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)概述電路交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換虛電路交換與數(shù)據(jù)報交換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)絡中的中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)從源站點發(fā)送到目的站點。中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的過程被稱為數(shù)據(jù)交換。傳輸網(wǎng)絡傳輸鏈路中繼節(jié)點網(wǎng)絡中的交換設(shè)備中繼節(jié)點通常為交換設(shè)備，具有多個端口，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態(tài)地分配傳輸線路的資源。中繼節(jié)點轉(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進行語音數(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PSTN-PublicSwitchedTelephoneNetwork-公共交換電話網(wǎng)絡

PSTN的層次結(jié)構(gòu)公用交換電話網(wǎng)PSTN--PublicSwitchedTel.Net分為三級：國際網(wǎng)長途網(wǎng)本地網(wǎng)本地電話網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換技術(shù)的分類電路交換（CircuitSwitching）存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換（StoreandForwardSwitching）報文交換（MessageSwitching）分組交換（PacketSwitching）數(shù)據(jù)報虛電路第6章數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)概述電路交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換虛電路交換與數(shù)據(jù)報交換電路交換電路交換（Circuitswitching）是最早出現(xiàn)的一種交換方式，也是應用最廣泛的一種。電路交換是實電路交換，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)之前建立一條實際的物理通路，并且在整個傳輸過程中獨占該通路。電話系統(tǒng)的交換過程：通話前先撥號建立連接。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，掛機釋放連接。((A((((((BCD交換節(jié)點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)點和信宿節(jié)點間，通過呼叫建立一條由各個中間交換節(jié)點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行實時、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)點和信宿節(jié)點之間的物理連接。電路交換的三個階段呼叫建立信息傳送連接釋放SignalSourceSignalReleaseSignalDestinationGoAheadMessage電路交換的特點數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡中的中繼節(jié)點是電子或機電結(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），不能存儲數(shù)據(jù)，無糾錯能力。它通過網(wǎng)絡中繼節(jié)點在兩個工作站之間建立專用的物理信道。在數(shù)據(jù)進行傳輸實現(xiàn)交換的過程中，數(shù)據(jù)從信源節(jié)點到信宿節(jié)點，所經(jīng)過的中繼節(jié)點并不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容，只是把數(shù)據(jù)從一個節(jié)點送到下一個節(jié)點，直至送到信宿節(jié)點為止。電路交換的優(yōu)缺點優(yōu)點傳輸實時性強。一旦線路接通，數(shù)據(jù)直通，傳輸延遲時間短，適用于交互式會話類數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，保證按序傳送。缺點獨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間太長。由于計算機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)概述電路交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換虛電路交換與數(shù)據(jù)報交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換（StoreandForwardSwitching）

利用傳輸鏈路中繼節(jié)點的存儲器來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。中繼節(jié)點由具有存儲能力的計算機擔任，用戶信息可以暫時保存在中繼節(jié)點上。信源節(jié)點和信宿節(jié)點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

中動態(tài)確定。126345AB中繼節(jié)點的交換方式在中繼節(jié)點中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。中繼節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換的過程：把收到的數(shù)據(jù)先放入緩存（暫時存儲）；查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個目的地址應從哪個端口轉(zhuǎn)發(fā)；把數(shù)據(jù)送到適當?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。報文交換與分組交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換分為報文（message）交換與分組（packet）交換兩種方式；報文交換：

不管發(fā)送數(shù)據(jù)的長度是多少，都把它當作一個邏輯單元，附上相應的控制信息，組成一個報文發(fā)送。分組交換：

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

公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用的是分組交換技術(shù)。報文交換的優(yōu)點采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的技術(shù)：無建立電路的過程，接收方和發(fā)送方無須同時工作，信道忙或接收方忙時中繼節(jié)點可暫存報文；線路利用率較高：不獨占線路，信道可為多個用戶的數(shù)據(jù)報文所共享；支持多點傳輸：一個信源節(jié)點可同時向多個目的節(jié)點發(fā)送同一報文；能進行速率與碼型的轉(zhuǎn)換：不同速率和碼型的終端用戶之間可以進行數(shù)據(jù)傳送?？梢栽黾硬铄e控制機制進行檢錯和糾錯處理。確保報文有序無誤地傳送。報文交換的缺點通常傳輸網(wǎng)絡的延遲等待時間過長，不適合于實時的或交互會話式的數(shù)據(jù)通信業(yè)務。如：語音交換、終端與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。要求中繼節(jié)點必須配置大容量的存儲設(shè)備；分組交換的原理分組交換也稱為包交換（PacketSwitching），其原理是：限定分組的最大長度，將用戶傳送的數(shù)據(jù)報文劃分成較短長度的分組（包）；每個分組的前面不僅包含原始報文的報頭信息，還添加了分組編號；各中繼節(jié)點根據(jù)每個分組的地址標志，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年由英國國家物理實驗室NPL提出的。分組交換的優(yōu)點數(shù)據(jù)傳輸靈活，線路的利用率高：一個報文的不同分組可按不同的路徑進行傳輸；到中繼節(jié)點后的分組不必等待未到達的分組而繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)；不同站點的數(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)缺點優(yōu)點：轉(zhuǎn)發(fā)時延短，速度快：

限定分組的最大長度，有利于提高中繼節(jié)點的存儲空間利用率與轉(zhuǎn)發(fā)效率。由于分組較為短小，適合在交換機的主存儲器中存儲轉(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度，可以采用高速緩存來暫存分組。轉(zhuǎn)發(fā)差錯少容易進行恢復處理：

由于分組長度較短，在傳輸出錯時，檢錯容易并且重發(fā)花費的時間較少；缺點：目的站點要重組報文，增加了復雜性。

分組交換實現(xiàn)的關(guān)鍵分組長度的選擇分組越小，冗余量（分組中的控制信息等）在整個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?；分組越大，數(shù)據(jù)傳輸出錯的概率也越大，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)概述電路交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換虛電路交換與數(shù)據(jù)報交換第6章數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)報和虛電路分組交換結(jié)合了報文交換和電路交換兩者的優(yōu)點，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（Datagram）

是無連接的數(shù)據(jù)傳輸方式,工作過程類似于報文交換。采用數(shù)據(jù)報方式傳輸時，被傳輸?shù)姆纸M稱為數(shù)據(jù)報。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。兩種服務方式,兩種交換機制虛電路（面向連接的服務）用戶的數(shù)據(jù)能夠確保正確傳輸通信前源主機和目的主機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（無連接的服務）用戶的數(shù)據(jù)不能確保正確傳輸主機只要想發(fā)送數(shù)據(jù)就隨時可發(fā)送，每個分組獨立地選擇傳送路徑，不進行數(shù)據(jù)校驗和重傳。P1交換技術(shù)的比較報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報文報文報文A

B

C

DA

B

C

D報文P2P1P3P4P2P1P3P4P2P1P3P4P2P1P3P4P2P1P3P4P2tA

B

C

DA

B

C

D交換技術(shù)的比較電路交換

實時性強，適用于交互式會話類通信，也適用于大量數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)膱龊?，但線路利用率不高。報文交換

報文需要緩沖，轉(zhuǎn)發(fā)時延長，適用于單向傳輸。分組交換

轉(zhuǎn)發(fā)時延較短，線路利用率較高。

虛電路方式適用于長報文傳輸；

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

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)點為每個報文分組分別進行選路，盡快將分組傳給下一節(jié)點。目標主機對收到的報文分組進行整理，拆包后按序重組報文。源主機將報文分割成分組按順序傳給本地的通信子網(wǎng)節(jié)點。每個報文分組均包含詳細的源地址和目標地址。數(shù)據(jù)報服務的特點網(wǎng)絡隨時接收主機發(fā)送的分組（即數(shù)據(jù)報），并為每個分組獨立地選擇路由。網(wǎng)絡盡最大努力地將分組交付給目的主機，但網(wǎng)絡對源主機沒有任何承諾，既不保證所傳送的分組不丟失，也不保證按時限、按源主機發(fā)送分組的先后順序?qū)⒎纸M交付給目的主機。當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，網(wǎng)絡中的節(jié)點可根據(jù)情況將一些分組丟棄。數(shù)據(jù)報提供的服務是不可靠的，它不能保證服務質(zhì)量。實際上“盡最大努力交付”的服務，就是沒有質(zhì)量保證的服務。

虛電路的概念虛電路：指網(wǎng)絡中一對數(shù)據(jù)傳輸站點之間的邏輯連接，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，不同之處在于此時的電路是虛擬的。虛電路交換具有以下三個階段：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節(jié)點之間通過虛呼叫建立的臨時連接，也稱為呼叫式虛電路(SVC,SwitchVirtualCircuit)。用戶可以根據(jù)需要動態(tài)地建立和釋放。永久虛電路(PVC,permanenceVirtualCircuit)是在兩個節(jié)點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，任何時候，站點之間都可以進行通信。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

通信源主機先通過本地的通信子網(wǎng)節(jié)點向目標主機發(fā)出一個特定格式的呼叫分組（虛呼叫）要求進行通信。中繼節(jié)點為呼叫分組進行逐站選路，最終送達目標主機。目標主機若同意通信就發(fā)回響應分組，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的特點源主機必須先通過虛呼叫與目標主機建立虛電路連接。在虛電路建立后，就好像在兩個主機之間建立了一對穿過網(wǎng)絡的數(shù)字管道。所有發(fā)送的分組都按順序進入管道，然后按照先進先出的原則沿著此管道傳送到目的站主機。到達目的站的分組順序就與發(fā)送時的順序一致。因此，提供虛電路服務的網(wǎng)絡對通信的服務質(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，物理介質(zhì)被劃分為多個子信道（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：兩種服務思想