路交换技术已经得到了极大的发展。电路交换技
术是最适合于话音通信的，但随着计算机技术的发展，人们越来
越多地希望多个计算机之间能够进行资源共享，即能够进行数据
业务的交换。数据业务不像电话业务那样具有实时性，而是具有
突发性的特点，并要求高度的可靠性。这就要求在计算机之间有
高速、大容量和时延小的通信路径。在计算机之间进行数据通信
时，传统的电路交换技术的缺点越来越明显：固定占用带宽，线
路利用率低，通信的终端双方必须以相同的数据率进行发送和接
收等。所有这些都表明电路交换不适合于进行数据通信。因此，
大约在 20世纪 60年代末,70年代初，人们开始研究一种新形式的、
适合于进行远距离数据通信的技术 —— 分组交换。
第 4章 分组交换技术
分组交换技术是一种存储 — 转发的交换技术，被广泛用于
数据通信和计算机通信中。它结合了电路交换和早期的存储 —
转发交换方式 —— 报文交换的特点，克服了电路交换线路利用
率低的缺点，同时又不像报文交换那样时延非常大。因此，分
组交换技术自从产生后便得到了迅速的发展。
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4.1.2 分组交换的概念
分组交换不像电路交换那样在传输中将整条电路都交给一
个连接，而不管它是否有信息要传送。分组交换的基本思想是：
把用户要传送的信息分成若干个小的数据块，即分组 (packet)，
这些分组长度较短，并具有统一的格式，每个分组有一个分组
头，包含用于控制和选路的有关信息。这些分组以“存储 -转发”
的方式在网内传输，即每个交换节点首先对收到的分组进行暂
时存储，分析该分组头中有关选路的信息，进行路由选择，并
在选择的路由上进行排队，等到有空闲信道时转发给下一个交
换节点或用户终端。
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显然，采用分组交换时，同一个报文的多个分组可以同时
传输，多个用户的信息也可以共享同一物理链路，因此分组交
换可以达到资源共享，并为用户提供可靠、有效的数据服务。
它克服了电路交换中独占线路、线路利用率低的缺点。同时，
由于分组的长度短，格式统一，便于交换机进行处理，因此它
能比传统的“报文交换”有较小的时延。
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4.1.3 分组交换的优缺点
1,分组交换的优点
分组交换的设计初衷是为了进行计算机之间的资源共享，
其设计思路截然不同于电路交换。与电路交换相比，分组交换
的优点可以归纳如下：
(1) 线路利用率较高。分组交换在线路上采用动态统计时分
复用的技术传送各个分组，因此提高了传输介质 (包括用户线和
中继线 )的利用率。每个分组都有控制信息，使终端和交换机之
间的用户线上或者交换机之间的中继线上，均可同时有多个不
同用户终端按需进行资源共享。
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(2) 异种终端通信。由于采用存储 — 转发方式，不需要建立
端到端的物理连接，因此不必像电路交换中那样，通信双方的
终端必须具有同样的速率和控制规程。分组交换中可以实现不
同类型的数据终端设备 (不同的传输速率、不同的代码、不同的
通信控制规程等 )之间的通信。
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(3) 数据传输质量好、可靠性高。每个分组在网络内的中继
线和用户线上传输时，可以逐段独立地进行差错控制和流量控
制，因而网内全程的误码率在 10-11以下，提高了传送质量且可
靠性较高。分组交换网内还具有路由选择、拥塞控制等功能，
当网内线路或设备产生故障后，分组交换网可自动为分组选择
一条迂回路由，避开故障点，不会引起通信中断。
(4) 负荷控制。分组交换网中进行了逐段的流量控制，因此
可以及时发现网络有无过负荷。当网络中的通信量非常大时，
网络将拒绝接受更多的连接请求，以使网络负荷逐渐减轻。
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(5) 经济性好。分组交换网是以分组为单元在交换机内进行
存储和处理的，因而有利于降低网内设备的费用，提高交换机
的处理能力。此外，分组交换方式可准确地计算用户的通信量，
因此通信费用可按通信量和时长相结合的方法计算，而与通信
距离无关。
由于分组交换技术在降低通信成本，提高通信可靠性等方
面取得了巨大成功，因此 20世纪 70年代中期以后的数据通信网
几乎都采用了这一技术。 30多年来，分组交换技术得到了较大
的发展。
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2．分组交换的缺点
上面介绍了分组交换的诸多优点，但任何技术在具有优点
的同时都不可避免地具有一些缺点，分组交换也不例外。它的
这些优点都是有代价的。
(1) 信息传送时延大。由于采用存储 — 转发方式处理分组，
分组在每个节点机内都要经历存储、排队、转发的过程，因此
分组穿过网络的平均时延可达几百毫秒。目前各公用分组交换
网的平均时延一般都在数百毫秒，而且各个分组的时延具有离
散性。
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(2) 用户的信息被分成了多个分组，每个分组附加的分组头
都需要交换机进行分析处理，从而增加了开销，因此，分组交
换适宜于计算机通信等突发性或断续性业务的需求，而不适合
于在实时性要求高、信息量大的环境中应用。
(3) 分组交换技术的协议和控制比较复杂，如我们前面提到
的逐段链路的流量控制，差错控制，还有代码、速率的变换方
法和接口，网络的管理和控制的智能化等。这些复杂的协议使
得分组交换具有很高的可靠性，但是它同时也加重了分组交换
机处理的负担，使分组交换机的分组吞吐能力和中继线速率的
进一步提高受到了限制。
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4.1.4 分组交换面临的问题
从这些优缺点可以看出，分组交换技术对语音 (电话 )通信
和高速数据通信 (2.048 Mb/s以上 )是不适应的，它难以满足对实
时性要求比较高的电话和视频等业务。这是由于分组交换技术
的产生背景是通信网以模拟通信为主的年代，用于传输数据的
信道大多数是频分制的电话信道，这种信道的数据传输速率一
般不大于 9.6 kb/s，误码率为 10-4～ 10-5。这样的误码率不能满
足数据通信的要求，通过进行复杂的控制，一方面实现了信道
的多路复用，同时把误码率提高到小于 10-11的水平，满足了绝
大多数数据通信的要求。
第 4章 分组交换技术
随着分组交换技术的发展，其性能在不断地提高，功能在
不断地完善。分组交换机的分组处理能力由初期的 100个分组每
秒发展到今天的几万个分组每秒，数据分组通过交换机的时延
从几十毫秒缩短到不到 1毫秒，分组交换机之间的中继线速率由
9.6 kb/s提高到 2.048 Mb/s。但是到了 20世纪 90年代，用户对数
据通信网的速率提出了更高的要求，而采用现有分组交换技术
的分组交换系统的能力几乎达到了极限，因此人们又开始研究
新的分组交换技术。
第 4章 分组交换技术
为了进一步提高分组交换网的分组吞吐能力和传输速率，
一方面要提高信道的传输能力，另一方面要发展新的分组交换
技术。光纤通信技术的发展为分组交换技术的发展开辟了新的
道路。光纤通信具有容量大 (高速 )、质量高 (低误码率 )等特点，
光纤的数字传输误码率小于 10-9，光纤数字传输系统能提供 40
Gb/s的速率，通常提供 2 Mb/s和 34 Mb/s信道。在这种通信信道
条件下，分组交换中逐段的差错控制、流量控制就显得没有必
要，因此快速分组交换 FPS(Fast Packet Switching)技术迅速地发
展起来。
第 4章 分组交换技术
快速分组交换可以理解为尽量简化协议，只具有核心的网
络功能，可提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换方式。帧
中继作为快速分组交换 FPS的一种，是在分组交换的基础上发
展起来的，它对其复杂的协议进行了简化，可以更好地适应数
字传输的特点，能够给用户提供高速率、低时延的业务，所以
近年来得到了迅速的发展。
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4.2 分组交换原理
4.2.1 统计时分复用
正如绪论中所介绍的，在数字传输中，为了提高数字通信
线路的利用率，可以采用时分复用的方法。而时分复用有同步
时分复用和统计时分复用两种。分组交换中采用了统计时分复
用的概念，它在给用户分配资源时，不像同步时分那样固定分
配，而是采用动态分配 (即按需分配 )，只有在用户有数据传送
时才给它分配资源，因此线路的利用率较高。
第 4章 分组交换技术
分组交换中，执行统计复用功能的是具有存储能力和处理
能力的专用计算机 —— 信息接口处理机 (IMP)。 IMP要完成对数
据流进行缓冲存储和对信息流进行控制的功能，以解决各用户
争用线路资源时产生的冲突。当用户有数据传送时,IMP给用
户分配线路资源，一旦停发数据，则线路资源另作它用。图 4.1
所示为 3个终端采用统计时分方式共享线路资源的情况。
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图 4.1 统计时分复用
b y 2 1 x a
复
用
器
b a
2 1
y x
终端 A
终端 B
终端 C
空闲
标记
第 4章 分组交换技术
我们来看看具体的工作过程。来自终端的各分组按到达的
顺序在复用器内进行排队，形成队列。复用器按照 FIFO的原则，
从队列中逐个取出分组向线路上发送。当存储器空时，线路资
源也暂时空闲，当队列中又有了新的分组时，又继续进行发送。
图 4.1中，起初 A用户有 a分组要传送,B用户有 1,2分组要传送，
C用户有 x分组要传送，它们按到达顺序进行排队,a,x,1,2，
因此在线路上的传送顺序为,a,x,1,2，然后终端均暂时无
数据传送，则线路空闲。后来，终端 C有 y分组要送，终端 A有 b
分组要送，则线路上又顺序传送 y分组和 b分组。这样，在高速
传输线上，形成了各用户分组的交织传输。输出的数据不是按
固定时间分配，而是根据用户的需要进行的。这些用户数据的
区分不像同步时分复用那样靠位置来区分，而是靠各个用户数
据分组头中的“标记”来区分的。
第 4章 分组交换技术
统计时分复用的优点是可以获得较高的信道利用率。由于
每个终端的数据使用一个自己独有的“标记”，可以把传送的
信道按照需要动态地分配给每个终端用户，因此提高了传送信
道的利用率。这样每个用户的传输速率可以大于平均速率，最
高时可以达到线路的总的传输能力。如线路总的速率为 9.6 kb/s，
3个用户信息在该线路上进行统计时分复用时的平均速率为 3.2
kb/s，而一个用户的传输速率最高时可以达到 9.6 kb/s。
统计时分复用的缺点是会产生附加的随机时延并且有丢失
数据的可能。这是由于用户传送数据的时间是随机的，若多个
用户同时发送数据，则需要进行竞争排队，引起排队时延；若
排队的数据很多，引起缓冲器溢出，则会有部分数据被丢失。
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4.2.2 逻辑信道
在统计时分复用中，虽然没有为各个终端分配固定的时隙，
但通过各个用户的数据信息上所加的标记，仍然可以把各个终
端的数据在线路上严格地区分开来。这样，在一条共享的物理
线路上，实质上形成了逻辑上的多条子信道，各个子信道用相
应的号码表示。图 4.2中在高速的传输线上形成了分别为三个用
户传输信息的逻辑上的子信道。我们把这种形式的子信道称为
逻辑信道，用逻辑信道号 LCN(Logical Channel Number)来标识。
逻辑信道号由逻辑信道群号及群内逻辑信道号组成，二者统称
为逻辑信道号 LCN。在统计复用器 STDM中建立了终端号和逻辑
信道号的对照表，网络通过 LCN就可以识别出是哪个终端发来
的数据，如图 4.2所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.2 逻辑信道的概念示意
终端
终端 1
终端 2
终端 n
…
255
254
201
255
254
201
进程
进程
进程
逻辑信道
线路
计算机
…
…
第 4章 分组交换技术
逻辑信道具有如下特点：
(1) 由于分组交换采用动态统计时分复用方法，因此是在终
端每次呼叫时，根据当时的实际情况分配 LCN的。要说明的是，
同一个终端可以同时通过网络建立多个数据通路，它们之间通
过 LCN来进行区分。对同一个终端而言，每次呼叫可以分配不
同的逻辑信道号，但在同一次呼叫连接中，来自某一个终端的
数据的逻辑信道号应该是相同的。
第 4章 分组交换技术
(2) 逻辑信道号是在用户至交换机或交换机之间的网内中继
线上可以被分配的、代表子信道的一种编号资源。每一条线路
上，逻辑信道号的分配是独立进行的。也就是说，逻辑信道号
并不在全网中有效，而是在每段链路上局部有效，或者说，它
只具有局部意义。网内的节点机要负责出 /入线上逻辑信道号的
转换。
(3) 逻辑信道号是一种客观的存在。逻辑信道总是处于下列
状态中的某一种：“准备好”状态、“呼叫建立”状态、“数
据传输”状态、“呼叫清除”状态。
第 4章 分组交换技术
4.2.3 虚电路和数据报
如前所述，在分组交换网中，来自各个用户的数据被分成
一个个分组，这些分组将沿着各自的逻辑信道，从源点出发，
经过网络达到终点。问题是：分组是如何通过网络的？分组在
通过数据网时有两种方式：虚电路 VC(Virtual Circuit)方式和数
据报 DG(DataGram)方式。两种方式各有其特点，可以适应不同
业务的需求。
第 4章 分组交换技术
1．虚电路方式
两终端用户在相互传送数据之前要通过网络建立一条端到
端的逻辑上的虚连接，称为虚电路。一旦这种虚电路建立以后，
属于同一呼叫的数据均沿着这一虚电路传送。当用户不再发送
和接收数据时，清除该虚电路。在这种方式中，用户的通信需
要经历连接建立、数据传输、连接拆除三个阶段，也就是说，
它是面向连接的方式。
第 4章 分组交换技术
需要强调的是，分组交换中的虚电路和电路交换中建立的电
路不同。不同之处在于：在分组交换中，以统计时分复用的方式
在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，两个用户终端之间
建立的是虚连接；而电路交换中，是以同步时分方式进行复用的，
两用户终端之间建立的是实连接。在电路交换中，多个用户终端
的信息在固定的时间段内向所复用的物理线路上发送信息，若某
个时间段某终端无信息发送，其它终端也不能在分配给该用户终
端的时间段内向线路上发送信息。而虚电路方式则不然，每个终
端发送信息没有固定的时间，它们的分组在节点机内部的相应端
口进行排队，当某终端暂时无信息发送时，线路的全部带宽资源
可以由其它用户共享。换句话说，建立实连接时，不但确定了信
息所走的路径，同时还为信息的传送预留了带宽资源；而在建立
虚电路时，仅仅是确定了信息所走的端到端的路径，但并不一定
要求预留带宽资源。我们之所以称这种连接为虚电路，正是因为
每个连接只有在发送数据时才排队竞争占用带宽资源。
第 4章 分组交换技术
如图 4.3所示，网中已建立起两条虚电路,VC1,A— 1—
2— 3— B,VC2,C— 1— 2— 4— 5— D。所有 A— B的分组均沿着
VC1从 A到达 B，所有 C— D的分组均沿着 VC2从 C到达 D，在 1—
2之间的物理链路上,VC1,VC2共享资源。若 VC1暂时无数据
可送时，网络将保持这种连接，但将所有的传送能力和交换机
的处理能力交给 VC2，此时 VC1并不占用带宽资源。
第 4章 分组交换技术
图 4.3 虚电路示意图
c
b
a
3
2
1
3
2
1
3 2 1
c
b
a
节点机 3 节点机 4
终端 A
终端 C
节点机 1
节点机 2 节点机 5
终端 B
终端 D
V C 1
V C 2
3
2
1
c
b
a
3
2
1
c
b
a
第 4章 分组交换技术
虚电路的特点是：
(1) 虚电路的路由选择仅仅发生在虚电路建立的时候，在以
后的传送过程中，路由不再改变，这可以减少节点不必要的通
信处理。
(2) 由于所有分组遵循同一路由，这些分组将以原有的顺序
到达目的地，终端不需要进行重新排序，因此分组的传输时延
较小。
(3) 一旦建立了虚电路，每个分组头中不再需要有详细的目
的地地址，而只需有逻辑信道号就可以区分每个呼叫的信息，
这可以减少每一分组的额外开销。
第 4章 分组交换技术
(4) 虚电路是由多段逻辑信道构成的，每一个虚电路在它经
过的每段物理链路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级连
构成了端到端的虚电路。
(5) 虚电路的缺点是当网络中线路或者设备发生故障时，可
能导致虚电路中断，必须重新建立连接。
(6) 虚电路的使用场合：虚电路适用于一次建立后长时间传
送数据的场合，其持续时间应显著大于呼叫建立时间，如文件
传送、传真业务等。
第 4章 分组交换技术
虚电路分为两种：交换虚电路 SVC(Switching Virtual Circuit)
和永久虚电路 PVC (Permanent Virtual Circuit)。
交换虚电路 SVC是指在每次呼叫时用户通过发送呼叫请求
分组来临时建立虚电路的方式。如果应用户预约，由网络运营
者为之建立固定的虚电路，就不需要在呼叫时再临时建立虚电
路，而可以直接进入数据传送阶段了，这种方式称之为 PVC。
这种方式一般适用于业务量较大的集团用户。
第 4章 分组交换技术
2．数据报方式
在数据报方式中，交换节点将每一个分组独立地进行处理，
即每一个数据分组中都含有终点地址信息，当分组到达节点后，
节点根据分组中包含的终点地址为每一个分组独立地寻找路由，
因此同一用户的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，在网
络的终点需要重新排队，组合成原来的用户数据信息。
如图 4.4所示，终端 A有三个分组 a,b,c要送给 B，在网络
中，分组 a通过节点 2进行转接到达 3,b通过 1— 3之间的直达路
由到达 3,c通过节点 4进行转接到达 3。由于每条路由上的业务
情况 (如负荷量、时延等 )不尽相同，三个分组的到达不一定按
照顺序，因此在节点 3要将它们重新排序，再送给 B。
第 4章 分组交换技术
图 4.4 数据报方式示意图
c b a
节点机 1
节点机 2
节点机 4
c
b
a
节点机 3
c b a
终端 A
终端 B
第 4章 分组交换技术
数据报的特点是：
(1) 用户的通信不需要有建立连接和清除连接的过程，可以
直接传送每个分组，因此对于短报文通信效率比较高；
(2) 每个节点可以自由地选路，可以避开网中的拥塞部分，
因此网络的健壮性较好。对于分组的传送比虚电路更为可靠，
如果一个节点出现故障，分组可以通过其它路由传送。
(3) 数据报方式的缺点是：分组的到达不按顺序，在终点各
分组需重新排队；并且每个分组的分组头要包含详细的目的地
址，开销比较大。
(4) 数据报的使用场合：数据报适用于短报文的传送，如询
问 /响应型业务等。
第 4章 分组交换技术
4.3 X.25 协 议
4.3.1 分层结构
X.25建议是数据终端设备 DTE(Digital Terminal Equipment)与
数据电路终接设备 DCE(Data Circuit-terminating Equipment)之间
的接口协议。 1976年,ITU-T首次通过了 X.25协议，并于 1980年、
1984年,1988年多次作了修改。它为利用分组交换网的数据传
输系统在 DTE和 DCE之间交换数据和控制信息规定了一个技术
标准。
X.25协议分为三层：物理层，链路层和分组层，分别和 OSI
的下三层一一对应，如图 4.5所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.5 X.25协议的分层结构
分组层
数据
链路层
?
帧级协议
分组层
数据
链路层
物理层 物理层
物理级协议
物理媒介
X, 2 5
高层协议
与远程 D T E 之 间的
高层协议
分组级协议
D T E D C E
第 4章 分组交换技术
4.3.2 物理层
物理层定义了 DTE和 DCE之间建立、维持、释放物理链路
的过程，包括机械、电气、功能和过程特性，相当于 OSI的物理
层。
X.25的物理层就像是一条输送信息的管道，它不执行重要
的控制功能，控制功能主要由链路层和分组层来完成。
第 4章 分组交换技术
4.3.3 数据链路层
链路层规定了在 DTE和 DCE之间的线路上交换 X.25帧的过
程。链路层规程用来在物理层提供的双向的信息传送管道上实
施信息传输的控制。链路层的主要功能有：
(1) 在 DTE和 DCE之间有效地传输数据；
(2) 确保接收器和发送器之间信息的同步；
(3) 监测和纠正传输中产生的差错；
(4) 识别并向高层协议报告规程性错误；
(5) 向分组层通知链路层的状态。
第 4章 分组交换技术
数据链路层处理的数据结构是帧。 X.25的链路层采用了高
级数据链路控制规程 HDLC(High-Level Data Link Control)的帧
结构，并推荐它的一个子集平衡型链路接入规程 LAPB(Link
Access Procedures Balanced)作为链路层规程。它通过置异步平
衡方式 (SABM)命令要求建立链路。用 LAPB建立链路只需要由
两个站中的任意一个站发送 SABM命令，另一站发送 UA响应即
可以建立双向的链路。
第 4章 分组交换技术
1．帧结构
图 4.6 LAPB的帧结构
F A C I F C S F
帧头 信息字段 帧尾
第 4章 分组交换技术
(1) 标志 F：为帧标志，编码为 01111110。 F为帧的限定符，
所有的帧都应以 F开始和结束。
(2) 地址字段 A：由一个 8比特组组成，表示链路层的地址。
(3) 信息字段 I：为传输用户信息而设置的，用来装载分组层
的数据分组，其长度可变。在 X.25中，长度限额一般为一个分
组长度，即 128字节或 256字节。
(4) 帧校验序列 FCS：包含在每个帧的尾部，长度为 16比特，
用来检测帧的传送过程中是否有错。 FCS采用循环冗余码，可以
用移位寄存器实现。
第 4章 分组交换技术
(5) 控制字段 C：由一个 8比特组组成，主要作用是指示帧的
类型。在 X.25中共定义了三类帧：
① 信息帧 (I帧 )：由帧头、信息字段 I和帧尾组成。 I帧用于
传输高层的信息，即在分组层之间交换的分组，分组包含在 I帧
的信息字段中。 I帧的 C字段的第 1个比特为,0”，这是识别 I帧
的惟一标志，第 2～ 8比特用于提供 I帧的控制信息，其中包括发
送顺序号 N(S)，接收顺序号 N(R)，探寻位 P，这些字段用于链路
层差错控制和流量控制。
第 4章 分组交换技术
② 监控帧 (S帧 )：没有信息字段，其作用是用来保护 I帧的
正确传送。监控帧的标志是 C字段的第 2,1位为,01”。监控帧
有 3种：接收准备好 (RR)，接收未准备好 (RNR)和拒绝帧 (REJ)。
RR用于在没有 I帧发送时向对端发送肯定证实信息； REJ用于
重发请求； RNR用于流量控制，通知对端暂停发送 I帧。
第 4章 分组交换技术
③ 无编号帧 (U帧 )：其作用不是用于实现信息传输的控制，
而是用于实现对链路的建立和断开过程的控制。识别无编号帧
的标志是 C字段的第 2,1位为,11”。无编号帧包括：置异步平
衡方式 (SABM)，断链 (DISC)，已断链方式 (DM)，无编号确认
(UA)，帧拒绝 (FRMR)等。其中,SABM,DISC分别用于建立
链路和断开链路,UA和 DM分别为 SABM,DISC进行肯定和否
定的响应,FRMR表示接收到语法正确但语义不正确的帧，它
将引起链路的复原。
各种帧的作用见表 4.1所示。
第 4章 分组交换技术
表 4.1 X.25数据链路层的帧类型
分 类 名 称 缩写 作 用
信息帧 — I 帧 传输用户数据
接收准备好 RR 向对方表示已经准备好接收下一个 I 帧
接收未准备好 R N R 向对方表示“忙”状态，这意味着暂时不能接收新的 I 帧 监控帧
拒绝帧 R E J 要求对方重发编号从 N (R ) 开始的 I 帧
置异步平衡方式 S A B M 用于在两个方向上建立链路
断链 D IS C 用于通知对方，断开链路的连接
已断链方式 DM 表示本方已与链路处于断开状态，并对 S A B M 做否定应答
无编号确认 UA 对 S A B M 和 D IS C 的肯定 应答
无编
号帧
帧拒绝 F R M R 向对方报告出现了用重发帧的办法不能恢复的差错状态，
将引起链路的复原
第 4章 分组交换技术
2．链路操作过程
数据链路层的操作分为三个阶段：链路建立，帧的传输和
链路断开。
1) 链路建立
DTE通过发送连续的标志 F来表示它能够建立数据链路。
原则上,DTE或 DCE都可以启动数据链路的建立，但一般
是由 DTE在接入时启动的。在开始建立数据链路之前,DCE或
DTE都能够启动链路断开过程，以确保双方处于同一阶段。
DCE还能主动发起 DM响应帧，要求 DTE启动链路建立过程。
第 4章 分组交换技术
图 4.7 链路建立的过程
D T E D C E
S A B M
UA
第 4章 分组交换技术
这里以 DTE发起过程为例来说明链路建立的过程。如图 4.7
所示,DTE通过向 DCE发送置异步平衡方式 SABM命令启动数
据链路建立过程,DCE接收到后，如果认为它能够进入信息传
送阶段，它将向 DTE回送一个 UA响应帧，则数据链路建立成功；
DCE接收到后，如果它认为不能进入信息传送阶段，它将向
DTE回送一个 DM响应帧，则数据链路未建立。
链路建立的过程如图 4.7所示。
第 4章 分组交换技术
2) 帧的传输
当链路建立之后，就进入信息传输阶段，即在 DTE和 DCE
之间交换 I帧和 S帧。 I帧的传输控制是通过帧的顺序编号和确认、
链路层的窗口机制和链路传输计时器等功能来实现的。具体实
现过程不再详细介绍，有兴趣的读者请参阅 X.25的协议。
第 4章 分组交换技术
3) 链路断开过程
链路断开过程是一个双向的过程，可由任意方发起。这里
以 DTE发起为例来说明链路断开的过程。若 DTE要求断开链路，
它向 DCE发送 DISC命令帧，若 DCE原来处于信息传输阶段，
则用 UA响应帧确认，即完成断链过程；若 DCE原来已经处于
断开阶段，则用 DM响应帧确认。
链路断开的过程如图 4.8所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.8 链路断开的过程
D T E D C E
D I S C
UA
第 4章 分组交换技术
4.3.4 分组层
X.25的分组层利用链路层提供的服务在 DTE— DCE接口上
交换分组。它将一条数据链路按统计时分复用的方法划分为许
多个逻辑信道，允许多台计算机或终端同时使用，以充分利用
数据链路的传输能力和交换机资源，实现通信能力和资源的按
需分配。
在分组层，交换机要为用户提供交换虚电路 (SVC)和永久虚
电路 (PVC)，并为每次呼叫提供一个逻辑信道，进行有效的分组
传输，包括顺序编号，分组的确认和流量控制过程等。
第 4章 分组交换技术
1．分组格式
X.25的分组层定义了每一种分组的类型和功能。分组的格
式如图 4.9所示，它由分组头和分组数据两部分组成。
图 4.9 X.25的分组格式
8 7 6 5 4 3 2 1
G F I L C G N
L C N
分组类型识别符
分组数据
分组头
第 4章 分组交换技术
(1) 通用格式识别符 GFI：包含 4 bit，它为分组定义了一组
通用功能。 GFI的格式如图 4.10所示。其中,Q比特用来区分传
输的分组包含的是用户数据还是控制信息,Q=0时为用户数据，
Q=1时为控制信息。 D比特用来区分数据分组的确认方式,D=0
表示数据分组由本地确认 (在 DTE— DCE接口上确认 ),D=1表示
数据分组进行端到端 (DTE— DTE)确认。 SS=01表示按模 8方式
工作,SS=10表示按模 128方式工作。
图 4.10 分组头 GFI的格式
8 7 6 5
Q D S S
第 4章 分组交换技术
(2) 逻辑信道群号 LCGN和逻辑信道号 LCN：共 12 bit，用于
区分 DTE— DCE接口上许多不同的逻辑信道。 X.25分组层规定
一条数据链路上最多可分配 16个逻辑信道群，各群用 LCGN区
分；每群内最多可有 256条逻辑信道，用信道号 LCN区分。除了
第 0号逻辑信道有专门用途外，其余 4095条逻辑信道均可分配给
虚电路使用。
(3) 分组类型识别符：共 8 bit，用来区分各种不同的分组。
X.25的分组层共定义了 4大类 30个分组。分组类型如表 4.2所示。
第 4章 分组交换技术
表 4.2 X.25定义的分组类型
类 型 D T E? D CE D CE? D T E 功 能
呼叫建立分组
呼叫请求
呼叫接受
入呼叫
呼叫连接
在两个 D T E 之间建立 S V C
数据分组 D T E 数据 D CE 数据 两个 D T E 之间传送用户数据
流量控制分组
D T E RR
D T E RN R
D T E RE J
D CE RR
D CE RN R
流量控制
中断分组
D T E 中断
D T E 中断证实
D CE 中断
D CE 中断证实
加速传送重要数据
数据传送
分组
登记分组 登记请求 登记证实 申请或停止可选业务
复位分组
复位请 求
D T E 复位证实
复位指示
D CE 复位证实
复位一个 S V C
重启动分组
重启动请求
D T E 重启动证实
重启动指示
D CE 重启动证实
重启动所有 S V C
恢复分组
诊断分组 — 诊断 诊断
呼叫清除分组
清除请求
D T E 清除证实
清除指示
D CE 清除证实
释放 S V C
第 4章 分组交换技术
2．分组层处理过程
分组层定义了 DTE和 DCE之间传输分组的过程。
如前所述,X.25支持两类虚电路连接：交换虚电路 (SVC)和
永久虚电路 (PVC)。 SVC要在每次通信时建立虚电路，而 PVC是
由运营商设置好的，不需要每次建立。因此，对于 SVC来说，
分组层的操作包括呼叫建立、数据传输、呼叫清除三个阶段；
而对于 PVC来说，只有数据传输阶段的操作，无呼叫建立和清
除过程。
第 4章 分组交换技术
1) SVC的呼叫建立过程
正常的呼叫建立过程如图 4.11所示。当主叫 DTE1想要建立
虚呼叫时，它就在至交换机 A的线路上选择一个逻辑信道 (图中
为 253)，并发送呼叫请求分组，如表 4.3所示。该“呼叫请求”
分组中包含了可供分配的高端 LCN和被叫 DTE地址。
表 4.3中，前三个字节为分组头,GFI,LCGN,LCN的意义
如前所述，第三个字节即分组类型识别符为 00001011，表示这
是一个呼叫请求分组。在数据部分包含有详细的被叫 DTE地址
和主叫 DTE地址。
第 4章 分组交换技术
表 4.3 呼叫请求分组的格式
G F I L CG N
L CN
0 0 0 0 1 0 1 1
主叫 D T E 地址长度 被叫 D T E 地址长度
被叫 D T E 地址
被叫 D T E 地址 0 0 0 0
主叫 D T E 地址
主叫 D T E 地址 0 0 0 0
其它信息
第 4章 分组交换技术
源端交换机 A收到 DTE1送来的呼叫请求分组后，要根据被
叫 DTE的地址判断被叫 DTE所连接的终端交换机 C，然后查 A的
路由表选择去往终端交换机 C的路由。假设选择的路由要经过交
换机 B进行转接,则交换机 A将该呼叫请求分组转换成网络内部
规程格式，转发至交换机 B，然后再通过交换机 B传送到终端交
换机 C。为了理解容易，这里我们假设网络内部也采用 X.25协议
进行虚电路连接。这样，每个交换机进行路由选择后，都要选择
一个逻辑信道将该分组传送到下一交换机或被叫终端。由于每一
段线路上所选择的 LCN并不相同，因此每个交换机中要建立一张
转发表，表示入端 LCN和出端 LCN之间的映射关系。
第 4章 分组交换技术
图 4.11中表 (a),(b),(c)分别是交换机 A,B,C中建立的转
发表。表 (a)表示从入端口 DTE1的 253号逻辑信道来的信息要转
发至出端口 B交换机的 20号逻辑信道，表 (b)表示了从入端口交
换机 A的 20号逻辑信道来的信息要转发至出端口交换机 C的 78号
逻辑信道，此时终端交换机 C再将网络规程格式的呼叫请求分
组转换为入呼叫分组，并选择一个逻辑信道发送给被叫 DTE2。
表 (c)则表示了从入端口交换机 B的 78号逻辑信道来的信息要通
过 10号逻辑信道发送至被叫 DTE2。
第 4章 分组交换技术
图 4.11 呼叫建立过程
D T E 1 253
入 L C N
B
出
20
L C N
C
L
CN
/ 2
0
A
B
D
A 20
入 L C N
C
出
78
L C N
表 ( b )
L C N / 2 5 3
D T E 1
( 主叫 )
D T E 2
( 被叫 )
B 78
入 L C N
D T E 2
出
10
L C N
表 ( a ) 表 ( c )
呼叫请求分组
L CN
/ 2
5 3
建立
L CN
/ 2
0
建立
L CN
/ 7
8
入呼叫
L CN
/1
0
呼叫接受
L CN
/ 1
0
接受
L CN
/ 7
8
接受
L CN
/ 2
0
呼叫连接
L CN
/2
5 3
L
CN
/ 7
8
L C N / 1 0
第 4章 分组交换技术
若被叫 DTE2可以接受呼叫，则向交换机 C发送“呼叫接受”
分组，表示同意建立虚电路，该分组中的 LCN必须与“入呼叫”
分组中的 LCN(10)相同。交换机 C接收到“呼叫接受”分组之后，
通过网络规程传送到交换机 B，交换机 B再送给交换机 A，交换
机 A发送呼叫连接分组到主叫 DTE1,此呼叫连接分组中的 LCN
与呼叫请求分组中的 LCN(253)相同。主叫 DTE接收到呼叫连接
分组之后，表示主叫 DTE和被叫 DTE之间的虚电路已经建立。此
时，可以进入数据传输阶段。
第 4章 分组交换技术
2) 数据传输阶段
当主叫 DTE和被叫 DTE之间完成了虚呼叫的建立之后，就进
入了数据传输阶段,DTE 和 DCE对应的逻辑信道就进入数据传
输状态。此时，在两个 DTE之间交换的分组包括数据分组、流量
控制分组和中断分组。
第 4章 分组交换技术
无论是 PVC，还是 SVC，都有数据传输阶段。在数据传输阶
段，交换机的主要作用是逐个转发分组。由于虚电路已经建立，
属于该虚电路的分组将顺序沿着这条虚电路进行传输，此时分
组头中将不再需要包含目的地的详细地址，而只需要有逻辑信
道号即可。在每个交换节点上，要将分组进行存储，然后进行
转发。转发是指根据分组头中的 LCN查相应的转发表，找到相
应的出端口和出端的 LCN，用该 LCN替换分组头中的入端口
LCN，然后将分组在指定的出端口进行排队，等到有空闲资源
时，将分组传送至线路上。
第 4章 分组交换技术
3) SVC的呼叫清除过程
在虚电路任何一端的 DTE都能够清除呼叫。呼叫清除过程
将导致与该呼叫有关的所有网络信息被清除，所有网络资源被
释放。
呼叫清除的过程如图 4.12所示。主叫 DTE1发送清除请求分
组给交换机 A，再通过网络到达交换机 C，交换机 C发清除指示
分组给被叫 DTE2，被叫 DTE2用清除证实分组予以响应。该清
除证实分组送到交换机 C，再通过网络传到交换机 A，交换机 A
再发送清除证实到主叫 DTE1。完成清除协议之后，虚呼叫所占
用的所有逻辑信道都被释放。
第 4章 分组交换技术
图 4.12 呼叫清除过程
清除请求
清除
清除
清除指示
清除证实
证实
证实
清除证实
D T E 1
( 主叫 ) 交换机 A 交换机 B 交换机 C
D T E 2
( 被叫 )
X, 2 5 X, 2 5
第 4章 分组交换技术
4.4 分 组 交 换 机
4.4.1 分组交换机在分组网中的作用
1．虚电路方式下分组交换机的作用
(1) 路由选择。呼叫建立阶段，分组交换机要按照用户的要
求进行路由选择，在源点和终点的用户终端设备之间建立起一
条虚电路，在这个虚电路所经过的每段链路上，都有一个逻辑
信道来传送属于该虚电路的信息。因此，在选择路由的同时，
交换机内部要建立起一张出 /入端与逻辑信道号之间的映射关系，
即转发表，以便属于该虚电路的分组均沿着同一条虚电路到达
终点。在呼叫拆除阶段，交换机要负责拆除虚电路，释放每段
链路上的逻辑信道资源。
第 4章 分组交换技术
(2) 分组的转发，即按转发表进行转发分组。在信息传输
阶段，交换机要按照转发表中的映射关系，把某一入端逻辑信
道中送来的分组信息转发到对应的出端，进行排队，当出端口
有相应的带宽时，在对应的逻辑信道中转发出去。
第 4章 分组交换技术
2．数据报方式下分组交换机的作用
数据报方式下不需要进行连接建立和连接拆除的过程，只
有信息的传送过程。此时，每个交换机对来自用户的每个分组
都要进行路由的选择。一旦选好路由，就将该分组直接进行转
发，而不需要转发表。当下一分组到来时，再重新进行路由选
择。
第 4章 分组交换技术
4.4.2 分组交换机的功能结构
由于 ITU-T只对分组交换网和终端之间的互连方式作了规范，
而对网内的设备如交换机之间的协议并未作规范，因此各个厂
家的内部协议并不统一，生产的分组交换机也是多种多样，不
尽相同，但其完成的基本功能是一样的。从功能上讲，分组交
换机一般由 4个主要功能部件组成：接口模块、分组处理模块、
控制模块和维护操作与管理模块，如图 4.13所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.13 分组交换机的功能结构
(a) 虚电路方式； (b) 数据报方式
转发控制 转发表
连接建立与转发控制
路由表
呼叫处理
信令
接
口
控
制
接
口
控
制
控制模块
分组处理
模块
中继接口
模块
用户接口
模块
维护操作与管理模块
路由表
地址
接
口
控
制
接
口
控
制
控制模块
分组处理
模块
中继接口
模块
用户接口
模块
维护操作与管理模块
信息
地址
信息
转发控制
转发控制
( a )
( b )
信令
第 4章 分组交换技术
1．接口功能模块
接口功能模块负责分组交换机和用户终端之间或与其它交
换机之间的互连，包括中继接口模块和用户接口模块。接口功
能模块完成接口的物理层功能，定义了用户线和中继线接入分
组交换机时的物理接口，包括机械、电气、功能、规程等特性。
分组交换机中常用的物理接口包括 ITU-T的 X.21,X.21 bis、
V.24等。 X.21是一种高速物理层接口，可以支持高达 10 Mb/s的
链路速率，适用于全数字网。 X.21 bis和 V.24兼容，两者的电气
接口都采用 V.28，即著名的 RS-232，可以支持直至 19.2 kb/s的
链路速率。
第 4章 分组交换技术
2．分组处理模块
分组处理模块的主要任务是实现分组的转发。在采用虚电
路和数据报的情况下处理稍有不同。
在数据报情况下，分组处理模块将从接口上送来的分组按
照分组头上的目的地址进行路由选择后，从另一接口转发出去。
若采用虚电路方式，在信息传输阶段，分组处理模块将从
接口上送来的分组按照分组头上的逻辑信道号按转发表的要求
从另一接口转发出去。此时交换模块对接收到的分组进行严格
的检查，交换机中保存每一个虚呼叫的状态，据此检查接受的
分组是否和其所属呼叫的状态相容，这样可以对分组进行流量
控制。
第 4章 分组交换技术
3．控制模块
控制模块完成对分组处理模块和接口模块的控制。控制模
块的作用主要有两个：
(1) 连接建立与转发控制。在虚电路和数据报的情况下，处
理稍有不同：
? 对于虚电路方式：如图 4.13(a)所示，在呼叫建立阶段，控
制模块根据用户的呼叫要求 (信令信息 )进行呼叫处理，并根据
路由表进行路由选择，以建立虚电路并生成转发表；而在信息
传输阶段，要按照转发表，控制分组的转发过程。
? 对于数据报方式：只有信息传输阶段，如图 4.13(b)所示，
交换机根据分组头的地址信息查询路由表，直接将分组进行转
发，不需要进行呼叫处理和生成转发表。
第 4章 分组交换技术
(2) 接口控制。完成 X.25链路层的功能，如差错控制和流
量控制。在 X.25中，数据链路层要进行逐段链路上的差错控制
和流量控制，这是靠 I帧和 S帧的 C字段中的发送顺序号 N(S)、
接收顺序号 N(R)、探寻 /最终位 P/F等进行的，包括帧的确认、
重发机制、窗口机制等控制措施；在分组层，要对每条虚电路
进行差错控制和流量控制，其控制机理与链路层相似，但控制
的层次不同。
第 4章 分组交换技术
4．维护操作与管理模块
该模块完成对分组交换机各部分的维护操作和管理功能。
第 4章 分组交换技术
4.4.3 分组交换机的指标体系
衡量一个分组交换机的性能指标主要有以下几种：
(1) 分组吞吐量：表示每秒通过交换机的数据分组的最大数
量。在给出该指标时，必须指出分组长度，通常为 128字节 /分
组。一般小于 50分组 /秒的为低速率交换机,50～ 500分组 /秒的
为中速率交换机，大于 500分组 /秒的为高速率交换机。
分组吞吐量常用业务量发生器测试。业务量发生器与分组
交换机的两个端口分别相连，一个用于发送，另一个用于接收。
在分组交换机的处理能力达到极限之前的最大分组发送速率即
为分组交换机的分组吞吐量。
第 4章 分组交换技术
(2) 链路速率：指交换机能支持的链路的最高速率。一般小
于 19.2 kb/s的为低速率链路,19.2～ 64 kb/s的为中速率链路，大
于 64 kb/s为高速率链路。
(3) 并发虚呼叫数：指的是交换机可以同时处理的虚呼叫数。
(4) 平均分组处理时延：指的是将一个数据分组从输入端口
传送至输出端口所需的平均处理时间。在给出该指标时也必须
指出分组长度。
(5) 可靠性：包括硬件可靠性和软件可靠性。可靠性用平均
故障间隔时间 MTBF来表示。
第 4章 分组交换技术
(6) 可利用度：指的是交换机运行的时间比例，它与硬件
故障的平均修复时间及软件故障的恢复时间有关。平均故障修
复时间 MTTR是指从出现故障开始到排除故障，网络恢复正常
工作为止的时间。可用性 A可以用平均故障间隔时间 MTBF和
平均故障修复时间 MTTR来表示：
(7) 提供用户可选补充业务和增值业务的能力：指交换机给
用户提供的业务除基本业务外，还能提供哪些供用户可选的补
充业务和增值业务。
M T T RM T BF
M T BFA
??
第 4章 分组交换技术
4.4.4 DPN-100型分组交换机
我国分组交换骨干网 CHINAPAC统一使用北方电讯的 DPN-
100分组交换机，因此下面以 DPN-100为例来介绍典型的分组交
换机。
1,DPN-100的技术特点
DPN-100的技术特点包括：
(1) 模块化的网络结构。 DPN-100分组交换机采用模块化结
构。其中，中、小型交换机是由两种标准模块组成的,接入模
块 AM和资源模块 RM。而大型分组交换机采用 5种模块，除 AM、
RM之外，还有中继线模块 TM、网络链路模块 NLM和 DMS总线。
第 4章 分组交换技术
(2) 智能化的路由选择方法。 DPN-100分组交换机在内部无
连接子网的基础上，在接口处使用虚电路提供了可靠的路由机
制。
(3) 广泛的用户接入业务和规程。 DPN-100分组交换机支持
非常广泛的规程进网，并提供一个资源共享的通信环境，将各
种不同种类的数据通信设备连接到一起。
(4) 功能完善的网络管理。 DPN-100有一个非常全面的网络
管理系统，它可以在提供高度可靠和使用方便的网络业务的同
时，满足网络运行上的管理要求，包括网络故障管理、性能管
理、配置管理、安全管理和计费管理等。
第 4章 分组交换技术
2,DPN-100交换机的结构
如前所述,DPN-100交换机属于模块化设计，它由各种不
同作用的模块构成。如图 4.14所示,AM(Access Module)和
RM(Resource Module)是构成网络的两种基本模块。 AM连接用
户到网络，即它们提供 DTE的接入功能，完成物理层接口和链
路层接口功能。 RM连接 AM到网络的其它部分，并提供数据网
络中与分组传送有关的各种功能。
第 4章 分组交换技术
图 4.14 DPN-100分组交换机的结构
RM
AM AM
到其它 RM
中继线
网络链路
到用户
AM AM AM
到用户 到用户 到用户
网络链路
线路
第 4章 分组交换技术
如图 4.14所示，网络链路 (network links)将 AM连接到网络，
可能是将一个 AM连到一个 RM上，也可能是将一个 AM连到另
一个 AM上。对于后一种情况,AM组成了一个子网或群集
(cluster)。 RM通过中继线 (trunk)连接到其它 RM，用户通过用户
线 (line)接入 AM。用户线的速率可达 64 kb/s，链路的速率可达
256 kb/s，中继线的速率可达 2.048 Mb/s。
第 4章 分组交换技术
1) 接入模块 AM
AM为用户接入线路和 DPN-100网络之间提供接口，一个
AM可以连接 200多条用户线。用户设备可能包括：主机；连接
到多个用户终端的复用设备和控制器；单个用户终端或个人计
算机；银行自动设备；局域网 (LAN)等。
AM提供连接用户的接口，包括一个连接器和物理电路以及
相关的协议。 AM的功能包括：
(1) 协议支持,DPN-100的 AM可支持 ITU-T建议的以下协议：
X.25,X.32(PSTN),X.75网关,X.3/X.28/X.29,X.31(ISDN)，
帧中继接入等；
第 4章 分组交换技术
(2) 数据集中：通常在用户接入线路上的数据流量是不连续
的，它以突发形式到达。 AM把来自多个接入线路的数据分组集
中到少数几条长距离电路上，以降低长距离电路的费用。数据
集中是 AM提供的最重要的功能之一。
(3) 本地交换：当主 /被叫两条通信线路连接到同一个 AM上
时,AM可独立完成本地数据交换，但用户之间数据交换电路的
确定必须由 RM模块完成。本地交换也可在 AM群集范围内使用。
在一个群集范围内，数据可以从一个 AM发送给下一个 AM。
第 4章 分组交换技术
(4) 虚电路控制：是指源节点和终节点的 AM在呼叫建立阶
段建立起的关于该虚电路的联系。若干条虚电路共享同样的
中继线路群、网络链路群和接入线路群，虚电路两端的 AM负
责虚电路控制，以便使网络内部数据可以绕过故障或负荷过
重的设备。这种控制功能和数据自动迂回路由对于用户来说
是透明的。
(5) 其它功能,AM还要执行一些其它的功能，包括速率
匹配、分组的组装和拆卸以及网络链路的负载平衡等。
第 4章 分组交换技术
2) 资源模块 RM
DPN-100的 RM通过网络链路与 AM连接，同时 RM通过中继
线与网络中的其它 RM连接，主要提供分组转发和呼叫路由选择
功能。
RM执行以下功能：
(1) 分组转发；
(2) 呼叫建立；
(3) 中继线控制；
(4) 网络链路和中继线的负载平衡；
(5) 分布式网络管理。
第 4章 分组交换技术
3) 模块构成
如图 4.15所示,AM和 RM具有相似的结构，但配有不同的
软件，执行不同的功能。它们都由标准电路板 —— 处理器单元
(PE)和外围接口 (PI)构成，多处理机之间由双公共总线相连接，
并配有公共存储器和磁盘等。
处理器单元 PE是模块内驱动处理过程的“发动机”，它提
供运行软件的处理能力，支持由各个模块执行的多种功能。一
个 PE是一个单板微机，包括一个 80286或 80386处理器,EPROM，
本地存储器，通用总线接口，外围总线接口等。
第 4章 分组交换技术
图 4.15 AM,RM模块的结构图
线路
PE
8 端口
PI
线路到
用户
中继线
PE
基群速率
PI
中继线到
其它 RM
链路
PE
2 端口
PI
链路到
AM 和 RM
服务器
PE
局用
PE
磁盘 PI
连接磁盘
公共存储器
双总线
公共存储器
第 4章 分组交换技术
在 PE电路板中装入不同的软件可以执行不同的功能，例如，
局用 PE(OFFICE PE)负责将软件和数据装入模块，提供相应的
路由信息和与网络管理系统的接口。每一个模块都由它自己的
OFFICE PE去控制，在每个模块中有两个 OFFICE PE，当一个
发生故障时，另一个接替它的工作。另一种是服务器 PE(Server
PE)，它用于提供网络服务，安装在 RM或 AM中。 Server PE的
主要功能是在呼叫建立时完成用户地址到路由标识的转换。
所有支持通信线路的 PE都通过外围接口 (PI)电路板实现与
线路的物理连接。 PI是在 PE和其它设备间提供物理接口的电路
板，不同的 PI可以支持不同的物理接口和通信规程。每个 PE至
多可以与 4个 PI相连。 PI可以向网络、网络链路、中继线、磁盘
等提供物理接口。
第 4章 分组交换技术
3．软件系统
DPN-100的软件是用分层结构来建立的，它提供了抽象的
多个层次。从低到高依次为：核心程序、无连接子网层、虚电
路层、应用层。
DPN-100软件的最低层是核心程序，它是与硬件关系最紧
密的部分，包括操作系统，提供产生进程和传送报文的基本功
能。核心程序在硬件层之上提供了一个“友好的环境”。
DPN-100的网络采用了“网内数据报、接口虚电路”的方
式，即它的网络内采用无连接的数据报方式，而在接口上采用
了 X.25的虚电路方式。内部网络称为子网。子网层使用网络链
路和中继线，并与路由选择策略结合，通过无连接子网提供网
络内的进程之间的通信。
第 4章 分组交换技术
虚电路层支持两个进程之间的分组数据流，并提供流量控
制和差错恢复等功能。
应用层提供终端用户服务，如 X.25或 SNA协议。
DPN-100网络支持的各种功能是由在 PE上运行的软件实现
的，包括局用 (Office)软件、网络链路和中继线软件、服务器
软件、接入规程软件和网络管理软件等。
第 4章 分组交换技术
4．交换机功能
1) 路由选择功能
如前所述,DPN-100网络在每个逻辑连接的两端提供虚电路
连接，而在网络内部，分组是在一个无连接子网上传输的。在
网络内部，每个分组都进行独立的选路，而分组的顺序性则由
网络终点的虚电路层保证。因此,DPN-100网内的路由选择是在
两个级别上进行的：
?呼叫路由选择：负责虚电路的建立。
?转发功能：提供所有分组的可靠传送，包括呼叫分组、数据分
组、控制分组和帧中继业务的可靠传送。
第 4章 分组交换技术
在 DPN-100网络上，两个用户在传送数据分组之前，必须
在它们之间建立一条虚电路。这是利用呼叫路由选择的功能来
建立的。不过，这种虚电路并不是预先确定通过网络的一条通
路，而是确定产生通信的两个端点之间的联系，这样就允许网
络在数据传输阶段为每个分组独立地确定通路。如果网络设备
发生故障或者发生网络拥塞，网络可以自动寻找新的数据路由，
绕过故障部分。也就是说,DPN-100通过使用两层路由选择机
制来选择路由，这样就综合了虚电路的优点和数据报无连接传
输的可靠性。
第 4章 分组交换技术
(1) 呼叫路由选择是指在两个终端之间建立虚电路。为了
建立一条虚电路，主叫 DTE发信号给与它相连的 AM，该信号
中包括了被叫终端的数据网络地址 (DNA)。 AM通过一个网络
链路向 RM发送呼叫请求分组，呼叫请求中包含了被叫 DTE的
地址。 RM将呼叫请求分组传送到一个称作源呼叫路由器的服
务器 (Server PE)上，源呼叫路由器决定连接被叫 DTE的应该是
哪一个 RM，并将目的 RM的标识符 RID(Resource Identifier) 放
入呼叫请求分组头中，然后将该分组回送给 RM。 RM用路由表
和分组头内的 RID将该分组传递到通往目的 RID路由上的下一
个 RM中去。下一节点重复这个过程，直到将该呼叫请求分组
送到目的 RM。
第 4章 分组交换技术
当呼叫请求分组到达目的 RM时，它仍然包含终点 DTE的
地址。 RM将呼叫请求分组传递到目的呼叫路由服务器 (Server
PE)，由它决定被叫 DTE连接到哪一个 AM上。目的呼叫路由器
将目的 AM的标识符 MID(AM Identifier)放入呼叫请求分组头中，
然后将该分组回送给 RM。 RM利用路由表和分组头中的 MID，
通过网络链路将分组送到目的 AM。
第 4章 分组交换技术
当呼叫分组到达目的 AM时，它仍然包含被叫地址,AM将
使用路由表查到与地址相符的用户线 PE，在 PE上产生一个虚电
路进程来支持呼叫，该进程的标识符为 PID(Process Identifier)。
AM向被叫 DTE发送入呼叫分组。被叫 DTE响应后,AM利用网
络向主叫回送一个呼叫接受分组，该呼叫接受分组中包含了被
叫 DTE的 RID,MID和 PID。
一旦呼叫建立，主叫虚电路进程就知道了被叫 DTE的 RID、
MID和 PID，用户数据分组按照 DPN-100分组格式改装后，在网
络内以数据报方式进行交换、传输，最后到达终点。
第 4章 分组交换技术
(2) 分组的转发。 DPN-100采用无连接子网来传输分组，因
此在每一个分组传输时，网络内部是独立选路的。 DPN-100使
用分布式最短路径算法为每一个分组选择路由，进行转发。它
能容忍中间设备的故障和拥塞，即使出现了故障和拥塞情况，
它仍然能准确快速地传递分组。
第 4章 分组交换技术
2) 网络管理功能
DPN-100网络具有一个非常完整的网络管理系统 DPN-
NMS(Network Management System)，它可以在提供高度可靠且使
用方便的网络业务的同时，满足网络运行上的管理要求。它采用
电信管理网 TMN的结构对网络进行管理，其提供的主要管理功能
如下：
(1) 网络故障管理：提供对网络设备故障的快速响应和预防
性维护能力。 DPN-100网络的故障管理能力包括：跟踪和诊断故
障、测试网络设备和部件、故障原因提示和对故障的查询及修复。
(2) 网络配置管理：生成用户端口，定义和管理网络拓扑结
构、网络软件、硬件配置和网络业务类型，并对它们进行动态控
制。
第 4章 分组交换技术
(3) 网络性能管理：收集和分析网络中数据流的流量、速
率、流向和路径的信息。
(4) 网络计费管理：收集有关网络资源使用的信息，用于
网络的规划、预算，并提供用户记账处理系统所需的计费数据。
(5) 网络安全管理：建立、保持和加强网络访问时所需的
网络安全级别和准则。
第 4章 分组交换技术
4.5 帧 中 继 技 术
4.5.1 帧中继的基本原理及技术特点
帧中继是在 OSI参考模型第二层 (数据链路层 )的基础上采用
简化协议传送和交换数据的一种技术，由于第二层的数据单元
为帧，故称之为帧中继。它是 X.25分组网在光纤传输、用户终
端日益智能化的条件下的发展。它仅完成物理层和链路层核心
层的功能，而将流量控制、纠错等复杂的控制交给智能终端去
完成，大大简化了节点机之间的协议。
第 4章 分组交换技术
1．帧中继的协议模型
帧中继的协议结构如图 4.16所示。
图 4.16 帧中继的协议结构
Q, 9 3 1 /
Q, 9 3 3
用户可选的
终端功能
Q, 9 2 1 Q, 9 2 2
核心功能
1, 4 3 0 或 1, 4 3 1
用户侧
Q, 9 2 2
核心功能
Q, 9 2 1
Q, 9 3 1 /
Q, 9 3 3
1, 4 3 0 或 1, 4 3 1
网络侧
C 平面 U 平面 U 平面 C 平面
第 4章 分组交换技术
帧中继包括两个操作平面：
?控制平面 (C-plane)：用于建立和释放逻辑连接，传送并处理呼
叫控制消息；
?用户平面 (U-plane)：用于传送用户数据和管理信息。
1) 控制平面
控制平面 (简称 C平面 )包括三层。第 3层规范使用 ITU-T的建
议 Q.931/Q.933定义了帧中继中的信令过程，包括提供永久虚连
接 PVC业务的管理过程，交换虚连接 SVC业务的呼叫建立和拆除
过程。第 2层的 Q.921协议是一个完整的数据链路协议 —— D信道
链路接入规程 LAPD(Link Access Procedures on the D-channel)，它
在 C平面中为 Q.931/ Q.933的控制信息提供可靠的传输。 C平面协
议仅在用户和网络之间操作。
第 4章 分组交换技术
2) 用户平面
用户平面 (简称 U平面 )使用了 ITU-T Q.922协议，即帧方式
链路接入规程 LAPF(Link Access Procedures to Frame Mode
Bearer Services)，帧中继只用到了 Q.922中的核心部分，称为
DL-Core。
第 4章 分组交换技术
3) Q.922中核心部分 (DL-Core)的功能
DL-Core的功能包括：
(1) 帧定界、同步和透明传输；
(2) 用地址字段实现帧多路复用和解复用；
(3) 对帧进行检测，确保 0比特插入前 /删除后的帧长是整数
个字节；
第 4章 分组交换技术
(4) 对帧进行检测，确保其长度不致于过长或过短；
(5) 检测传输差错，将出错的帧舍弃 (帧中继中不进行重发 )；
(6) 拥塞控制。
作为数据链路层的子层,U平面的核心功能 (DL-Core)只提
供无应答的链路层数据传输帧的基本服务，提供从一个用户到
另一个用户传送数据链路帧的基本功能。
第 4章 分组交换技术
2．帧中继的帧格式
图 4.17 帧中继的帧格式
D L C I C / R EA
8 7 6 5 4 3 2 1
D L C I DE EAF E C N B E C N
第 1 字节 第 2 字节
F
8 7 6 5 4 3 2 1
A I FF C S
第 4章 分组交换技术
可以看出，帧中继的帧格式和 LAPB的格式类似，最主要的
区别是帧中继的帧格式中没有控制字段 C。帧格式中各字段的
含义如下：
1) 标志字段 F
标志字段是一个 0 l l l l l l 0的比特序列，用于帧同步、定界
(指示一个帧的开始和结束 )。
2) 地址字段 A
地址字段一般为 2字节，也可扩展为 3或 4字节，用于区分不
同的帧中继连接，实现帧的复用。当地址字段为 2个字节时，其
结构如表 4.4所示。
第 4章 分组交换技术
表 4.4 地址字段的格式
DL C I ( 高阶比特 ) C / R E A0
DL C I ( 低阶比特 ) F E C N B E C N DE E A1
第 4章 分组交换技术
(1) 数据链路连接标识符 DLCI(Data Link Connection
Identifier)：当采用 2字节的地址字段时,DLCI占 10位，其作用
类似于 X.25中的 LCN，用于识别 UNI接口或 NNI接口上的永久虚
连接、呼叫控制或管理信息。其中,DLCI=16～ 1007共 992个地
址供帧中继使用，在专设的一条数据链路连接 (DLCI＝ 0)上传送
呼叫控制消息，其它值保留或用于管理信息。与 X.25的逻辑信
道号 LCN相似，对于标准的帧中继接口,DLCI只有局部 (或本
地 )意义。
(2) 命令 /响应 (C/R)：命令 /响应与高层应用有关，帧中继本
身并不使用，它透明通过帧中继网络。
第 4章 分组交换技术
(3) 扩展地址 EA：当 EA为 0时，表示下一个字节仍为地址字
段；当 EA为 1时，表示下一个字节为信息段的开始。依照此法，
地址字段可扩展为 3字节或 4字节。
(4) 正向显式拥塞通知 FECN：用于帧中继的拥塞控制，用来
通知用户启动拥塞控制程序。若某节点将 FECN置为 1，则表明
与该帧同方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响产生时延。
(5) 反向显式拥塞通知 BECN：若某节点将 BECN置为 1，即
指示接收端，与该帧相反方向传输的帧可能受网络拥塞的影响
产生时延。
(6) 丢弃指示 DE：用于帧中继网的带宽管理。若 DE为 1，则
表明网络发生拥塞时，为了维持网络的服务水平，该帧与 DE为 0
的帧相比应先丢弃。
第 4章 分组交换技术
3) 信息字段
用户数据应由整数个字节组成。帧中继网允许用户数据长
度可变，最大长度可由用户与网络管理部门协商确定，最小长
度为 1个字节。
4) 帧校验序列 FCS
帧校验序列 FCS为一个 16 bit的序列，用来检查帧通过链路
传输时是否有差错。
第 4章 分组交换技术
3．帧中继的交换原理
1) 帧的转发过程
帧中继起源于分组交换技术，它取消了分组交换技术中的
数据报方式，而仅采用虚电路方式，向用户提供面向连接的数
据链路层服务。
第 4章 分组交换技术
类似于分组交换，帧中继也采用统计复用技术，但它是在
链路层进行统计复用的，这些复用的逻辑链路是用 DLCI来标识
的。类似于 X.25中的 LCN，当帧通过网络时,DLCI并不指示目
的地址，而是标识用户和网络节点以及节点与节点之间的逻辑
虚连接。帧中继中，由多段 DLCI的级连构成端到端的虚连接
(X.25中称为虚电路 )，可分为交换虚连接 SVC和永久虚连接 PVC。
由于标准的成熟程度，用户需求以及产品情况等原因，目前在
网中只提供永久虚电路业务。无论是 PVC还是 SVC，帧中继的虚
连接都是通过 DLCI来实现的。
第 4章 分组交换技术
当帧中继网只提供 PVC时，每一个帧中继交换机中都存在
PVC转发表，当帧进入网络时，帧中继通过 DLCI值识别帧的去
向。其基本原理与分组交换过程类似，所不同的是：帧中继在
链路层实现了网络 (线路和交换机 )资源的统计复用，而分组交
换 (X.25)是在分组层实现统计时分复用的。帧中继中的虚连接
是由各段的 DLCI级连构成的，而 X.25的虚电路是由多段 LCN级
连构成的。
第 4章 分组交换技术
帧中继网中，一般都由路由器作为用户，负责构成帧中继
的帧格式。如图 4.18所示，路由器在帧内置 DLCI值，将帧经过
本地 UNI接口送入帧中继交换机，交换机首先识别到帧头中的
DLCI，然后在相应的转发表中找出对应的输出端口和输出的
DLCI，从而将帧准确地送往下一个节点机。如此循环往复，直
至送到远端 UNI处的用户，途中的转发都是按照转发表进行的。
在图 4.18中，已建立了三条 PVC：
PVC1为路由器 1到路由器 2,25— 35；
PVC2为路由器 1到路由器 3,35— 45— 55— 65；
PVC3为路由器 1到路由器 4,20— 30— 40。
第 4章 分组交换技术
F R CF R AL A N 1 L A N 3
L A N 4
L A N 2
路由器 1
路由器 4
路由器 3
路由器 2
P V C 1
P V C 2
P V C 3
20
35
25
30
45
35
55
65
40
帧中继网
F R B
表 a 交换机 A 的转发表
输入端 D L C I 输出端 D L C I
路由器 1 20 交换机 B 30
路由器 1 25 路由器 2 35
路由器 1 35 交换机 B 45
表 c 交换机 C 的转发表
输入端 D L C I 输出端 D L C I
交换机 B 55 路由器 3 65
表 b 交换机 B 的转发表
输入端 D L C I 输出端 D L C I
交换机 A 30 路由器 4 40
交换机 A 45 交换机 C 55
图
4.
18
帧
中
继
的
交
换
原
理
第 4章 分组交换技术
各交换机内部都建立相应的转发表，如图 4.18中的表 a、
表 b、表 c所示。如对于 PVC2，交换机 A收到 DLCI=35的帧后，
查询转发表，得知下一节点为交换机 B,DLCI=45，则交换机
A将 DLCI=35映射到 DLCI=45，并通过 A— B的输出线转发出
去，帧到达交换机 B时，完成类似的操作，将 DLCI=45映射到
DLCI=55，转发到交换机 C,C将 DLCI=55映射到 DLCI=65转
发到路由器 3，从而完成用户信息的交换。
第 4章 分组交换技术
在帧中继网中，节点机一旦收到帧的首部，就立即开始转
发此帧，即在帧的尾部还未收到之前，交换机就可将帧的首部
发送到下一相邻交换机。显然，帧中继网中的节点这样对帧进
行处理是以所传送的帧基本不出错为前提的。但若帧出现传输
差错，又该如何处理呢？帧校验序列检错是只有在整个帧完全
收完后节点才能处理，但当帧中继的节点检测到出错时，帧的
大部分可能已转发到下一个节点了。解决这个问题的办法是：
当检测到有误码的节点时，应立即中断这次传输，当中断传输
的指示下达到下一个节点后，下一个节点就立即中断该帧的转
发，至此，该帧就从网内消除。帧中继网内将会丢弃有错的帧，
不再像 X.25网中那样采用重传机制，而是将差错的恢复由网内
转移到用户终端负责。这就表明，帧中继设备不必像 X.25网中
的交换机那样，在接收到确认消息之前要保存数据。
第 4章 分组交换技术
2) 帧中继的 PVC管理
帧中继为计算机用户提供高速数据通道，因此帧中继网提供
的多为 PVC连接。任何一对用户之间的虚电路连接都是由网络管
理功能预先定义的，如果数据链路出现故障，要及时将故障状态
的变化及 PVC的调整通知用户，这是由本地管理接口 LMI(Local
Management Interface)管理协议负责的。
PVC管理是指在接口间交换一些询问和状态信息帧，以使双
方了解对方的 PVC状态情况。 PVC管理包括两部分：用于 UNI接
口的 PVC管理协议和用于 NNI接口的 PVC管理协议。这里将以
UNI接口的 PVC管理为例详细说明,NNI的 PVC管理协议与此基
本相同。
第 4章 分组交换技术
PVC管理可完成以下功能：
?链路完整性证实；
?增加 PVC通知；
?删除 PVC通知；
?PVC状态通知 (激活状态或非激活状态 )。
LMI管理协议定义了两个消息：状态询问 STATUS ENQUIRY
消息和状态响应消息 STATUS。在 UNI之间，通过单向周期性地
交换 STATUS ENQUIRY和 STATUS消息来完成以上功能，这种周
期称为轮询周期。
第 4章 分组交换技术
UNI接口的 PVC管理示意图见图 4.19，其过程如下：
(1) 由用户端 (如路由器 )发出状态询问信息 STATUS
ENQUIRY，目的是为了检验数据链路是否工作正常 (keep alive)，
同时发起端的计时器 T开始计时,T的间隔即为每一个轮询的时
间间隔；若 T超时，则重发 STATUS ENQUIRY。同时，发起端
的计数器 N也开始计数 (N的周期数可人工设定或取缺省值 )，在
发送 N个用来检验数据链路是否工作正常的 STATUS ENQUIRY
后，用户发出一个询问端口上所有 PVC状态的 STATUS
ENQUIRY。
第 4章 分组交换技术
图 4.19 UNI接口的 PVC管理
L A N
路由器
A
B
C
路由器
L A N
E N Q U I R Y
S T A T U S
S T A T U S
广域网
第 4章 分组交换技术
(2) 轮询应答端收到询问信息后，以状态信息 STATUS应
答状态询问信息 STATUS ENQUIRY，该信息可能是链路正常
工作的应答信息，也可能是所有 PVC的状态信息。
虽然 PVC管理协议增加了帧中继的复杂性，但这样能保
证网络可靠运行，满足用户的服务质量。
第 4章 分组交换技术
3) 呼叫控制协议
呼叫控制协议的功能是建立和释放 SVC。这是帧中继的增强
部分协议。
呼叫建立消息共有 3个,setup(呼叫建立 ),call proceeding(呼
叫进展 )和 connect(连接 )。建立过程如图 4.20(a)所示。
第 4章 分组交换技术
呼叫建立消息中最重要的是 setup消息，它包含的主要信息
单元为：主叫地址、被叫地址,DLCI和链路层核心参数。被叫
地址供网络选路用。 DLCI为分配给该 SVC的本地数据链路，一
般由网络选定，但主叫用户亦可提出优选的链路。链路层核心
参数包括帧信息字段最大长度和有关带宽控制的参数等。
呼叫释放消息也有 3个,disconnect(拆链 ),release(释放 )和
release complete(释放完成 )。释放过程如图 4.20(b)所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.20 SVC的建立和释放过程
(a) 建立过程； (b) 释放过程
se tup
pro c ee
di ng
ca ll
connec
t
se tup
conn ect
主叫用户 网络 被叫用户
( a )
disc on
nec t
rel eas
e
disc on
nec t
rel eas e
用户 网络 用户
( b )
com
pl et
e
rel eas
e
com
pl et
e
rel eas
e
第 4章 分组交换技术
应该说明的是，虽然帧中继的标准有关于 SVC的上述的信
令过程，但由于目前应用的帧中继网中都为 PVC，而 PVC并无
呼叫建立和释放过程，因此,SVC的建立和释放在实际中并没
有应用。帧中继中的信令主要是 PVC的管理功能。
第 4章 分组交换技术
4．帧中继的技术特点
从帧中继的协议体系可以看出，与 X.25分组交换相比，帧
中继技术的特点为：
(1) 帧中继协议取消了 X.25的分组层功能，只有两个层次：
物理层和数据链路层，使网内节点的处理大为简化。在帧中继
网中，一个节点收到一个帧时，大约只需执行 6个检测步骤，而
X.25中约需执行 22个步骤。实验结果表明：采用帧中继时一个
帧的处理时间可以比 X.25的处理时间减少一个数量级，因而提
高了帧中继网的处理效率。
(2) 用户平面和控制平面分离。
第 4章 分组交换技术
(3) 传送的基本单元为帧，帧的长度是可变的，允许的最大
长度为 l KB，要比 X.25网的缺省分组 128 B长，特别适合于封装
局域网的数据单元，减少了分段与重组的处理开销。
(4) 在数据链路层完成动态统计时分复用、帧透明传输和差
错检测。与 X.25网不同，帧中继网内节点若检测到差错，就将
出错的帧丢弃，不采用重传机制，减少了帧序号、流量控制、
应答等开销，由此减少了交换机的处理时间，提高了网络吞吐
量，降低了网络时延。例如 X.25网内每个节点由于帧检验产生
的时延为 5～ 10 ms，而帧中继节点的处理时延小于 1 ms。
第 4章 分组交换技术
(5) 帧中继技术提供了一套有效的带宽管理和拥塞控制机制，
使用户能合理传送超出约定带宽的突发性数据，充分利用了网
络资源。
(6) 帧中继现在可提供用户的接入速率在 64 kb/s～ 2.048
Mb/s范围内，以后还可更高。
(7) 帧中继采用了面向连接的工作模式，可提供 PVC业务和
SVC业务。但由于帧中继 SVC业务在资费方面并不能给用户带
来明显的好处，实际上目前主要用 PVC方式实现局域网的互连。
第 4章 分组交换技术
4.5.2 帧中继交换机
帧中继交换机是帧中继网中的核心设备，其主要功能包括：
用户接入、中继连接、转发控制、管理功能以及与其它网络互
通的能力。下面主要介绍帧中继交换机的管理功能，包括带宽
管理和拥塞管理等。
1．带宽管理
带宽管理是指网络对每条虚连接上传送的用户数据量进行
监控，以保证带宽资源在用户间的合理分配。
第 4章 分组交换技术
每一用户接入帧中继网时使用下列约定的 4个参数：
(1) 承诺的时间间隔时 Tc(Committed Time Interval)：网络监
视一条虚连接上传送的用户数据量所采用的时间间隔。一般的，
Tc和业务的突发性成正比，一般选取范围大致为几百毫秒到 10
秒。
(2) 承诺的信息速率 CIR(Committed Information Rate)：正
常情况下网络对用户承诺的用户数据传送速率，它是 Tc时间段
内的平均值。
第 4章 分组交换技术
(3) 承诺的突发长度 Bc(Committed Burst Size)：正常情况下，
在 Tc时间段内网络允许用户传送的最大的数据量 (单位为 bits)。
(4) 超量突发长度 Be(Excess Burst Size),Tc时间段内，网
络能够给用户传送的超过 Bc部分的最大数据量。
每个帧中继用户在使用服务之前，应与网络约定一条虚连
接上的 Be,Bc,CIR值，网络在 Tc时间段内对每条虚连接上的
数据量进行监测，根据监测结果进行带宽的调整。如图 4.21所
示。
第 4章 分组交换技术
图 4.21 帧中继的带宽管理
用户接入速率
允许最大的
信息传送速率
承诺的信息
速 率
被丢掉的帧
可能丢掉的帧
标记 DE ＝ 1
确保传送的帧
DE ＝ 0
t
T
0
＋ T
c
T
0
B
c
B
c
＋ B
e
比特
第 4章 分组交换技术
控制过程如下：
(1) 若测得的比特数 ≤Bc，说明用户的速率小于 CIR，网络节
点应继续转发这些帧。在正常情况下，应保证这些帧送到目的
地；
(2) 若 Bc≤测得的比特数 ≤Bc+Be，则说明用户的传输速率已
超过 CIR，但仍在约定范围内，网络将 Be部分的帧 DE置为 1后转
发。若网络无严重拥塞，则努力把这类帧传送到目的地。一旦
出现拥塞，将首先丢弃这些 DE=1的帧；
(3) 若测得的比特数＞ Bc+Be，说明用户已经严重违约，则
网络应丢掉超过 Bc+Be部分的所有的帧。
第 4章 分组交换技术
2．拥塞控制
帧中继网中，为了简化协议，提高节点机的处理速度,就
将流量控制和差错控制都交给了高层。 但这样做可能会使得数
据网络出现拥塞危险，因此要采取一定的措施来尽量减少这种
拥塞的出现。
从图 4.22中可以看出，一开始当网络负载增加时，随着入
网信息量的增加，吞吐量线性地上升。当到达 A点后，网络不
能继续接收更多的信息，吞吐量趋于平稳。如果输入信息量继
续加大，网络将呈现严重拥塞状态 (B点所示 )，此时网络的吞吐
量将急剧下降，甚至可能崩溃 (死锁 )。为了防止拥塞，网络必
须采取必要的措施，通知用户减少发送数据。
第 4章 分组交换技术
图 4.22 拥塞对吞吐量的影响
吞吐量
无拥塞 轻微拥塞 严重拥塞
负荷
A B
第 4章 分组交换技术
一般来说，网络发现拥塞和控制拥塞的措施有以下几种：
(1) 显式拥塞通知。在发生轻微拥塞的情况下，网络利用帧
结构中的拥塞指示位 FECN,BECN来通知端点用户。
如图 4.23所示，若 B点发生拥塞，则 B点通过将前向传送的
帧 (B到 C方向 )的 FECN位置 1来通知 C点发生拥塞；同时，通过
将后向传送的帧 (B到 A方向 )的 BECN位置 1来通知 A点发生拥塞。
用户终端在收到拥塞信息后，原则上应降低其数据传送速率，
以减少因拥塞造成的帧丢失。
第 4章 分组交换技术
图 4.23 显式拥塞通知
L A N
路由器
A
B
C
路由器
L A N
广域网
源端
B E C N
F E C N
拥塞
目的端
第 4章 分组交换技术
(2) 丢弃 DE＝ l的帧。若发生严重拥塞，或者用户并未降低
传送速率，网络将如何进行拥塞控制呢？这可以从帧中继的基
本原则中找到答案：一旦出现问题就将帧丢弃。此时，除继续
采用 FECN,BECN来通知用户外，网络将丢弃 DE=1的帧来对
自身进行保护。这样做增加了网络的反应时间，降低了吞吐量，
但可以防止网络性能的进一步恶化，使网络从拥塞中恢复。
第 4章 分组交换技术
思 考 题
4.1 统计时分复用和同步时分复用的区别是什么？哪个更适
合于进行数据通信？为什么？
4.2 试从优点、缺点、适用场合等方面比较虚电路和数据报
方式。
4.3 什么是逻辑信道？什么是虚电路？二者有何区别和联系？
4.4 比较电路交换中的电路和分组交换中的虚电路的不同点。
如何理解 "虚 "的概念？
4.5 SVC是如何建立的？ PVC又是如何建立的?
第 4章 分组交换技术
4.6 为什么说 X.25现在有些过时？请从 X.25的背景、设计思
路、发展、优缺点等几方面进行分析。
4.7 HDLC帧分为哪几种类型？各自的作用是什么？
4.8 试从呼叫建立和数据传输两个方面分析分组交换机的作
用。
4.9 从功能上看，分组交换机包括哪几部分？各完成什么功
能？
4.10 衡量一个分组交换机的性能指标都有哪些？
4.11 DPN-100的内部采用虚电路方式还是数据报方式? 外部
采用什么方式？ 它如何保证用户分组的有序性？
第 4章 分组交换技术
4.12 比较帧中继与 X,25在技术特征上的不同点。
4.13 帧中继的带宽管理如何实现？
4.14 帧中继的帧结构中,DLCI起什么作用？
4.15 构成 DPN-100交换机的基本模块有哪两种？它们各自
的作用是什么? 在构成上有哪些不同？
4.16 虚电路方式下的数据分组中是否含有目的地地址？这
样有什么优点？
4.17 假设有 3个用户终端采用统计时分复用的方式共享一条
线路，线路的速率为 19.2 kb/s，求每个用户可能的最大传送速率。
4.18 分析在虚电路和数据报情况下，路由选择和分组转发
的实现有什么区别。
第 4章 分组交换技术
4.1 概述
4.2 分组交换原理
4.3 X.25协议
4.4 分组交换机
4.5 帧中继技术
思考题
第 4章 分组交换技术
4.1 概 述
4.1.1 分组交换的产生背景
分组交换 PS(Packet Switching)技术的研究是从 20世纪 60年代开
始的。当时，电路交换技术已经得到了极大的发展。电路交换技
术是最适合于话音通信的，但随着计算机技术的发展，人们越来
越多地希望多个计算机之间能够进行资源共享，即能够进行数据
业务的交换。数据业务不像电话业务那样具有实时性，而是具有
突发性的特点，并要求高度的可靠性。这就要求在计算机之间有
高速、大容量和时延小的通信路径。在计算机之间进行数据通信
时，传统的电路交换技术的缺点越来越明显：固定占用带宽，线
路利用率低，通信的终端双方必须以相同的数据率进行发送和接
收等。所有这些都表明电路交换不适合于进行数据通信。因此，
大约在 20世纪 60年代末,70年代初，人们开始研究一种新形式的、
适合于进行远距离数据通信的技术 —— 分组交换。
第 4章 分组交换技术
分组交换技术是一种存储 — 转发的交换技术，被广泛用于
数据通信和计算机通信中。它结合了电路交换和早期的存储 —
转发交换方式 —— 报文交换的特点，克服了电路交换线路利用
率低的缺点，同时又不像报文交换那样时延非常大。因此，分
组交换技术自从产生后便得到了迅速的发展。
第 4章 分组交换技术
4.1.2 分组交换的概念
分组交换不像电路交换那样在传输中将整条电路都交给一
个连接，而不管它是否有信息要传送。分组交换的基本思想是：
把用户要传送的信息分成若干个小的数据块，即分组 (packet)，
这些分组长度较短，并具有统一的格式，每个分组有一个分组
头，包含用于控制和选路的有关信息。这些分组以“存储 -转发”
的方式在网内传输，即每个交换节点首先对收到的分组进行暂
时存储，分析该分组头中有关选路的信息，进行路由选择，并
在选择的路由上进行排队，等到有空闲信道时转发给下一个交
换节点或用户终端。
第 4章 分组交换技术
显然，采用分组交换时，同一个报文的多个分组可以同时
传输，多个用户的信息也可以共享同一物理链路，因此分组交
换可以达到资源共享，并为用户提供可靠、有效的数据服务。
它克服了电路交换中独占线路、线路利用率低的缺点。同时，
由于分组的长度短，格式统一，便于交换机进行处理，因此它
能比传统的“报文交换”有较小的时延。
第 4章 分组交换技术
4.1.3 分组交换的优缺点
1,分组交换的优点
分组交换的设计初衷是为了进行计算机之间的资源共享，
其设计思路截然不同于电路交换。与电路交换相比，分组交换
的优点可以归纳如下：
(1) 线路利用率较高。分组交换在线路上采用动态统计时分
复用的技术传送各个分组，因此提高了传输介质 (包括用户线和
中继线 )的利用率。每个分组都有控制信息，使终端和交换机之
间的用户线上或者交换机之间的中继线上，均可同时有多个不
同用户终端按需进行资源共享。
第 4章 分组交换技术
(2) 异种终端通信。由于采用存储 — 转发方式，不需要建立
端到端的物理连接，因此不必像电路交换中那样，通信双方的
终端必须具有同样的速率和控制规程。分组交换中可以实现不
同类型的数据终端设备 (不同的传输速率、不同的代码、不同的
通信控制规程等 )之间的通信。
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(3) 数据传输质量好、可靠性高。每个分组在网络内的中继
线和用户线上传输时，可以逐段独立地进行差错控制和流量控
制，因而网内全程的误码率在 10-11以下，提高了传送质量且可
靠性较高。分组交换网内还具有路由选择、拥塞控制等功能，
当网内线路或设备产生故障后，分组交换网可自动为分组选择
一条迂回路由，避开故障点，不会引起通信中断。
(4) 负荷控制。分组交换网中进行了逐段的流量控制，因此
可以及时发现网络有无过负荷。当网络中的通信量非常大时，
网络将拒绝接受更多的连接请求，以使网络负荷逐渐减轻。
第 4章 分组交换技术
(5) 经济性好。分组交换网是以分组为单元在交换机内进行
存储和处理的，因而有利于降低网内设备的费用，提高交换机
的处理能力。此外，分组交换方式可准确地计算用户的通信量，
因此通信费用可按通信量和时长相结合的方法计算，而与通信
距离无关。
由于分组交换技术在降低通信成本，提高通信可靠性等方
面取得了巨大成功，因此 20世纪 70年代中期以后的数据通信网
几乎都采用了这一技术。 30多年来，分组交换技术得到了较大
的发展。
第 4章 分组交换技术
2．分组交换的缺点
上面介绍了分组交换的诸多优点，但任何技术在具有优点
的同时都不可避免地具有一些缺点，分组交换也不例外。它的
这些优点都是有代价的。
(1) 信息传送时延大。由于采用存储 — 转发方式处理分组，
分组在每个节点机内都要经历存储、排队、转发的过程，因此
分组穿过网络的平均时延可达几百毫秒。目前各公用分组交换
网的平均时延一般都在数百毫秒，而且各个分组的时延具有离
散性。
第 4章 分组交换技术
(2) 用户的信息被分成了多个分组，每个分组附加的分组头
都需要交换机进行分析处理，从而增加了开销，因此，分组交
换适宜于计算机通信等突发性或断续性业务的需求，而不适合
于在实时性要求高、信息量大的环境中应用。
(3) 分组交换技术的协议和控制比较复杂，如我们前面提到
的逐段链路的流量控制，差错控制，还有代码、速率的变换方
法和接口，网络的管理和控制的智能化等。这些复杂的协议使
得分组交换具有很高的可靠性，但是它同时也加重了分组交换
机处理的负担，使分组交换机的分组吞吐能力和中继线速率的
进一步提高受到了限制。
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4.1.4 分组交换面临的问题
从这些优缺点可以看出，分组交换技术对语音 (电话 )通信
和高速数据通信 (2.048 Mb/s以上 )是不适应的，它难以满足对实
时性要求比较高的电话和视频等业务。这是由于分组交换技术
的产生背景是通信网以模拟通信为主的年代，用于传输数据的
信道大多数是频分制的电话信道，这种信道的数据传输速率一
般不大于 9.6 kb/s，误码率为 10-4～ 10-5。这样的误码率不能满
足数据通信的要求，通过进行复杂的控制，一方面实现了信道
的多路复用，同时把误码率提高到小于 10-11的水平，满足了绝
大多数数据通信的要求。
第 4章 分组交换技术
随着分组交换技术的发展，其性能在不断地提高，功能在
不断地完善。分组交换机的分组处理能力由初期的 100个分组每
秒发展到今天的几万个分组每秒，数据分组通过交换机的时延
从几十毫秒缩短到不到 1毫秒，分组交换机之间的中继线速率由
9.6 kb/s提高到 2.048 Mb/s。但是到了 20世纪 90年代，用户对数
据通信网的速率提出了更高的要求，而采用现有分组交换技术
的分组交换系统的能力几乎达到了极限，因此人们又开始研究
新的分组交换技术。
第 4章 分组交换技术
为了进一步提高分组交换网的分组吞吐能力和传输速率，
一方面要提高信道的传输能力，另一方面要发展新的分组交换
技术。光纤通信技术的发展为分组交换技术的发展开辟了新的
道路。光纤通信具有容量大 (高速 )、质量高 (低误码率 )等特点，
光纤的数字传输误码率小于 10-9，光纤数字传输系统能提供 40
Gb/s的速率，通常提供 2 Mb/s和 34 Mb/s信道。在这种通信信道
条件下，分组交换中逐段的差错控制、流量控制就显得没有必
要，因此快速分组交换 FPS(Fast Packet Switching)技术迅速地发
展起来。
第 4章 分组交换技术
快速分组交换可以理解为尽量简化协议，只具有核心的网
络功能，可提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换方式。帧
中继作为快速分组交换 FPS的一种，是在分组交换的基础上发
展起来的，它对其复杂的协议进行了简化，可以更好地适应数
字传输的特点，能够给用户提供高速率、低时延的业务，所以
近年来得到了迅速的发展。
第 4章 分组交换技术
4.2 分组交换原理
4.2.1 统计时分复用
正如绪论中所介绍的，在数字传输中，为了提高数字通信
线路的利用率，可以采用时分复用的方法。而时分复用有同步
时分复用和统计时分复用两种。分组交换中采用了统计时分复
用的概念，它在给用户分配资源时，不像同步时分那样固定分
配，而是采用动态分配 (即按需分配 )，只有在用户有数据传送
时才给它分配资源，因此线路的利用率较高。
第 4章 分组交换技术
分组交换中，执行统计复用功能的是具有存储能力和处理
能力的专用计算机 —— 信息接口处理机 (IMP)。 IMP要完成对数
据流进行缓冲存储和对信息流进行控制的功能，以解决各用户
争用线路资源时产生的冲突。当用户有数据传送时,IMP给用
户分配线路资源，一旦停发数据，则线路资源另作它用。图 4.1
所示为 3个终端采用统计时分方式共享线路资源的情况。
第 4章 分组交换技术
图 4.1 统计时分复用
b y 2 1 x a
复
用
器
b a
2 1
y x
终端 A
终端 B
终端 C
空闲
标记
第 4章 分组交换技术
我们来看看具体的工作过程。来自终端的各分组按到达的
顺序在复用器内进行排队，形成队列。复用器按照 FIFO的原则，
从队列中逐个取出分组向线路上发送。当存储器空时，线路资
源也暂时空闲，当队列中又有了新的分组时，又继续进行发送。
图 4.1中，起初 A用户有 a分组要传送,B用户有 1,2分组要传送，
C用户有 x分组要传送，它们按到达顺序进行排队,a,x,1,2，
因此在线路上的传送顺序为,a,x,1,2，然后终端均暂时无
数据传送，则线路空闲。后来，终端 C有 y分组要送，终端 A有 b
分组要送，则线路上又顺序传送 y分组和 b分组。这样，在高速
传输线上，形成了各用户分组的交织传输。输出的数据不是按
固定时间分配，而是根据用户的需要进行的。这些用户数据的
区分不像同步时分复用那样靠位置来区分，而是靠各个用户数
据分组头中的“标记”来区分的。
第 4章 分组交换技术
统计时分复用的优点是可以获得较高的信道利用率。由于
每个终端的数据使用一个自己独有的“标记”，可以把传送的
信道按照需要动态地分配给每个终端用户，因此提高了传送信
道的利用率。这样每个用户的传输速率可以大于平均速率，最
高时可以达到线路的总的传输能力。如线路总的速率为 9.6 kb/s，
3个用户信息在该线路上进行统计时分复用时的平均速率为 3.2
kb/s，而一个用户的传输速率最高时可以达到 9.6 kb/s。
统计时分复用的缺点是会产生附加的随机时延并且有丢失
数据的可能。这是由于用户传送数据的时间是随机的，若多个
用户同时发送数据，则需要进行竞争排队，引起排队时延；若
排队的数据很多，引起缓冲器溢出，则会有部分数据被丢失。
第 4章 分组交换技术
4.2.2 逻辑信道
在统计时分复用中，虽然没有为各个终端分配固定的时隙，
但通过各个用户的数据信息上所加的标记，仍然可以把各个终
端的数据在线路上严格地区分开来。这样，在一条共享的物理
线路上，实质上形成了逻辑上的多条子信道，各个子信道用相
应的号码表示。图 4.2中在高速的传输线上形成了分别为三个用
户传输信息的逻辑上的子信道。我们把这种形式的子信道称为
逻辑信道，用逻辑信道号 LCN(Logical Channel Number)来标识。
逻辑信道号由逻辑信道群号及群内逻辑信道号组成，二者统称
为逻辑信道号 LCN。在统计复用器 STDM中建立了终端号和逻辑
信道号的对照表，网络通过 LCN就可以识别出是哪个终端发来
的数据，如图 4.2所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.2 逻辑信道的概念示意
终端
终端 1
终端 2
终端 n
…
255
254
201
255
254
201
进程
进程
进程
逻辑信道
线路
计算机
…
…
第 4章 分组交换技术
逻辑信道具有如下特点：
(1) 由于分组交换采用动态统计时分复用方法，因此是在终
端每次呼叫时，根据当时的实际情况分配 LCN的。要说明的是，
同一个终端可以同时通过网络建立多个数据通路，它们之间通
过 LCN来进行区分。对同一个终端而言，每次呼叫可以分配不
同的逻辑信道号，但在同一次呼叫连接中，来自某一个终端的
数据的逻辑信道号应该是相同的。
第 4章 分组交换技术
(2) 逻辑信道号是在用户至交换机或交换机之间的网内中继
线上可以被分配的、代表子信道的一种编号资源。每一条线路
上，逻辑信道号的分配是独立进行的。也就是说，逻辑信道号
并不在全网中有效，而是在每段链路上局部有效，或者说，它
只具有局部意义。网内的节点机要负责出 /入线上逻辑信道号的
转换。
(3) 逻辑信道号是一种客观的存在。逻辑信道总是处于下列
状态中的某一种：“准备好”状态、“呼叫建立”状态、“数
据传输”状态、“呼叫清除”状态。
第 4章 分组交换技术
4.2.3 虚电路和数据报
如前所述，在分组交换网中，来自各个用户的数据被分成
一个个分组，这些分组将沿着各自的逻辑信道，从源点出发，
经过网络达到终点。问题是：分组是如何通过网络的？分组在
通过数据网时有两种方式：虚电路 VC(Virtual Circuit)方式和数
据报 DG(DataGram)方式。两种方式各有其特点，可以适应不同
业务的需求。
第 4章 分组交换技术
1．虚电路方式
两终端用户在相互传送数据之前要通过网络建立一条端到
端的逻辑上的虚连接，称为虚电路。一旦这种虚电路建立以后，
属于同一呼叫的数据均沿着这一虚电路传送。当用户不再发送
和接收数据时，清除该虚电路。在这种方式中，用户的通信需
要经历连接建立、数据传输、连接拆除三个阶段，也就是说，
它是面向连接的方式。
第 4章 分组交换技术
需要强调的是，分组交换中的虚电路和电路交换中建立的电
路不同。不同之处在于：在分组交换中，以统计时分复用的方式
在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，两个用户终端之间
建立的是虚连接；而电路交换中，是以同步时分方式进行复用的，
两用户终端之间建立的是实连接。在电路交换中，多个用户终端
的信息在固定的时间段内向所复用的物理线路上发送信息，若某
个时间段某终端无信息发送，其它终端也不能在分配给该用户终
端的时间段内向线路上发送信息。而虚电路方式则不然，每个终
端发送信息没有固定的时间，它们的分组在节点机内部的相应端
口进行排队，当某终端暂时无信息发送时，线路的全部带宽资源
可以由其它用户共享。换句话说，建立实连接时，不但确定了信
息所走的路径，同时还为信息的传送预留了带宽资源；而在建立
虚电路时，仅仅是确定了信息所走的端到端的路径，但并不一定
要求预留带宽资源。我们之所以称这种连接为虚电路，正是因为
每个连接只有在发送数据时才排队竞争占用带宽资源。
第 4章 分组交换技术
如图 4.3所示，网中已建立起两条虚电路,VC1,A— 1—
2— 3— B,VC2,C— 1— 2— 4— 5— D。所有 A— B的分组均沿着
VC1从 A到达 B，所有 C— D的分组均沿着 VC2从 C到达 D，在 1—
2之间的物理链路上,VC1,VC2共享资源。若 VC1暂时无数据
可送时，网络将保持这种连接，但将所有的传送能力和交换机
的处理能力交给 VC2，此时 VC1并不占用带宽资源。
第 4章 分组交换技术
图 4.3 虚电路示意图
c
b
a
3
2
1
3
2
1
3 2 1
c
b
a
节点机 3 节点机 4
终端 A
终端 C
节点机 1
节点机 2 节点机 5
终端 B
终端 D
V C 1
V C 2
3
2
1
c
b
a
3
2
1
c
b
a
第 4章 分组交换技术
虚电路的特点是：
(1) 虚电路的路由选择仅仅发生在虚电路建立的时候，在以
后的传送过程中，路由不再改变，这可以减少节点不必要的通
信处理。
(2) 由于所有分组遵循同一路由，这些分组将以原有的顺序
到达目的地，终端不需要进行重新排序，因此分组的传输时延
较小。
(3) 一旦建立了虚电路，每个分组头中不再需要有详细的目
的地地址，而只需有逻辑信道号就可以区分每个呼叫的信息，
这可以减少每一分组的额外开销。
第 4章 分组交换技术
(4) 虚电路是由多段逻辑信道构成的，每一个虚电路在它经
过的每段物理链路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级连
构成了端到端的虚电路。
(5) 虚电路的缺点是当网络中线路或者设备发生故障时，可
能导致虚电路中断，必须重新建立连接。
(6) 虚电路的使用场合：虚电路适用于一次建立后长时间传
送数据的场合，其持续时间应显著大于呼叫建立时间，如文件
传送、传真业务等。
第 4章 分组交换技术
虚电路分为两种：交换虚电路 SVC(Switching Virtual Circuit)
和永久虚电路 PVC (Permanent Virtual Circuit)。
交换虚电路 SVC是指在每次呼叫时用户通过发送呼叫请求
分组来临时建立虚电路的方式。如果应用户预约，由网络运营
者为之建立固定的虚电路，就不需要在呼叫时再临时建立虚电
路，而可以直接进入数据传送阶段了，这种方式称之为 PVC。
这种方式一般适用于业务量较大的集团用户。
第 4章 分组交换技术
2．数据报方式
在数据报方式中，交换节点将每一个分组独立地进行处理，
即每一个数据分组中都含有终点地址信息，当分组到达节点后，
节点根据分组中包含的终点地址为每一个分组独立地寻找路由，
因此同一用户的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，在网
络的终点需要重新排队，组合成原来的用户数据信息。
如图 4.4所示，终端 A有三个分组 a,b,c要送给 B，在网络
中，分组 a通过节点 2进行转接到达 3,b通过 1— 3之间的直达路
由到达 3,c通过节点 4进行转接到达 3。由于每条路由上的业务
情况 (如负荷量、时延等 )不尽相同，三个分组的到达不一定按
照顺序，因此在节点 3要将它们重新排序，再送给 B。
第 4章 分组交换技术
图 4.4 数据报方式示意图
c b a
节点机 1
节点机 2
节点机 4
c
b
a
节点机 3
c b a
终端 A
终端 B
第 4章 分组交换技术
数据报的特点是：
(1) 用户的通信不需要有建立连接和清除连接的过程，可以
直接传送每个分组，因此对于短报文通信效率比较高；
(2) 每个节点可以自由地选路，可以避开网中的拥塞部分，
因此网络的健壮性较好。对于分组的传送比虚电路更为可靠，
如果一个节点出现故障，分组可以通过其它路由传送。
(3) 数据报方式的缺点是：分组的到达不按顺序，在终点各
分组需重新排队；并且每个分组的分组头要包含详细的目的地
址，开销比较大。
(4) 数据报的使用场合：数据报适用于短报文的传送，如询
问 /响应型业务等。
第 4章 分组交换技术
4.3 X.25 协 议
4.3.1 分层结构
X.25建议是数据终端设备 DTE(Digital Terminal Equipment)与
数据电路终接设备 DCE(Data Circuit-terminating Equipment)之间
的接口协议。 1976年,ITU-T首次通过了 X.25协议，并于 1980年、
1984年,1988年多次作了修改。它为利用分组交换网的数据传
输系统在 DTE和 DCE之间交换数据和控制信息规定了一个技术
标准。
X.25协议分为三层：物理层，链路层和分组层，分别和 OSI
的下三层一一对应，如图 4.5所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.5 X.25协议的分层结构
分组层
数据
链路层
?
帧级协议
分组层
数据
链路层
物理层 物理层
物理级协议
物理媒介
X, 2 5
高层协议
与远程 D T E 之 间的
高层协议
分组级协议
D T E D C E
第 4章 分组交换技术
4.3.2 物理层
物理层定义了 DTE和 DCE之间建立、维持、释放物理链路
的过程，包括机械、电气、功能和过程特性，相当于 OSI的物理
层。
X.25的物理层就像是一条输送信息的管道，它不执行重要
的控制功能，控制功能主要由链路层和分组层来完成。
第 4章 分组交换技术
4.3.3 数据链路层
链路层规定了在 DTE和 DCE之间的线路上交换 X.25帧的过
程。链路层规程用来在物理层提供的双向的信息传送管道上实
施信息传输的控制。链路层的主要功能有：
(1) 在 DTE和 DCE之间有效地传输数据；
(2) 确保接收器和发送器之间信息的同步；
(3) 监测和纠正传输中产生的差错；
(4) 识别并向高层协议报告规程性错误；
(5) 向分组层通知链路层的状态。
第 4章 分组交换技术
数据链路层处理的数据结构是帧。 X.25的链路层采用了高
级数据链路控制规程 HDLC(High-Level Data Link Control)的帧
结构，并推荐它的一个子集平衡型链路接入规程 LAPB(Link
Access Procedures Balanced)作为链路层规程。它通过置异步平
衡方式 (SABM)命令要求建立链路。用 LAPB建立链路只需要由
两个站中的任意一个站发送 SABM命令，另一站发送 UA响应即
可以建立双向的链路。
第 4章 分组交换技术
1．帧结构
图 4.6 LAPB的帧结构
F A C I F C S F
帧头 信息字段 帧尾
第 4章 分组交换技术
(1) 标志 F：为帧标志，编码为 01111110。 F为帧的限定符，
所有的帧都应以 F开始和结束。
(2) 地址字段 A：由一个 8比特组组成，表示链路层的地址。
(3) 信息字段 I：为传输用户信息而设置的，用来装载分组层
的数据分组，其长度可变。在 X.25中，长度限额一般为一个分
组长度，即 128字节或 256字节。
(4) 帧校验序列 FCS：包含在每个帧的尾部，长度为 16比特，
用来检测帧的传送过程中是否有错。 FCS采用循环冗余码，可以
用移位寄存器实现。
第 4章 分组交换技术
(5) 控制字段 C：由一个 8比特组组成，主要作用是指示帧的
类型。在 X.25中共定义了三类帧：
① 信息帧 (I帧 )：由帧头、信息字段 I和帧尾组成。 I帧用于
传输高层的信息，即在分组层之间交换的分组，分组包含在 I帧
的信息字段中。 I帧的 C字段的第 1个比特为,0”，这是识别 I帧
的惟一标志，第 2～ 8比特用于提供 I帧的控制信息，其中包括发
送顺序号 N(S)，接收顺序号 N(R)，探寻位 P，这些字段用于链路
层差错控制和流量控制。
第 4章 分组交换技术
② 监控帧 (S帧 )：没有信息字段，其作用是用来保护 I帧的
正确传送。监控帧的标志是 C字段的第 2,1位为,01”。监控帧
有 3种：接收准备好 (RR)，接收未准备好 (RNR)和拒绝帧 (REJ)。
RR用于在没有 I帧发送时向对端发送肯定证实信息； REJ用于
重发请求； RNR用于流量控制，通知对端暂停发送 I帧。
第 4章 分组交换技术
③ 无编号帧 (U帧 )：其作用不是用于实现信息传输的控制，
而是用于实现对链路的建立和断开过程的控制。识别无编号帧
的标志是 C字段的第 2,1位为,11”。无编号帧包括：置异步平
衡方式 (SABM)，断链 (DISC)，已断链方式 (DM)，无编号确认
(UA)，帧拒绝 (FRMR)等。其中,SABM,DISC分别用于建立
链路和断开链路,UA和 DM分别为 SABM,DISC进行肯定和否
定的响应,FRMR表示接收到语法正确但语义不正确的帧，它
将引起链路的复原。
各种帧的作用见表 4.1所示。
第 4章 分组交换技术
表 4.1 X.25数据链路层的帧类型
分 类 名 称 缩写 作 用
信息帧 — I 帧 传输用户数据
接收准备好 RR 向对方表示已经准备好接收下一个 I 帧
接收未准备好 R N R 向对方表示“忙”状态，这意味着暂时不能接收新的 I 帧 监控帧
拒绝帧 R E J 要求对方重发编号从 N (R ) 开始的 I 帧
置异步平衡方式 S A B M 用于在两个方向上建立链路
断链 D IS C 用于通知对方，断开链路的连接
已断链方式 DM 表示本方已与链路处于断开状态，并对 S A B M 做否定应答
无编号确认 UA 对 S A B M 和 D IS C 的肯定 应答
无编
号帧
帧拒绝 F R M R 向对方报告出现了用重发帧的办法不能恢复的差错状态，
将引起链路的复原
第 4章 分组交换技术
2．链路操作过程
数据链路层的操作分为三个阶段：链路建立，帧的传输和
链路断开。
1) 链路建立
DTE通过发送连续的标志 F来表示它能够建立数据链路。
原则上,DTE或 DCE都可以启动数据链路的建立，但一般
是由 DTE在接入时启动的。在开始建立数据链路之前,DCE或
DTE都能够启动链路断开过程，以确保双方处于同一阶段。
DCE还能主动发起 DM响应帧，要求 DTE启动链路建立过程。
第 4章 分组交换技术
图 4.7 链路建立的过程
D T E D C E
S A B M
UA
第 4章 分组交换技术
这里以 DTE发起过程为例来说明链路建立的过程。如图 4.7
所示,DTE通过向 DCE发送置异步平衡方式 SABM命令启动数
据链路建立过程,DCE接收到后，如果认为它能够进入信息传
送阶段，它将向 DTE回送一个 UA响应帧，则数据链路建立成功；
DCE接收到后，如果它认为不能进入信息传送阶段，它将向
DTE回送一个 DM响应帧，则数据链路未建立。
链路建立的过程如图 4.7所示。
第 4章 分组交换技术
2) 帧的传输
当链路建立之后，就进入信息传输阶段，即在 DTE和 DCE
之间交换 I帧和 S帧。 I帧的传输控制是通过帧的顺序编号和确认、
链路层的窗口机制和链路传输计时器等功能来实现的。具体实
现过程不再详细介绍，有兴趣的读者请参阅 X.25的协议。
第 4章 分组交换技术
3) 链路断开过程
链路断开过程是一个双向的过程，可由任意方发起。这里
以 DTE发起为例来说明链路断开的过程。若 DTE要求断开链路，
它向 DCE发送 DISC命令帧，若 DCE原来处于信息传输阶段，
则用 UA响应帧确认，即完成断链过程；若 DCE原来已经处于
断开阶段，则用 DM响应帧确认。
链路断开的过程如图 4.8所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.8 链路断开的过程
D T E D C E
D I S C
UA
第 4章 分组交换技术
4.3.4 分组层
X.25的分组层利用链路层提供的服务在 DTE— DCE接口上
交换分组。它将一条数据链路按统计时分复用的方法划分为许
多个逻辑信道，允许多台计算机或终端同时使用，以充分利用
数据链路的传输能力和交换机资源，实现通信能力和资源的按
需分配。
在分组层，交换机要为用户提供交换虚电路 (SVC)和永久虚
电路 (PVC)，并为每次呼叫提供一个逻辑信道，进行有效的分组
传输，包括顺序编号，分组的确认和流量控制过程等。
第 4章 分组交换技术
1．分组格式
X.25的分组层定义了每一种分组的类型和功能。分组的格
式如图 4.9所示，它由分组头和分组数据两部分组成。
图 4.9 X.25的分组格式
8 7 6 5 4 3 2 1
G F I L C G N
L C N
分组类型识别符
分组数据
分组头
第 4章 分组交换技术
(1) 通用格式识别符 GFI：包含 4 bit，它为分组定义了一组
通用功能。 GFI的格式如图 4.10所示。其中,Q比特用来区分传
输的分组包含的是用户数据还是控制信息,Q=0时为用户数据，
Q=1时为控制信息。 D比特用来区分数据分组的确认方式,D=0
表示数据分组由本地确认 (在 DTE— DCE接口上确认 ),D=1表示
数据分组进行端到端 (DTE— DTE)确认。 SS=01表示按模 8方式
工作,SS=10表示按模 128方式工作。
图 4.10 分组头 GFI的格式
8 7 6 5
Q D S S
第 4章 分组交换技术
(2) 逻辑信道群号 LCGN和逻辑信道号 LCN：共 12 bit，用于
区分 DTE— DCE接口上许多不同的逻辑信道。 X.25分组层规定
一条数据链路上最多可分配 16个逻辑信道群，各群用 LCGN区
分；每群内最多可有 256条逻辑信道，用信道号 LCN区分。除了
第 0号逻辑信道有专门用途外，其余 4095条逻辑信道均可分配给
虚电路使用。
(3) 分组类型识别符：共 8 bit，用来区分各种不同的分组。
X.25的分组层共定义了 4大类 30个分组。分组类型如表 4.2所示。
第 4章 分组交换技术
表 4.2 X.25定义的分组类型
类 型 D T E? D CE D CE? D T E 功 能
呼叫建立分组
呼叫请求
呼叫接受
入呼叫
呼叫连接
在两个 D T E 之间建立 S V C
数据分组 D T E 数据 D CE 数据 两个 D T E 之间传送用户数据
流量控制分组
D T E RR
D T E RN R
D T E RE J
D CE RR
D CE RN R
流量控制
中断分组
D T E 中断
D T E 中断证实
D CE 中断
D CE 中断证实
加速传送重要数据
数据传送
分组
登记分组 登记请求 登记证实 申请或停止可选业务
复位分组
复位请 求
D T E 复位证实
复位指示
D CE 复位证实
复位一个 S V C
重启动分组
重启动请求
D T E 重启动证实
重启动指示
D CE 重启动证实
重启动所有 S V C
恢复分组
诊断分组 — 诊断 诊断
呼叫清除分组
清除请求
D T E 清除证实
清除指示
D CE 清除证实
释放 S V C
第 4章 分组交换技术
2．分组层处理过程
分组层定义了 DTE和 DCE之间传输分组的过程。
如前所述,X.25支持两类虚电路连接：交换虚电路 (SVC)和
永久虚电路 (PVC)。 SVC要在每次通信时建立虚电路，而 PVC是
由运营商设置好的，不需要每次建立。因此，对于 SVC来说，
分组层的操作包括呼叫建立、数据传输、呼叫清除三个阶段；
而对于 PVC来说，只有数据传输阶段的操作，无呼叫建立和清
除过程。
第 4章 分组交换技术
1) SVC的呼叫建立过程
正常的呼叫建立过程如图 4.11所示。当主叫 DTE1想要建立
虚呼叫时，它就在至交换机 A的线路上选择一个逻辑信道 (图中
为 253)，并发送呼叫请求分组，如表 4.3所示。该“呼叫请求”
分组中包含了可供分配的高端 LCN和被叫 DTE地址。
表 4.3中，前三个字节为分组头,GFI,LCGN,LCN的意义
如前所述，第三个字节即分组类型识别符为 00001011，表示这
是一个呼叫请求分组。在数据部分包含有详细的被叫 DTE地址
和主叫 DTE地址。
第 4章 分组交换技术
表 4.3 呼叫请求分组的格式
G F I L CG N
L CN
0 0 0 0 1 0 1 1
主叫 D T E 地址长度 被叫 D T E 地址长度
被叫 D T E 地址
被叫 D T E 地址 0 0 0 0
主叫 D T E 地址
主叫 D T E 地址 0 0 0 0
其它信息
第 4章 分组交换技术
源端交换机 A收到 DTE1送来的呼叫请求分组后，要根据被
叫 DTE的地址判断被叫 DTE所连接的终端交换机 C，然后查 A的
路由表选择去往终端交换机 C的路由。假设选择的路由要经过交
换机 B进行转接,则交换机 A将该呼叫请求分组转换成网络内部
规程格式，转发至交换机 B，然后再通过交换机 B传送到终端交
换机 C。为了理解容易，这里我们假设网络内部也采用 X.25协议
进行虚电路连接。这样，每个交换机进行路由选择后，都要选择
一个逻辑信道将该分组传送到下一交换机或被叫终端。由于每一
段线路上所选择的 LCN并不相同，因此每个交换机中要建立一张
转发表，表示入端 LCN和出端 LCN之间的映射关系。
第 4章 分组交换技术
图 4.11中表 (a),(b),(c)分别是交换机 A,B,C中建立的转
发表。表 (a)表示从入端口 DTE1的 253号逻辑信道来的信息要转
发至出端口 B交换机的 20号逻辑信道，表 (b)表示了从入端口交
换机 A的 20号逻辑信道来的信息要转发至出端口交换机 C的 78号
逻辑信道，此时终端交换机 C再将网络规程格式的呼叫请求分
组转换为入呼叫分组，并选择一个逻辑信道发送给被叫 DTE2。
表 (c)则表示了从入端口交换机 B的 78号逻辑信道来的信息要通
过 10号逻辑信道发送至被叫 DTE2。
第 4章 分组交换技术
图 4.11 呼叫建立过程
D T E 1 253
入 L C N
B
出
20
L C N
C
L
CN
/ 2
0
A
B
D
A 20
入 L C N
C
出
78
L C N
表 ( b )
L C N / 2 5 3
D T E 1
( 主叫 )
D T E 2
( 被叫 )
B 78
入 L C N
D T E 2
出
10
L C N
表 ( a ) 表 ( c )
呼叫请求分组
L CN
/ 2
5 3
建立
L CN
/ 2
0
建立
L CN
/ 7
8
入呼叫
L CN
/1
0
呼叫接受
L CN
/ 1
0
接受
L CN
/ 7
8
接受
L CN
/ 2
0
呼叫连接
L CN
/2
5 3
L
CN
/ 7
8
L C N / 1 0
第 4章 分组交换技术
若被叫 DTE2可以接受呼叫，则向交换机 C发送“呼叫接受”
分组，表示同意建立虚电路，该分组中的 LCN必须与“入呼叫”
分组中的 LCN(10)相同。交换机 C接收到“呼叫接受”分组之后，
通过网络规程传送到交换机 B，交换机 B再送给交换机 A，交换
机 A发送呼叫连接分组到主叫 DTE1,此呼叫连接分组中的 LCN
与呼叫请求分组中的 LCN(253)相同。主叫 DTE接收到呼叫连接
分组之后，表示主叫 DTE和被叫 DTE之间的虚电路已经建立。此
时，可以进入数据传输阶段。
第 4章 分组交换技术
2) 数据传输阶段
当主叫 DTE和被叫 DTE之间完成了虚呼叫的建立之后，就进
入了数据传输阶段,DTE 和 DCE对应的逻辑信道就进入数据传
输状态。此时，在两个 DTE之间交换的分组包括数据分组、流量
控制分组和中断分组。
第 4章 分组交换技术
无论是 PVC，还是 SVC，都有数据传输阶段。在数据传输阶
段，交换机的主要作用是逐个转发分组。由于虚电路已经建立，
属于该虚电路的分组将顺序沿着这条虚电路进行传输，此时分
组头中将不再需要包含目的地的详细地址，而只需要有逻辑信
道号即可。在每个交换节点上，要将分组进行存储，然后进行
转发。转发是指根据分组头中的 LCN查相应的转发表，找到相
应的出端口和出端的 LCN，用该 LCN替换分组头中的入端口
LCN，然后将分组在指定的出端口进行排队，等到有空闲资源
时，将分组传送至线路上。
第 4章 分组交换技术
3) SVC的呼叫清除过程
在虚电路任何一端的 DTE都能够清除呼叫。呼叫清除过程
将导致与该呼叫有关的所有网络信息被清除，所有网络资源被
释放。
呼叫清除的过程如图 4.12所示。主叫 DTE1发送清除请求分
组给交换机 A，再通过网络到达交换机 C，交换机 C发清除指示
分组给被叫 DTE2，被叫 DTE2用清除证实分组予以响应。该清
除证实分组送到交换机 C，再通过网络传到交换机 A，交换机 A
再发送清除证实到主叫 DTE1。完成清除协议之后，虚呼叫所占
用的所有逻辑信道都被释放。
第 4章 分组交换技术
图 4.12 呼叫清除过程
清除请求
清除
清除
清除指示
清除证实
证实
证实
清除证实
D T E 1
( 主叫 ) 交换机 A 交换机 B 交换机 C
D T E 2
( 被叫 )
X, 2 5 X, 2 5
第 4章 分组交换技术
4.4 分 组 交 换 机
4.4.1 分组交换机在分组网中的作用
1．虚电路方式下分组交换机的作用
(1) 路由选择。呼叫建立阶段，分组交换机要按照用户的要
求进行路由选择，在源点和终点的用户终端设备之间建立起一
条虚电路，在这个虚电路所经过的每段链路上，都有一个逻辑
信道来传送属于该虚电路的信息。因此，在选择路由的同时，
交换机内部要建立起一张出 /入端与逻辑信道号之间的映射关系，
即转发表，以便属于该虚电路的分组均沿着同一条虚电路到达
终点。在呼叫拆除阶段，交换机要负责拆除虚电路，释放每段
链路上的逻辑信道资源。
第 4章 分组交换技术
(2) 分组的转发，即按转发表进行转发分组。在信息传输
阶段，交换机要按照转发表中的映射关系，把某一入端逻辑信
道中送来的分组信息转发到对应的出端，进行排队，当出端口
有相应的带宽时，在对应的逻辑信道中转发出去。
第 4章 分组交换技术
2．数据报方式下分组交换机的作用
数据报方式下不需要进行连接建立和连接拆除的过程，只
有信息的传送过程。此时，每个交换机对来自用户的每个分组
都要进行路由的选择。一旦选好路由，就将该分组直接进行转
发，而不需要转发表。当下一分组到来时，再重新进行路由选
择。
第 4章 分组交换技术
4.4.2 分组交换机的功能结构
由于 ITU-T只对分组交换网和终端之间的互连方式作了规范，
而对网内的设备如交换机之间的协议并未作规范，因此各个厂
家的内部协议并不统一，生产的分组交换机也是多种多样，不
尽相同，但其完成的基本功能是一样的。从功能上讲，分组交
换机一般由 4个主要功能部件组成：接口模块、分组处理模块、
控制模块和维护操作与管理模块，如图 4.13所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.13 分组交换机的功能结构
(a) 虚电路方式； (b) 数据报方式
转发控制 转发表
连接建立与转发控制
路由表
呼叫处理
信令
接
口
控
制
接
口
控
制
控制模块
分组处理
模块
中继接口
模块
用户接口
模块
维护操作与管理模块
路由表
地址
接
口
控
制
接
口
控
制
控制模块
分组处理
模块
中继接口
模块
用户接口
模块
维护操作与管理模块
信息
地址
信息
转发控制
转发控制
( a )
( b )
信令
第 4章 分组交换技术
1．接口功能模块
接口功能模块负责分组交换机和用户终端之间或与其它交
换机之间的互连，包括中继接口模块和用户接口模块。接口功
能模块完成接口的物理层功能，定义了用户线和中继线接入分
组交换机时的物理接口，包括机械、电气、功能、规程等特性。
分组交换机中常用的物理接口包括 ITU-T的 X.21,X.21 bis、
V.24等。 X.21是一种高速物理层接口，可以支持高达 10 Mb/s的
链路速率，适用于全数字网。 X.21 bis和 V.24兼容，两者的电气
接口都采用 V.28，即著名的 RS-232，可以支持直至 19.2 kb/s的
链路速率。
第 4章 分组交换技术
2．分组处理模块
分组处理模块的主要任务是实现分组的转发。在采用虚电
路和数据报的情况下处理稍有不同。
在数据报情况下，分组处理模块将从接口上送来的分组按
照分组头上的目的地址进行路由选择后，从另一接口转发出去。
若采用虚电路方式，在信息传输阶段，分组处理模块将从
接口上送来的分组按照分组头上的逻辑信道号按转发表的要求
从另一接口转发出去。此时交换模块对接收到的分组进行严格
的检查，交换机中保存每一个虚呼叫的状态，据此检查接受的
分组是否和其所属呼叫的状态相容，这样可以对分组进行流量
控制。
第 4章 分组交换技术
3．控制模块
控制模块完成对分组处理模块和接口模块的控制。控制模
块的作用主要有两个：
(1) 连接建立与转发控制。在虚电路和数据报的情况下，处
理稍有不同：
? 对于虚电路方式：如图 4.13(a)所示，在呼叫建立阶段，控
制模块根据用户的呼叫要求 (信令信息 )进行呼叫处理，并根据
路由表进行路由选择，以建立虚电路并生成转发表；而在信息
传输阶段，要按照转发表，控制分组的转发过程。
? 对于数据报方式：只有信息传输阶段，如图 4.13(b)所示，
交换机根据分组头的地址信息查询路由表，直接将分组进行转
发，不需要进行呼叫处理和生成转发表。
第 4章 分组交换技术
(2) 接口控制。完成 X.25链路层的功能，如差错控制和流
量控制。在 X.25中，数据链路层要进行逐段链路上的差错控制
和流量控制，这是靠 I帧和 S帧的 C字段中的发送顺序号 N(S)、
接收顺序号 N(R)、探寻 /最终位 P/F等进行的，包括帧的确认、
重发机制、窗口机制等控制措施；在分组层，要对每条虚电路
进行差错控制和流量控制，其控制机理与链路层相似，但控制
的层次不同。
第 4章 分组交换技术
4．维护操作与管理模块
该模块完成对分组交换机各部分的维护操作和管理功能。
第 4章 分组交换技术
4.4.3 分组交换机的指标体系
衡量一个分组交换机的性能指标主要有以下几种：
(1) 分组吞吐量：表示每秒通过交换机的数据分组的最大数
量。在给出该指标时，必须指出分组长度，通常为 128字节 /分
组。一般小于 50分组 /秒的为低速率交换机,50～ 500分组 /秒的
为中速率交换机，大于 500分组 /秒的为高速率交换机。
分组吞吐量常用业务量发生器测试。业务量发生器与分组
交换机的两个端口分别相连，一个用于发送，另一个用于接收。
在分组交换机的处理能力达到极限之前的最大分组发送速率即
为分组交换机的分组吞吐量。
第 4章 分组交换技术
(2) 链路速率：指交换机能支持的链路的最高速率。一般小
于 19.2 kb/s的为低速率链路,19.2～ 64 kb/s的为中速率链路，大
于 64 kb/s为高速率链路。
(3) 并发虚呼叫数：指的是交换机可以同时处理的虚呼叫数。
(4) 平均分组处理时延：指的是将一个数据分组从输入端口
传送至输出端口所需的平均处理时间。在给出该指标时也必须
指出分组长度。
(5) 可靠性：包括硬件可靠性和软件可靠性。可靠性用平均
故障间隔时间 MTBF来表示。
第 4章 分组交换技术
(6) 可利用度：指的是交换机运行的时间比例，它与硬件
故障的平均修复时间及软件故障的恢复时间有关。平均故障修
复时间 MTTR是指从出现故障开始到排除故障，网络恢复正常
工作为止的时间。可用性 A可以用平均故障间隔时间 MTBF和
平均故障修复时间 MTTR来表示：
(7) 提供用户可选补充业务和增值业务的能力：指交换机给
用户提供的业务除基本业务外，还能提供哪些供用户可选的补
充业务和增值业务。
M T T RM T BF
M T BFA
??
第 4章 分组交换技术
4.4.4 DPN-100型分组交换机
我国分组交换骨干网 CHINAPAC统一使用北方电讯的 DPN-
100分组交换机，因此下面以 DPN-100为例来介绍典型的分组交
换机。
1,DPN-100的技术特点
DPN-100的技术特点包括：
(1) 模块化的网络结构。 DPN-100分组交换机采用模块化结
构。其中，中、小型交换机是由两种标准模块组成的,接入模
块 AM和资源模块 RM。而大型分组交换机采用 5种模块，除 AM、
RM之外，还有中继线模块 TM、网络链路模块 NLM和 DMS总线。
第 4章 分组交换技术
(2) 智能化的路由选择方法。 DPN-100分组交换机在内部无
连接子网的基础上，在接口处使用虚电路提供了可靠的路由机
制。
(3) 广泛的用户接入业务和规程。 DPN-100分组交换机支持
非常广泛的规程进网，并提供一个资源共享的通信环境，将各
种不同种类的数据通信设备连接到一起。
(4) 功能完善的网络管理。 DPN-100有一个非常全面的网络
管理系统，它可以在提供高度可靠和使用方便的网络业务的同
时，满足网络运行上的管理要求，包括网络故障管理、性能管
理、配置管理、安全管理和计费管理等。
第 4章 分组交换技术
2,DPN-100交换机的结构
如前所述,DPN-100交换机属于模块化设计，它由各种不
同作用的模块构成。如图 4.14所示,AM(Access Module)和
RM(Resource Module)是构成网络的两种基本模块。 AM连接用
户到网络，即它们提供 DTE的接入功能，完成物理层接口和链
路层接口功能。 RM连接 AM到网络的其它部分，并提供数据网
络中与分组传送有关的各种功能。
第 4章 分组交换技术
图 4.14 DPN-100分组交换机的结构
RM
AM AM
到其它 RM
中继线
网络链路
到用户
AM AM AM
到用户 到用户 到用户
网络链路
线路
第 4章 分组交换技术
如图 4.14所示，网络链路 (network links)将 AM连接到网络，
可能是将一个 AM连到一个 RM上，也可能是将一个 AM连到另
一个 AM上。对于后一种情况,AM组成了一个子网或群集
(cluster)。 RM通过中继线 (trunk)连接到其它 RM，用户通过用户
线 (line)接入 AM。用户线的速率可达 64 kb/s，链路的速率可达
256 kb/s，中继线的速率可达 2.048 Mb/s。
第 4章 分组交换技术
1) 接入模块 AM
AM为用户接入线路和 DPN-100网络之间提供接口，一个
AM可以连接 200多条用户线。用户设备可能包括：主机；连接
到多个用户终端的复用设备和控制器；单个用户终端或个人计
算机；银行自动设备；局域网 (LAN)等。
AM提供连接用户的接口，包括一个连接器和物理电路以及
相关的协议。 AM的功能包括：
(1) 协议支持,DPN-100的 AM可支持 ITU-T建议的以下协议：
X.25,X.32(PSTN),X.75网关,X.3/X.28/X.29,X.31(ISDN)，
帧中继接入等；
第 4章 分组交换技术
(2) 数据集中：通常在用户接入线路上的数据流量是不连续
的，它以突发形式到达。 AM把来自多个接入线路的数据分组集
中到少数几条长距离电路上，以降低长距离电路的费用。数据
集中是 AM提供的最重要的功能之一。
(3) 本地交换：当主 /被叫两条通信线路连接到同一个 AM上
时,AM可独立完成本地数据交换，但用户之间数据交换电路的
确定必须由 RM模块完成。本地交换也可在 AM群集范围内使用。
在一个群集范围内，数据可以从一个 AM发送给下一个 AM。
第 4章 分组交换技术
(4) 虚电路控制：是指源节点和终节点的 AM在呼叫建立阶
段建立起的关于该虚电路的联系。若干条虚电路共享同样的
中继线路群、网络链路群和接入线路群，虚电路两端的 AM负
责虚电路控制，以便使网络内部数据可以绕过故障或负荷过
重的设备。这种控制功能和数据自动迂回路由对于用户来说
是透明的。
(5) 其它功能,AM还要执行一些其它的功能，包括速率
匹配、分组的组装和拆卸以及网络链路的负载平衡等。
第 4章 分组交换技术
2) 资源模块 RM
DPN-100的 RM通过网络链路与 AM连接，同时 RM通过中继
线与网络中的其它 RM连接，主要提供分组转发和呼叫路由选择
功能。
RM执行以下功能：
(1) 分组转发；
(2) 呼叫建立；
(3) 中继线控制；
(4) 网络链路和中继线的负载平衡；
(5) 分布式网络管理。
第 4章 分组交换技术
3) 模块构成
如图 4.15所示,AM和 RM具有相似的结构，但配有不同的
软件，执行不同的功能。它们都由标准电路板 —— 处理器单元
(PE)和外围接口 (PI)构成，多处理机之间由双公共总线相连接，
并配有公共存储器和磁盘等。
处理器单元 PE是模块内驱动处理过程的“发动机”，它提
供运行软件的处理能力，支持由各个模块执行的多种功能。一
个 PE是一个单板微机，包括一个 80286或 80386处理器,EPROM，
本地存储器，通用总线接口，外围总线接口等。
第 4章 分组交换技术
图 4.15 AM,RM模块的结构图
线路
PE
8 端口
PI
线路到
用户
中继线
PE
基群速率
PI
中继线到
其它 RM
链路
PE
2 端口
PI
链路到
AM 和 RM
服务器
PE
局用
PE
磁盘 PI
连接磁盘
公共存储器
双总线
公共存储器
第 4章 分组交换技术
在 PE电路板中装入不同的软件可以执行不同的功能，例如，
局用 PE(OFFICE PE)负责将软件和数据装入模块，提供相应的
路由信息和与网络管理系统的接口。每一个模块都由它自己的
OFFICE PE去控制，在每个模块中有两个 OFFICE PE，当一个
发生故障时，另一个接替它的工作。另一种是服务器 PE(Server
PE)，它用于提供网络服务，安装在 RM或 AM中。 Server PE的
主要功能是在呼叫建立时完成用户地址到路由标识的转换。
所有支持通信线路的 PE都通过外围接口 (PI)电路板实现与
线路的物理连接。 PI是在 PE和其它设备间提供物理接口的电路
板，不同的 PI可以支持不同的物理接口和通信规程。每个 PE至
多可以与 4个 PI相连。 PI可以向网络、网络链路、中继线、磁盘
等提供物理接口。
第 4章 分组交换技术
3．软件系统
DPN-100的软件是用分层结构来建立的，它提供了抽象的
多个层次。从低到高依次为：核心程序、无连接子网层、虚电
路层、应用层。
DPN-100软件的最低层是核心程序，它是与硬件关系最紧
密的部分，包括操作系统，提供产生进程和传送报文的基本功
能。核心程序在硬件层之上提供了一个“友好的环境”。
DPN-100的网络采用了“网内数据报、接口虚电路”的方
式，即它的网络内采用无连接的数据报方式，而在接口上采用
了 X.25的虚电路方式。内部网络称为子网。子网层使用网络链
路和中继线，并与路由选择策略结合，通过无连接子网提供网
络内的进程之间的通信。
第 4章 分组交换技术
虚电路层支持两个进程之间的分组数据流，并提供流量控
制和差错恢复等功能。
应用层提供终端用户服务，如 X.25或 SNA协议。
DPN-100网络支持的各种功能是由在 PE上运行的软件实现
的，包括局用 (Office)软件、网络链路和中继线软件、服务器
软件、接入规程软件和网络管理软件等。
第 4章 分组交换技术
4．交换机功能
1) 路由选择功能
如前所述,DPN-100网络在每个逻辑连接的两端提供虚电路
连接，而在网络内部，分组是在一个无连接子网上传输的。在
网络内部，每个分组都进行独立的选路，而分组的顺序性则由
网络终点的虚电路层保证。因此,DPN-100网内的路由选择是在
两个级别上进行的：
?呼叫路由选择：负责虚电路的建立。
?转发功能：提供所有分组的可靠传送，包括呼叫分组、数据分
组、控制分组和帧中继业务的可靠传送。
第 4章 分组交换技术
在 DPN-100网络上，两个用户在传送数据分组之前，必须
在它们之间建立一条虚电路。这是利用呼叫路由选择的功能来
建立的。不过，这种虚电路并不是预先确定通过网络的一条通
路，而是确定产生通信的两个端点之间的联系，这样就允许网
络在数据传输阶段为每个分组独立地确定通路。如果网络设备
发生故障或者发生网络拥塞，网络可以自动寻找新的数据路由，
绕过故障部分。也就是说,DPN-100通过使用两层路由选择机
制来选择路由，这样就综合了虚电路的优点和数据报无连接传
输的可靠性。
第 4章 分组交换技术
(1) 呼叫路由选择是指在两个终端之间建立虚电路。为了
建立一条虚电路，主叫 DTE发信号给与它相连的 AM，该信号
中包括了被叫终端的数据网络地址 (DNA)。 AM通过一个网络
链路向 RM发送呼叫请求分组，呼叫请求中包含了被叫 DTE的
地址。 RM将呼叫请求分组传送到一个称作源呼叫路由器的服
务器 (Server PE)上，源呼叫路由器决定连接被叫 DTE的应该是
哪一个 RM，并将目的 RM的标识符 RID(Resource Identifier) 放
入呼叫请求分组头中，然后将该分组回送给 RM。 RM用路由表
和分组头内的 RID将该分组传递到通往目的 RID路由上的下一
个 RM中去。下一节点重复这个过程，直到将该呼叫请求分组
送到目的 RM。
第 4章 分组交换技术
当呼叫请求分组到达目的 RM时，它仍然包含终点 DTE的
地址。 RM将呼叫请求分组传递到目的呼叫路由服务器 (Server
PE)，由它决定被叫 DTE连接到哪一个 AM上。目的呼叫路由器
将目的 AM的标识符 MID(AM Identifier)放入呼叫请求分组头中，
然后将该分组回送给 RM。 RM利用路由表和分组头中的 MID，
通过网络链路将分组送到目的 AM。
第 4章 分组交换技术
当呼叫分组到达目的 AM时，它仍然包含被叫地址,AM将
使用路由表查到与地址相符的用户线 PE，在 PE上产生一个虚电
路进程来支持呼叫，该进程的标识符为 PID(Process Identifier)。
AM向被叫 DTE发送入呼叫分组。被叫 DTE响应后,AM利用网
络向主叫回送一个呼叫接受分组，该呼叫接受分组中包含了被
叫 DTE的 RID,MID和 PID。
一旦呼叫建立，主叫虚电路进程就知道了被叫 DTE的 RID、
MID和 PID，用户数据分组按照 DPN-100分组格式改装后，在网
络内以数据报方式进行交换、传输，最后到达终点。
第 4章 分组交换技术
(2) 分组的转发。 DPN-100采用无连接子网来传输分组，因
此在每一个分组传输时，网络内部是独立选路的。 DPN-100使
用分布式最短路径算法为每一个分组选择路由，进行转发。它
能容忍中间设备的故障和拥塞，即使出现了故障和拥塞情况，
它仍然能准确快速地传递分组。
第 4章 分组交换技术
2) 网络管理功能
DPN-100网络具有一个非常完整的网络管理系统 DPN-
NMS(Network Management System)，它可以在提供高度可靠且使
用方便的网络业务的同时，满足网络运行上的管理要求。它采用
电信管理网 TMN的结构对网络进行管理，其提供的主要管理功能
如下：
(1) 网络故障管理：提供对网络设备故障的快速响应和预防
性维护能力。 DPN-100网络的故障管理能力包括：跟踪和诊断故
障、测试网络设备和部件、故障原因提示和对故障的查询及修复。
(2) 网络配置管理：生成用户端口，定义和管理网络拓扑结
构、网络软件、硬件配置和网络业务类型，并对它们进行动态控
制。
第 4章 分组交换技术
(3) 网络性能管理：收集和分析网络中数据流的流量、速
率、流向和路径的信息。
(4) 网络计费管理：收集有关网络资源使用的信息，用于
网络的规划、预算，并提供用户记账处理系统所需的计费数据。
(5) 网络安全管理：建立、保持和加强网络访问时所需的
网络安全级别和准则。
第 4章 分组交换技术
4.5 帧 中 继 技 术
4.5.1 帧中继的基本原理及技术特点
帧中继是在 OSI参考模型第二层 (数据链路层 )的基础上采用
简化协议传送和交换数据的一种技术，由于第二层的数据单元
为帧，故称之为帧中继。它是 X.25分组网在光纤传输、用户终
端日益智能化的条件下的发展。它仅完成物理层和链路层核心
层的功能，而将流量控制、纠错等复杂的控制交给智能终端去
完成，大大简化了节点机之间的协议。
第 4章 分组交换技术
1．帧中继的协议模型
帧中继的协议结构如图 4.16所示。
图 4.16 帧中继的协议结构
Q, 9 3 1 /
Q, 9 3 3
用户可选的
终端功能
Q, 9 2 1 Q, 9 2 2
核心功能
1, 4 3 0 或 1, 4 3 1
用户侧
Q, 9 2 2
核心功能
Q, 9 2 1
Q, 9 3 1 /
Q, 9 3 3
1, 4 3 0 或 1, 4 3 1
网络侧
C 平面 U 平面 U 平面 C 平面
第 4章 分组交换技术
帧中继包括两个操作平面：
?控制平面 (C-plane)：用于建立和释放逻辑连接，传送并处理呼
叫控制消息；
?用户平面 (U-plane)：用于传送用户数据和管理信息。
1) 控制平面
控制平面 (简称 C平面 )包括三层。第 3层规范使用 ITU-T的建
议 Q.931/Q.933定义了帧中继中的信令过程，包括提供永久虚连
接 PVC业务的管理过程，交换虚连接 SVC业务的呼叫建立和拆除
过程。第 2层的 Q.921协议是一个完整的数据链路协议 —— D信道
链路接入规程 LAPD(Link Access Procedures on the D-channel)，它
在 C平面中为 Q.931/ Q.933的控制信息提供可靠的传输。 C平面协
议仅在用户和网络之间操作。
第 4章 分组交换技术
2) 用户平面
用户平面 (简称 U平面 )使用了 ITU-T Q.922协议，即帧方式
链路接入规程 LAPF(Link Access Procedures to Frame Mode
Bearer Services)，帧中继只用到了 Q.922中的核心部分，称为
DL-Core。
第 4章 分组交换技术
3) Q.922中核心部分 (DL-Core)的功能
DL-Core的功能包括：
(1) 帧定界、同步和透明传输；
(2) 用地址字段实现帧多路复用和解复用；
(3) 对帧进行检测，确保 0比特插入前 /删除后的帧长是整数
个字节；
第 4章 分组交换技术
(4) 对帧进行检测，确保其长度不致于过长或过短；
(5) 检测传输差错，将出错的帧舍弃 (帧中继中不进行重发 )；
(6) 拥塞控制。
作为数据链路层的子层,U平面的核心功能 (DL-Core)只提
供无应答的链路层数据传输帧的基本服务，提供从一个用户到
另一个用户传送数据链路帧的基本功能。
第 4章 分组交换技术
2．帧中继的帧格式
图 4.17 帧中继的帧格式
D L C I C / R EA
8 7 6 5 4 3 2 1
D L C I DE EAF E C N B E C N
第 1 字节 第 2 字节
F
8 7 6 5 4 3 2 1
A I FF C S
第 4章 分组交换技术
可以看出，帧中继的帧格式和 LAPB的格式类似，最主要的
区别是帧中继的帧格式中没有控制字段 C。帧格式中各字段的
含义如下：
1) 标志字段 F
标志字段是一个 0 l l l l l l 0的比特序列，用于帧同步、定界
(指示一个帧的开始和结束 )。
2) 地址字段 A
地址字段一般为 2字节，也可扩展为 3或 4字节，用于区分不
同的帧中继连接，实现帧的复用。当地址字段为 2个字节时，其
结构如表 4.4所示。
第 4章 分组交换技术
表 4.4 地址字段的格式
DL C I ( 高阶比特 ) C / R E A0
DL C I ( 低阶比特 ) F E C N B E C N DE E A1
第 4章 分组交换技术
(1) 数据链路连接标识符 DLCI(Data Link Connection
Identifier)：当采用 2字节的地址字段时,DLCI占 10位，其作用
类似于 X.25中的 LCN，用于识别 UNI接口或 NNI接口上的永久虚
连接、呼叫控制或管理信息。其中,DLCI=16～ 1007共 992个地
址供帧中继使用，在专设的一条数据链路连接 (DLCI＝ 0)上传送
呼叫控制消息，其它值保留或用于管理信息。与 X.25的逻辑信
道号 LCN相似，对于标准的帧中继接口,DLCI只有局部 (或本
地 )意义。
(2) 命令 /响应 (C/R)：命令 /响应与高层应用有关，帧中继本
身并不使用，它透明通过帧中继网络。
第 4章 分组交换技术
(3) 扩展地址 EA：当 EA为 0时，表示下一个字节仍为地址字
段；当 EA为 1时，表示下一个字节为信息段的开始。依照此法，
地址字段可扩展为 3字节或 4字节。
(4) 正向显式拥塞通知 FECN：用于帧中继的拥塞控制，用来
通知用户启动拥塞控制程序。若某节点将 FECN置为 1，则表明
与该帧同方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响产生时延。
(5) 反向显式拥塞通知 BECN：若某节点将 BECN置为 1，即
指示接收端，与该帧相反方向传输的帧可能受网络拥塞的影响
产生时延。
(6) 丢弃指示 DE：用于帧中继网的带宽管理。若 DE为 1，则
表明网络发生拥塞时，为了维持网络的服务水平，该帧与 DE为 0
的帧相比应先丢弃。
第 4章 分组交换技术
3) 信息字段
用户数据应由整数个字节组成。帧中继网允许用户数据长
度可变，最大长度可由用户与网络管理部门协商确定，最小长
度为 1个字节。
4) 帧校验序列 FCS
帧校验序列 FCS为一个 16 bit的序列，用来检查帧通过链路
传输时是否有差错。
第 4章 分组交换技术
3．帧中继的交换原理
1) 帧的转发过程
帧中继起源于分组交换技术，它取消了分组交换技术中的
数据报方式，而仅采用虚电路方式，向用户提供面向连接的数
据链路层服务。
第 4章 分组交换技术
类似于分组交换，帧中继也采用统计复用技术，但它是在
链路层进行统计复用的，这些复用的逻辑链路是用 DLCI来标识
的。类似于 X.25中的 LCN，当帧通过网络时,DLCI并不指示目
的地址，而是标识用户和网络节点以及节点与节点之间的逻辑
虚连接。帧中继中，由多段 DLCI的级连构成端到端的虚连接
(X.25中称为虚电路 )，可分为交换虚连接 SVC和永久虚连接 PVC。
由于标准的成熟程度，用户需求以及产品情况等原因，目前在
网中只提供永久虚电路业务。无论是 PVC还是 SVC，帧中继的虚
连接都是通过 DLCI来实现的。
第 4章 分组交换技术
当帧中继网只提供 PVC时，每一个帧中继交换机中都存在
PVC转发表，当帧进入网络时，帧中继通过 DLCI值识别帧的去
向。其基本原理与分组交换过程类似，所不同的是：帧中继在
链路层实现了网络 (线路和交换机 )资源的统计复用，而分组交
换 (X.25)是在分组层实现统计时分复用的。帧中继中的虚连接
是由各段的 DLCI级连构成的，而 X.25的虚电路是由多段 LCN级
连构成的。
第 4章 分组交换技术
帧中继网中，一般都由路由器作为用户，负责构成帧中继
的帧格式。如图 4.18所示，路由器在帧内置 DLCI值，将帧经过
本地 UNI接口送入帧中继交换机，交换机首先识别到帧头中的
DLCI，然后在相应的转发表中找出对应的输出端口和输出的
DLCI，从而将帧准确地送往下一个节点机。如此循环往复，直
至送到远端 UNI处的用户，途中的转发都是按照转发表进行的。
在图 4.18中，已建立了三条 PVC：
PVC1为路由器 1到路由器 2,25— 35；
PVC2为路由器 1到路由器 3,35— 45— 55— 65；
PVC3为路由器 1到路由器 4,20— 30— 40。
第 4章 分组交换技术
F R CF R AL A N 1 L A N 3
L A N 4
L A N 2
路由器 1
路由器 4
路由器 3
路由器 2
P V C 1
P V C 2
P V C 3
20
35
25
30
45
35
55
65
40
帧中继网
F R B
表 a 交换机 A 的转发表
输入端 D L C I 输出端 D L C I
路由器 1 20 交换机 B 30
路由器 1 25 路由器 2 35
路由器 1 35 交换机 B 45
表 c 交换机 C 的转发表
输入端 D L C I 输出端 D L C I
交换机 B 55 路由器 3 65
表 b 交换机 B 的转发表
输入端 D L C I 输出端 D L C I
交换机 A 30 路由器 4 40
交换机 A 45 交换机 C 55
图
4.
18
帧
中
继
的
交
换
原
理
第 4章 分组交换技术
各交换机内部都建立相应的转发表，如图 4.18中的表 a、
表 b、表 c所示。如对于 PVC2，交换机 A收到 DLCI=35的帧后，
查询转发表，得知下一节点为交换机 B,DLCI=45，则交换机
A将 DLCI=35映射到 DLCI=45，并通过 A— B的输出线转发出
去，帧到达交换机 B时，完成类似的操作，将 DLCI=45映射到
DLCI=55，转发到交换机 C,C将 DLCI=55映射到 DLCI=65转
发到路由器 3，从而完成用户信息的交换。
第 4章 分组交换技术
在帧中继网中，节点机一旦收到帧的首部，就立即开始转
发此帧，即在帧的尾部还未收到之前，交换机就可将帧的首部
发送到下一相邻交换机。显然，帧中继网中的节点这样对帧进
行处理是以所传送的帧基本不出错为前提的。但若帧出现传输
差错，又该如何处理呢？帧校验序列检错是只有在整个帧完全
收完后节点才能处理，但当帧中继的节点检测到出错时，帧的
大部分可能已转发到下一个节点了。解决这个问题的办法是：
当检测到有误码的节点时，应立即中断这次传输，当中断传输
的指示下达到下一个节点后，下一个节点就立即中断该帧的转
发，至此，该帧就从网内消除。帧中继网内将会丢弃有错的帧，
不再像 X.25网中那样采用重传机制，而是将差错的恢复由网内
转移到用户终端负责。这就表明，帧中继设备不必像 X.25网中
的交换机那样，在接收到确认消息之前要保存数据。
第 4章 分组交换技术
2) 帧中继的 PVC管理
帧中继为计算机用户提供高速数据通道，因此帧中继网提供
的多为 PVC连接。任何一对用户之间的虚电路连接都是由网络管
理功能预先定义的，如果数据链路出现故障，要及时将故障状态
的变化及 PVC的调整通知用户，这是由本地管理接口 LMI(Local
Management Interface)管理协议负责的。
PVC管理是指在接口间交换一些询问和状态信息帧，以使双
方了解对方的 PVC状态情况。 PVC管理包括两部分：用于 UNI接
口的 PVC管理协议和用于 NNI接口的 PVC管理协议。这里将以
UNI接口的 PVC管理为例详细说明,NNI的 PVC管理协议与此基
本相同。
第 4章 分组交换技术
PVC管理可完成以下功能：
?链路完整性证实；
?增加 PVC通知；
?删除 PVC通知；
?PVC状态通知 (激活状态或非激活状态 )。
LMI管理协议定义了两个消息：状态询问 STATUS ENQUIRY
消息和状态响应消息 STATUS。在 UNI之间，通过单向周期性地
交换 STATUS ENQUIRY和 STATUS消息来完成以上功能，这种周
期称为轮询周期。
第 4章 分组交换技术
UNI接口的 PVC管理示意图见图 4.19，其过程如下：
(1) 由用户端 (如路由器 )发出状态询问信息 STATUS
ENQUIRY，目的是为了检验数据链路是否工作正常 (keep alive)，
同时发起端的计时器 T开始计时,T的间隔即为每一个轮询的时
间间隔；若 T超时，则重发 STATUS ENQUIRY。同时，发起端
的计数器 N也开始计数 (N的周期数可人工设定或取缺省值 )，在
发送 N个用来检验数据链路是否工作正常的 STATUS ENQUIRY
后，用户发出一个询问端口上所有 PVC状态的 STATUS
ENQUIRY。
第 4章 分组交换技术
图 4.19 UNI接口的 PVC管理
L A N
路由器
A
B
C
路由器
L A N
E N Q U I R Y
S T A T U S
S T A T U S
广域网
第 4章 分组交换技术
(2) 轮询应答端收到询问信息后，以状态信息 STATUS应
答状态询问信息 STATUS ENQUIRY，该信息可能是链路正常
工作的应答信息，也可能是所有 PVC的状态信息。
虽然 PVC管理协议增加了帧中继的复杂性，但这样能保
证网络可靠运行，满足用户的服务质量。
第 4章 分组交换技术
3) 呼叫控制协议
呼叫控制协议的功能是建立和释放 SVC。这是帧中继的增强
部分协议。
呼叫建立消息共有 3个,setup(呼叫建立 ),call proceeding(呼
叫进展 )和 connect(连接 )。建立过程如图 4.20(a)所示。
第 4章 分组交换技术
呼叫建立消息中最重要的是 setup消息，它包含的主要信息
单元为：主叫地址、被叫地址,DLCI和链路层核心参数。被叫
地址供网络选路用。 DLCI为分配给该 SVC的本地数据链路，一
般由网络选定，但主叫用户亦可提出优选的链路。链路层核心
参数包括帧信息字段最大长度和有关带宽控制的参数等。
呼叫释放消息也有 3个,disconnect(拆链 ),release(释放 )和
release complete(释放完成 )。释放过程如图 4.20(b)所示。
第 4章 分组交换技术
图 4.20 SVC的建立和释放过程
(a) 建立过程； (b) 释放过程
se tup
pro c ee
di ng
ca ll
connec
t
se tup
conn ect
主叫用户 网络 被叫用户
( a )
disc on
nec t
rel eas
e
disc on
nec t
rel eas e
用户 网络 用户
( b )
com
pl et
e
rel eas
e
com
pl et
e
rel eas
e
第 4章 分组交换技术
应该说明的是，虽然帧中继的标准有关于 SVC的上述的信
令过程，但由于目前应用的帧中继网中都为 PVC，而 PVC并无
呼叫建立和释放过程，因此,SVC的建立和释放在实际中并没
有应用。帧中继中的信令主要是 PVC的管理功能。
第 4章 分组交换技术
4．帧中继的技术特点
从帧中继的协议体系可以看出，与 X.25分组交换相比，帧
中继技术的特点为：
(1) 帧中继协议取消了 X.25的分组层功能，只有两个层次：
物理层和数据链路层，使网内节点的处理大为简化。在帧中继
网中，一个节点收到一个帧时，大约只需执行 6个检测步骤，而
X.25中约需执行 22个步骤。实验结果表明：采用帧中继时一个
帧的处理时间可以比 X.25的处理时间减少一个数量级，因而提
高了帧中继网的处理效率。
(2) 用户平面和控制平面分离。
第 4章 分组交换技术
(3) 传送的基本单元为帧，帧的长度是可变的，允许的最大
长度为 l KB，要比 X.25网的缺省分组 128 B长，特别适合于封装
局域网的数据单元，减少了分段与重组的处理开销。
(4) 在数据链路层完成动态统计时分复用、帧透明传输和差
错检测。与 X.25网不同，帧中继网内节点若检测到差错，就将
出错的帧丢弃，不采用重传机制，减少了帧序号、流量控制、
应答等开销，由此减少了交换机的处理时间，提高了网络吞吐
量，降低了网络时延。例如 X.25网内每个节点由于帧检验产生
的时延为 5～ 10 ms，而帧中继节点的处理时延小于 1 ms。
第 4章 分组交换技术
(5) 帧中继技术提供了一套有效的带宽管理和拥塞控制机制，
使用户能合理传送超出约定带宽的突发性数据，充分利用了网
络资源。
(6) 帧中继现在可提供用户的接入速率在 64 kb/s～ 2.048
Mb/s范围内，以后还可更高。
(7) 帧中继采用了面向连接的工作模式，可提供 PVC业务和
SVC业务。但由于帧中继 SVC业务在资费方面并不能给用户带
来明显的好处，实际上目前主要用 PVC方式实现局域网的互连。
第 4章 分组交换技术
4.5.2 帧中继交换机
帧中继交换机是帧中继网中的核心设备，其主要功能包括：
用户接入、中继连接、转发控制、管理功能以及与其它网络互
通的能力。下面主要介绍帧中继交换机的管理功能，包括带宽
管理和拥塞管理等。
1．带宽管理
带宽管理是指网络对每条虚连接上传送的用户数据量进行
监控，以保证带宽资源在用户间的合理分配。
第 4章 分组交换技术
每一用户接入帧中继网时使用下列约定的 4个参数：
(1) 承诺的时间间隔时 Tc(Committed Time Interval)：网络监
视一条虚连接上传送的用户数据量所采用的时间间隔。一般的，
Tc和业务的突发性成正比，一般选取范围大致为几百毫秒到 10
秒。
(2) 承诺的信息速率 CIR(Committed Information Rate)：正
常情况下网络对用户承诺的用户数据传送速率，它是 Tc时间段
内的平均值。
第 4章 分组交换技术
(3) 承诺的突发长度 Bc(Committed Burst Size)：正常情况下，
在 Tc时间段内网络允许用户传送的最大的数据量 (单位为 bits)。
(4) 超量突发长度 Be(Excess Burst Size),Tc时间段内，网
络能够给用户传送的超过 Bc部分的最大数据量。
每个帧中继用户在使用服务之前，应与网络约定一条虚连
接上的 Be,Bc,CIR值，网络在 Tc时间段内对每条虚连接上的
数据量进行监测，根据监测结果进行带宽的调整。如图 4.21所
示。
第 4章 分组交换技术
图 4.21 帧中继的带宽管理
用户接入速率
允许最大的
信息传送速率
承诺的信息
速 率
被丢掉的帧
可能丢掉的帧
标记 DE ＝ 1
确保传送的帧
DE ＝ 0
t
T
0
＋ T
c
T
0
B
c
B
c
＋ B
e
比特
第 4章 分组交换技术
控制过程如下：
(1) 若测得的比特数 ≤Bc，说明用户的速率小于 CIR，网络节
点应继续转发这些帧。在正常情况下，应保证这些帧送到目的
地；
(2) 若 Bc≤测得的比特数 ≤Bc+Be，则说明用户的传输速率已
超过 CIR，但仍在约定范围内，网络将 Be部分的帧 DE置为 1后转
发。若网络无严重拥塞，则努力把这类帧传送到目的地。一旦
出现拥塞，将首先丢弃这些 DE=1的帧；
(3) 若测得的比特数＞ Bc+Be，说明用户已经严重违约，则
网络应丢掉超过 Bc+Be部分的所有的帧。
第 4章 分组交换技术
2．拥塞控制
帧中继网中，为了简化协议，提高节点机的处理速度,就
将流量控制和差错控制都交给了高层。 但这样做可能会使得数
据网络出现拥塞危险，因此要采取一定的措施来尽量减少这种
拥塞的出现。
从图 4.22中可以看出，一开始当网络负载增加时，随着入
网信息量的增加，吞吐量线性地上升。当到达 A点后，网络不
能继续接收更多的信息，吞吐量趋于平稳。如果输入信息量继
续加大，网络将呈现严重拥塞状态 (B点所示 )，此时网络的吞吐
量将急剧下降，甚至可能崩溃 (死锁 )。为了防止拥塞，网络必
须采取必要的措施，通知用户减少发送数据。
第 4章 分组交换技术
图 4.22 拥塞对吞吐量的影响
吞吐量
无拥塞 轻微拥塞 严重拥塞
负荷
A B
第 4章 分组交换技术
一般来说，网络发现拥塞和控制拥塞的措施有以下几种：
(1) 显式拥塞通知。在发生轻微拥塞的情况下，网络利用帧
结构中的拥塞指示位 FECN,BECN来通知端点用户。
如图 4.23所示，若 B点发生拥塞，则 B点通过将前向传送的
帧 (B到 C方向 )的 FECN位置 1来通知 C点发生拥塞；同时，通过
将后向传送的帧 (B到 A方向 )的 BECN位置 1来通知 A点发生拥塞。
用户终端在收到拥塞信息后，原则上应降低其数据传送速率，
以减少因拥塞造成的帧丢失。
第 4章 分组交换技术
图 4.23 显式拥塞通知
L A N
路由器
A
B
C
路由器
L A N
广域网
源端
B E C N
F E C N
拥塞
目的端
第 4章 分组交换技术
(2) 丢弃 DE＝ l的帧。若发生严重拥塞，或者用户并未降低
传送速率，网络将如何进行拥塞控制呢？这可以从帧中继的基
本原则中找到答案：一旦出现问题就将帧丢弃。此时，除继续
采用 FECN,BECN来通知用户外，网络将丢弃 DE=1的帧来对
自身进行保护。这样做增加了网络的反应时间，降低了吞吐量，
但可以防止网络性能的进一步恶化，使网络从拥塞中恢复。
第 4章 分组交换技术
思 考 题
4.1 统计时分复用和同步时分复用的区别是什么？哪个更适
合于进行数据通信？为什么？
4.2 试从优点、缺点、适用场合等方面比较虚电路和数据报
方式。
4.3 什么是逻辑信道？什么是虚电路？二者有何区别和联系？
4.4 比较电路交换中的电路和分组交换中的虚电路的不同点。
如何理解 "虚 "的概念？
4.5 SVC是如何建立的？ PVC又是如何建立的?
第 4章 分组交换技术
4.6 为什么说 X.25现在有些过时？请从 X.25的背景、设计思
路、发展、优缺点等几方面进行分析。
4.7 HDLC帧分为哪几种类型？各自的作用是什么？
4.8 试从呼叫建立和数据传输两个方面分析分组交换机的作
用。
4.9 从功能上看，分组交换机包括哪几部分？各完成什么功
能？
4.10 衡量一个分组交换机的性能指标都有哪些？
4.11 DPN-100的内部采用虚电路方式还是数据报方式? 外部
采用什么方式？ 它如何保证用户分组的有序性？
第 4章 分组交换技术
4.12 比较帧中继与 X,25在技术特征上的不同点。
4.13 帧中继的带宽管理如何实现？
4.14 帧中继的帧结构中,DLCI起什么作用？
4.15 构成 DPN-100交换机的基本模块有哪两种？它们各自
的作用是什么? 在构成上有哪些不同？
4.16 虚电路方式下的数据分组中是否含有目的地地址？这
样有什么优点？
4.17 假设有 3个用户终端采用统计时分复用的方式共享一条
线路，线路的速率为 19.2 kb/s，求每个用户可能的最大传送速率。
4.18 分析在虚电路和数据报情况下，路由选择和分组转发
的实现有什么区别。
