数字与数据通信技术 教学课件 ppt 作者 周英 第8章

1、第8章 数据交换与通信协议,本章学习的目标: 1. 掌握不同交换技术的工作原理 2. 理解参考系统互联模型OSI的基本原理 本章的重点、难点: 1. 分组交换技术 2. OSI分层思想,本章的难点： 1. 数据交换技术的分类 2.电路交换概念及工作原理 3.分组交换概念及工作原理 4.虚电路概念及工作原理 课前预习相关的内容： 1.复用及相关知识 2.通信系统中为什么要引入交换方式？,8.1 数据交换的概念 8.1.1 数据交换 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8-1所示。这样的连接方式称为全互连式。全互连式存在以下缺点：,（1）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，通常称为N2问题。 （2）当这些终端分别位于相距很远的地方时，相互间的连接需要大量的长途线路。 （3）每个终端都有N-1根连线与其它终端相接，因而每个终端都需要N-1个线路接口。 （4）增加第N+1个终端时，必须增设N条线路。 显然，全互连式成本较高，连接复杂，仅适

2、合于终端数目较少、地理位置相对集中且可靠性要求很高的场合。,对于终端用户数量较多，分布范围较广的情况，最好的连接方法是在用户分布密集中心处安装一个设备，把每个用户终端设备（比如电话机）分别用专用的线路（电话线）连接到这个设备上，如图8-2所示。,8.2.1 电路交换 所谓电路交换是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通讯线路。例如电话系统，这种电路交换系统，在两个站之间必须有一个实际的物理连接，这种连接是节点之间的连接序列。在传输任何数据之间都必须建立点到点的线路。 例如，电话机A想要和电话机D建立连接，首先A要与程控交换机1建立连接，然后程控交换机1根据被叫号码发起与程控交换机2的呼叫连接，再由程控交换机3发起与被叫的电话机D的呼叫连接。当被呼叫方D拿起电话机后，这个电路连接过程完成。如图8-3所示。,8.2 常用交换技术 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。而这些交换技术大都是随着计算机网络的发展应运而生，并且从前面的介绍中我们已经看到交换在通信中的重要地位。

3、,在双方通话完毕之后，任何一方挂断电话，结束此次通话。从以上的叙述中我们知道，电话通信的这个过程可以分为三个阶段： 通话前先拨号建立连接。可能只要经过一个交换机（如 A 到 B），也可能要经过多个交换机（如 C 到 D）。 通话过程中，通信双方一直占用所建立的连接。于是在这个阶段可以将话音从话机A传送到话机B了。一般来说这种连接是全双工的，可以在两个方向传输话音（数据）。 通话结束后，挂机释放连接，释放资源。,电路交换的特点是： 优点： 1）传输延迟小，惟一的延迟是电磁信号的传播时间。 2）线路一旦接通，不会发生冲突。 3）对于占用信道的用户来说，数据以固定的速率进行传输，可靠性和实时响应能力都很好，适用于交互式会话类通信。 缺点： 1）电路交换建立线路所需的时间较长。 2）线路的利用率低。电路一旦建立，线路就被通信双方占用，这个时候即使双方没有任何的数据传输，那么其他用户也不能够使用这段链路。除非结束通信释放链路。 3）电路交换系统不具备差错控制的能力，达不到计算机通信系统要求的指标。 4）电路交换不具有数据存储能力，不能改变数据的内容，因此，很难适应具有不同类型、规格、速率和编码格

4、式的计算机之间，或计算机与计算机终端之间的通信。,8.2.2 报文交换 报文交换：把较长的报文分解成一系列报文，以报文为单位采用“存储-转发”交换方式进行通信。报文交换是面向无连接的传输方式，中间节点具有路径选择功能，延迟大不适做实时要求高的数据传输，模拟数据必须在传输进行前被转换成数字信号。 在图8-5中，从A到F有三条链路ABCEF、AB EF和ABDEF可走，具体走哪一条由网络当时的情况决定，图中给出了沿ABCEF链路的报文传输示意图。,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。由于交换机输入和输出的信息速率、编码格式等不同，因此，很容易实现各种类型终端之间的相互通信。 (2)在报文交换过程中不需要建立专用通路，没有电路持续过程（保持连通状态），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，线路可以以其最高的传输能力工作，大大地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，并可以节省通信终端操作人员的时间。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，即实现同报文的通信（或广播功能）。 报文交换的主要缺点： (1)由于每

5、个节点在收到来自不同方向的报文后，都要将报文先排队，寻找到下一个节点后再转发出去，因此，信息通过节点交换（或路由）时产生的时延大，而且时延的变化也大，不利于实时通信。 (2)交换机需要存储用户发送的报文，因为有的报文可能很长，所以要求交换机要有高速处理能力和大的存储容量，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。,8.3.3 分组交换 20 世纪 60 年代美苏冷战激烈，美国军方要研制一种生存性很强的新型分布式网络， 即使少数结点或链路被摧毁，整个网络仍保持畅通。这种新型的计算机网络就是采用分组交换的、基于存储转发计算机网络。,分组格式与报文格式的区别在于如图8-6所示。在图中各种不同长度的报文被分割成一定长度的分组。然后每个分组单独传输。到达目的后再重新组装成原来的报文，如图8-7所示。,分组交换通常有两种方式： 数据报方式和虚电路方式。数据报提供的是无连接的网络服务；而虚电路方式提供的是面向连接的网络服务。 所谓面向连接，就是指两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。面向连接服务是在数据交换

6、之前必须先建立连接。当数据交换结束后，则必须终止这个连接。,无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留。这些资源将在数据传输时动态地进行分配。无连接服务的另一特点就是它不需要通信的两个实体同时是活跃的。,1数据报传输,数据报的工作过程如图8-8所示，在图中多个分组由主机H1要到达目的主机H5。当一个分组由主机H1发出后到达A节点，A节点首先将该分组接受缓存起来，再按照路由协议和本节点内的路由表为该分组选择路由，如果节点A选择的下一个节点是B节点，那么该分组到达节点B，然后B节点根据路由表选择发送到节点E，E节点再发给目的节点H5.最终该分组经过路径ABE到达目的主机。但H1主机发出的第二个分组到达A节点后，由于网络状况处于变化之中，路由表也会随之进行更新，那么这个第二个分组可能就会被A节点发往C节点（假设当前A节点至B节点之间的链路出了故障），从而经过ACE到达目的节点H5。,2. 虚电路传输,在如图8-9所示的虚电路方式中，当主机H1要发送分组给目的主机H5时，首先H1主机会向与之相连的节点A发出特定格式的控制信息分组，要

7、求与目的主机H5进行通信，如果A接受该呼叫请求，则A节点同时根据路由表为此次虚电路传输寻找一条合适路由；假设A节点选择了下一个节点为B节点，那么A则节点也会向B节点发出该控制信息分组；然后B节点接受呼叫后，又向E节点发出请求，最后当目的主机H5同意通信，则发回响应，于是虚电路链路建立。此后的由主机H1发往H5的所有分组都按照这条ABE的路径传输。显然到达H5的所有分组都会按照发送的顺序达到目的主机。,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)一次通信具有呼叫建立、数据传输和呼叫清除三阶段。分组中不含终端地址，对数据量大的通信传输效率高。 (3)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。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。另外，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。,8.3 通信协议概念 8.3.1开放系统互连

8、参考模型 1. 计算机网络的标准化 计算机网络的产生和演变过程经历了从简单到复杂、从低级到高级、从单机系统到多机系统的发展过程，其演变过程可概括为四个阶段： （1）第一阶段 面向终端的计算机通信网络（计算机终端联机网络） （2）第二阶段：初级计算机网络（计算机计算机互联网络） （3）第三阶段：开放式标准化计算机网络（网络体系结构标准化阶段）,2. 计算机网络协议 网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。网络协议包括了：语法、语义与时序三个要素。 语法：是用户数据与控制信息的结构与格式。（如何通信？） 语义：是需要发出何种控制信息，以及要完成的动作与应做出的响应。（通信什么？） 时序：是事件实现的速度匹配和排序等。（何时通信？）,3. 开放系统互连参考模型OSI,ISO将整个通信功能划分为七个层次，划分原则是： （1）网路中各结点都有相同的层次； （2）不同结点的同等层具有相同的功能； （3）同一结点内相邻层之间通过接口通信； （4）每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务； （5）不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。 4. OSI的层次结构

9、,(1) 物理层 物理层的主要功能是实现通信结点之间的物理连接，在物理传输介质上传输非结构化的“0”和“1”二进制比特流。物理层并不是指物理传输介质，它是介于数据链路层和物理传输介质之间的一层，是OSI参考模型的最底层，起着数据链路层到物理传输介质之间的逻辑接口的作用。 包含：机械特性 、电器特性 、功能特性和规程特性。,（2）数据链路层 数据链路层负责在两个相邻的结点间的线路上，无差错的传送以帧为单位的数据。如图8-16所示。节点A和节点B是相邻的两个节点，结点A和B的数据链路层的任务就是实现A节点把数据组合成规定格式和长度的数据帧发送给节点B，然后B结点正确接收到该数据帧。 借助于物理层的协议，我们已经可以把比特流传送给相邻的节点，但为了让接收的节点能够正确接收这些比特流，我们应该把比特流按照一定的格式来进行组合，这种格式就是我们说的数据帧。数据帧就是按照一种格式把一串比特流组合成一个固定格式的传输单元，然后发送至下一个节点。 数据帧的每一帧都包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。数据链路层负责数据链路的建立、维持和释放。在每一帧所包括的控制信息中，有同步信息、地址信息、差错控制信息和流量控制信息等。,（3）网络层 网络层是OSI参考模型中最复杂的一层，也是通信子网的最高层。它在其下面两层的基础上为资源子网提供服务。网络层存在的必要性： 1）数据链路层相邻节点间的传输不能解决多条链路组成的链路数据传输问题，即需要解决路由问题； 2）当一个子网中出现太多分组的时候，网络性能出现下降，产生拥塞问题，即需要拥塞控制； ISO为网络层定义了两种类型的服务： 面向连接的服务-分组按照发送顺序无差错的交给高层用户。但在分组传送之前建立链路，传输完成之后撤销链路。 无连接的服务- 没有链路的建立和撤销，每个分组独立到达目的端，不保证可靠和有序。纠错和排序功能由高层用户自己完成。 对于一个通信子网来说，最多只有到网络层为止的最低3层,（4）传输层 传输层位于中间，使通信子网和资源子网的接口和桥梁，起着承上启下的作用，是OSI最关键的一层。 传输层存在的必要性： 1）提供主机进程之间的通信 2）如果网络层使用的是无连接的服务，网络不保证顺序和正确性。那么达到目的主机的分组之间的分组的纠错和排序任务就只能由主

《数字与数据通信技术 教学课件 ppt 作者 周英 第8章》由会员E****分享，可在线阅读，更多相关《数字与数据通信技术 教学课件 ppt 作者 周英 第8章》请在金锄头文库上搜索。