第四章 数据交换技术课件.ppt
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1、第四章 数据交换技术,数据交换技术是为所有进入通信网的数据流提供从源节点到目的节点的通路的技术。当前的数据交换技术有三种最基本的方式:电路交换、报文交换、分组交换(帧交换、信元交换)。数据通信网的有效性,可靠性和经济性直接受网络所采用的交换方式影响。,数据交换技术,问题探讨,假设有一火箭重800吨,需通过铁路从制造厂运到发射场,中间需经过三个站点,请设计出最合理的运输方案。提示条件:从运输速度、对火车头的依赖、铁路利用率(即费用)进行比较分析,专车专线方案,方案特点:专门使用一列火车来运输火箭,并使用专线,其他车次不得占用。,速度快,铁路利用率低,费用高,专车非专线方案,方案特点:专门使用一列
2、火车来运输火箭,但不使用专线,该火车按照正常的火车时刻表,服从铁路部门的调度。,提高了铁路的利用率,降低了费用,速度慢,对火车头的要求较高,非专车非专线方案,方案特点:不使用专门的火车来运输,而是将火箭进行拆分,拆分之后火箭与普通货物一样进行运输。,铁路利用率高,速度较快,对火车头的要求低,运输前后需对火箭进行拆分、复原工作,三种运输方式的优劣比较,速度最快,费用较高,费用较低,速度最慢,对火车头要求较高,费用最低,速度较快,对火车头要求低,运输前后需对火箭进行拆分、复原工作,电路(线路)交换(Circuit Switching),即为所有通信双方设置专用的数据传输通路。如有两部电话需要进行通
3、信,需要一条物理线路将两部电话连接起来,并通过这条专用线路在两部电话间传输数据。,但是若有5部电话需要通信,全连接网络需要10条线路。,扩展开来,若有N部电话需要通过全连接网络通信,则需要N(N-1)/2根线,即采用全链接网络进行线路交换数据时需要的电线数量与电话数的平方成正比,而这在现实中是不可能实现的。,因此,当电话的数量增多时,就需要使用交换机或一个具备交换功能的结点通过非全连接网络(如星型、环形、总线型)把它们连接起来,使任何一个通过该交换机(或者接入到该交换网)的用户都能够实现通信操作。,结点:用于数据交换的中间设备,站点:发送和接收数据的终端设备。,电路交换的原理,由于目前电路交换
4、的最主要应用是电信网,因此我们就以电话为例子,来分析电路交换的工作原理以及它的优缺点。但需要注意的是,电路交换并不意味着它就是电话交换网,除了电信网,还有很多地方也可以用到电路交换。我们一般可以认为打电话分为三个步骤:拨号通话挂机,而在电路交换中,我们形象的把这三步分别称为:建立连接通信释放连接,注意:这里需要指出一个概念,所有象这种必须通过“建立连接通信释放连接”三个步骤的连网方式我们称为是“面向连接的”连网方式。否则就可以称为是“无连接的”连网方式。因此电路交换必定是面向连接的。,建立连接:发方站点向接收方站点发请求,该请求通过中间结点传输至终点;中间结点分配线路。线路一旦被分配,在未释放
5、前,将不能被其它站点所使用,即使线路上并没有数据传输。通信:物理线路建立后,站点之间进行数据传输。释放连接:站点之间的数据传输完毕,执行释放线路的动作。线路被释放之后,进入空闲状态,可由其它站点通信所用。,(,(,(,数据,甲,乙,交换机,电路交换技术,数据,数据,数据,电路交换举例,在数据传输期间,源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路,在数据传输结束之前,这条线路一直保持。,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换的优缺点,电路交换的优点,信息传输延迟时间小(=200ms)2.交换机对用户的数据信息不进行存
6、储、分析和处理,交换机在处理方面的开销小,对用户的数据信息不需要附加许多用于控制的信息,传输效率高。3.可在用户间提供“透明”的数据传输,收发双方自动进行速率匹配。,电路交换的缺点,1.电路接续时间较长,短报文通信效率低,有呼损。2.电路资源被通信双方占用,电路利用率低,约为36%(话音)。3.通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等方面应完全兼容,这就限制了各种不同速率、不同代码格式、不同通信规程的用户终端之间互通。传输质量较多地依赖于线路的性能,因而差错率较高。费用按时间、距离计,电路交换Circuit Switching,电路交换网的致命缺点,电路交换的应用,电路交换多用于
7、传输信息量较大,通信对象比较确定的用户。不适合传送计算机与终端或计算机与计算机之间的数据。,数字话音和传真等业务。电路交换,中间结点由具有存储能力的计算机承担,用户信息可以暂时保存在中间结点上,该结点根据目的地址确定输出端口和线路,排队等待线路空闲时再转发给下一结点,直至终点。报文交换无需同时占用整个物理线路。存储转发,报文交换(message switching),F,D,C,A,报文交换技术,存储数据,将数据发送给C,存储数据,将数据发送给D,存储数据,将数据发送给F,存储数据,将数据发送给乙,甲,乙,数据,4.2.1 报文交换,报文格式:报头 信息报头中至少要包含的信息:报文的起始标志
8、数据的开始标志 数据源节点地址 数据目的节点地址及路由信息 控制信息 报文编号,不独占线路,多个用户的数据可以通过存储和排队共享一条线路,无线路建立的过程,提高了线路的利用率;可以支持多点传输,报文中增加“地址字段”,中间结点根据地址字段进行复制和转发。中间结点可进行数据格式的转换,增加差错检测功能。接收者和发送者无需同时工作,当接收者处于繁忙时,网络节点可以先将报文暂时存储起来。费用按流量计,与时间及距离无关,报文交换(message switching),不足之处:1.由于“存储转发”和排队,增加了数据传输的延迟,2.报文长度未作规定,报文只能暂存在磁盘上,磁盘读取占用了额外的时间;3.任
9、何报文都必须排队等待:不同长度的报文要求不同长度的处理和传输时间,即使非常短小的报文(例如:交互式通信中的会话信息)4.报文交换难以支持实时通信和交互式通信的要求。,报文交换(message switching),报文交换主要应用于公众电报和电子信箱业务。,4.2.2 分组交换,交换机理相同于报文交换,差别在于交换数据单元长度不同。将长报文分成若干个小分组进行传输,不同站点的数据分组可以交织在同一线路上传输。提高了线路的利用率。一个分组的典型长度最长是一千位到几千位。对于固定长度的分组,可以采用高速缓存技术来暂存分组,提高转发的速度;,分组交换实现的关键:分组长度的选择,分组越小,冗余量(分组
10、中的控制信息等)在整个分组中所占的比例越大,最终将影响用户数据传输的效率;分组越大,数据传输出错的概率也越大,增加重传的次数,也影响用户数据传输的效率。X.25分组交换网:131字节,(128字节的用户数据、3字节的控制信息)以太网中:1500字节。ATM网中:53个字节,分组交换,A,数据,B,C,分组1,分组2,分组3,分组4,分组5,甲,乙,分组交换技术,分组的存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,结点交换机,主机,在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口,在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口,在结点交
11、换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,报文,分组交换的原理,在发送端,先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意:现在左边是“前面”,分组交换的原理,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端(假定接收端在左边)。,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息,把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式,最后分组就能到达最终目的地。,分组交换的原理,接收端收到分组后剥
12、去首部还原成报文。,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理,最后,在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错,在转发时也没有被丢弃。,分组交换采用了两种不同方法来管理被传输的分组流:数据报,虚电路。数据报:借鉴报文交换的思想,面向无连接的数据传输。采用数据报方式传输时,被传输的分组称为数据报,数据报(Datagram),数据报的前部增加地址信息的字段,网络中的各结点,根据地址信息和一定的路由规则,选择输出端口,暂存和排队数据报,并在传输媒体空闲时,发往相邻结点,直至最终站点。,当一对站点之间需要传输多个
13、数据报时,由于每个数据报均被独立地传输和路由,因此在网络中可能会走不同的路径,具有不同的时间延迟。按序发送的多个数据报可能以不同的顺序达到终点。站点必须具有存储和重新排序的能力。,数据报(Datagram),虚电路又被称为面向连接的分组数据传输,工作过程类似于线路交换,但电路是“虚拟”的。物理媒体被理解为由多个子信道(称之为逻辑信道LC)组成,子信道的串接形成虚电路(VC),利用不同的虚电路来支持不同的用户数据的传输。,虚电路(Virtual Circuit),虚电路进行数据传输的过程:虚电路建立:发送方发送含有地址信息的特定的控制信息块(如:呼叫分组),该信息块途经的每个中间结点根据当前的逻
14、辑信道(LC)使用状况,分配LC,并建立输入和输出LC映射表,所有中间结点分配的LC的串接形成虚电路(VC)。,虚电路(Virtual Circuit),虚电路(Virtual Circuit),数据传输:站点发送的所有分组均沿着相同的VC传输,分组的发收顺序完全相同;分组中只带逻辑信道号,而不带地址。,虚电路(Virtual Circuit),虚电路释放:数据传输完毕,采用特定的控制信息块(如:拆除分组),释放该虚电路。通信的双方都可发起释放虚电路的动作。,虚电路的建立和释放需要占用一定的时间,不适合站点之间具有频繁的、短小数据交换的场合.永久虚电路PVC和呼叫虚电路SVC。永久虚电路:两站
15、点间事先建立固定的链接,占用固定的逻辑信道,任何时候,站点之间都可以通信。呼叫虚电路则根据需要,动态建立和释放虚电路。,虚电路(Virtual Circuit),A1B1永久虚电路,数据报:1.传输无需连接建立和释放的过程,每个分组需进行路由选择;2.每个数据报中需带较多的地址信息;3.用户的连续数据块会无序地到达目的地;接受站点处理复杂。4.当使用网状拓扑组建网络时,任一中间结点或者线路的故障不会影响数据报的传输(可以选择不同的路径),可靠性较高。5.数据报比较适合站点之间少量数据的传输。,数据报和虚电路的比较,UDP数据传输,虚电路:1.传输需连接建立和释放的过程,每个链接只需一次路由选择
16、;2.数据块中仅含少量的地址信息(LC号),用户的连续数据块沿着相同的路径,按序到达目的地;接受站点处理方便。3.如果虚电路中的某个结点或者线路出现故障,将导致虚电路传输失效。4.虚电路方式较适合站点之间大批量的数据传输。,数据报和虚电路的比较,TCP数据传输,X.25分组格式,查资料,解释X.25分组格式1)解释X.25协议(面向连接的虚电路分组交换技术,TDM,2Mbit/s)2)三层:物理(X.21,V系列,RS232)、数据链路(交换X.25帧,HDLC协议,CRC)、网络层(分组)。,X.25 分组格式,IP分组格式,分组交换的优点,1.向用户提供不同速率、不同代码、不同同步方式以及
17、不同通信控制协议的数据终端间能够互相通信的灵活的通信环境。2.在网络负荷较轻的情况下,能够较好的满足会话型通信实时性要求。3.实现线路的动态时分复用,通信线路的利用率高,节省费用。4.可靠性高,采用差错校验与重发的功能,而且在网内发生故障时,网络中的路由机制会使分组自动地选择一条新的路由避开故障点,不会造成通信中断。5.分组多路通信:可以同时与多个用户终端进行通信,可把同一信息发送到不同用户。6.计费与传输距离无关:网络计费按时长、信息量计费,与传输距离无关,特别适合那些非实时性,而通信量不大的用户。7.能与公用电话网、用户电报网和低速数据网及其他专用网相连。,分组交换的缺点,1.由网络附加的
18、传输信息多,对长报文通信的传输效率比较低。当把一份报文划分为许多分组在交换网内传输时,为了保证这些分组能够按照正确的路径安全准确地达到终点,就要给每个数据分组加上控制信息(分组头)。除此之外,还要设计许多不包含数据信息的控制分组,用以实现数据通路的建立、保持和拆除,并进行差错控制和流量控制等。2.技术实现复杂。分组交换机要对各种类型的“分组”进行分析处理,为“分组”在网中的传输提供路由,并且在必要时自动进行路由调整;交换机还要为用户提供速率、代码和规程的变换,为网络的管理和维护提供必要的报告信息等。,快速分组交换FPS,快速分组交换技术:在分组交换基础上演变而来,建立在光纤线路上,能满足对语音
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