现代交换原理与技术第6章数据交换技术

1、第6章,数据交换技术,在以上的章节中，我们先后学习了固定和移动电话网络，这些电话网都是针对语音业务而建设的，并不适合数据业务。但是，随着数据业务的飞速增长，人们对数据网络的需求也日渐凸显。本章介绍了几种数据网络的交换方式。虽然有的技术已经时过境迁，但这些技术对以后出台的技术有着深远的影响。,2,数据通信：通信技术的未来之星 数据通信是以“数据”为业务的通信系统，数据是预先约定好的具有某种含义的数字、字母或符号以及它们的组合。数据通信是计算机和通信相结合的产物。随着计算机技术的广泛普及与计算机远程信息处理应用的发展，数据通信应运而生， 以TCP/IP为基础的数据网将成为未来电信网的基础承载网络。那么数据网中常用的交换方式有哪些？它们有什么不同？,导入案例,3,6.1.1 数据通信的基本概念,6.1 数据通信概述,4,(DCN：Data Communications Network) 是用于在包括计算机、传真、电报等在内的各种数据终端之间进行通信的网络，按照一定的规约或协议传输数据信息。 人们通常用速率、频带利用率和差错率几种指标了衡量数据通信的性能：,数据通信网,5,6,频带利用率为所传

2、输的信息速率（或符号速率）与系统带宽之比值，其单位为bit/s/HZ（或为Baud/Hz),3频带利用率,7,可靠性可用差错率来表示。常用的差错率指标有平均误码率、平均误字率、平均误码组率等。,4可靠性/差错率,8,与传统的电话业务比，数据业务有以下4个基本特点： (1) 计算机直接参与 (2) 准确可靠 (3) 速率高 (4) 时间差异大,6.1.2 数据通信的特点,9,大数据的特征通可以用4个“V”来概括，即：,4个“V”,10,(1)数据体量巨大(Volume)。,以“平安城市项目视频数据”为例，一个分辨率为1920*1080的200万像素的高清摄像机，码流为8Mbps，每月产生的视频数据为2.47TB。对于一个拥有10万个摄像机的中等规模的城市而言，每个月产生的数据在250PB左右。海量的视频数据对数据传输、存储、并发处理的要求极高。,11,数据类型大体可以分为结构化数据和非结构化数据两种。其中，结构化数据以文本为主，非结构化包括网络日志、音频、视频、图片、地理位置信息等。这些多类型的数据对数据的处理能力提出了更高要求。,(2)数据类型多(Variety)。,12,价值密度是有

3、价值的数据量与数据总量的比值。如何在海量的数据中提取出有价值的信息，这是对信息处理技术的一大挑战。,(3)价值密度低(Value)。,13,现在的数据流量从PB级至EB级不等，并呈快速增长趋势。因此，不仅要求网络能够从这些海量的数据中提取数据，而且对提取速度的快慢也提出更苛刻的要求。,(4)处理速度快(Velocity)。,14,6.2.1 分组交换的概念,6.2 分组交换技术,15,也称包交换，是以信息分发为目的，把从输入端进来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（或包），并且在每个信息分组中增加信息头及信息尾，表示该段信息的开始及结束。,分组交换,16,分组交换（Packet Switching），也称“信息包交换”。1980年出现了X.25建议，制定了分组交换的标准框架。,6.2.2 分组交换的基本原理,17,在报文交换的基础上，将用户的一整份报文分，割成若干定长的数据块，也就是我们常说的“分组”，以这些更短的、被规格化了的分组为单位，再进行存储转发。,工作原理,18,(1) 灵活性强，时延比报文交换小，能满足实时性要求。,优点：,19,以分组为单位，比报文效率

4、更高，还更节省存储空间，降低费用。,(2),可靠性在差错控制协议的帮助下能将误码率降低到10-10以下。,(3),20,(1) 技术复杂，设备要求较高。要求交换机具有大容量的存储空间、高速的分析能力，且能处理各种类型的分组。,但分组交换也存在一些缺点：,21,分组越多，分组头部的附加信息就越多，影响了效率。 分组交换的应用比较广泛：它是数据通信网，包括大名鼎鼎的互联网，所选择的基本交换方式，也是下一代网络的主要形式。 分组交换方式又可分为虚电路和数据报两种交换方式，如图6.1所示。,(2),22,23,(1) 也有呼叫建立、数据传输和释放清除三个阶段。,1虚电路（Virtual Circuit）,由于路径是预先建好的，因此传输过程中，不再进行路由选择。,(2),24,虽然该用户的所有分组都只经同一条路径传输，但该路径上不止这一个用户。因此传输的结果是“顺序而不连续”的。,(3),25,时延比数据报小，且不易丢失。,(4),26,交换虚电路(SVC：Switched Virtual Circuit)： 如同电话电路一般，需要“呼叫建立、发送、拆线”三个阶段。 永久虚电路(PVC：Perm

5、anent Virtual Circuit)： 如同专线，两终端在申请合同期间，无须呼叫建立与拆线。,虚电路又可分为：,27,(1) 无须呼叫和释放阶段，只有传输数据阶段，消除了除数据通信外的其他开销。,2数据报（Datagram）,各分组可沿任意不同的路径传输，每途径一个节点都需要选择下一跳路由。,(2),28,灵活方便，对网络故障的适应能力较强，特别适合于传送少量零星的信息。,(3),数据分组传输时延离散度大，且不能防止分组的丢失、重复或失序问题。,(4),29,分组交换网基本结构包括7大部分： 节点交换机； 数据终端； 分组拆装设备PAD； 远程集中器； 网络管理中心； 传输线路； 调制解调器。,6.2.3 分组交换网络的结构,30,其中，分组装拆设备PAD是终端与网络的接口，负责整合信息，使之满足网络传输。例如，非分组数据与分组数据之间的转换，划分分组，并在分组包上加上字头、校验码。完成分组后，在PAD至交换机的中速线路上，PAD还需完成交织复用等功能。而远程集中器PCV则可看成是PAD的扩充。,PAD,31,分组交换网络的基本结构如图6.2所示。,32,1993年，我国建成投

6、产了中国公用分组交换数据网ChinaPAC (China Public Packet Switched Data Network)，这是中国信息产业部经营管理的公用分组交换网，以X.25协议为基础，可满足不同速率、不同型号终端之间，终端与计算机之间，计算机之间以及局域网之间的通信。资费比DDN专线便宜，适用于速率低于64K的低速应用场合。例如，金卡工程中的POS机(用于商场刷卡消费)，由于其业务量小，但实时性要求高，就可采用X.25分组网方案。,6.2.4 分组交换的应用,33,帧中继(FR：FrameRelay)又名第二代X.25，或快速X.25、X.25流水线方式。帧中继是一种用于连接计算机系统的面向分组的通信方法。它主要用在公共或专用网上的局域网互联以及广域网连接。,34,6.3 帧中继,帧中继的诞生离不开两大背景原因： 一是依赖于光纤等能够大大降低传输差错的新型传输介质； 二是得益于智能化终端等可以进行差错检验节点。,6.3.1 概述,35,在这两大因素下，帧中继在第2层省略了差错纠正功能、流量控制功能，因此减轻了网络的负担，进而把原本由第3层负责的路由功能，放到第2层，把原X

7、.25的3层模型简化为只有2层，减少了节点处理时间。图6.3给出了传统X.25网络和帧中继在层次结构是上的区别。,36,37,帧中继的帧，是长度可变的，且最大长度超过X.25，最高可达大1600字节/帧。因此，帧中继可以减少分段重组的次数，更加适合于封装突发业务。例如局域网数据、压缩视频业务、WWW业务等，都是帧中继很好的选择。帧中继的帧结构如图6.4所示。,6.3.2 帧中继的工作原理,38,39,帧中继和X.25在帧的组建和传输过程中也有所不同：X.25在第2层中采用了平衡链路访问规程( LAPB: Link Access Procedure Balanced)，而帧中继的第2层采用：帧方式链路访问规程（LAPF:Link Access Procedure on Frame）。它们都是HDLC的子集。,40,而且，由于没有第3层，帧中继的帧直接通过交换机，也就是说，交换机在帧的尾部还未收到之前，就可以把帧的头部发送给下一个交换机，因而被称为流水线方式。一旦出错，网络不负责纠错、立即丢弃，由高层协议发出重传请求，然后由智能化用户端(如计算机)负责重传。这样一来，花费的时间要比X.25

8、多，因而帧中继仅在误码率极低的网络(如光缆)中才可行。图6.5对比 了分组交换网与帧中继的确认方式，从中可以看到：分组交换网每传输一次数据均需反馈证实，而帧中继这省略了这个步骤，从而加快了传输速度。,41,42,帧中继具有以下五个优势：,6.3.3 帧中继的特点,43,帧中继采用了统计复用的方式，简化了节点间的协议，能够适用于突发性的大数量数据。,(1) 高效性：,44,在帧中继有空余带宽时，可“偷占”其他用户空闲的多余带宽，而只需要缴纳预定带宽的费用。,(2) 经济性,帧中继的传输线路质量好，终端智能化程度高。,(3) 可靠性,45,帧中继的协议更加简单，因此原有X.25接口只需软件升级，不需改硬件。,(4) 灵活性：,帧中继的技术已经成熟，能够很好的满足64Kbit/s2Mbit/s的速率范围。,(5) 长远性：,46,帧中继特点和优点之一是它的 “约定信息速率(简称CIR)”机制。传统数据通信(如DDN)，用户预定64K的电路，就只能以64Kbit/s。而帧中继，用户预定的是CIR，实际可高于CIR，而收费依旧按CIR来定，并且其费用是相同DDN专线带宽收费的40%。 例如：某用

9、户预定了CIR、Bc(承诺突发量)和Be(超过的突发量)。网络会监测用户的入网业务流量：,CIR,47,在时间段T内，输入的比特数之小于Bc，那么该帧就不用标记保证传输。,(1),48,在时间段T内，输入的比特数之和大于Bc，但小于Bc+Be时，网络就对帧中的DE(丢弃标志位)字段打上标记(DE置“l”)，被标记的帧再送给网络，如果此帧得不到资源的话，就可能丢弃。,(2),49,在时间段T内，输入的比特数之和大于Bc+Be时，网络会限制发端用户的速率，或丢弃数据。,(3),50,1991年美国第一个帧中继网Wilpac网投入运行，覆盖了全美91个城市。20世纪90年代初，芬兰、丹麦、瑞典、挪威等国，联合建立了北欧帧中继网WordFRAME。1993年以后以平均每年300%的速度增长，北美、欧洲及亚太地区都各有十多个帧中继运营网络。,6.3.4 帧中继的应用,51,在我国，杭州电信于1995年借助帧中继技术，使浙江建设银行首次实现了通存通兑。1997年CHINAFRN(中国国家帧中继骨干网，又名中国公用帧中继网)初步建成，覆盖了大部分省会城市，由原邮电部颁布了试运行期间的指导性的收费标准。,52,中国电信为了推广帧中继业务，在1997年12月，专门赞助主办了北京、上海、东京、名古屋四城市间的网络围棋赛，以384Kbit/s的帧中继，来传送四地棋手的活动画面。1998年，各省帧中继网也相继建成，许多银行都采用了帧中继方案。但随着技术的高速发展，帧中继不再是业界的宠儿，如杭州电信就在2003年用10兆的光纤网代替了帧中继技术。,53,图6.6给出了一个典型的手持式帧中继测试仪。它可以让使用者能够按一个键就完成多项功能，包括：检验物理线路、建立到帧中继网络的连接、验证提供的DLCI是否正确，以及提供到远端设备的IP层的连接验证。,54,55,异步转移模式(ATM：Asynchronous Transfer Mode)是实现B-ISDN的业务的核心技术之一。,6.4 ATM交换,56,57,ATM的产生背景和帧中继一样：源自于光纤等误码率低，信道容量大的传输介质，和智能化终端的普及。在这样的前提条件下ATM也把差错控制、流量控制等功能放到高层处理，从而把第2层协议简化得只需硬件就可实现，缩短了交换节点的时延。,6.4.1 ATM技术的产生及特点,

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