现代交换原理分组交换技术及其现状与发展趋势论文

分组交换技术

及其现状与发展趋势

班    级：通信09-03班

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指导教师： 

日    期：  2012.5.4   

摘要：

随着互联网的高速发展人们对高速数据传输和移动多媒体业务的渴望不断上升，通信界正依托当今飞速发展的通信技术向3G挺进。在这一演进过程中，分组交换技术以自己独特的优点扮演着愈来愈重要的角色。分组交换是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组，通过传输分组的方式传输信息的一种技术。它是通过计算机和终端实现计算机与计算机之间的通信，在传输线路质量不高、网络技术手段还较单一的情况下，应运而生的一种交换技术。近年来，随着光纤技术获得巨大成就，信道的传输速率明显增强，这位分组交换技术的发展开辟了新的道路，帧中继、异步转移模式等快速分组交换技术迅速的发展起来。展望未来的高速互联网世界以分组交换技术为基础的分组核心网最终将承担全部数据业务已是不争的事实。

关键词：分组交换 互联网 分组交换网 快速分组交换技术

1.分组交换技术概述

随着微电子技术、计算机技术的飞速发展，交换技术得到了空前的发展。从电话交换一直到当今数据交换、综合业务数字交换，交换技术经历了人工交换到自动交换的过程。人们对可视电话、可视图文、图象通信和多媒体等宽带业务的需求，也将大大地推动异步传输技术（ATM）和同步数字系列技术（SDH）及宽带用户接入网技术的不断进步和广泛应用。

分组交换技术是在计算机技术发展到一定程度，人们除了打电话直接沟通，组交换也称为包交换。分组交换方式不是以电路连接为目的，而是以信息分发为目的。分组交换机将用户要传送的数据按一定长度分割成若干个数据段，这些数据段 叫做“分组”(或称包)。传输过程中，需在每个分组前加上控制信息和地址标识(即分组头)，然后在网络中以“存储——转发”的方式进行传送。到了目的地， 交换机将分组头去掉，将分割的数据段按顺序装好，还原成发端的文件交给收端用户，这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。

分组交换网是继电路交换网和报文交换网之后一种新型交换网络，它主要用于数据通信。这一过程类 似于我们平常的邮寄信件，人们把写好的信用信封包装起来，然后在信封上写上接收人的地址和姓名，就相当于分组头中的路由控制信息；信封好后投入邮筒，由邮 局进行分拣，发往不同的地点，最后送到接收人的手中；接收人打开信件阅读，如同分组中的拆包。这整个过程如同分组交换过程，只不过分组交换为了把信息准确 地、可靠地、高速地传到对方，技术上要复杂得多。此外，还要加上地址域和控制域，用以表示这段信息的类型和送往何方，再加上错误校验位以检验传送过程中发 生的错误。分组交换的任务是，从各个入端读入数据分组，根据它们上面的地址域和控制域，来把它们分发到各个出端上。

分组交换网一般由分组交换机、网络管理中心、远程集中器、分组装拆设备、分组终端/非分组终端和传输线路等基本设备组成。

2.分组交换技术特点：

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、被叫用户之间的信息传送通路，称之为虚电路(V.C)实现数据的分组传送。

在分组交换方式中，由于能够以分组方式进行数据的暂存交换，经交换机处理后，很容易地实现不同速率、不同规程的终端间通信。分组交换技术的主要优点主要有：1）分组交换方式具有很强的差错控制功能，信息传输质量高。2）网络可靠性强。在分组交换网中，“分组”在网络中传送时的路由选择是采取动态 路由算法，即每个分组可以自由选择传送途径，由交换机计算出一个最佳路径。因此，当网内某一交换机或中继线发生故障时，分组能自动避开故障地点，选择另一 条迂回路由传输，不会造成通信中断。3）分组交换网对传送的数据能够进行存储转发，使不同速率、不同类型终端之间可以相互通信。4）由于以分组为单位在网络中 进行存储转发，比以报文为单位进行存储转发的报文交换时延要小得多，因此能满足会话型通信对实时性的要求。5）在分组交换中，由于采用了“虚电路”技术，使 得在一条物理线路上可同时提供多条信息通路，即实现了线路的统计时分复用，线路利用率高。6）分组交换的传输费用与距离无关，不论用户是在同城使用，还是跨 省使用，均按同一个单价来计算。因此，分组网为用户提供了经济实惠的信息传输手段。当然任何一种技术都很难趋于完美，分组交换技术也存在自身的不足，如：分组在节点转发时因排队而造成一定的延时 ； 分组必须携带一些控制信息而产生额外开销，管理控制比较困难。

3.分组交换技术的发展历史

Internet是由ARPAnet网发展演变而来的，而ARPAnet网是世界上最早采用分组交换技术的广域网。线路交换的外部表现是通信双方一旦接通，便独占一条实际的物理线路。这样一来，资源就很难实现共享，最大浪费是通信线路，因此，它不适于计算机之间的通信。因此提出分组交换技术。

分组交换技术的概念，最早是由英国的Donald Davies和保罗·巴兰在1960年代早期发明。有人认为伦纳德·克兰罗克也是分组交换的发明者，但是Davies在去世之前争辩这一点并指出，克兰罗克的研究实际上是关于排队论，也就是分组交换的关键理论基础。克兰罗克出版的著作中未显著提到过把用户消息分割成段，并通过网络分别发送他们，这是巴兰和Davies最重要的创新。

    从交换技术的发展历史看，数据交换经历了电路交换、报文交换、分组交换和综合业务数字交换的发展过程。

1）电路交换技术

　公众电话网（PSTN网）和移动网（包括GSM网和CDMA网）采用的都是电路交换技术，它的基本特点是采用面向连接的方式，在双方进行通信之前，需要为通信双方分配一条具有固定带宽的通信电路，通信双方在通信过程中将一直占用所分配的资源，直到通信结束，并且在电路的建立和释放过程中都需要利用相关的信令协议。这种方式的优点是在通信过程中可以保证为用户提供足够的带宽，并且实时性强，时延小，交换设备成本较低，但同时带来的缺点是网络的带宽利用率不高，一旦电路被建立不管通信双方是否处于通话状态，分配的电路都一直被占用。

2）报文交换技术

报文交换技术和分组交换技术类似，也是采用存储转发机制，但报文交换是以报文作为传送单元，由于报文长度差异很大，长报文可能导致很大的时延，并且对每个节点来说缓冲区的分配也比较困难，为了满足各种长度报文的需要并且达到高效的目的，节点需要分配不同大小的缓冲区，否则就有可能造成数据传送的失败。在实际应用中报文交换主要用于传输报文较短、实时性要求较低的通信业务，如公用电报网。报文交换比分组交换出现的要早一些，分组交换是在报文交换的基础上，将报文分割成分组进行传输，在传输时延和传输效率上进行了平衡，从而得到广泛的应用。

3）分组交换技术

分组交换技术就是针对数据通信业务的特点而提出的一种交换方式，它的基本特点是面向无连接而采用存储转发的方式，将需要传送的数据按照一定的长度分割成许多小段数据，并在数据之前增加相应的用于对数据进行选路和校验等功能的头部字段，作为数据传送的基本单元即分组。采用分组交换技术，在通信之前不需要建立连接，每个节点首先将前一节点送来的分组收下并保存在缓冲区中，然后根据分组头部中的地址信息选择适当的链路将其发送至下一个节点，这样在通信过程中可以根据用户的要求和网络的能力来动态分配带宽。分组交换比电路交换的电路利用率高，但时延较大。

4.分组交换技术的应用

分组交换的基本业务有交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)两种。交换虚电路如同电话电路一样，即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。永久虚电路如同专线一样，在分组网内两个终端之间在申请合同期间提供永久逻辑连接，无需呼叫建立与拆线程序，在数据传输阶段，与交换虚电路相同。

1993年建立的中国公用分组交换网是向全社会开放的网络，能提供多种业务的全国分组交换网。 CHINAPAC 分为骨干网和省内网两极构成。骨干网以北京为国际出入口局，广州为港澳出入口局。以北京、上海、沈阳、武汉、成都、西安、广州及南京等8个城市为汇接中心。覆盖全国所有省、市、自治区。汇接中心采用全网状结构，其它接点采用不完全网状结构。网内每个接点都有2个或2个以上不同方向的电路，从而保证网路的可靠性。网内中继电路主要采用数字电路。最高速率达34Mbps。同时，各地的本地分组交换网也已延伸到了地、市、县。CHINAPAC 以其庞大的网络规模，满足各界客户的需求，并且与公用数字交换网（PSTN），中国公众计算机互联网（CHINANET），中国功用数字数据网（CHINADDN），帧中继网（CHINAFRN）等网络互连，以达到资源共享。优势互补。为广大用户提供高质量的网络服务。并与美国、日本、加拿大、韩国、等几十个国家和地区分组网相连，满足大中型企业、外商投资企业、外商在内地办事处等国际用户的需求。

分组交换在商业中的应用较广泛。如银行系统在线式信用卡（POS机）的验证。由于分组交换提供差错控制的功能，保证了数据在网络中传输的可靠性。首先，各大商场内部形成局域网，网上的服务器提供卡的管理作用，用户刷卡后，通过服务器上的X.25分组端口或路由器设备连到商业增殖网，它与金卡网络结算中心通过数字专线连接。商业增殖网主要完成来自各大商场的数据线路汇接及对商场销售情况的统计等。结算中心又同各大银行的主机系统连接，实现对信用卡的验证和信用卡的消费。在遍步中国的各大超市中，已有相当一部分超市利用分组网来改善经营管理手段，拓展市场，取得了良好的经济效益。在超市中设立电子消费通道，消费者手持的储金卡经刷卡后，信息送到该超市的后台服务器。服务器的作用是对储金卡的金额计算和超市的销售情况的统计。各超市的营业网点通过话上复用DOV（Data Over Voice)的专线方式，连到超市管理中心，进行一系列的结算、统计等，来扩大超市的消费市场。

   在一些全国性的集团公司中，总公司把指示下达给全国各地分公司甚至国外的机构，利用分组交换就非常经济。中远集团在中国各地的分支机构在本地形成局域网络，通过路由器连到分组交换网，与海关、EDI中心等互通信息。它的主机系统也通过分组交换网实行全程连网，传送定舱资料、货运情况、EDI报文等，也可远程登录至，与海外沟通信息。

5.分组交换网未来展望

1）分组交换与移动虚拟专用网

近几年随着移动通信的迅猛发展，移动电话对于人们的日常生活也产生了巨大的影响，使人们的通信方式发生了化的改变。而同时，运营商在繁荣过后也面临着ARPU值下降和降低获得用户的成本问题。除了不断寻找新的像SMS一样深入人心的大众应用外，运营商们开始更加注重为企业用户提供服务，开发专门为集团用户提供服务的业务，其中MVPN(移动虚拟专用网)最受运营商和企业用户的瞩目。在这种情况下，基于2G移动网络的MVPN无法满足用户的需求。因此新一代的移动网络，包括GPRS和3G系统所提供的高速接入和大容量将大大改变这一缺陷。新一代的移动网使用分组交换技术，提供“永远在线”的方式，根据传输数据量来计费。这样，用户可以通过MVPN持久的与内部网相连接，并可在任何时候发送或接收数据。

2）分组交换技术的GPRS系统优势

GPRS是在GSM基础上发展起来的一种属于2．5G的移动通信系统。不同于原来GSM所采用的电路交换数据传送方式，GPRS采取了分组交换技术，因此在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势。概括地说，GPRS具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。

3）分组交换在新一代蜂窝网应用

移动通信的业务发展变迁倾向，既然是要从长期以来一直经营的电话通信业务急剧转变为近年兴起的以数据通信为主的综合业务，那么蜂窝网内部即通信网本身必须作出较大手适应性改革。首先，通信网对传统电话通信的交换过程是利用“电路交换”，现在决定改为以数据通信为主的综合业务，就应当断然改用对数据通信最为合适有利的交换方式，即所谓“分组交换”（Packet Switching）。对话音和图像数据采取分组交换，这不仅显着地提高数据通信交换的效率，而且仍然能够确保电话和图像通信的业务质量要求。为了尽快满足广大便携式计算机移动连入Internet的要求，2G蜂窝网在正式进化为3G蜂窝网的过渡时期，提出中间过渡的一代，称为2.5G蜂窝网。2.5G主要寄托于GPRS（通用分组无线电业务）。这也是为了适应移动数据通信业务需要、向分组交换网过注而迈出的重要一大步。接着，在3G蜂窝网，理所当然地要提供分组数据业务，而且必须相应地保证QoS达到预定要求。由此得知，3G的网络结构既是继承2G的电路交换网，又是利用GPRS的分组交换网，而Internet和其他数据网就通过GPRS与分组交换的无线网取得联系。

6.结论

分组交换技术是通信中一门重要的技术，中国公用分组交换网的骨干网及各地的本地网组建至今，网络的规模比原来扩大了几倍至几十倍，并占据了一块稳定的数据通信市场。分组交换技术比较适用于终端到主机的交互式通信、交易处理，需要进行协议转换的场合，通信，要求高度安全的场合和传输基础设施质量不高的地区等。尽管受到了宽带网络技术的冲击，但分组交换业务在今后较长一段时间内仍将发挥一定的作用。随着交换设备的更新换代，更快的交换机处理器的出现，意味着能够在更高速率下实现分组交换的传统优点。分组交换的协议转换功能和控制功能等优势，使高速传送数据的新一代分组交换技术在商业、民航、石油、GPRS、蜂窝网系统、移动虚拟专用网等方面将扮演越来越重要的角色。

参考文献

[1] 陈建亚、余浩、王振凯.现代交换原理.北京邮电出版社，2006

[2] 高密星.分组交换，北京人民邮电出版社，2003

[3] 中国通信学会.数据通信工程.北京人民邮电出版社，2004

[4] 中国科技情报开发期刊.2006