第5章 数据交换技术

第5章数据交换技术5.1交换技术概述5.2交换基本原理5.3X.25分组交换网5.4帧中继5.5异步传送模式(ATM)5.6ATM交换网络结构5.7网络的路由选择和阻塞控制5.1交换技术概述根据网络中是否有交换节点，可把网络分为两类：交换网：网中有交换节点广播网：网中无交换节点5.1交换技术概述电路交换网分组交换网帧中继网等交换网有交换节点采用数字交叉连接设备（DXC）的数字数据网（DDN）——无交换节点广播网共享同一传输媒质，通过不同的媒质访问控制方式（信道访问方式,多址接入）进行通信。如广播式的局域网，CATV等。——无交换节点5.1交换技术概述5.1.1交换节点的基本组成交换节点泛指通信网内的各类交换机，它是由交换网络(SN，SwitchingNetwork)、通信接口(用户接口、中继接口等)、控制单元以及信号单元等部分所组成的，如图5.1.1所示。图5.1.1交换节点的基本组成高端服务器信号单元控制单元交换网络中继接口用户接口中继线用户线通信子网PC计算机交换设备5.1交换技术概述5.1.2交换方式交换方式的分类：按交换的信号类型分：电子交换：电路交换、报文交换、分组交换、帧中继和ATM交换。光交换按交换的信号带宽分：窄带交换：电路交换、报文交换、分组交换宽带交换：ATM交换、IP交换、光交换宽带交换应和信道速率及业务种类无关。按局内处理信号的方式分：电路交换报文交换分组交换ATM交换、帧中继和IP交换采用的都是基于分组交换的方式。5.1.2交换方式3种交换方式图5.1.2交换方式分类5.2交换基本原理5.2.1电路交换原理图5.2.1电路交换的基本框架5.2.1电路交换原理1．电路交换原理电路交换的发展电路交换（CS：CircuitSwitching）技术是最早出现的一种交换方式，起源于电话交换系统，现已有一百多年的历史，目前主要应用于电话网中，也可用于数据通信。电话通信的特点是交互式实时通信，对时延和时延抖动敏感，而对误码差错不敏感。在通信过程中，交换机不需要对信息进行差错检验和纠正，但要求交换机处理时延小。有时，将传输信道统称为电路。5.2.1电路交换原理电路交换：在两个用户之间建立一条临时的但专用的电路（路径）作为这两个用户之间的通信线路。即暂时连接、独占一条路径并保持到连接释放为止。电路交换是一种以电路连接为目的、实时的交换方式。5.2.1电路交换原理通信过程：电路建立消息传送电路释放电路建立：在通信之前，在两个用户之间建立一条专用的物理通信路径，该通路一直维持到通话结束。故电路交换是一种面向连接的交换方式。消息传送：当通路建立后，两个用户就可进行实时的、透明的消息传送（即在交换节点处不存储和处理信息，连续传送）。电路释放：当通话完毕，一方或双方要求拆除此连接，该通路即被释放。5.2.1电路交换原理图5.2.2电路交换原理5.2.1电路交换原理2．电路交换的特点电路交换采用同步时分复用和同步时分交换技术。（1）主要优点信息传输时延小，为实时通信。对数据信息的格式和编码类型没有限制，只要通信双方类型一致即可。2．电路交换的特点交换机对用户信息不进行存储和处理，信息在电路中“透明”传输，用户信息中不必附加控制信息，故交换机处理开销小，传输效率较高。硬件实现较容易。电路交换完成的功能相当于OSI模型的第一层功能，即只完成电路连接，在物理层交换，对信息不处理，不需要使用网络协议，从而降低了软件的复杂性。（2）主要缺点信道利用率低。计费是根据通话时间进行的，收费高，因此对连续占用信道比较经济，而不适合于突发性的数据业务的传送。电路的接续时间较长。建立及拆除电路连接时要占用一定的时间。存在呼损。不同类型的用户终端之间不能相互通信。常见的速率为64Kb/s，故传送效率低不能满足高速率的要求。通信双方必须同时处于激活可用状态，方可完成通信。5.2.1电路交换原理应用：适合于通信量大，用户确定、连续占用信道的情况，如话音传送、中低速文件传送、传真业务等。固定电话网中的交换机GSM网中的移动交换中心窄带综合业务数字网（N-ISDN）智能网（IN）中的业务交换点（SSP：ServiceSwitchingPoint）不适合于具有突发性、断续占用信道、对差错敏感的数据业务。5.2.1电路交换原理5.2.2报文交换原理存储－转发方式是指当某一交换节点收到某一信息（报文或分组），并要求转换到另一交换节点去，但输出线路或其他设施都已被占用，就先把该信息在此交换节点处存储起来排队等待，等输出线路空闲时再转发至下一个节点。在下一节点再存储-转发，直至到达目的地。优点：线路利用率高缺点：时延大，适合于突发性的数据传送。5.2.2报文交换原理报文交换（1）报文交换的基本原理技术的提出：报文交换（MessageSwitching）是根据电报的特点提出来的。电报传送的特点：基本上只要求单向连接一般允许有一定的延迟如果传输中有差错，则必须纠正。5.2.2报文交换原理报文由三部分组成：报头（或标题）、正文和报尾。报文：指用户拟发送的完整数据。在报文交换中，报文始终以一个整体的结构形式在交换节点处存储，然后根据目的地转发。报头：包含发送源地址、目的地地址及其他辅助信息。正文：要传送的报文数据。报尾：包括报文的结束标志和误码检测。报头正文报尾图报文的组成5.2.2报文交换原理报文交换的过程如下：将信息分成报文，报文的长短由消息本身确定，不受其他限制。如计算机文件、电报、电子邮件等。报文的存储—转发：包括路由选择、报头和报尾的识别。节点处存储确定路由，排队转发进行差错控制和完成网络拥塞处理、报文的优先处理等功能。报文交换节点可以是一个专用计算机，它有足够的内存，或是报文交换机。5.2.2报文交换处理过程图5.2.3报文交换的基本处理过程5.2.2报文交换原理交换节点间的存储转发过程包括4方面的时延：(1)传播时延（propagationdelay）(2)传输时延（transmissiondelay(3)处理时延（processingdelay(4)存储时延（queueingdelay）5.2.2报文交换原理（2）报文交换的特点主要优点：线路利用率高。不同用户的报文可以在同一条线路上进行分时多路复用。无需事先呼通对方就可通信，没有呼损。节点处可进行速率和码型的转换，实现不同类型终端间的通信。5.2.2报文交换原理不需要收、发两端同时处于激活状态。可实现一点多址传输。同一报文可由交换机转发到多个收信站，即实现所谓的同报文通信。可建立报文优先级别。在报文交换中，以其重要性确定优先级别。5.2.2报文交换原理主要缺点：非实时性。时延大且变化也大，不利于实时通信，也不利于较高速率的数据通信。设备要求高。要求交换机有高速处理能力和大存储容量，故设备费用高。应用：报文交换适合于电报类数据信息的传输，用于公众电报和电子信箱等业务。分组交换分组交换综合了电路交换和报文交换的优点，通过信息的存储转发，保持了一定的信道利用率和较小时延。最大程度地共享通信资源，实现快速通信。（1）分组交换（PS：PacketSwitching）原理分组：将一份较长的报文信息分成若干个较短的、按一定格式组成的等长度的数据段，再加上包含有目的地地址、分组编号、控制比特等的分组头，形成一个统一格式的交换单位，称为“报文分组”，简称“分组”（Packet）、数据包、信息包。电路交换中的同步时分复用在物理层上的复用，分组交换中的统计时分复用是在网络层上的复用。5.2.3分组交换原理分组交换：就是用分组装拆设备（PAD）将用户数据分成等长数据块（称分组或包），按照统计时分复用（动态分配）的方法，按需分配信道，采用数据报或虚电路方式，进行数据传输。5.2.3分组交换原理5.2.3分组交换原理分组交换的过程：分包：即数据进行分组的过程。报文信息以分组的形式发送。分组的存储—转发：即传送过程。中间节点存储排队等待转发到下一站同一报文的不同分组的传送彼此独立，可经过同一路由（虚电路方式），按顺序到达目的地；也可经过不同的路由、不同的次序传送到目的地（数据报方式）。重发：即检错、纠错过程。根据差错检测及重发策略，若某节点发现接收的分组有错，即可要求上一节点重发该分组。打包：即数据重组的过程。接收节点（最终目的节点）将收到的一个个分组按其原来的分组顺序重新排队组合，恢复成原来的完整的报文信息形式，送给用户终端。分组交换机也有以下缺点：(1)由于采用存储/转发方式处理分组，所以分组在网内的平均时延可达几百毫秒。(2)分组交换适宜于计算机通信的突发性或断续性业务的需求，而不适合在实时性要求高、信息量大的环境中应用。(3)分组交换技术比较复杂，涉及到网络的流量控制、差错控制、代码和速率的变换方法、接口控制、网络的管理与控制的智能化等。5.2.3分组交换原理5.2.3分组交换原理分组交换的主要优点：具有不同速率、不同格式、不同码型、不同的同步方式和不同的通信控制规程的不同类型数据终端之间可以进行通信。信道利用率高。信息的传输时延小，且变化范围不大，能够较好地满足交互式实时通信的要求。可靠性高。每个分组在网中传输时，可以分段独立实施差错控制和流量控制，使之传输中的比特误码率大大降低，可达１0-10以下；网中传输信息的路由可变动，能自动避开故障通路，所以不会因局部故障而中断通信。按数据流量多少计费，比较合理。分组交换机也有以下缺点：(1)由于采用存储/转发方式处理分组，所以分组在网内的平均时延可达几百毫秒。(2)分组交换适宜于计算机通信的突发性或断续性业务的需求，而不适合在实时性要求高、信息量大的环境中应用。(3)分组交换技术比较复杂，涉及到网络的流量控制、差错控制、代码和速率的变换方法、接口控制、网络的管理与控制的智能化等。5.2.3分组交换原理5.2.3分组交换原理分组交换的主要缺点：为了保证分组能够正确传输，需加地址和控制信息——分组头，故增大了开销，从而降低了传输效率。分组交换技术复杂，且要求交换机有较高的处理能力。交换节点处理较复杂，转发速率最低，很难满足宽带高速通信的要求。一般分组通过网的时间，可以做到小于0.2s。传统的分组交换采用X.25协议，完成OSI模型的低三层，即物理层、数据链路层和网络（分组）层功能。X.25数据链路层采用完全的差错控制（包括帧定位、差错检验和纠正）；交换在第三层实现。5.2.3分组交换原理分组交换是数据通信与计算机相结合的产物，分组交换网节点就是一部专用计算机。传统的分组交换：是在早期的低速、高出错率的电缆传输线基础上发展起来的，传输质量差。交换节点要运行复杂的协议，进行节点之间逐段的差错控制和流量控制，从而使得时延加大。这种传统的分组交换主要用于数据通信，很难用于实时多媒体通信。5.2.3分组交换原理（2）虚电路和数据报实连接：在电路交换中，双方在通信过程中一直占用一条专用的物理链路，这种连接称为实连接。虚连接：在分组交换中，采用统计时分复用方式，双方在通信过程中断续地占用一段又一段链路，即通过非专用的许多链接的逻辑子信道，感觉上好象是一直占用了一条端到端的物理链路，这种连接称为虚连接。分组交换的两种模式虚电路：是面向连接的分组网络数据报：数据报是无连接的分组网络5.2.3分组交换原理分组交换网的虚连接图5.2.4分组交换网的虚连接5.2.3分组交换原理虚电路(SVC)方式分组交换图5.2.5虚电路(SVC)方式分组交换5.2.3分组交换原理图5.2.6数据报方式分组交换5.2.3分组交换原理虚电路经呼叫后，需在两个数据终端之间为整个消息的传送建立一条逻辑连接电路，称之为虚电路VC（VirtualCircuit）,每个分组中包含这个逻辑电路的标识符。逻辑（子）信道将传输信道划分成一个个的子信道，这些子信道称为逻辑（子）信道。每个逻辑信道可用相应的号码表示，称为逻辑信