数据通信第四章数据交换.ppt
第四章 数据交换,网络中常使用的交换技术有电路交换、存储转发交换和快速分组交换等。存储交换又分报文交换和分组交换；快速分组交换有帧中继和ATM。如果都使用点对点方式则需要大量的传输链路，线路利用率低，而且可能距离很远。如果N个用户之间需要数据通信，则需要N(N-1)/2条线路。,交换网,数据交换网络,数据交换技术,电路交换（Circuit Switching）：类似电话交换方式，需要先建立实际物理线路连接存贮转发方式（Store and Forward Exchanging）：类似邮政方式报文交换（Message Switching）报文分组交换（Package Switching）数据报（Data Gram）方式虚电路（Virtual Circuit）方式,电路交换,数据交换之前先建立一条实际的物理链路（专用通信线路）通信中自始至终使用该条链路进行信息传输，而不允许其他计算机或终端同时共享该条链路的通信方式 例如GSM网络提供的CSD数据服务功能。,存储转发,报文交换分组交换,数据交换的实现,实现数据交换的交换网由两类：公用电话交换网（PSTN）和公用数据交换网(PSDN)。利用公用电话交换网进行数据传输：CCITT在公用电话网上开放了数据通信的V系列建议，目前V.92MODEM最高速率达到56K。我们通常使用的利用MODEM拨号上网实际上就是一个利用公用电话网进行的数据交换。利用公用数据交换网进行数据交换：使用X.系列的建议，X.25就是典型的应用例子。例如各大商场收银台用的POS机，很多就是使用分组交换网将数据传送到银行的。另外在很多专网例如部队使用的数据交换网就是分组交换网。GPRS是General Packet Radio Service的英文缩写，中文译为通用无线分组业务，具体来讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，即以分组的“形式”把数据传送到用户手上。特点是永远在线，不需要拨号建立连接，收费也是按照流量计费。而与PSDN连接通常与拨号上网很类似，也是通过MODEM，与PSDN建立连接。MODEM可能是拨号的，也可能是专用（俗称专猫）。专用MODEM不需用拨号，直接连接。,电路交换的三个过程,电路建立 数据传输 电路拆除,电路交换机,空分交换通常是模拟交换，利用开关完成不同通路的搭接。例如MT8816就是一个8*16电子开关矩阵集成电路。时分交换通常是数字交换，利用时隙进行数据交换例如PCM交换芯片MT8980是一个256*256路PCM交换芯片，广泛应用于小规模数字程控交换中。,电路交换的主要优点,信息传输延时短，整个数据交换过程中，只有电路建立阶段和数据传输阶段线路传播延迟，因此实时传输性能比较好。信息传输效率较高。因为交换机对用户的数据信息不进行存储、分析和处理，所以交换机在处理方面开销较小，对用户的数据信息业不需要附加许多用于控制的信息。对用户提供透明传输通路。,电路交换的主要缺点,电路接续时间较长。例如我们用电话线上网，一般有半分钟左右的连接建立时间，如果要传送的数据较短，相比通信效率就较低。就不如类似GPRS常在线方式效率高。电路效率低。一旦建立通信电路，在连接期间是专用的，不管有没有数据传送，例如我们上网浏览网页，只有网页下载过程中才有数据，而看的过程中没有数据流量，因此利用率不高。因而我们通常再利用电话线上网时先不急于看内容，现把要看得网页逐一下载下来，然后断下线后再慢慢看。不同类型的终端（数据速率、代码格式、通信协议不同）不能相互通信。有呼损。通过交换网不能满足100%能呼通，例如对方占线就会造成呼损。差错率高。因为交换机只负责交换，而不负责差错控制、物理流量控制等功能，只能在端与端之间进行差错控制，传输质量依赖于线路的性能，因此传输性能较差。,电路交换应用举例,利用电话拨号进行远程服务器维护,PSTN,MODEM,MODEM,电话线,电话线,串口电缆,串口电缆,哈尔滨,南宁,电路交换应用举例,利用GSM网的CSD实现加密电话,CSD 电路,GSM网络,CSD连接,CSD连接,MIC,语音压缩,加密,GSM Modem,扬声器,语音解压缩,加密,GSM Modem,ISDN(Integrated Services Digital Network),一个通用的、曾经广泛应用的历史性重要技术。第一个全数字拨号方式的服务。ISDN主要有两种类型：基本速率（BRI）和基群速率（PRI）。电信局向普通用户提供的均为BRI接口，采用原有的双绞线，速率可达144Kb/s。BRIISDN可在一对双绞线上提供两个B通道（每个64K）和一个D通道（16K）(2B+D)，D通道用于传输信令，B通道则用于传输话音、数据等。一路电话只占用一个B通道，可以同时进行多种业务。PRI接口速率为2.048Mb/s,用于需要传输大量数据的应用，如PBX，LAN互联等,ISDN(Integrated Services Digital Network),针对ISDN，CCITT有I系列建议，现在比较常用的是I.430建议。使用1不变0变的AMI编码。ISDN用户-网络接口在每个传输方向上只用一对平衡线，完成数据传输、控制信号传输和定时同步。ISDN接口从TE到NT和从NT到TE两个传输方向上定义了不同的帧结构，每个帧由48bit组成，帧周期250微秒。每个帧包含16*2个b信道信息和4个D信道信息，其余12个比特用于帧结构控制或同步功能。,共用电话线,报文交换方式,报文交换方式的基本思想是“存储-转发”，即将用户的报文（包含信息及接收端地址等辅助信息）存储在交换机的存储器中，当所需的输出电路空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端。,报文交换的优缺点,优点：电路利用率高 吞吐量大一文多发可以进行速度和代码格式的转换 缺点：实时性低对交换节点要求高,分组交换方式v,分组交换属于存储-转发交换方式。不是以报文为单位进行交换，而是把报文截成许多比较短、被规格化的分组（packet）进行交换和传输。由于分组长度较短，且具有统一的格式，便于在交换机中存储和处理，分组进入交换机后只在主存储器中停留很短时间，进行排队和处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机或用户终端。分组穿越交换机或网络的时间很短（通常数毫秒或更短），能满足绝大多数数据通信用户对信息传输实时性的要求。分组交换结合了电路交换和报文交换的优点。,分组的形成,基于统计时分复用技术，为了提高复用的效率，我们将数据按一定长度分组，每个组中包含一个分组头，其中包括所分配的逻辑信道号和其他控制信息。来自用户的数据可能是一份很长的报文，我们将它按一定长度截断并加上分组头形成分组，为了保证在接收端能够将分组还原成完整的报文，在分组头中还要包含顺序号等信息。为了保证分组在网络中正确的传输和交换，还要建立用于通信控制的分组，各种分组格式都有分组头，在分组头中包含了识别分组类型的信息。,分组链路层基本格式,F表示分组开始和结束（上一分组结束也就是下一分组的开始）；T表示信息类型，如各种控制类型的分组和数据类型的分组，如果是控制类型就可能没有数据部分内容；L说明分组长度；N字段内有目的地址、源地址、分组号以及其他必须的控制字符或代码；CRC是校验码,分组链路层基本格式,分组的长度是可变的，分组越长交换过程中的延时就越大，信道利用率就越高（控制信息所占比重越小）；但存储处理费用就越大，如果信息总量一定，分组数量越小，分组处理费用越小。所以长度是要综合考虑，CCITT规定分组长度以16到4096字节之间的2的整数次幂字节为标准分组长度，最常用是128字节，不超过256字节（不含组头长度）。组头长度为3-10字节。,分组的传输,PAD：Packet Assembler/Disassembler 称为分组装配和拆卸设备，主要功能是帮助字符型终端生成分组。PT：Packet Terminal 为分组传输设备，它的主要功能是执行帧级功能，将分组装配成帧的格式（加上帧头和帧尾），确保分组在线路上的正确传输。PAD装配分组的条件可以是以下多种PAD接收的字符数达到了网络定义的分组最大长度；接收到了特别定义的控制字符，通常是回车符或空格等；计时器到时。,分组的传输例子,1 将“THE”装配成分组，加上分组头,2 将第一个分组送给PT，并且在PAD中保留第一个分组的拷贝，等待网络证实。,分组的传输例子,3 PT将第一个分组加上帧头和帧尾，生成第一个帧，并将该帧发送到线路上，并在PT中保留第一个帧的拷贝，等待网络证实。同时PAD继续接收终端的字符并生成分组。,4 分组交换机接收到第一个帧后，进行正确性检查，然后通过反向信道给PT回送证实信息，PT得知第一个帧已经被网络正确接收后就清除保留在PT中的第一个帧的拷贝。,分组的传输例子,5 分组交换机分组层软件接收到来自链路层的第一个分组，并对该分组进行分析，然后通过链路层向PAD发送对第一个分组的证实，PAD得知第一个分组已经被网络正确接收后就清除保留在PAD中的第一个分组的拷贝。,分组的传输例子,分组的交换,分组交换与报文交换非常相似，实际上是报文交换的一种发展。二者的区别是报文交换每次传输是一份完整的报文，而在分组交换中，报文要被分成若干个标准长度的分组。分拆达到的目的：分组长度标准化易于处理；较短的分组适合分时使用信道，提高线路利用率；分组小有利于降低交换机存储压力。终端发送数据的终点并不是网络，而是与网络相联的计算机或其他数据终端。PAD已经帮助把数据变成了分组，因此数据在网络中将以分组为单位流动，穿越网络的各节点和中继线，到达它的终点。分组穿过网络到达终点的方法有两种：数据报和虚电路。,数据报（Data Gram）,如果网络把每一个分组都看成是一份独立的报文，则这种传输方式称为“数据报方式”。分组交换机为每一个数据分组根据数据包头中的目的地址独立的寻找路径，因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终端，有可能与原来发送的顺序不同，在接收端如果要求数据有序就必须用软件将接收到的各分组数据包重新排序。1984年以后的CCITT X.25建议中已经取消了数据报方式。有些情况例如交互式通信中，传输的是多个分组，必须保持分组顺序。在这种情况下，网络必须能够提供某些机构，以产生通信进程之间的临时联络，用这种办法能识别与所有个别交互相联系的分组，并由分组交换机重新安排顺序。这一点就是利用虚呼叫概念来获取的。,数据报方式的特点,通信不需要经历建立呼叫和呼叫清除阶段，对短报文通信传输效率较高。数据分组传输时延较大，而且离散度大。（因为经过不同路由造成的延时可能是随机的）对网络故障的适应能力较强。,虚电路（VC）、交换虚电路（SVC）和永久性虚电路（PVC）,所谓虚电路就是两个用户终端设备在开始相互发送和接收数据之前需要通过网络建立逻辑上的连接，一旦这种连接建立之后就在网络中保持已建立的数据通路，用户发送的数据（以分组为单位）将按顺序通过网络到达终点，当用户不需要发送和接收数据时可以清除这种连接。虚电路方式的特点是：一次通信具有呼叫建立、数据传输和呼叫清除三个阶段。数据分组中不需要包含目的地址，对于数据量较大的通信传输效率较高。数据分组按已建立的路径顺序通过网络，在网络终点不需要对数据重新排序，分组传输时延小，而且不容易产生数据分组的丢失。缺点是当网络中由于线路或设备故障时可能导致虚电路的中断，需要重新建立新的呼叫。类似于我们平常的拨号上网。根据虚电路的建立方式，可以将虚电路分为永久虚电路（PVC）和交换虚电路（SVC）。PVC是由网络而不是用户建立和清除虚电路，用户之间的通信直接进入数据传输阶段，就好像使用一条专线一样。SVC是由用户呼叫建立和清除的虚电路。,虚电路服务,建立虚电路发送数据拆除虚电路,面向连接的服务和无连接服务,网络提供的服务分两种：面向连接的服务和无连接的服务。对于无连接的服务(邮寄)，发送信息的计算机把数据以一定的格式封装在帧中,把目的地址和源地址加在信息头上，然后把帧交给网络进行发送。无连接服务是不可靠的。例如：UDP通常应用在数字语音等传输。对于面向连接的服务(例如TCP)，发送信息的源计算机必须首先与接收信息的目的计算机建立连接。这种连接是通过三次握手(three hand shaking)的方式建立起来的（呼叫建立、数据传送和呼叫清除）。一旦连接建立起来，相互连接的计算机就可以进行数据交换。与无连接服务不同，面向连接的服务是以连接标识符来表示源地址和目的地址的。面向连接的服务是可靠的，当通信过程中出现问题时，进行通信的计算机可以得到及时通知。常用于对可靠性要求高的通信场合。,分组交换的优缺点,优点：1)传输质量高。分组交换具有差错控制功能，交换网中的各段连路可实现差错检验和重发，而且对于分组型终端，在用户部分也可以进行差错控制。同时分分组交换还可以进行流量控制，误码率在-10次方以下。2)可靠性高。由于每个分组可以自由选择传输路径，当网中发生故障时，分组仍能自动选择一条避开故障点的迂回路由传输，不会造成通信中断。3)为不同种类的终端相互通信提供方便。交换机可以实现不同速率、码型和传输规程终端间的互通。4)满足通信实时性要求。时延小，变化范围不大。5)可实现分组多路通信。分组型终端可在与分组交换机相连的一条线上同时与多个用户终端进行通信。6)经济性好。7)能与公用电话网、用户电报网及低速率数据网和其他专用网互联。缺点：对长报文通信的传输效率较低。主要因为分组后要附加信息，降低了传输效率。一般对于长报文分组交换的传输效率不如电路交换和报文交换。要求交换机有较高的处理能力。,帧中继（Frame Relay）,帧中继技术的提出1)光纤通信已经大量使用。光纤传输线路具有容量大、质量高（误码率极低）的特点，使得分组交换网络中节点交换机的差错控制显得多余。偶尔错误可以由用户终端纠正。2)用户终端的智能化。随着用户终端智能化程度不断提高，终端的处理能力不断增强，从而把原来分组交换机中由各节点交换机完成的流量控制、纠检错等功能移交给终端来完成。3)用户及用户传送的信息剧增。如果仍使用分组交换网，会使传输效率变低，延时变大。,帧中继的工作原理,帧中继的概念帧中继是快速分组技术帧方式的一种，是分组技术的升级技术。快速分组交换（Fast Packet Switching,FPS）的目标是通过简化通信协议来减少中间节点对分组交换的处理，发展高速的分组交换机，以获得高的分组吞吐量和小的分组传输延时。帧方式是在开放系统互联（OSI）参考模型的第二层，即数据链路层上使用简化的方法传送和交换数据单元的一种方式。数据链路层数据单元一般称为帧，故称为帧方式。,帧中继的格式,F：标志帧的开始和结束，规定为01111110。I：信息字段。长度可变，最多4096字节。FCS：校验字段。,帧中继工作基本原理,基于虚电路，为每一帧提供地址信息，每一条线路和每一个物理端口可容纳许多虚电路，用户之间通过虚电路进行连接。目前只提供PVC方式业务，每一个节点机中都存在PVC路由表，当帧进入网络时，节点机通过DLCI值识别帧的去向。DLCI只具有本地意义，它并非指终点的地址，而只是识别用户与网络间以及网络与网络间的逻辑连接(虚电路段)。节点交换机收到帧的目的地址后立即转发，无需等待收到整个帧并作处理后再转发。如果帧在传输过程中出现差错，节点立刻终止转发，并指示下一个节点终止传输，并将该帧从网中丢弃，请求重发。帧中继节点交换机只转发帧而不回确认帧，只有在目的终端交换机收到一帧后才回送端到端确认。相比分组交换每个节点间都需要确认，减少了中间确认环节处理时间。与分组交换相同，帧中继使用的传输链路是逻辑连接而不是物理连接。也是使用统计时分复用，动态分配带宽。实现帧中继要求用户设备必须有高智能、高处理速度和优质的线路条件。,帧中继的特点,高效性：有效带宽利用率、高传输速率和小网络延时。使用统计时分复用技术，简化中间节点交换协议处理，实现高效。经济性：与高效性相对应，更有效的利用了网络资源高可靠性：基础是高可靠性线路和高智能终端，少量错误利用纠错。灵活性：组网简单；对高层协议保持透明。适用于64K2M，参与通信用户多于两个；通信距离远。,ATM技术,ATM（Asynchronous Transfer Mode）简称异步传送模式，是一种快速分组技术，与帧中继的区别是ATM的分组长度是固定的。同步传送方式是指CCITT所提出的为每一个连接提供周期性的固定长度的传输时间；在异步传送方式中，某个特定用户信息不一定在信道上周期出现。属于统计时分复用方式。ATM传送的信息载体是ATM信元。ATM信元长度固定为53字节，其中信头5字节，信元净荷48字节。,信元交换,ATM特点,免除了差错控制和流量控制，简化了网络控制。面向连接的工作方式。信息传送前通过呼叫请求建立虚电路，完毕后释放虚电路资源。简化了信头功能。减小信头处理延时。采用长度较小的固定长度信元，降低了交换机内部缓冲容量，减小了信息在缓冲区内排队等待造成的延时抖动，特别适合实时业务。,数据交换技术比较,数据交换网络的发展,电话网络,通过电话交换机的数据应用,只利用电话线语音数据分离,语音数据线路分离,语音业务走数据线路,语音作为数据业务一个分支,语音业务为主，支持少量点到点数据,语音数据业务并存，数据网络形成,数据业务为主，同时支持电话业务,开始出现宽带接入，电话业务减少,宽带接入普及，IP电话业务上升,光纤到户，进入多媒体信息时代,数据交换技术的发展,以连接为基础的电路交换,以存储转发为基础的报文交换,数据报分组交换,以连接为基础的虚电路交换,以虚电路为基础的快速分组（帧中继）,简化交换环节，提高传输效率，提高传输速率,用户终端设备处理能力越来越强，传输线路质量越来越好,UDP,TCP,RTP/RTCP,无连接,有连接,无连接,技术的螺旋式上升,
