數(shù)據(jù)交換方式課件

數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信發(fā)展的一項關鍵技術就是數(shù)據(jù)交換技術。各種數(shù)據(jù)交換技術本質上是通信與計算機結合的產物，交換系統(tǒng)實質上是一個以計算機為基礎，在實時多任務操作系統(tǒng)的控制下，完成信息處理的應用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)交換的主要任務是為所有進入通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)流提供從源節(jié)點到目的節(jié)點的通路。目前比較常見的交換技術主要有電路交換、報文交換和分組交換三種不同的方式。自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡第1節(jié) 數(shù)據(jù)交換的概念數(shù)據(jù)交換的必要性多個用戶之間進行數(shù)據(jù)通信，最簡單的實現(xiàn)方法就是在任意兩個用戶之間建立直達線路，這種實現(xiàn)方式稱為全連接，由全連接方式形成的通信網(wǎng)，叫做完全連接網(wǎng)。假設現(xiàn)在有兩部電話需要進行通信，那么我們只需要一根線就可以把這兩部電話連接起來。

自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡

但是若有5部電話需要通信，那么就需要10根線。自動化工程系

擴展開來，若有N部電話需要進行通信，則需要N（N-1）/2根線，也就是說，當需要通信的電話數(shù)量增大時，需要的電線數(shù)量與電話數(shù)的平方是車工正比的，而這在現(xiàn)實中是不可能進行實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡因此，當電話的數(shù)量增多時，就需要使用交換機或一個具備交換功能的網(wǎng)絡把它們連接起來，使任何一個通過該交換機（或者接入到該交換網(wǎng)）的用戶都能夠實現(xiàn)通信操作?！?/p>

交換機自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系交換的概念什么是交換？交換是采用交換機（或節(jié)點機）等交換系統(tǒng)，通過路由選擇技術在進行通信的雙方之間建立物理的/邏輯的連接，形成一條通信電路，實現(xiàn)通信雙方的信息傳輸和交換的一種技術。具有交換功能的網(wǎng)絡稱為交換網(wǎng)絡，交換中心稱為交換節(jié)點。通常，交換節(jié)點泛指網(wǎng)內的各類交換機，它具有為兩個或多個設備創(chuàng)建臨時連接的能力。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡交換節(jié)點的基本組成自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系交換方式的分類所謂交換方式是指對應于各種傳輸模式，交換節(jié)點為完成其交換功能所采用的互通（Intercommunication）技術。交換方式主要分為兩類。電路交換方式(或線路交換方式)存儲/轉發(fā)方式（或信息交換方式）存儲/轉發(fā)方式又分為：報文交換和分組交換。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系數(shù)據(jù)業(yè)務的特點及其對交換方式的要求通信速率、信號形式要求交換機最好能夠適應各種速率和各種信號形式的使用。業(yè)務量、實時性短數(shù)據(jù)傳送：無呼叫連接，有信息立即發(fā)出去。交互式數(shù)據(jù)傳送：要有較快的響應，要求交換傳輸時延小，最好把通信線路的空閑時間利用上。批方式數(shù)據(jù)傳送：較大的傳送信息能力，盡量減少附加信息的開銷。傳輸差錯呼叫/應答數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系第2節(jié) 電路交換由于目前電路交換的最主要應用是電信網(wǎng)，因此我們就以電話為

例子，來分析電路交換的工作原理以及它的優(yōu)缺點。但需要注意的是，電路交換并不意味著它就是電話交換網(wǎng)，除了電信網(wǎng)，還有很多地方

也可以用到電路交換。電路交換的原理我們一般可以認為打電話分為三個步驟：撥號→通話→掛機數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系而在電路交換中，我們形象的把這三步分別稱為：建立連接→通信→釋放連接注意：這里需要指出一個概念，所有象這種必須通過“建立連接→通信→釋放連接”三個步驟的連網(wǎng)方式我們稱為是“面向連接的”連網(wǎng)方式。否則就可以稱為是“無連接的”連網(wǎng)方式。因此可以看出，電路交換必定是面向連接的。下面我們就通過電話的例子來講解一下電路交換的過程。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡A

和

B 通話經過四個交換機通話在

A

到

B 的連接上進行

交換機交換機交換機用戶線交換機中繼線中繼線B

用戶線C

D

A電路交換舉例自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡電路交換舉例C

和

D 通話只經過一個本地交換機通話在

C

到

D 的連接上進行

交換機交換機交換機用戶線交換機用戶線中繼線中繼線BC

D

A自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系電路交換的優(yōu)缺點電路交換的優(yōu)點信息傳輸延遲時間?。▽τ谝淮芜B接來說，傳輸延遲是固定不 變的）。交換機對用戶的數(shù)據(jù)信息不進行存儲、分析和處理，交換機在 處理方面的開銷小，對用戶的數(shù)據(jù)信息不需要附加許多用于控 制的信息，傳輸效率高。信息的編碼方法和信息格式不受限制，即可在用戶間提供“透明”的傳輸。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系電路交換的缺點電路接續(xù)時間較長，短報文通信效率低。電路資源被通信雙方占用，電路利用率低。通信雙方在信息傳輸速率、編碼格式、同步方式、通信規(guī)程等方面應完全兼容，這就限制了各種不同速率、不同代碼格式、不同通信規(guī)程的用戶終端之間互通。有呼損。傳輸質量較多地依賴于線路的性能，因而差錯率較高。電路交換Circuit

Switching數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡電路交換網(wǎng)的致命缺點自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡電路交換的應用電路交換多用于傳輸信息量較大，通信對象比較確定的用戶。如：數(shù)字話音和傳真等業(yè)務。電路交換不適合傳送計算機與終端或計算機與計算機之間的數(shù)據(jù)。例題假設需要傳送的報文共x比特。從源站到目的站共經過k段鏈路，每段鏈路的傳播時延為d秒，數(shù)據(jù)率為b（bps），在電路交換時電路的建立時間為s秒，且各結點的排隊等待時間可忽略不計。問該情況下，把數(shù)據(jù)全部發(fā)送完需要多長時間？電路交換發(fā)送完數(shù)據(jù)共需要： 秒。自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系第3節(jié) 報文交換由于電路交換的資源利用率低，不同類型的用戶間不能直接開通，靈活性差，所以，又發(fā)展了報文交換。報文交換的工作原理報文交換的基本思想就是“存儲—轉發(fā)”。假定用戶甲有報文A，B和C要發(fā)往乙用戶時，甲用戶不需要先接通乙用戶之間的電路，而是先與連接甲的一中間節(jié)點接通，將報文A，B和C先存儲下來；然后，分析報文提供的乙地址信息，根據(jù)地址信息接通下一個中間節(jié)點后，將報文A，B和C轉發(fā)出去；如此進行下去直到將數(shù)據(jù)報文A，B和C發(fā)往乙用戶。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系報文交換的優(yōu)缺點報文交換的優(yōu)點報文以存儲/轉發(fā)方式通過交換機，輸入輸出電路的速率、代碼格式可以不同，很容易實現(xiàn)各種不同類型用戶間的相互通信。報文交換中沒有電路接續(xù)過程，來自不同用戶的報文可以在同一線路上以報文為單位實現(xiàn)時分多路復用，線路的利用率大大提高。用戶不需要叫通對方就可以發(fā)送報文，沒有呼損，并可以節(jié)省通信終端操作人員的時間。同一報文可由交換機轉發(fā)到許多不同的收信地點。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系報文交換的缺點報文通過交換機的時延大，且時延抖動也大，不利于實時通信。交換機要有能力存儲轉發(fā)用戶發(fā)送的報文，其中有的報文可能很 長，這就要求交換機要有高速處理能力和大的存儲空間。因此， 報文交換機的設備比較龐大，費用高。報文交換不適于實時交換數(shù)據(jù)的場合。報文交換的應用報文交換主要應用于公眾電報和電子信箱業(yè)務。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系第4節(jié) 分組交換分組交換的產生背景60年代初，美國國防部領導的遠景研究規(guī)劃局ARPA（AdvancedResearch

Project

Agency）提出要研制一種嶄新的、能夠適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的、生存性很強的網(wǎng)絡，其目的是對付來自前蘇聯(lián)的核進攻威脅。當時，使用傳統(tǒng)的電路交換的電信網(wǎng)雖然已經四通八達，但在戰(zhàn)爭期間，一旦正在通信的電路中有一個交換機或一條鏈路被摧毀，則整個通信通信電路就要中斷。如要立即該用其他迂回電路通信，還必須重新?lián)芴柦⑦B接。這將要延誤一部分時間（例如十幾秒鐘），但這可能造成不可挽回的重大損失。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系根據(jù)美國軍方提出的要求，這種新型的網(wǎng)絡必須滿足以下的一些要求：和傳統(tǒng)的電信網(wǎng)不同，這種新型的網(wǎng)絡不是為了打電話，而是用于計算機之間的數(shù)據(jù)傳送。新型的網(wǎng)絡能夠連接不同類型的計算機，而不局限于單一類型的計算機。所有的網(wǎng)絡節(jié)點都同等重要。因為網(wǎng)絡必須經受的住敵人的核打擊，所以在網(wǎng)絡中不能有某些特別重要的節(jié)點，否則敵人將首先瞄準和摧毀這些重要的節(jié)點。計算機在進行通信時，必須有冗余的路由。當網(wǎng)絡中的某一節(jié)點或鏈路被破壞時，冗余的路由能夠使正在進行的通信自動找到合適的路由，使通信維持暢通。網(wǎng)絡的結構應當盡可能的簡單，但能夠非?？煽康膫魉蛿?shù)據(jù)。 根據(jù)這些要求，一批專家終于設計出了使用分組交換的網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡報文1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸分組交換的原理1. 在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡報文首部首部首部分數(shù)組1

據(jù)數(shù)

據(jù)數(shù)

據(jù)分組2分組3自動化工程系請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”2. 在每一個數(shù)據(jù)段前添加首部構成分組。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡數(shù)

據(jù)首部數(shù)

據(jù)首部分組2首部分組3數(shù)

據(jù)自動化工程系3. 分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。分組1首部的重要性：每一個分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網(wǎng)中的結點交換機根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉發(fā)到下一個結點交換機。用這樣的存儲轉發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡數(shù)

據(jù)首部數(shù)

據(jù)首部分組2數(shù)

據(jù)首部分組3自動化工程系收到的數(shù)據(jù)4.

接收端收到分組后剝去首部還原成報文。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡數(shù)

據(jù)數(shù)

據(jù)數(shù)

據(jù)報文自動化工程系11010001101010101101010111000100110100105. 在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉發(fā)時也沒有被丟棄。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡H1ADECH5H6H4H2H1

向H5

發(fā)送分組H2

向H6

發(fā)送分組注意分組路徑的變化！結點交換機B主機分組交換網(wǎng)示意圖分組交換網(wǎng)H3自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡H1AECH5H6H4HH1

向H5

發(fā)送分組結點2D交換機B主機在結點交換機A

暫存查找轉發(fā)表

找到轉發(fā)的端口結點交換機C

暫存查找轉發(fā)表

找到轉發(fā)的端口在在結點交換機E

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口最后到達目的主機H5分組交換網(wǎng)H3自動化工程系注意分組存儲轉發(fā)的過程數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡AEH1H5H3H6高速鏈路結點交換機12341234D1

2

3

41

2

3

4CB1

2

3

4需要注意的是，每個結點交換機都是有多個端口的。H4H2自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系分組交換的優(yōu)缺點分組交換的優(yōu)點向用戶提供不同速率、不同代碼、不同同步方式以及不同通信 控制協(xié)議的數(shù)據(jù)終端間能夠互相通信的靈活的通信環(huán)境。在網(wǎng)絡負荷較輕的情況下，信息傳輸時延小，而且變化范圍不 大，能夠較好的滿足會話型通信實時性要求。實現(xiàn)線路的動態(tài)時分復用，通信線路的利用率高，在一條物理 線路上可以同時提供多條信息通路?？煽啃愿摺＝洕院?。能與公用電話網(wǎng)、用戶電報網(wǎng)和低速數(shù)據(jù)網(wǎng)及其其他專用網(wǎng)相連。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系分組交換的缺點由網(wǎng)絡附加的傳輸信息多，對長報文通信的傳輸效率比較低。當把一份報文劃分為許多分組在交換網(wǎng)內傳輸時，為了保證這些分組能夠按照正確的路徑安全準確地達到終點，就要給每個數(shù)據(jù)分組加上控制信息（分組頭）。除此之外，還要設計許多不包含數(shù)據(jù)信息的控制分組，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的建立、保持和拆除，并進行差錯控制和流量控制等。技術實現(xiàn)復雜。分組交換機要對各種類型的“分組”進行分析處理，

為“分組”在網(wǎng)中的傳輸提供路由，并且在必要時自動進行路由調整；交換機還要為用戶提供速率、代碼和規(guī)程的變換，為網(wǎng)絡的管理和維護提供必要的報告信息等。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡例題假設需要傳送的報文共x比特。從源站到目的站共經過k段鏈路，每段鏈路的傳播時延為d秒，數(shù)據(jù)率為b（bps），在分組交換時分組長度為p（bit）且各結點的排隊等待時間可忽略不計。問該情況下，把數(shù)據(jù)全部發(fā)送完需要多長時間？分組交換發(fā)送完數(shù)據(jù)共需要：秒。自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡分組交換的傳輸方式一個站要發(fā)送一個報文，其長度比最大分組長度還要長，它把該報文分成組而把這些分組發(fā)送到節(jié)點上，分組流的傳輸方式有數(shù)據(jù)報（Datagram）和虛電路（VirtualCircuit）兩種方式。數(shù)據(jù)報方式的分組交換數(shù)據(jù)報非常類似于報文交換，交換網(wǎng)把對進網(wǎng)的任一分組都當作單獨的“小報文”來處理，如下圖所示。自動化工程系數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系數(shù)據(jù)報方式有以下幾個特點：用戶之間的通信不需要經歷呼叫建立和呼叫清除階段，對于短報文通信傳輸效率較高。數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)臅r延較大。對網(wǎng)絡擁塞或故障的適應能力較強。如在網(wǎng)絡的一部分形成擁塞或某個節(jié)點出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)報可以繞開那個擁塞的部分和某個故障節(jié)點另找路由?，F(xiàn)今的Internet網(wǎng)絡就是以數(shù)據(jù)報方式進行傳輸數(shù)據(jù)信息的。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系虛電路方式的分組交換1.

基本概念虛電路所謂虛電路就是網(wǎng)絡內一對數(shù)據(jù)終端（DTE）之間的邏輯連接，允許數(shù)據(jù)同時雙向傳輸，而且通過邏輯連接的全部數(shù)據(jù)傳輸均采用分組形式。邏輯信道用信道組號和信道號共同標識一條特定的邏輯信道。虛呼叫它是一個臨時的或交換的虛電路，它必須在進行信息傳送之前通過交換分組來建立。數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡自動化工程系2.

虛電路的建立根據(jù)分組交換方式的虛電路和分組復用的概念，即在一條物理的線路上能夠傳