[工学]第八章 交换技术.ppt

Computer Networks 莆田学院计算机系网络课程组莆田学院计算机系网络课程组 2010年05月 第七部分 交换技术 Part Seven Switching Techniques P.138 *1莆田学院网络教研室中心 计算机网络教研室 交换技术 Switching Techniques 第八章 交换技术 Switching Techniques 第九章 外网及其接入技术 Access to the Internet Date2 计算机网络教研室 第7部分 讨论的主要问题 ISSUES FOR PART THREE lInternet 和其他互联网络的组成要素是局域网和广域网 。 l第三部分讨论常用的广域网技术 l交换通信技术 l电路交换技术 l报文交换技术 l分组交换技术 l信元交换技术 l常见广域网网型及其接入技术 l电话通信网 l有线电视网 l分组交换网 l数据专用网 l广域主干网 l城域网技术 Date3 第8章 交换技术 Chapter 8 Switching Techniques Computer Networks *4莆田学院网络教研室中心 计算机网络教研室 本章主要内容 Whats about This Chapter？ 本章学习广域网常用的交换通信技术。 l本章研究： l什么是“交换网络” l四种重要的交换网络 l电路交换网 l报文交换网 l分组交换网 l信元交换网 Date5 计算机网络教研室 本章主要内容 Contents 8.1 交换网络 Switching Networks 8.2 电路交换网络 Circuit-switched Networks 8.3 报文交换网络 Message-switching Networks 8.4 分组交换网络 Packet-switching Networks 8.5 信元交换网络 Cell-switching Networks 8.6 交换机结构 Structure of a Switch Date6 8.1 交换网络 Switching Networks *7莆田学院网络教研室中心 网络通信：连接问题 Network Communications: Connection l本章开始由数据通信（两台设备之间）进入网络通信 （N台设备之间）。 l网络连接方案 l点对点连接 造价高，利用率低 l网状：每对设备之间建立点对点连接 l星形：通过中心设备建立点对点连接 l多点连接 广播冲突，介质和设备容量限制 l总线形：将所有设备接在一条“总线”上 l交换连接 适用在广域网中使用 l由互连节点在通信设备（端系统）构建 临时连接 Date8 交换网络 Switched networks P138 图8.1 Date9 交换式网络 Switching Networks l远程传输通常是通过由中间交换节点构成 的网络来实现。 l节点交换机之间为点到点连接。 l交换节点(node)并不关心数据的内容。 l各种终端设备被称为“站点”(station)。这些站 点可能是计算机、终端、电话机等。 l所有交换节点及其连接的集合称为“通信网 络”。 l数据通过一个节点一个节点交换处理而被“ 路由”(从哪个端口转发给下一个节点)。 Date10 简单的交换网络 Simple Switching Network Date11 交换技术的基本要求 Basic Request l满足各种不同速率数据通信的需求 l交换速度快 l传输准确性高 l网络时延要小 l满足用户各种数据通信业务的需要 Date12 交换网络类型 Switching Networks P138 图8.2 Date13 8.2 电路交换网络 Circuit-switched Networks *14莆田学院网络教研室中心 一个普通的电路交换网 A Trivial Circuit-switched Network P139 图8.3 Date15 例8.1电路交换网 Circuit-switched Network used in Example 8.1 P140 图8.4 Date16 例8.2电路交换网 Circuit-switched Network used in Example 8.2 P140 图8.5 Date17 电路交换网 Circuit-switching Networks n传送前需先在 两站点间建立 专用“通信通 道”。 n通道由一组网 络节点之间依 次相互连接的 链路组成。 n“透明“连接：两 站点间如同直 接连接。 Date18 电路交换 Circuit Switching l通信过程三步骤: l建立电路连接 (hello) l传送数据 (talk) l取消电路连接 (bye) l最早为电话通信设计 l电路资源为某一次通话专用 l数据连接时大部分时间线路是空闲的 l固定的数据速率 l通信双方必须按同一速率传送 Date19 通过公用电路交换网连接示例 Public Circuit Switching Network 电路交换是由传统的电话通讯方式发展起来的一种交换方式。 Date20 电路交换的特点 Characteristics of Circuit Switching 交换设备简单（纯硬件）。 透明连接，传输延迟小（ 仅为物理信号本身延迟）。 带宽固定（不适合猝发性 大通信流量），单一速率， 无差错控制功能。 只能一对一通信。 独占线路，信道利用率低 （空闲也不能利用）。 数据通信时占用线路时间 一般不超过10%（语音通信 最高可达80%）。 要求建立连接 Date21 电路交换网的延迟 Delay in a Circuit-switched Network P141 图8.6 Date22 8.3 报文交换网络 Message-switched Networks *23莆田学院网络教研室中心 报文交换网 Message Switching Networks l采用“存储-转发”技 术 ( store and forward ) l（交换节点）接收整 个报文，在转发到其 目的站点的路由被确 定之前，一直保存之 。 l一旦路由选定了，报 文就被发送到最后的 目的站，或发送给另 一个中间存储站以便 转发。 Date24 报文交换的优点 Message Switching：Advantage l特点 将要发出的数据当作一 个整体（报文）。 在各结点处先存储再转 发。 报文长度不定，自带目 标用户地址。 l优点 无需建立连接和取消连 接。 未独占线路（多个报文 可共享一条线路），通 信资费低。 Date25 报文交换的缺点 Not Practical: Why ? l传输速率慢 要存储整个报文，选择路由，然后重发 报文，所有这些都需要花费时间。 l组网费用高 通常要求大容量存储硬盘，以便存储大 的报文。 l总而言之，报文交换的优点是通过对报文进行沿途存 储，从而充分利用了网络资源。但是这种存储转发方 案组网费用高而且传输速率慢，所以并不适用于计算 机网络。 Date26 报文交换：只适合在公用电报网中使用 Only Used in Telegraph Networks 特点： 通道可复用，费用较低 带宽可调变（猝发性通信） 实时性差（存储转发过程引起 通信延迟），不适用于语音和 视频之类实时或交互式的通信 要求。 可实现一对多通信 交换设备（结点）需用磁盘等 外设来存放较大的报文 在实际应用中主要用于传输报 文较短、实时性要求较低的通 信业务，如公用电报网。 Date27 8.4 分组交换网络 Packet-switched Networks *28莆田学院网络教研室中心 l报文交换技术的改进（存储转发） l以“分组”为单位传输信息分组在每个交换节点处 被接收、暂存，随后被传递给下一节点 l不同于报文交换：报文被“分组”后传送 l保证任何用户都不能长时间独占某传输线路 分组交换网 Packet Switching Networks 用 户 报 文 Date29 Packet 分组 l“分组” (packet) l分割的报文段+控制信息 l数据以较小的信息包(分组)形式传送 l通常以1000字节为一组 l更长的报文被分割成一个分组串 l每个分组包括有用户数据(部分或全部的)和附 加的控制信息 l控制信息 l“路由”(寻址)信息（收发双方站点地址） l其他有关信息（协议版本、差错处理等） Date30 分组的使用 The Use of Packets Date31 分组形成示意图 Packet Forming 允许同一线路传送多个数据流 传输差错纠正能力 允许数据通过多个路由器传送 每个分组都附加了这四条控制信息 原始数据数据分组 分组的形成 附加的控制信息 发送方地址（源地址） 接收方地址（目标地址） 序列号 校验和 Date32 分组交换的优点：共享信道 Packet Switching: Sharing Channels 几个数据流可以使用同一条线路上几个数据流可以使用同一条线路上 Date33 分组交换的特点：多路由传输 Packet Switching: Multiple Routes 可以通过多条路径传输数据可以通过多条路径传输数据 Date34 l更快速 可分组多路传送 转发更快(内存存取，无 需读写磁盘) l更经济 存储器造价低(内存而 非磁盘) 设备小型化 线路利用率更高 l更可靠 附加检错、纠错信息 报文交换报文交换 分组交换分组交换 分组交换与报文交换之比较 Packet Switching vs Message Switching Date35 分组交换与电路交换之比较 Circuit Switching vs Packet Switching l电路交换 必有“连接-传送-断连”三步； ”透明连接“，延迟最小（交换节点处无延迟）； 恒定数据传输率； 独占信道，线路利用率低而费用高。 l分组交换 在每个节点处需存储转发； 交换机根据分组中附加的目标地址确定如何转发； 多个通信过程可共享一个信道； 信息传送存在随机延迟问题：节点处排队长度和时间不定 。 Date36 l发送站点将长报文分割成一个个小的信息包（ 分组） l分组被逐个发送到网络上 l传送分组有两种方式 l数据报方式 l虚电路方式 分组交换技术 Packet Switching Techniques Date37 l分组交换网络主要根据其内部工 作原理是数据报还是虚电路进行 分类。 l使用数据报(datagram)技术时，每 个分组是独立传送的，送往同一 个目的站的分组可能沿着不同路 由传送。 l使用虚电路(virtual circuit)技术时， 两个端节点间的路由是固定不变 的，虚电路上的所有分组都沿同 一路由传送。 两种分组交换方式 Two Approaches for Packet Switching “散车” “车队” Date38 分组交换:数据报方式 l每个分组相互独立 l每个分组可以使用任 何可用的路线 l需为每个分组（需自 带地址）选择路由 l分组的到达可能无序 l分组在传送中可能丢 失 l在接收端对分组重新 排序并对丢失的分组 进行补救处理 Date39 Figure 8.7 有4个交换机（路由器）的数据报网 A Datagram Network with Four Switches (routers) P142 图8.7 Date40 数据报网络路由表 Routing Table in a Datagram Network P142 图8.8 目的地址输出端口 Date41 Figure 8.9 数据报网的延迟 Delay in a Datagram Network P142 图8.9 Date42 分组交换:虚电路方式 l传送前要先建立预定 的路由（各节点虚电 路表中记录虚电路号 ） l通过呼叫建立连接( 握手) l每个分组中含有虚电 路号而非目标地址 l对使用同一虚电路的 所有分组只需做一次 路由选择 l有序传送，接收后无 需排序 l清除请求，断开电路 l并非独享线路(存储 转发而非透明直连 Date43 虚电路网络 Virtual-circuit Network P143 图8.10 Date44 虚电路标识符 Virtual-circuit Identifier P144 图8.11 Date45 虚电路网络中交换机和路由表 Switch and tables in a virtual-circuit network P144 图8.12 Date46 虚电路网络源端到目的端的数据传输 Data Transfer in a Virtual-circuit Network P145 图8.13 Date47 虚电路网络的连接请求 Setup Request in a Virtual-circuit Network P145 图8.14 Date48 虚电路网络中建立确认 Setup Acknowledgment in a Virtual-circuit Network P146 图8.15 Date49 虚电路网络的延迟 Delay in a Virtual-circuit Network P147 图8.16 Date50 分组交换技术：数据报与虚电路比较 Datagram vs Virtual Circuit n数据报(datagram) 无需呼叫建立连接阶段，所以传输少量数据时 比虚电路快。分组可绕过故障结点到达目的地 ，但不保证分组能按序到达，数据丢失也不知 晓。 n虚电路（virtual circuit） 传输前需先建立连接，所以适用于两端之间大 数据量交换。能保证每个分组按序正确到达。 但构成虚电路的某个结点或链路出故障时，虚 电路完全失效。 Date51 数据报与虚电路比较 Datagram vs Virtual Circuits l数据报技术 l无需呼叫建立连接阶段 l传输少量数据时比虚电路快 l传输更灵活 l可通过选择不同路由避绕网络中的拥塞区域 l但不保证分组能按序到达，数据丢失也不知晓 l虚电路技术 l传输前需先建立连接，所以适用于两端之间大数据量交换 。 l顺序传送，差错控制简便 l分组传送速率更快 l因为无需花费时间选择路由 l可靠性较低 l构成虚电路的某个结点或链路出故障时，虚电路完 全失效。Date52 三种交换技术之比较 Comparison of Three Switching Techniques n电路交换 透明传送，但独占线路，效率不高 ，适合于较轻和间接式负载使用 租用的线路进行通信。 n报文交换 采用存储转发方式传送，不独占线 路，但传送延迟大，不能满足实 时通信的要求。通常用于公用电 报网。 n分组交换 和报文交换方式类似，但报文被分 成分组传送，是在计算机数据通 信网中最广泛使用的交换技术， 适用于交换中等或大量数据情况 。 Date53 8.5 信元交换网络 Cell-switching Networks *54莆田学院网络教研室中心 l与分组交换相似处 分组后发送；存储转发；线路共享和复用。 l与分组交换不同处 信元( Cell)的长度固定不变，而且更小 【信元】 在通信和网络技术中,指大小固定不变数据的分 组。 信元交换网 Cell Switching Networks Date55 信元交换的特点 Characteristics of Cell Switching 又称“快速分组交换”。数据被切分成一个个固定大 小的“信元”（53字节），这样允许交换以硬件形式 完成，同时不必进行复杂的计算，使交换更快速。 特点： n高速交换，又适应于不同速率的要求，特别适合于 多媒体信息的传送 n通信设备价格极高（“贵族网络”） n能最充分支持QoS 采用信元交换技术的主要网络是ATM（异步传输模 式）网络。 Date56 使用信元的多路复用 Multiplexing using cells P346 图18.6 不使用信元的多路复用 P347 图18.7 使用信元的多路复用 Date57 服务质量 Quality of Service 参见P511-515 第24.5节“服务质量” l低档餐馆只提供所需的饭菜，而顾客可能还要求卫 生、快捷、空调、包箱、卡拉OK等“服务质量”。 l体现了数据网络提供服务的能力。服务质量可以由 一些特定的参数来描述。 l衡量QoS的主要性能指标有：带宽控制、传输延迟、 读码特性、流量控制、抖动控制和实时特性等。 l目前真正能达到多媒体应用所需的QoS要求的，是使 用信元交换技术的ATM网络。 Date58 8.6 交换机结构 Structure of a Switching *59莆田学院网络教研室中心 常见交换机 Common Switches l电路交换机 l空分交换机 l时分交换机 l时间-空间-时间交换机 l分组交换机 l“榕树”(Banyan)交换机 l“巴切尔榕树”(Batcher-banyan)交换机 lATM交换机 l参见第18.2节 Date60 空分交换机 Space-division Switch l最初用于模拟网络，目前同时用于模拟和数字网络。 l信号通道和信号通道之间被物理隔开（空间分隔）。 l纵横制交换机（单级空分交换机） l交叉点：微电子开关（晶体管） l交叉点数量大，成本高： nm （n-输入线数，m-输出线数） l实际所需交叉点：相连站点数的平方 l一个交叉点损坏将使对应线路无法连接 l交叉点利用率低（即使所有连接全部开通，仍 有大部分交叉点处于闲置状态） Date61 纵横制空分交换机 Crossbar Switch P147 图8.17 Date62 多级交换机 Multistage Switch l将多台纵横交换机按多级（通常为3级）结构组合在一 起。 l特点： l减少了交叉点的数量； l提高了可靠性（两个站点间的连接在网络中具 有多条通路）； l更加复杂的控制系统； l高通信量时会引起阻塞。 l阻塞解决方案：Clos准则(见P149) Date63 多级交换机 Multistage Switch P148 图8.18 Date64 在一个三级交换系统中，交叉点的数量是 2kN + k(N/n)2 远远小于单级交换系统的交叉点数量 (N2)。 式中：N - 输入或输出数 k - 中间级纵横交换机个数 n 将N个输入分为组，每组n条输入线 Note 三级交换的交叉点数 Number of Crosspoints 示例：P148 例8.3 Date65 三级交换机：阻塞示例 Multistage Switch: Blocking Date66 时分交换机 Time-division Switch l采用时分复用（TDM）在交换机内部实现交换。 l最常用的是时隙互换（TSI，time-slot interchange）技术。 l缺点是使用时隙互换时，对每个连接的处理会产生延 迟（每个时隙必须存储在随机存