通信原理與通信技術(shù)3版第12章

1第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)212.1交換的概念12.2

交換的基本功能主要內(nèi)容12.3常用的交換技術(shù)第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)3

點(diǎn)到點(diǎn)的通信，在通信雙方之間建立一個連接即可。點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信（也就是具有多個通信終端），最直接的方法就是讓所有通信方兩兩相連，即全互連式。全互連式成本較高，連接復(fù)雜，僅適合于終端數(shù)目較少、地理位置相對集中且可靠性要求很高的場合。12.1交換的概念第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)44.當(dāng)終端用戶數(shù)量較多、分布范圍較廣時，最好的連接方法是在用戶分布密集中心處安裝一個設(shè)備，把每個用戶終端設(shè)備分別用專用的線路連接到這個設(shè)備上。5.能夠完成任意兩個用戶之間通信線路連接與斷開作用的設(shè)備稱為交換設(shè)備或交換機(jī)。6.在該設(shè)備上完成通信連接的過程就稱之為交換。

第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)圖12-1通信終端的連接方式5

交換設(shè)備和連接在其上的用戶終端設(shè)備以及它們之間的傳輸線路構(gòu)成了最簡單的通信網(wǎng),并可由多個交換設(shè)備構(gòu)成實(shí)用的大型通信網(wǎng)。處于通信網(wǎng)中的任何一臺交換設(shè)備都可以稱為一個交換節(jié)點(diǎn)。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)6圖12-3由交換節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的通信網(wǎng)第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)7

一個通信網(wǎng)（比如一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）是由許多相互交叉的節(jié)點(diǎn)連接而成，就像我們熟悉的鐵路交通網(wǎng)是由許多火車站連接起來的一樣。

信息在網(wǎng)絡(luò)中從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的傳輸也像火車在鐵路上從一地到另一地的運(yùn)行似地要經(jīng)過若干個交換節(jié)點(diǎn)（車站）才能完成，這種節(jié)點(diǎn)對信息的轉(zhuǎn)發(fā)方式（車站引導(dǎo)火車的運(yùn)行方式，比如扳道岔）就稱為交換方式。交換：各通信終端之間（比如計算機(jī)之間，電話機(jī)之間，計算機(jī)與電話機(jī)之間等）為交換信息所采用的一種利用交換設(shè)備進(jìn)行連接的工作方式。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)8第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)9UNI：用戶終端與交換機(jī)之間的線路稱為用戶線，其接口稱為用戶網(wǎng)絡(luò)接口；NNI：交換機(jī)之間的線路稱為中繼線，其接口稱為網(wǎng)絡(luò)接口。12.2交換的基本功能第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)10對于一個交換節(jié)點(diǎn)，至少應(yīng)具備下述功能：(1)能正確接收和分析來自UNI或NNI的呼叫信令；(2)能正確接收和分析來自UNI或NNI的地址信令；(3)能按照目的地址正確地進(jìn)行路由選擇并通過NNI轉(zhuǎn)發(fā)信號；(4)能控制連接的建立；(5)能按照要求拆除連接。信令是指通信系統(tǒng)中的控制指令，用于在指定的終端之間建立臨時通信信道，并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)本身的正常運(yùn)行。信令傳送時所遵循的規(guī)則就是信令協(xié)議和信令方式。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)11

根據(jù)交換裝置和信息處理方法的不同，有如下幾種交換方式：線路交換報文交換分組交換ATM交換12.3常用的交換技術(shù)第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)12線路交換CircuitSwitching，也叫電路交換；在信息（數(shù)據(jù)）的發(fā)送端和接收端之間，直接建立一條臨時通路，供通信雙方專用，其它用戶不能再占用，直到雙方通信完畢才能拆除。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)圖12-4（a）線路交換信道13線路交換三個階段：線路建立數(shù)據(jù)傳輸線路拆除第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)圖12-4(b)線路建立和數(shù)據(jù)傳輸過程14線路交換兩種方式:模擬式交換器采用空分線路交換方式；2.數(shù)字式交換機(jī)采用時分線路交換方式。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)15線路交換特點(diǎn)通信前建立連接，通信后拆除連接，通信期間，連接始終保持且對通信信息不作處理；基于同步時分復(fù)用方式，連接為物理連接；實(shí)時交換，只要允許建立連接，就可保證通信質(zhì)量；固定分配帶寬，資源利用率低，靈活性差；一般用于電話交換，但也可用于數(shù)據(jù)交換，用于數(shù)據(jù)交換時一般速率低于9.6kb/s；當(dāng)節(jié)點(diǎn)使用電路交換技術(shù)時，可構(gòu)成公用電話網(wǎng)（PSTN）、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)（DDN）、移動通信網(wǎng)等。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)16線路交換優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：傳輸延時少，對一次連接來說，傳輸延時固定不變；交換機(jī)對用戶的數(shù)據(jù)信息不存儲、分析和處理，即交換機(jī)在處理方面的開銷小，傳輸效率高；信息的編碼方法和格式無限制。缺點(diǎn)線路連接時間較長，短報文通信效率低；電路的利用效率低。通信期間，不管是否有信息傳輸，始終由通信雙方占有；雙方的傳輸速率、編碼格式、同步方式、通信規(guī)約等方面要完全兼容，限制了各種不同速率、不同代碼格式和不同的通信規(guī)程的用戶終端設(shè)備間的互通；有呼損，即在網(wǎng)絡(luò)和用戶終端設(shè)備繁忙時雙方呼叫不通的可能；電路交換方式可向用戶提供低速到高速的各種用戶接口，但只有同速的用戶之間才能互通。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)17線路交換應(yīng)用：適合于傳輸信息量大，通信對象比較確定的用戶；典型應(yīng)用就是電話網(wǎng)。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)18報文交換MessageSwitching，不需要建立專用通道。原理：信源將欲傳輸?shù)男畔⒔M成一個數(shù)據(jù)包（報文），該報文上寫有信宿的地址；該報文送上網(wǎng)絡(luò)后，每個接收到的節(jié)點(diǎn)都先將它存在該節(jié)點(diǎn)處，然后按信宿的地址，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的具體傳輸情況，尋找合適的通路將報文轉(zhuǎn)發(fā)到下一個節(jié)點(diǎn)；經(jīng)過這樣的多次存儲—轉(zhuǎn)發(fā)，直至信宿，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。這種節(jié)點(diǎn)存儲—轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方式稱為報文交換。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)19第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)圖12-5報文交換過程示意圖20報文交換的優(yōu)點(diǎn)：報文是以存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式通過交換機(jī)；輸入輸出電路的速率、編碼格式等可以不同，很容易實(shí)現(xiàn)各種類型終端之間的相互通信。線路利用率高；在報文交換的過程中沒有電路持續(xù)過程，來自不同用戶的報文可以在一條線路上以報文為單位進(jìn)行多路復(fù)用，線路可以以其最高的傳輸能力工作，大大地提高了線路的利用率。用戶不需要叫通對方就可以發(fā)送報文，無呼損，并可以節(jié)省通信終端操作人員的時間。如果需要，同一報文可以由交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到許多不同的收發(fā)地點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)同報文的通信（或廣播功能）。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)21報文交換的缺點(diǎn)：信息通過交換機(jī)時產(chǎn)生的時延大，而且時延的變化也大，不利于實(shí)時通信；交換機(jī)需要有能力存儲用戶發(fā)送的報文；不適用于立即對話的通信方式；適用于公眾電報和電子信箱業(yè)務(wù)；雙交換機(jī)備份。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)22分組交換類似于報文交換，采用“存儲——轉(zhuǎn)發(fā)”方式；分組交換是數(shù)據(jù)量有限的報文交換；把報文截成許多比較短的、被規(guī)格化的“分組”（Packet）進(jìn)行交換和傳輸；所謂分組（或“打包”），是把信息分成一系列規(guī)格化的、長度有限的“消息包”（MessagePacket），而且每個包的傳送彼此獨(dú)立，可以以不同的路徑、不同的次序傳送到目的節(jié)點(diǎn)。由于信息按一個個的分組傳送，因此，在每個用戶的終端處，要對其所發(fā)送和接收的消息分別進(jìn)行分包和打包（PAD）。分包就是把待發(fā)信息劃為一個個規(guī)劃化的分組。打包則是把所接收到的一個個分組按其原來的消息順序排列組合，重新裝配成完整的消息，然后送往用戶第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)23

分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)竭_(dá)終點(diǎn)的方法有兩種：虛電路（VirtualCircuit）2.數(shù)據(jù)報（Datagram）分組交換技術(shù)是最適合于數(shù)據(jù)通信的交換技術(shù)。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)24虛電路:在發(fā)送任何分組之前，發(fā)送端（源點(diǎn)）和接收端（目的節(jié)點(diǎn)）之間需要建立一條邏輯連接鏈路，而且每個包都包含有這個邏輯鏈路（虛擬電路）的標(biāo)識符。終端可以在任何時候發(fā)送數(shù)據(jù)，在暫時無數(shù)據(jù)發(fā)送時依然保持這種連接；但是它并沒有獨(dú)占網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)可以將線路的傳輸能力和交換機(jī)的處理能力用作其他服務(wù)。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)25虛電路方式的優(yōu)點(diǎn)：接收分組的網(wǎng)絡(luò)終端無須重新排序，時延小。一次通信具有呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸和呼叫清除三階段。分組中不含終端地址，對數(shù)據(jù)量大的通信傳輸效率高?？蔀橛脩籼峁┯谰锰撾娐贩?wù)，在用戶間建立永久性的虛連接，用戶就可以象使用專線一樣方便。

不足之處在于虛電路的意外中斷，需重呼叫建立新連接。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)26數(shù)據(jù)報：一種無連接型的服務(wù)；將每個數(shù)據(jù)分組當(dāng)成一份獨(dú)立的報文一樣看待，每個數(shù)據(jù)分組都包含終點(diǎn)地址信息。分組交換機(jī)要為各個數(shù)據(jù)分組獨(dú)立尋找路徑，到達(dá)終點(diǎn)后重新排序。數(shù)據(jù)報方式的優(yōu)點(diǎn)：對網(wǎng)絡(luò)故障的適應(yīng)能力強(qiáng)，對短報文的傳輸效率高。數(shù)據(jù)報方式的不足：離散度較大，時延相對較長。缺乏端到端的數(shù)據(jù)完整性和安全性，支持它的工業(yè)產(chǎn)品少。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)27分組交換的主要優(yōu)點(diǎn)：向用戶提供不同速率、不同代碼、不同同步方式、不同的通信控制規(guī)程的數(shù)據(jù)終端之間能相互通信的靈活的通信環(huán)境。信息的傳輸時延較小，而且變化范圍不大，能夠較好地滿足會話型通信的實(shí)時性要求。實(shí)現(xiàn)線路的動態(tài)統(tǒng)計時分復(fù)用，通信線路（包括中繼線、用戶線）的利用率高。一條物理線路可同時提供多條信息通路?？煽啃愿?，經(jīng)濟(jì)性好。分組交換的主要缺點(diǎn)：傳輸中的附加的傳輸信息增加，對長報文交通信的傳輸效率比較低；技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)28

信息交換可分為同步轉(zhuǎn)移模式（STM，SynchronousTransferMode）和異步轉(zhuǎn)移模式（ATM，AsynchronousTransferMode）兩種方式。STM采用固定的幀長結(jié)構(gòu)，根據(jù)時隙在幀內(nèi)的相對位置來識別信道，要求時隙周期性出現(xiàn)，因此要有同步信號來定位；ATM結(jié)合電路交換和分組交換的優(yōu)點(diǎn)，把各種信息分割成長度固定的小塊，采用分組中加入地址和控制信息的思想構(gòu)成一個定長信元（Cell）載送信息，并不根據(jù)時隙位置來識別信道，而是通過時隙中的“標(biāo)記”信息來進(jìn)行識別，并通過標(biāo)記來進(jìn)行交換，不需要同步信號來進(jìn)行時隙定位。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)29

ATM交換一種快速分組交換方式，或者說是一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)分組交換技術(shù)。ATM是一種基于信元、面向連接、全雙工、點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸協(xié)議。該協(xié)議對各個站點(diǎn)來說都具有專用帶寬，使用異步時分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)30ATM具有如下的優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性強(qiáng)，以定長信元（Cell）載送信息，使任意高低速的信號均在同一個網(wǎng)內(nèi)傳輸和交換；有效利用資源，集電路交換和信息交換于一體，其按需分配的交換型電路使網(wǎng)絡(luò)的接入更加靈活；兼容能力強(qiáng)，能令現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)納入基于ATM體制的新型網(wǎng)絡(luò)中；能提供數(shù)十GBPS的帶寬和相同數(shù)量級的交換吞吐率；可借助硬件實(shí)現(xiàn)協(xié)議的通信和交換。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)31ATM的信元：不管信息內(nèi)容，ATM簡單地把欲傳輸?shù)男畔⒎指顬橄嗤L度的分組，稱為信元（cell）。具有固定長度的53個字節(jié)，其中5個字節(jié)為信頭（Header），48字節(jié)是信息段（informationfield），又稱為凈載荷或有效載荷（payload）。VPI:虛通路標(biāo)識GFC:一般流量控制VCI:虛信道標(biāo)識CLP:信元丟棄優(yōu)先權(quán)PTI:凈荷類型HEC:信頭差錯控制碼第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)圖12-7ATM信元格式32圖12-8ATM分割、傳輸和封裝示意圖

第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)33ATM的連接ATM交換是面向連接的工作方式，必須建立連接，它的連接為邏輯連接，即虛電路方式；在ATM交換中，有兩個重要的連接形式，它們是虛信道連接（VCC）和虛通路（VPC）連接；在一個物理信道中，可以包含一定數(shù)量的虛通路(VP，VirtualPath），其數(shù)量由信頭中的VPI；而在一條虛通路中可以包含一定數(shù)量的虛信道(VC，VirtualChannel），虛信道數(shù)量由信頭中的VCI值決定。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)34第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)圖12-9VP、VC和物理鏈路之間關(guān)系示意圖35虛信道虛信道連接的作用是為ATM虛信道（VC）建立一條虛電路；ATM復(fù)用線上具有相同VCI的信元在同一邏輯信道（虛電路）上傳遞。虛通路虛通路連接是為ATM虛通路（VP，有的稱之為虛路徑）建立一條虛電路虛通路VP是一束具有相同端點(diǎn)的VC鏈路。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)36ATM網(wǎng)中的終端和交換節(jié)點(diǎn)之間存在三種連接方式：終端和交換節(jié)點(diǎn)之間；終端和終端之間；交換節(jié)點(diǎn)和交換節(jié)點(diǎn)之間。終端和交換節(jié)點(diǎn)之間一般通過VP建立；終端和終端之間一般通過VC建立。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)37ATM的復(fù)用異步時分復(fù)用；采用的復(fù)用方式為標(biāo)記復(fù)用，也叫統(tǒng)計復(fù)用（StatisticMultiplex）；把具有固定長度的信息塊（信元包）裝入具有長度相同的連續(xù)時隙之中。來自不同信息源的信元匯集到一個緩沖器內(nèi)排隊，隊列的輸出是根據(jù)信息到達(dá)的快慢隨機(jī)插到ATM復(fù)用線上；ATM使得各種業(yè)務(wù)按其實(shí)際信息量來占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，并且不管業(yè)務(wù)源的性質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)都按同樣方式接入，從而實(shí)現(xiàn)完全的業(yè)務(wù)綜合。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)38ATM復(fù)用原理第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)圖12-10ATM統(tǒng)計時分復(fù)用原理39ATM異步時分復(fù)用和同步時分復(fù)用的差異：在同步時分復(fù)用中，為某個連接所占用的時隙在整個連接過程中自始至終位置編號不變；在ATM中，虛信道標(biāo)記容許連接所占用的時隙可不出現(xiàn)在同一個位置，即任何位置編碼的時隙都可被同一個連接所占用。在同步時分復(fù)用中，一旦建立連接，為某個連接所占用的某個位置的時隙就只能為該連接所占用，即使無信息內(nèi)容，也不能為其它連接服務(wù)，連接中的空時隙無瞬時可用性。ATM中就無此不足，即通過VCI可使空閑時隙具備可用性。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)403.同步時分復(fù)用中，各位置上的時隙所傳送的數(shù)據(jù)速率相同，用戶所需的傳輸帶寬為靜態(tài)分配。ATM中，不同的虛信道有不同的傳輸速率，通過虛信道標(biāo)記可在不同的用戶之間實(shí)現(xiàn)虛信道的動態(tài)分配。表明傳輸速度是獨(dú)立的，和網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。4.由于信頭功能簡單，可實(shí)現(xiàn)高速信元頭處理，信元的排隊時延大大降低。5.信元的信息域相對小，可降低交換節(jié)點(diǎn)的緩沖器容量，減少排隊時延和時延抖動，可用于實(shí)時性業(yè)務(wù)。6.ATM取消了逐段鏈路的差錯控制和流量控制，降低了他們給網(wǎng)絡(luò)帶來的復(fù)雜性。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)41ATM交換：ATM信元的交換可在VP級進(jìn)行，也可在VC級進(jìn)行。ATM交換需要完成兩項(xiàng)工作：空間“線路”交換，即將信元從一條輸入線改換到另一條輸出線上去，這一過程稱為路由選擇?？臻g“位置”交換，就是邏輯信道的交換，即將信元從一個VPI/CVI改換到另一個VPT/VCI上，實(shí)際操作是將信元從一個時隙改換到另一個時隙。

路由選擇、信頭翻譯和信元排隊是ATM交換的三個最基本的功能。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)42第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)43第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)圖12-11ATM中VP、VC交換與連接示意圖44路由選擇、信頭翻譯和信元排隊是ATM交換的三個最基本的功能。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)45ATM交換步驟：（1）根據(jù)對每個呼叫建立的控制，把輸入線上虛信道標(biāo)記轉(zhuǎn)成相應(yīng)輸出線上的虛信道標(biāo)記；（2）把具有新信頭的信元存儲到相應(yīng)的輸出線的隊列中；（3）從隊列中取出該單元并把它送到輸出線的時隙中。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)46用一個比較易懂的生活實(shí)例說明ATM的復(fù)用和交換原理：第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)47IP交換ATM技術(shù)是20世紀(jì)90年代初電信部門為寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)（B-ISDN）開發(fā)的專用技術(shù)。它除了可以提供高速交換能力外，其綜合業(yè)務(wù)和可靠的QoS（服務(wù)質(zhì)量）能力也很有競爭力。將ATM技術(shù)用于Internet既可以解決帶寬問題，也可以簡單地將ATM的QoS能力引入，以滿足各種實(shí)時業(yè)務(wù)的高性能要求。因此，IPoverATM方案就成為構(gòu)建寬帶IP網(wǎng)的選擇之一。IP交換機(jī)結(jié)構(gòu)IPoverATM方案有重疊模式和集成模式兩種。由于重疊模式不適用于構(gòu)建寬帶骨干Internet網(wǎng)，所以，我們只介紹集成模式。集成模式主要包括IP交換技術(shù)、標(biāo)記交換技術(shù)和多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）技術(shù)。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)48

IP交換（IPswitching）是Ipsilon公司提出的專門用于在ATM網(wǎng)上傳送IP分組技術(shù)。它可以在ATM硬件基礎(chǔ)上直接實(shí)現(xiàn)無連接的IP路由，大大提高ATM網(wǎng)的IP分組轉(zhuǎn)發(fā)效率，它既有無連接IP的強(qiáng)壯性，還具備ATM交換的大容量、高速度的優(yōu)點(diǎn)。IP交換機(jī)在邏輯上由ATM交換機(jī)硬件和IP交換控制器兩部分組成，見圖12-13。第12章數(shù)據(jù)交換技術(shù)49IP交換機(jī)原理IP交換同時支持傳統(tǒng)的逐跳分組轉(zhuǎn)發(fā)方式和基于流的ATM直接交換方式，其工作過程大致可分為三個階段：（1）逐跳轉(zhuǎn)發(fā)IP分組階段。（