現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)第七章現(xiàn)代交換技術(shù)

現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)第七章現(xiàn)代交換技術(shù)第一頁，共55頁。本章主要內(nèi)容7.1交換網(wǎng)絡(luò)SwitchingNetworks7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)Circuit-switchedNetworks7.3報文交換網(wǎng)絡(luò)

Message-switchingNetworks7.4分組交換網(wǎng)絡(luò)Packet-switchingNetworks7.5信元交換網(wǎng)絡(luò)Cell-switchingNetworks7.6交換機結(jié)構(gòu)StructureofaSwitch第二頁，共55頁。7.1交換網(wǎng)絡(luò)

?本章開始由數(shù)據(jù)通信（兩臺設(shè)備之間）進入網(wǎng)絡(luò)通信（N臺設(shè)備之間）。

?幾種網(wǎng)絡(luò)連接方案

(1)

點對點連接–

造價高，利用率低網(wǎng)狀：每對設(shè)備之間建立點對點連接星形：通過中心設(shè)備建立點對點連接

(2)

多點連接–

廣播沖突，介質(zhì)和設(shè)備容量限制總線形：將所有設(shè)備接在一條“總線”上

(3)

交換連接–適用在廣域網(wǎng)中使用由互連節(jié)點在通信設(shè)備（端系統(tǒng)）構(gòu)建臨時連接第三頁，共55頁。7.1交換網(wǎng)絡(luò)常見的交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖7-1交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第四頁，共55頁。7.1交換網(wǎng)絡(luò)

在通信網(wǎng)中，交換功能是由交換節(jié)點即交換設(shè)備來完成的。交換節(jié)點(node)并不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容。數(shù)據(jù)通過一個節(jié)點一個節(jié)點交換處理而被“路由”(從哪個端口轉(zhuǎn)發(fā)給下一個節(jié)點)。所有交換節(jié)點及其連接的集合稱為“通信網(wǎng)絡(luò)”。各種終端設(shè)備被稱為“站點”(station)。這些站點可能是計算機、終端、電話機等。第五頁，共55頁。7.1交換網(wǎng)絡(luò)圖7-2簡單的交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖第六頁，共55頁。7.1交換網(wǎng)絡(luò)常用的分類方法:

若按照信息傳送模式的不同，可將交換方式分為電路傳送模式（CTM-CircuitTransferMode）、分組傳送模式（PTM-PacketTransferMode）和異步傳送模式（ATM-AsynchronousTransferMode）三大類，如電路交換、多速率電路交換、快速電路交換屬于電路傳送模式；分組交換、幀交換、幀中繼屬于分組傳送模式，而ATM交換則屬于異步傳送模式。

圖7-3交換方式第七頁，共55頁。7.1交換網(wǎng)絡(luò)同時不同的通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)所支持業(yè)務(wù)的特性不同，其交換設(shè)備所采用的交換方式也各不相同，目前常采用的或曾出現(xiàn)的交換類型主要有以下幾種，也是本章主要講的內(nèi)容：圖7-4交換網(wǎng)絡(luò)的類型第八頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)一個普通的電路交換網(wǎng)，如下圖7-5所示：第九頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)◆

傳送前需先在兩站點間建立專用“通信通道”?！?/p>

通道由一組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間依次相互連接的鏈路組成。◆

"透明"連接：兩站點間如同直接連接。第十頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)電路交換的基本過程（三個階段：連接建立hello、數(shù)據(jù)傳送talk和連接拆除bye），如圖7-6所示：第十一頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)連接建立：如同打電話先要通過撥號在通話雙方間建立起一條通路一樣，數(shù)據(jù)通信的電路交換方式在傳輸數(shù)據(jù)之前也要先經(jīng)過呼叫過程建立一條端到端的電路；數(shù)據(jù)傳送：電路交換連接建立以后，數(shù)據(jù)就可以從源節(jié)點發(fā)送到中間節(jié)點，再由中間節(jié)點交換到終端節(jié)點，當(dāng)然終端節(jié)點也可以經(jīng)中間節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；連接拆除：當(dāng)站點之間的數(shù)據(jù)傳輸完畢，執(zhí)行釋放電路的動作。該動作可以由任一站點發(fā)起，釋放線路請求通過途經(jīng)的中間節(jié)點送往對方，釋放線路資源。第十二頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)電路交換具有以下6個特點：①交換設(shè)備簡單（純硬件）；②透明連接，（對話音信息不做處理，不像IP分組頭部字段處理）；傳輸延遲?。▋H為物理信號本身延遲）；③帶寬固定，如同步時分復(fù)用TDM（不適合猝發(fā)性大通信流量）；單一速率，無差錯控制功能（話音業(yè)務(wù)特點：實時性強，可靠性不高）；同步時分復(fù)用TDM的基本原理如下圖所示：第十三頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)如：基于PCM30/32路同步時分復(fù)用系統(tǒng)，每秒鐘傳送8000個幀，每幀32個時隙，每個時隙8比特，每路通信信道（TS）為64kbit/s恒定速率，即對每路通信信道所分配的帶寬是固定的。在信息傳送階段不管有無信息傳送，都占用這個TS子信道，直到通信結(jié)束。圖7-7PCM30/32路同步時分復(fù)用系統(tǒng)第十四頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)④只能一對一通信，信息傳送的最小單位是時隙（PCM系統(tǒng)）；⑤獨占線路，信道利用率低（空閑也不能利用）；

數(shù)據(jù)通信時占用線路時間一般不超過10%（語音通信最高可達80%）。基于呼叫損失制的流量控制（過負荷到來的呼叫直接拒絕，而不是采用排隊等待，以保證原有的通話業(yè)務(wù)的QoS）；⑥要求建立連接，是面向連接的工作方式（物理連接）。第十五頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)電路交換是由傳統(tǒng)的電話通訊方式發(fā)展起來的一種交換方式。通過公用電路交換網(wǎng)連接示例如圖7-8：第十六頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)電路交換網(wǎng)的延遲第十七頁，共55頁。7.2電路交換網(wǎng)絡(luò)總結(jié)：電路交換適合于實時性、恒定速率的業(yè)務(wù)（如話音）。電話通信網(wǎng)中的話音業(yè)務(wù)，具有實時性強、可靠性要求不高的特點；電路交換不管是其面向連接的特點，還是對信息無差錯控制、透明傳輸以及基于呼叫損失制的流量控制特點，都滿足了話音業(yè)務(wù)的特性，因而電話通信網(wǎng)采用電路交換方式；電路交換的不足：由于無差錯控制機制，因而對數(shù)據(jù)交換的可靠性沒有分組交換高，不適合對差錯敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；同時由于電路交換采用固定帶寬分配方式，因而其電路利用率低、不適合突發(fā)（burst）業(yè)務(wù)。第十八頁，共55頁。7.3報文交換網(wǎng)絡(luò)報文交換是以報文為數(shù)據(jù)交換的單位，報文攜帶有目標地址、源地址等信息，在交換結(jié)點采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸方式，報文整個地發(fā)送，一次一跳。報文交換是分組交換的前身。

60年代和70年代，在數(shù)據(jù)通信中普遍采用報文交換方式，目前這種技術(shù)仍普遍應(yīng)用在某些領(lǐng)域(如電子信箱等)。第十九頁，共55頁。7.3報文交換網(wǎng)絡(luò)采用“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”技術(shù)(storeandforward)；（交換節(jié)點）接收整個報文，在轉(zhuǎn)發(fā)到其目的站點的路由被確定之前，一直保存之。一旦路由選定了，報文就被發(fā)送到最后的目的站，或發(fā)送給另一個中間存儲站以便轉(zhuǎn)發(fā)。圖7-9報文交換網(wǎng)絡(luò)第二十頁，共55頁。7.3報文交換網(wǎng)絡(luò)報文交換的優(yōu)點：①報文交換不需要為通信雙方預(yù)先建立一條專用的通信線路，不存在連接建立時延，用戶可隨時發(fā)送報文，不存在呼損。②通信雙方不是固定占有一條通信線路，而是在不同的時間一段一段地部分占有這條物理通路，因而大大提高了通信線路的利用率，通信資費低。第二十一頁，共55頁。7.3報文交換網(wǎng)絡(luò)③由于采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸方式，在報文交換中便于設(shè)置代碼檢驗和數(shù)據(jù)重發(fā)設(shè)施，加之交換結(jié)點還具有路徑選擇，當(dāng)某條傳輸路徑發(fā)生故障時，重新選擇另一條路徑傳輸數(shù)據(jù)，提高了傳輸?shù)目煽啃裕惶峁┒嗄繕朔?wù)，即一個報文可以同時發(fā)送到多個目的地址，這在電路交換中是很難實現(xiàn)的；允許建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級，使優(yōu)先級高的報文優(yōu)先轉(zhuǎn)換。第二十二頁，共55頁。7.3報文交換網(wǎng)絡(luò)報文交換的缺點：傳輸速率慢–要存儲整個報文，選擇路由，然后重發(fā)報文，所有這些都需要花費時間。組網(wǎng)費用高–通常要求大容量存儲硬盤，以便存儲大的報文。總而言之，報文交換的優(yōu)點是通過對報文進行沿途存儲，從而充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源。但是這種存儲轉(zhuǎn)發(fā)方案組網(wǎng)費用高而且傳輸速率慢，所以并不適用于計算機網(wǎng)絡(luò)。第二十三頁，共55頁。7.3報文交換網(wǎng)絡(luò)報文交換：只適合在公用電報網(wǎng)中使用①通道可復(fù)用，費用較低②帶寬可調(diào)變（猝發(fā)性通信）③實時性差（存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程引起通信延遲），不適用于語音和視頻之類實時或交互式的通信要求。④可實現(xiàn)一對多通信⑤交換設(shè)備（結(jié)點）需用磁盤等外設(shè)來存放較大的報文

在實際應(yīng)用中主要用于傳輸報文較短、實時性要求較低的通信業(yè)務(wù)，如公用電報網(wǎng)。第二十四頁，共55頁。7.4

分組交換網(wǎng)絡(luò)分組交換的本質(zhì)也是存儲轉(zhuǎn)發(fā),它將用戶所傳送的數(shù)據(jù)劃分一定長度的分組，在每個分組前加分組頭，用以指明該分組發(fā)往的地址，然后交換機根據(jù)每個分組頭的地址標志，將他們轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。圖7-10分組交換的基本過程第二十五頁，共55頁。7.4

分組交換網(wǎng)絡(luò)“分組”(packet)分割的報文段+控制信息數(shù)據(jù)以較小的信息包(分組)形式傳送通常以1000字節(jié)為一組更長的報文被分割成一個分組串每個分組包括有用戶數(shù)據(jù)(部分或全部的)和附加的控制信息控制信息“路由”(尋址)信息（收發(fā)雙方站點地址）其他有關(guān)信息（協(xié)議版本、差錯處理等）第二十六頁，共55頁。7.4.1

分組交換與報文交換的比較更快速可分組多路傳送轉(zhuǎn)發(fā)更快(內(nèi)存存取，無需讀寫磁盤)更經(jīng)濟存儲器造價低(內(nèi)存而非磁盤)設(shè)備小型化線路利用率更高更可靠附加檢錯、糾錯信息報文交換分組交換第二十七頁，共55頁。7.4.2

分組交換與電路交換的比較電路交換必有“連接-傳送-斷連”三步；”透明連接“，延遲最?。ń粨Q節(jié)點處無延遲）；恒定數(shù)據(jù)傳輸率；獨占信道，線路利用率低而費用高。分組交換在每個節(jié)點處需存儲轉(zhuǎn)發(fā)；交換機根據(jù)分組中附加的目標地址確定如何轉(zhuǎn)發(fā)；多個通信過程可共享一個信道；信息傳送存在隨機延遲問題：節(jié)點處排隊長度和時間不定。第二十八頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理分組交換包含兩種基本途徑：(1)數(shù)據(jù)包交換。采用無連接工作方式（CL—ConnectionLess），在呼叫前不需要事先建立連接，而是邊傳送信息邊選路，并且各個分組依據(jù)分組頭中的目的地址獨立地進行選路。(2)虛擬電路分組交換。采用面向連接的工作方式（OC—OrientedConnection），其通信過程與電路交換相似，具有連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接拆除三個階段，即在用戶數(shù)據(jù)傳送前先建立端到端的虛連接；一旦虛連接建立后，屬于同一呼叫的數(shù)據(jù)分組均沿著這一虛連接傳送，分組的接收順序與發(fā)送順序相同；通信結(jié)束時拆除該虛連接。我們將虛連接也稱為虛電路，即邏輯連接，它不同于電路交換中的實際的物理連接，而是通過通信連接上的所有交換節(jié)點保存選路結(jié)果和路由連接關(guān)系來實現(xiàn)連接的，因而是邏輯的連接。分為交換虛電路和永久虛電路兩種方式。第二十九頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理數(shù)據(jù)包交換的特點：分組中攜帶完整的目的地址,每個分組相互獨立；每個分組可以使用任何可用的路線；交換機或路由器根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表或路由表來轉(zhuǎn)發(fā)分組；分組的到達可能無序；分組在傳送中可能丟失；在接收端對分組重新排序并對丟失的分組進行補救處理。圖7-11數(shù)據(jù)包交換第三十頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理有四個交換機（路由器）的數(shù)據(jù)包網(wǎng)，圖7-12第三十一頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)路由表，圖7-13目的地址輸出端口第三十二頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理數(shù)據(jù)包網(wǎng)的延遲如圖7-14第三十三頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理虛擬電路分組交換的特點：傳送前要先建立預(yù)定的路由（各節(jié)點虛電路表中記錄虛電路號）通過呼叫建立連接(握手)每個分組中含有虛電路號而非目標地址對使用同一虛電路的所有分組只需做一次路由選擇有序傳送，接收后無需排序清除請求，斷開電路并非獨享線路(存儲轉(zhuǎn)發(fā)而非透明直連圖7-15虛擬電路分組交換第三十四頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理虛擬電路網(wǎng)絡(luò)，圖7-16第三十五頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理虛擬電路網(wǎng)絡(luò)源端到目的端的數(shù)據(jù)傳輸如圖7-17第三十六頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理虛擬電路網(wǎng)絡(luò)的延遲，圖7-18第三十七頁，共55頁。7.4.3分組交換的基本原理數(shù)據(jù)包技術(shù)和虛擬電路技術(shù)比較：數(shù)據(jù)報技術(shù)無需呼叫建立連接階段傳輸少量數(shù)據(jù)時比虛電路快傳輸更靈活可通過選擇不同路由避繞網(wǎng)絡(luò)中的擁塞區(qū)域但不保證分組能按序到達，數(shù)據(jù)丟失也不知曉虛電路技術(shù)傳輸前需先建立連接，所以適用于兩端之間大數(shù)據(jù)量交換。順序傳送，差錯控制簡便分組傳送速率更快因為無需花費時間選擇路由可靠性較低構(gòu)成虛電路的某個結(jié)點或鏈路出故障時，虛電路完全失效。第三十八頁，共55頁。7.4.4分組交換的特點信息傳送的最小單位是分組（Packet）分組由分組頭和用戶信息組成，分組頭含有選路和控制信息。面向連接（邏輯連接）和無連接兩種工作方式虛電路采用面向連接的工作方式，數(shù)據(jù)報是無連接工作方式。統(tǒng)計時分復(fù)用（動態(tài)分配帶寬）（電路交換：固定分配時隙）圖7-19

統(tǒng)計時分復(fù)用的基本原理第三十九頁，共55頁。7.4.4分組交換的特點統(tǒng)計時分復(fù)用的基本原理是把時間劃分為不等長的時間片（傳送一個分組所需的時間），對每路通信沒有固定分配時間片，而是按需來使用。當(dāng)某路通信需要傳送的分組多時，所占用的時間片的個數(shù)就多；由此可見統(tǒng)計時分復(fù)用是動態(tài)分配帶寬的。l信息傳送有差錯控制

（數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可靠性要求高）l信息傳送不具有透明性

（對數(shù)據(jù)分組要處理，如：分片等）l基于呼叫延遲制的流量控制

（排隊機制）分組交換的技術(shù)特點決定了它不適合對實時性要求較高的話音業(yè)務(wù)，而適合突發(fā)（burst）和對差錯敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第四十頁，共55頁。7.4.5

三種交換技術(shù)的比較電路交換

透明傳送，但獨占線路，效率不高，適合于較輕和間接式負載使用租用的線路進行通信。報文交換采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送，不獨占線路，但傳送延遲大，不能滿足實時通信的要求。通常用于公用電報網(wǎng)。分組交換和報文交換方式類似，但報文被分成分組傳送，是在計算機數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中最廣泛使用的交換技術(shù)，適用于交換中等或大量數(shù)據(jù)情況。第四十一頁，共55頁。7.5

信元交換網(wǎng)絡(luò)信元：在通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，指大小固定不變數(shù)據(jù)的分組。ATM(異步傳送模式)交換技術(shù)是以分組傳送模式為基礎(chǔ)并融合了電路傳送模式的優(yōu)點發(fā)展而來的，兼具分組傳送模式和電路傳送模式的優(yōu)點。信元交換又稱“快速分組交換”。數(shù)據(jù)被切分成一個個固定大小的“信元”（53字節(jié)），這樣允許交換以硬件形式完成，同時不必進行復(fù)雜的計算，使交換更快速。第四十二頁，共55頁。7.5

信元交換網(wǎng)絡(luò)信元交換的特點：以固定長度的信元為傳輸單元；采用統(tǒng)計時分復(fù)用（等長的時間片）；采用面向連接并預(yù)約傳輸資源的工作方式（虛連接）；ATM網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部取消逐段鏈路的差錯控制和流量控制；

綜述:ATM技術(shù)是以分組傳送模式為基礎(chǔ)并融合了電路傳送模式高速化的優(yōu)點發(fā)展而成的。采用異步時分復(fù)用方式，實現(xiàn)了動態(tài)分配帶寬，可適應(yīng)任意速率的業(yè)務(wù)；固定長度的信元和簡化的信頭，使快速交換和簡化協(xié)議處理成為可能，從而極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸處理能力，使實時業(yè)務(wù)應(yīng)用成為可能。異步傳送模式的基本原理第四十三頁，共55頁。7.6交換機結(jié)構(gòu)常見的交換機電路交換機空分交換機時分交換機時間-空間-時間交換機分組交換機“榕樹”(Banyan)交換機“巴切爾榕樹”(Batcher-banyan)交換機ATM交換機第四十四頁，共55頁。7.6.1

空分交換機最初用于模擬網(wǎng)絡(luò)，目前同時用于模擬和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。信號通道和信號通道之間被物