通信工程 - 數(shù)據(jù)交換技術(shù)

第6章數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)概述電路交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換虛電路交換與數(shù)據(jù)報(bào)交換H1H2H1H2交換技術(shù)的引入所謂交換，是在用戶之間有目的地互相傳遞信息(話音、文本、數(shù)據(jù)或圖像)。交換機(jī)什么是數(shù)據(jù)交換在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，通信的雙方通常通過傳輸網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)從源站點(diǎn)發(fā)送到目的站點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的過程被稱為數(shù)據(jù)交換。傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路中繼節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的交換設(shè)備中繼節(jié)點(diǎn)通常為交換設(shè)備，具有多個(gè)端口，分別連接不同的傳輸線路。Control123N123NConnectionofinputstooutputs

數(shù)據(jù)交換技術(shù)

從數(shù)據(jù)傳輸資源分配的角度來看，所謂“交換”就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源。中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的技術(shù)就是數(shù)據(jù)交換技術(shù)。1234電話的典型連接方式通過電話交換機(jī)進(jìn)行語音數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接。傳輸過程是：模擬話音–PCM–PCM-模擬話音PSTN交換網(wǎng)絡(luò)PSTN-PublicSwitchedTelephoneNetwork-公共交換電話網(wǎng)絡(luò)

PSTN的層次結(jié)構(gòu)公用交換電話網(wǎng)PSTN--PublicSwitchedTel.Net分為三級(jí)：國(guó)際網(wǎng)長(zhǎng)途網(wǎng)本地網(wǎng)本地電話網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換技術(shù)的分類電路交換（CircuitSwitching）存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換（StoreandForwardSwitching）報(bào)文交換（MessageSwitching）分組交換（PacketSwitching）數(shù)據(jù)報(bào)虛電路第6章數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)概述電路交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換虛電路交換與數(shù)據(jù)報(bào)交換電路交換電路交換（Circuitswitching）是最早出現(xiàn)的一種交換方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種。電路交換是實(shí)電路交換，是一種面向連接的直接交換方式。要求數(shù)據(jù)傳輸雙方在傳輸數(shù)據(jù)之前建立一條實(shí)際的物理通路，并且在整個(gè)傳輸過程中獨(dú)占該通路。電話系統(tǒng)的交換過程：通話前先撥號(hào)建立連接。通話過程中，數(shù)據(jù)傳輸雙方一直占用所建立的連接。通話結(jié)束后，掛機(jī)釋放連接。((A((((((BCD交換節(jié)點(diǎn)的作用把一條傳輸線路轉(zhuǎn)接到另一條傳輸線路，使它們連通起來。電路交換的過程建立電路連接開始傳輸數(shù)據(jù)之前，首先在信源節(jié)點(diǎn)和信宿節(jié)點(diǎn)間，通過呼叫建立一條由各個(gè)中間交換節(jié)點(diǎn)的分段連接所組成的傳輸電路。數(shù)據(jù)傳輸建立傳輸鏈路之后，就通過這條專用信道進(jìn)行實(shí)時(shí)、雙向的數(shù)據(jù)傳輸。釋放電路連接完成數(shù)據(jù)傳輸之后，必須釋放占用的線路，即拆除信源節(jié)點(diǎn)和信宿節(jié)點(diǎn)之間的物理連接。電路交換的三個(gè)階段呼叫建立信息傳送連接釋放SignalSourceSignalReleaseSignalDestinationGoAheadMessage電路交換的特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)是電子或機(jī)電結(jié)合的交換設(shè)備，僅完成輸入線路與輸出線路的物理連接（如：電話交換機(jī)），不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，無糾錯(cuò)能力。它通過網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)工作站之間建立專用的物理信道。在數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸實(shí)現(xiàn)交換的過程中，數(shù)據(jù)從信源節(jié)點(diǎn)到信宿節(jié)點(diǎn)，所經(jīng)過的中繼節(jié)點(diǎn)并不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容，只是把數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至送到信宿節(jié)點(diǎn)為止。電路交換的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)。一旦線路接通，數(shù)據(jù)直通，傳輸延遲時(shí)間短，適用于交互式會(huì)話類數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，保證按序傳送。缺點(diǎn)獨(dú)占電路和一組用戶設(shè)備，其他用戶不能利用。電路交換的呼叫建立過程所花時(shí)間太長(zhǎng)。由于計(jì)算機(jī)和各種終端的傳輸速率不一樣，很難使這些不同速率的設(shè)備互相通信。雙方數(shù)據(jù)通路建立連接以后，一旦出現(xiàn)了故障，都必須重新建立連接。這對(duì)重要的與緊急的通信很不利。綜上所述，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)必須尋找其它的交換技術(shù)。第6章數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)概述電路交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換虛電路交換與數(shù)據(jù)報(bào)交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換（StoreandForwardSwitching）

利用傳輸鏈路中繼節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。中繼節(jié)點(diǎn)由具有存儲(chǔ)能力的計(jì)算機(jī)擔(dān)任，用戶信息可以暫時(shí)保存在中繼節(jié)點(diǎn)上。信源節(jié)點(diǎn)和信宿節(jié)點(diǎn)之間無需建立專用通道。信息傳輸?shù)穆窂郊瓤梢允枪潭ǖ模?/p>

也可以在傳輸過程

中動(dòng)態(tài)確定。126345AB中繼節(jié)點(diǎn)的交換方式在中繼節(jié)點(diǎn)中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過程：把收到的數(shù)據(jù)先放入緩存（暫時(shí)存儲(chǔ)）；查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個(gè)目的地址應(yīng)從哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)；把數(shù)據(jù)送到適當(dāng)?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。報(bào)文交換與分組交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換分為報(bào)文（message）交換與分組（packet）交換兩種方式；報(bào)文交換：

不管發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度是多少，都把它當(dāng)作一個(gè)邏輯單元，附上相應(yīng)的控制信息，組成一個(gè)報(bào)文發(fā)送。分組交換：

限制一次傳輸數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度，如果傳輸數(shù)據(jù)超過規(guī)定的最大長(zhǎng)度，發(fā)送方就將它分成多個(gè)報(bào)文分組發(fā)送。報(bào)文和報(bào)文分組的結(jié)構(gòu)

公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用的是分組交換技術(shù)。報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的技術(shù)：無建立電路的過程，接收方和發(fā)送方無須同時(shí)工作，信道忙或接收方忙時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)可暫存報(bào)文；線路利用率較高：不獨(dú)占線路，信道可為多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)報(bào)文所共享；支持多點(diǎn)傳輸：一個(gè)信源節(jié)點(diǎn)可同時(shí)向多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送同一報(bào)文；能進(jìn)行速率與碼型的轉(zhuǎn)換：不同速率和碼型的終端用戶之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。可以增加差錯(cuò)控制機(jī)制進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)處理。確保報(bào)文有序無誤地傳送。報(bào)文交換的缺點(diǎn)通常傳輸網(wǎng)絡(luò)的延遲等待時(shí)間過長(zhǎng)，不適合于實(shí)時(shí)的或交互會(huì)話式的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。如：語音交換、終端與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。要求中繼節(jié)點(diǎn)必須配置大容量的存儲(chǔ)設(shè)備；分組交換的原理分組交換也稱為包交換（PacketSwitching），其原理是：限定分組的最大長(zhǎng)度，將用戶傳送的數(shù)據(jù)報(bào)文劃分成較短長(zhǎng)度的分組（包）；每個(gè)分組的前面不僅包含原始報(bào)文的報(bào)頭信息，還添加了分組編號(hào)；各中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)每個(gè)分組的地址標(biāo)志，將它們轉(zhuǎn)發(fā)至目的地；分組（Packet）的形成分組=分組頭+分組數(shù)據(jù)分組的概念是1967年由英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室NPL提出的。分組交換的優(yōu)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸靈活，線路的利用率高：一個(gè)報(bào)文的不同分組可按不同的路徑進(jìn)行傳輸；到中繼節(jié)點(diǎn)后的分組不必等待未到達(dá)的分組而繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)；不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組可以交織在同一線路上傳輸。126345AB分組交換的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延短，速度快：

限定分組的最大長(zhǎng)度，有利于提高中繼節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間利用率與轉(zhuǎn)發(fā)效率。由于分組較為短小，適合在交換機(jī)的主存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，因此改善了轉(zhuǎn)發(fā)分組的傳輸延遲。甚至可以固定分組的長(zhǎng)度，可以采用高速緩存來暫存分組。轉(zhuǎn)發(fā)差錯(cuò)少容易進(jìn)行恢復(fù)處理：

由于分組長(zhǎng)度較短，在傳輸出錯(cuò)時(shí)，檢錯(cuò)容易并且重發(fā)花費(fèi)的時(shí)間較少；缺點(diǎn)：目的站點(diǎn)要重組報(bào)文，增加了復(fù)雜性。

分組交換實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵分組長(zhǎng)度的選擇分組越小，冗余量（分組中的控制信息等）在整個(gè)分組中所占的比例越大，最終將影響用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩环纸M越大，數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)的概率也越大，增加重傳的次數(shù)，也影響用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。X.25分組交換網(wǎng)分組長(zhǎng)度為131字節(jié)，包括128字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)和3字節(jié)的控制信息。數(shù)據(jù)交換技術(shù)概述電路交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換虛電路交換與數(shù)據(jù)報(bào)交換第6章數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路分組交換結(jié)合了報(bào)文交換和電路交換兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用兩種不同的方法來管理被傳輸?shù)姆纸M流：數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）

是無連接的數(shù)據(jù)傳輸方式,工作過程類似于報(bào)文交換。采用數(shù)據(jù)報(bào)方式傳輸時(shí)，被傳輸?shù)姆纸M稱為數(shù)據(jù)報(bào)。虛電路（VirtualCircuit）

是面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方式,工作過程類似于電路交換。兩種服務(wù)方式,兩種交換機(jī)制虛電路（面向連接的服務(wù)）用戶的數(shù)據(jù)能夠確保正確傳輸通信前源主機(jī)和目的主機(jī)之間要先建立一條虛電路，之后數(shù)據(jù)沿固定路徑順序傳送，通信后拆除虛電路。數(shù)據(jù)報(bào)（無連接的服務(wù)）用戶的數(shù)據(jù)不能確保正確傳輸主機(jī)只要想發(fā)送數(shù)據(jù)就隨時(shí)可發(fā)送，每個(gè)分組獨(dú)立地選擇傳送路徑，不進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)和重傳。P1交換技術(shù)的比較報(bào)文交換電路交換分組交換連接建立數(shù)據(jù)傳送連接釋放P3P4報(bào)文報(bào)文報(bào)文A

B

C

DA

B

C

D報(bào)文P2P1P3P4P2P1P3P4P2P1P3P4P2P1P3P4P2P1P3P4P2tA

B

C

DA

B

C

D交換技術(shù)的比較電路交換

實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適用于交互式會(huì)話類通信，也適用于大量數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，但線路利用率不高。報(bào)文交換

報(bào)文需要緩沖，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延長(zhǎng)，適用于單向傳輸。分組交換

轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延較短，線路利用率較高。

虛電路方式適用于長(zhǎng)報(bào)文傳輸；

數(shù)據(jù)報(bào)方式適用于短報(bào)文傳輸。H1H5H2H4H3ACDBH6E數(shù)據(jù)報(bào)交換的過程

H1

向H5

發(fā)送分組H2

向H6

發(fā)送分組路徑可能變化通信子網(wǎng)分包打包發(fā)送接收拆包組包選路傳輸中繼節(jié)點(diǎn)為每個(gè)報(bào)文分組分別進(jìn)行選路，盡快將分組傳給下一節(jié)點(diǎn)。目標(biāo)主機(jī)對(duì)收到的報(bào)文分組進(jìn)行整理，拆包后按序重組報(bào)文。源主機(jī)將報(bào)文分割成分組按順序傳給本地的通信子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)報(bào)文分組均包含詳細(xì)的源地址和目標(biāo)地址。數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)接收主機(jī)發(fā)送的分組（即數(shù)據(jù)報(bào)），并為每個(gè)分組獨(dú)立地選擇路由。網(wǎng)絡(luò)盡最大努力地將分組交付給目的主機(jī)，但網(wǎng)絡(luò)對(duì)源主機(jī)沒有任何承諾，既不保證所傳送的分組不丟失，也不保證按時(shí)限、按源主機(jī)發(fā)送分組的先后順序?qū)⒎纸M交付給目的主機(jī)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可根據(jù)情況將一些分組丟棄。數(shù)據(jù)報(bào)提供的服務(wù)是不可靠的，它不能保證服務(wù)質(zhì)量。實(shí)際上“盡最大努力交付”的服務(wù)，就是沒有質(zhì)量保證的服務(wù)。

虛電路的概念虛電路：指網(wǎng)絡(luò)中一對(duì)數(shù)據(jù)傳輸站點(diǎn)之間的邏輯連接，允許雙向數(shù)據(jù)交換。虛電路是面向連接的數(shù)據(jù)傳輸，工作過程類似于電路交換，不同之處在于此時(shí)的電路是虛擬的。虛電路交換具有以下三個(gè)階段：建立虛電路連接數(shù)據(jù)傳輸釋放虛電路交換式虛電路和永久虛電路交換式虛電路在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過虛呼叫建立的臨時(shí)連接，也稱為呼叫式虛電路(SVC,SwitchVirtualCircuit)。用戶可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地建立和釋放。永久虛電路(PVC,permanenceVirtualCircuit)是在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立的一條固定的連接。它類似于專用電路，無需建立和拆除，任何時(shí)候，站點(diǎn)之間都可以進(jìn)行通信。H1H5H2H4H3ACDBH6E虛電路的工作過程H1

向H5

發(fā)送的所有分組都沿此虛電路傳送。H1

要和H5

通信源主機(jī)先通過本地的通信子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)主機(jī)發(fā)出一個(gè)特定格式的呼叫分組（虛呼叫）要求進(jìn)行通信。中繼節(jié)點(diǎn)為呼叫分組進(jìn)行逐站選路，最終送達(dá)目標(biāo)主機(jī)。目標(biāo)主機(jī)若同意通信就發(fā)回響應(yīng)分組，雙方就建立了虛電路。H2要和H6

通信H2

向H6發(fā)送的所有分組都沿此虛電路傳送。組包分包打包建立連接傳輸拆除連接拆包虛電路服務(wù)的特點(diǎn)源主機(jī)必須先通過虛呼叫與目標(biāo)主機(jī)建立虛電路連接。在虛電路建立后，就好像在兩個(gè)主機(jī)之間建立了一對(duì)穿過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字管道。所有發(fā)送的分組都按順序進(jìn)入管道，然后按照先進(jìn)先出的原則沿著此管道傳送到目的站主機(jī)。到達(dá)目的站的分組順序就與發(fā)送時(shí)的順序一致。因此，提供虛電路服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信的服務(wù)質(zhì)量QoS（QualityofService）有較好的保證。

ABCDEFH1H2H3H4H6H5虛電路的建立采用虛電路方式傳輸時(shí)，物理介質(zhì)被劃分為多個(gè)子信道（稱之為邏輯信道LC），子信道的串接形成虛電路（VC）.利用不同的虛電路來支持不同的用戶數(shù)據(jù)的傳輸。0-ABCD1-ACD0-BCD1-BAE2-AEFD2-BFE虛電路的建立順序：兩種服務(wù)思想