第六章 数据交换技术.ppt

第六章 数据交换技术,,引言,经过编码后的数据，在信源和信宿之间进行传输的最理想方式是在两个互连的站点之间直接建立传输信道并进行数据通信但实际上，在大范围的网络环境中直接连接两个设备往往是不现实的，也是不可取的通常是通过网络中的中间节点把数据从源站点发送到目的站点，实现数据通信这些中间节点并不关心数据的内容，而只是提供一个交换设备，使数据从一个节点传送到另一个节点，直至达到目的地 按照数据传输技术划分，交换网络实现数据交换的方法包括电路交换、报文交换和分组交换3种6.1 电路交换,电路交换（Circuit Switching）是指数据传输过程中，在源站点与目的站点之间建立专用链接，在数据传输结束之前，电路一直被占用，而不能被其他节点使用即在发端和收端之间建立电路连接，并保持到通信结束的一种交换方式 电路交换包括以下三个步骤： 1. 建立连接 图6.1所示为一个交换网络的拓扑结构，其中 的方框表示要求通信的设备，称为网站或终端 系统，一般是计算机或终端；圆表示提供通信 交换功能的节点设备6.1 电路交换,1. 建立连接,,图6.1 电路交换示意图,6.1 电路交换,1. 建立连接,,6.1 电路交换,1. 建立连接 在传输数据之前，首先通过呼叫建立一条端到端（站到站）的电路。

例如在图6.1中，H1站点发送一个连接请求（信令）到节点A，请求与H5建立一个连接一般地，从H1站点到节点A的电路是一条专用线路，这一连接已经存在节点A必须在通向节点E的路径上需找下一个路由根据路径选择协议，节点A选择到节点B的电路，在此电路上分配一个未用的信道，并告诉节点B要与节点E建立连接，由节点B再呼叫节点E，并建立电路BE，节点E建立与H5站点的连接这样在节点A与节点E之间就建立了一条专用电路ABE，以实现H1与H5站点之间的数据传输6.1 电路交换,1. 建立连接,,6.1 电路交换,2. 保持连接 电路ABE建立完毕后，数据可以从节点A发送到节点B，再从节点B发送到节点E，也可以从节点E经过节点B到节点A发送数据因为是专用线路，因此这种数据传输经过每个中间节点时几乎没有延迟，并且不存在拥塞问题在整个数据传输过程中所建立的电路必须始终保持连接状态，除非出现意外的线路或节点故障而使电路中断6.1 电路交换,3. 拆除连接 在数据传输结束后，由通信的某一方发出拆除连接的请求（信令），对方作出响应并释放链路被拆除的信道空闲后，可被其他连接使用6.1 电路交换,6.1 电路交换,优缺点 优点 实时性好。

一旦电路建立，通信双方的所有资源（包括线路资源）均用于本次通信，除了少量的传输延迟之外，不再有其他延迟，具有较好的实时性 电路交换设备简单，无需提供任何缓存装置用户数据透明传输，要求收发双方自动进行速率匹配 从电路交换的工作原理看出，线路建立后，所有数据直接传输因此数据传输可靠、迅速、有序（按原来的次序）6.1 电路交换,优缺点 (2) 缺点 线路接通后即为专用信道，因此线路利用率低例如，线路空闲时，信道容量被浪费 线路建立时间较长，造成有效时间的浪费例如，只有少量数据要传送时，也要花不少时间用于建立和拆除电路 (3) 结论 线路交换适用于高负荷的持续通信和实时性要求较强的场合（如会话式通信），不适合突发性通信6.1 电路交换,使用场合 电路交换适用于传输质量要求高且数据量大的情况在数据传送之前必须建立一条专用的电路，在该电路释放之前，该电路由一对用户完全占用对于突发通信，电路交换的效率不高，网络是电路交换的典型例子6.2 报文交换,当站点之间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换的缺点是信道容量和有效时间的浪费采用报文交换可以克服上述不足 报文交换（Message Switching）不需在两个站点之间建立一条专用电路，数据传输的单位报文，即通过接收，必要时存储并继续传送消息来对其进行路由选择的一种交换方式。

如图6.2所示6.2 报文交换,,,图6.2 报文交换示意图,6.2 报文交换,报文交换不要求在两个通信结点之间建立专用通路结点把要发送的信息组织成一个数据包——报文，该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点经过多次的存储——转发，最后到达目标，因而这样的网络叫存储——转发网络其中的交换结点要有足够大的存储空间（一般是磁盘），用以缓冲收到的长报文6.2 报文交换,报文是指站点一次性发送的数据块，其长度可变且不限，传输过程中采用存储转发方式 当一个站点要发送报文时，它在报文的头部附加目的地址信息，中间的节点根据报文中的目的地址信息，将报文传送到下一个节点，直至到最终的目的节点 每个节点再接收到整个报文并校验无误后，则暂存该报文，然后利用路由信息找到下一个节点的地址，再把整个报文传送到下一个节点6.2 报文交换,因此，端与端之间无需实现呼叫建立连接在同一时间内，报文的传输只占用两个节点之间的一段电路，而在用户之间的其他电路，可以传输其他用户的报文，不像电路交换必须占用端到端的全部信道。

在电路交换的网络中，每个节点是一个电子的或是机电结合的交换设备，这类设备发送和接收的速度一样快报文交换节点通常是一台小型计算机，具有足够的存储容量来缓存接收的报文6.2 报文交换,报文在每个节点的延迟时间R可表示为： 其中， 表示接收全部报文所需的时间； 表示等待时间； 表示发送到下一个节点所需的排队延迟时间6.2 报文交换,优点 线路利用率高由于两站点之间的线路不是专用线路，因此许多报文可以分时共享这些线路 由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信；c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换 故障的影响小如果两站点之间的某条线路发生故障，报文可以选择其它线路进行传送 不需要收、发两端同时处于激活状态。

6.2 报文交换,缺点 延迟时间长且不定由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据例如：会话或实时转播等 报文长度不限对中间节点的要求高，例如：存储能力或处理能力等 通信不可靠、失序有时中间节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文；而且发出的报文不按顺序到达目的6.3 分组交换,分组交换（Packet Switching）是报文分组交换的简称，又称包交换，它是对报文交换的一种改进 在分组交换中，将报文分成若干个有限长度的分组，这将降低每个节点所需的存储能力，分组可以存储到内存中以提高交换速度每个分组中包含数据和目的地址信息，表面上其传输过程与报文相似，但本质上由于限定了每个分组的长度，因此大大改善了网络传输性能 分组交换包括虚电路和数据报两种分组交换技术是计算机网络中使用最为广泛的一种交换技术6.3 分组交换,分组交换是以分组为单位进行传输和交换的，它是一种存储-转发交换方式，即将到达交换机的分组先送到存储器暂时存储和处理，等到相应的输出电路有空闲时再送出。

分组是由分组头和其后的用户数据部分组成的分组头包含接收地址和控制信息，其长度为3--10B，用户数据部分长度是固定的，平均为128B，最长不超过256B6.3 分组交换,分组交换与报文交换的区别 分组交换将数据传送单位的最大长度限制在较小的范围内，这样每个节点所需要的存储容量降低 分组是较小的传输单位，只有出错的分组才被发现，因此大大降低了重发的可能性和开销，提高了交换速度源节点发出一个报文的第一个分组后，可以连续发送第二个、第三个分组，由于分组选择路由不同，可能导致多个分组在同一个节点被同时接收、处理和发送这种并行性缩短了整体传输时间，并可随时利用网络中流量分布的编号而确定最佳路由分组交换适用于交互式通信6.3 分组交换,分组交换包括虚电路和数据报两种 1. 虚电路 虚电路（Virtual Circuit）的实现过程包括： 1）建立虚电路 在虚电路方式中，网络的源节点和目的节点之间需要先建立一条逻辑电路，如图6.3所示6.3 分组交换,虚电路 1）建立虚电路,,图6.3 虚电路分组交换示意图,6.3 分组交换,虚电路,6.3 分组交换,虚电路 1）建立虚电路 在图中，假设H1站点有一个或多个报文要发送到H3站点，则首先发送一个呼叫请求分组到节点A请求建立一条到节点B的连接。

节点A确定达到节点B的路由后，节点B再确定到达节点C的路由，节点C最终把呼叫请求分组传送到H3站点若H3站点准备接收，则发送一个呼叫请求分组到节点C，该分组依次通过节点B和节点A返回H1站点，完成了H1站点到H3站点之间虚电路的建立6.3 分组交换,虚电路 2）交换数据 在逻辑电路建立后，可以利用虚电路交换数 据每个分组除了包含数据还包含一个虚电 路标识符(虚电路号)根据预先建立好的路 由，路由上的每个节点可以知道将这些分组 传送到哪里，而不需要重新进行路由选择6.3 分组交换,虚电路 3）拆除虚电路 当数据交换结束后，其中任意一个站点均可发 送拆除电路的请求一个站点能够与任意一个 站点建立多条虚电路，也可以与多个站点建立 虚电路这种传输数据的逻辑电路是虚的，因 为这条电路不是专用的，而是时分复用的每 条虚电路支持特定的两个端点之间的传输，而 两个端点之间也可以有多条虚电路为不同的通 信进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同 也可能不同6.3 分组交换,虚电路,6.3 分组交换,虚电路 虚电路技术的主要特点是在数据传输之前先建立站点与站点之间的一条路由，需要注意的是，虚电路不像电路交换那样拥有一条专用电路，分组在每个节点上仍需要缓冲，并在输出电路上排队等待输出。

这种方式对信息传输频率高、每次传输量小的用户不太适用，但由于每个分组头只需标出虚电路标识符和序号，所以分组头开销小，适用长报文传送6.3 分组交换,虚电路与电路交换的联系与区别 虚电路通信与电路交换类似，两者都是面向连接的，即数据按照正确的顺序发送，并且在连接建立阶段都需要额外开销但是，电路交换提供稳定的比特率和延迟时间，而虚电路服务的比特率和延迟时间要取决于以下因素： 1.网络节点上包队列的长度， 2.应用程序产生数据的比特率， 3.使用统计多路复用技术时，共享同一网络资源的其他用户的负荷 4.许多虚电路协议通过数据重传，包括检错纠错和自动重传请求（ARQ），提供可靠的通信服务6.3 分组交换,2. 数据报 在数据报（Datagram）方式中，每个分组的传送是 单独处理的，就像报文交换中的报文一样也是单独 处理的每个分组被称为数据报，每个数据报自身 携带足够的地址信息每个数据报按一定格式附加 源目的地址、分组编号、分组起始、结束标志、差 错校验等信息 一个节点接收到一个数据报后，根 据数据包中的地址信息和节点所存储的路由信息找 到一条适合的路由，把数据报原封不动地发送到下 一个节点。

6.3 分组交换,2. 数据报 因此，当某一个站点要发送一个报文时，先把报文拆分成若干个带有分组序号的地址和地址信息的数据报，一次发送到网络节点但此后，各个数据报的所经过的路由可能不同，因为各个节点随时根据网络流量、故障等具体情况动态选择路由，从而各个数据报到。