第2章7数据交换技术8

2.7信息交换技术2.7.1交换的概念2.7.2交换的基本功能2.7.3常用的交换技术2.7.1交换的概念对于点到点的通信，只要在通信双方之间建立一个连接即可。而对于点到多点或多点到多点的通信（也就是具有多个通信终端），最直接的方法就是让所有通信方两两相连，如图2.7―1（a）所示。这样的连接方式称为全互连式。当存在N个终端时需要N（N-1）/2条连线，连线数量随终端数的平方而增加。图2.7―1通信终端连接方式示意图用户8用户7用户6用户5用户4用户3用户2用户1(a)通信用户的全互连图2.7―1通信终端连接方式示意图用户4用户3用户5用户6用户7用户8用户1用户2(b)通信用户通过交换设备连接能够将多个输入和多个输出随意（一般是两两连通或切断）连通或切断的设备就叫交换机。引入交换设备后，交换设备就和连接在其上的用户终端设备以及它们之间的传输线路构成了最简单的通信网，并可由多个交换设备构成实用的大型通信网，如图2.7―2所示。处于通信网中的任何一台交换设备都可以称为一个交换节点。图2.7―2通信网示意图电话机汇接交换机市话交换机用户交换机中继线用户线图中直接与电话机或终端连接的交换机称为本地交换机或市话交换机，相应的交换局称为端局或市话局；仅与各交换机连接的交换机称为汇接交换机。当距离很远时，汇接交换机也称为长途交换机。用户终端与交换机之间的线路称为用户线，交换机之间的线路称为中继线。对于一个交换节点，至少应具备下述功能：(1)能正确接收和分析来自UNI或NNI的呼叫信令；(2)能正确接收和分析来自UNI或NNI的地址信令；(3)能按照目的地址正确地进行路由选择并通过NNI转发信号；(4)能控制连接的建立；(5)能按照要求拆除连接。2.7.2交换的基本功能2.7.3常用的交换技术从100多年前最早应用于电话网的线路交换开始，经过人们的不断努力，现在交换技术已经从单一方式发展为多种形式，如线路交换、报文交换、分组交换、ATM交换等。2.7.3.1线路交换线路交换（也叫电路交换）是在信息（数据）的发送端和接收端之间，直接建立一条临时通路，供通信双方专用，其它用户不能再占用，直到双方通信完毕才能拆除。其特点是直接由物理链路连通，没有其它用户干扰、没有非传输时延；缺点是通路建立时间较长，线路利用率不高（也就是长途电话费用高的原因）。该方式适合大数据量的信息传输。线路交换分三个阶段：（1）线路建立阶段：该阶段的任务是在欲进行通信的双方之间，各节点（电话局）通过线路交换设备，建立一条仅供通信双方使用的临时专用物理通路。（2）数据传输阶段：通信双方的具体通信过程（数据交换）在这个阶段进行。（3）线路拆除阶段：通信完毕后，必须拆除这个临时通道，以释放线路资源供其它通信方使用。如图2.7―3（a），节点B、D、E为A、F两点提供一条直接通路。图2―3（b）给出了线路交换的线路建立和数据传输过程。图2.7―3线路交换过程示意图(a)BCEDA发信端节点收信端F呼叫请求信号传输时延响应时延呼叫响应信号数据时间线路建立过程数据传输过程ABDEF信息走向(b)2.7.3.2报文交换报文交换不像线路交换那样需要建立专用通道。它的原理是，信源将欲传输的信息组成一个数据包，我们称作报文。该报文上写有信宿的地址。这样的数据包送上网络后，接收到的节点先将它存在该节点处，然后按信宿的地址，根据网络的具体传输情况，寻找合适的通路将报文转发到下一个节点。经过这样的多次存储—转发，直至信宿，完成一次数据传输，这种节点存储—转发数据的方式称为报文交换。图2.7―4报文交换过程示意图(a)(b)传输时延排队时延时间数据传输过程ABCEF信息走向报文报文报文报文BCEDA发信端节点收信端Fmmmm报文交换的主要优点是：(1)报文是以存储转发方式通过交换机。没有电路接续的延时。(2)在报文交换不需要建立专用通路，来自不同用户的报文可以在一条线路上以报文为单位进行多路复用，提高了线路的利用率。(3)用户不需要叫通对方就可以发送报文，如果需要，同一报文可以由交换机转发到许多不同的收发地点。报文交换的主要缺点：(1)由于每个节点在收到来自不同方向的报文后，都要将报文先排队，再转发，因此产生的时延大，不利于实时通信。(2)一般要求配备大容量的磁盘和磁带存储器，导致交换机的设备比较庞大，费用较高。(3)报文交换不适合进行实时传输或交互式通信。一般只适用于公众电报和电子信箱业务。2.7.3.3分组交换线路交换不利于实现数据终端设备之间的相互通信，报文交换信息传输时延又太长，分组交换技术较好地解决了这些矛盾。分组交换类似于报文交换，其主要差别在于：分组交换是数据量有限的报文交换。为区分这两种交换方式，把小数据包（即分组交换中的数据传输单位）称为分组（Packet）。数据分组在网络中有两种传输方式：数据报（Datagram）和虚电路（VirtualCircuit）。数据报——该方式非常像报文交换，是一种无连接型的服务。每个分组在网络中的传输路径与时间完全由网络的具体情况而随机确定。因此，会出现信宿收到的分组顺序与信源发送时的不一样，先发的可能后到，而后发的却有可能先到。数据报的好处在于对网络故障的适应能力强，对短报文的传输效率高。主要不足是离散度较大，时延相对较长。图2.7―5分组交换过程示意图ABCEDF发信端121244312431243收信端(a)排队时延传输时延ABDEF信息走向时间数据传输过程(b)包1包2包3包1包2包1包2包1包2包3包4包4在图2.7―5中，A点将信息数据打成4个包，包1、包2沿A―B―D―E―F传输；包3沿A―B―E―F传输；包4沿A―B―C―E―F传输。4个包沿不同的路径传输，在途中就可能产生不同的时延，致使到达F点时的顺序与A点发送时的顺序不同，比如，到达顺序可能是包3-包4-包1-包2，而F点的PAD就会根据各包上的信息将顺序调整过来。虚电路——其交换方式类似于电路交换。在发送分组前，需要在通信双方建立一条逻辑连接。但它们在过节点时并不能直通，仍要像报文交换那样，存储、排队、转发，不过它的时延要比数据报小得多。各分组将沿同一路径在网中传送，到达次序和发送的次序相同。在虚电路连接中，网络可以将线路的传输能力动态分配，终端在暂时无数据发送时依然保持这种连接，但它并没有独占网络资源。虚电路因其实时性较好，故适合于交互式通信；数据报更适合于单向传输短信息。虚电路方式的优点是：(1)数据接收端无需对分组重新排序，时延小。(2)可为用户提供永久虚电路服务，在用户间建立永久性的虚连接，用户就可以像使用专线一样方便。虚电路方式的不足之处在于虚电路如果发生意外中断时，需要重呼叫建立新的连接。分组交换主要有以下特点：(1)数据采用固定的短分组，不但可减小各交换节点的存储缓冲区大小，同时也使数据传输的时延减少。(2)基于统计时分复用方式，可以不建立连接，也可建立连接，连接为逻辑连接（虚连接）；(3)分组交换也意味着按分组纠错，接收端发现错误，只需让发送端重发出错的分组，而不需将所有数据重发，这样就提高了通信效率。(4)有时延，实时性差，不能保证通信质量；(5)一般用于数据交换，也可用于分组话音业务；(6)当节点使用分组交换技术，可构成分组交换网。传统分组交换使用的最典型的协议就是著名的X.25协议。分组交换技术是最适于数据通信的交换技术。分组交换是线路交换和报文交换相结合的一种交换方式，它综合了线路交换和报文交换的优点，并使其缺点最少。2.7.3.4异步转移模式ATM1.ATM的概念电路传送模式也叫同步转移（传输）模式（STM，SynchronousTransferMode）。STM源于同步时分技术，以周期性重复出现的时隙作为信息载体，在收、发两端之间建立一条传输速率固定的信息通路。在通信过程中不论是否发送了信息，该通路（时隙）为某呼叫所独占。STM系统最适合处理像数字电话网那样的速率单一的信息。此外，STM也不适合处理像计算机通信那样突发性很强的信息数据。ATM克服了STM不能适应任意速率业务的缺点；简化了分组通信中的协议，交换节点不再对信息进行流控和差错控制，从而极大地提高了网络的传输处理能力。概括地说，ATM是一种基于信元、面向连接、全双工、点到点的,使用异步时分复用技术进行数据传输的协议。2.ATM的信元ATM不管信息的内容和形式，它简单地把欲传输的信息（数据）分割成相同长度的分组，即信元。这种分组操作称为“分割”。因此，我们给信元下一个定义：所谓信元是一种对长度较小且固定的数据分组或数据帧的别称。ATM将话音、数据和图像等所有的数字信息分解成长度一定的数据块，并在各数据块之前装配地址等控制信息（即信头H：Header）构成信元（Cell）。只要获得空信元随即可以插入信息发送出去。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传送方式。由于ATM信元非常小，传输和交换时的处理时延也非常小，因此可以很好地保证通信的实时性。ATM的信元具有固定长度的53个字节，其中5个字节为信头（Header）,信头中包含各种控制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址、其它一些维护信息、优先级别以及信头的纠错码。剩下的48字节是信息段（InformationField），又称为净载荷或有效载荷（Payload）。信息段中包含来自各种不同业务的用户信息，比如数据、语音和图像等。图2.7―6ATM信元格式信息段(48个字节)信头(5个字节)1553字节数ATM信元UNI信头VPIGFC14812VCIVPI16VCI2425CLPPT28VCI32HECNNI信头第1字节第2字节第3字节第4字节第5字节148121624252832第1字节4040VPIVCIVPI第2字节VCI第3字节CLPPTVCIHEC第4字节第5字节信元各字段内容含义如下：(1)GFC（GenericFlowControl）：一般流量控制，4比特，在NNI中没有GFC。(2)VPI（VirtualPathIdentifier）：虚通路标识，在UNI中为8比特，在NNI中为12比特。VPI属路由信息。(3)VCI（VirtualChannelIdentifier）：虚信道标识，16比特。VCI属路由信息。(4)PT（PayloadType）：净荷类型，3比特，可以指示8种净荷类型，其中4种为用户数据信息类型，3种为网络管理信息，还有1种目前尚未定义。(5)CLP（CellLossPriority）：信元丢弃优先权，当传送网络发生拥塞时，首先丢弃CLP=1的信元。(6)HEC（HeaderErrorControl）：信头差错控制码，HEC是一个多项式码，用来检验信头的错误。3.ATM的连接ATM由于采用面向连接的工作方式，因此工作时必须建立连接，但其连接为逻辑连接，即虚电路方式。在ATM虚电路中包含两种连接形式，它们是虚信道连接VCC和虚通路连接VPC。在一个物理信道中，可以包含一定数量的虚通路(VP，VirtualPath），其数量由信头中的(VPI，VirtualPathIdentifier）值决定。而在一条虚通路中可以包含一定数量的虚信道(VC，VirtualChannel），虚信道数量由信头中的VCI（VirtualChannelIdentifier）值决定。可见，一条物理信道（传输介质）能够分为多条虚通路，而一条虚通路又可分为多条虚信道。虚信道连接的作用是为ATM信元传输建立一条虚电路。ATM虚信道是具有相同VCI标记的一组ATM信元的逻辑集合。图2.7―8VP、VC示意图ATM终端ATMATM终端节点1ATM节点2ATM节点3ATM终端ATM终端ATM终端VCVP图例：VCVCVCVCVCVCVCVCVCVCVCVC物理信道VPVPVPVP4.ATM的复用ATM最突出的特征是异步时分复用，采用的复用方式为标记复用，也叫统计复用（StatisticMultiplex）。它把具有固定长度的信息块（信元包）装入具有长度相同的连续时隙之中，如图2.7―9所示。来自不同信息源的信元汇集到一个缓冲器内排队，