电路报文分组交换详解.doc

电路、报文、分组等交换技术的详解1. 电路/报文/分组-交换技术的简介1.1. 电路交换技术网络交换技术共经历了四个发展阶段，电路交换技术、报文交换技术、分组交换技术和ATM技术。 在数据通信网发展初期，人们根据电话交换原理，发展了电路交换方式。公众电话网（PSTN网）和移动网（包括GSM网和CDMA网）采用的都是电路交换技术，它的基本特点是采用面向连接的方式，在双方进行通信之前，需要为通信双方分配一条具有固定带宽的通信电路，通信双方在通信过程中将一直占用所分配的资源，直到通信结束，并且在电路的建立和释放过程中都需要利用相关的信令协议。电路交换是建立一条临时的专用通路，使用完以后拆除链接，适合大数据量的实时通信。这种方式的优点是在通信过程中可以保证为用户提供足够的带宽，并且实时小，交换设备成本较低，但同时带来的缺点是网络的带宽利用率不高，一旦电路被建立不管通信双方是否处于通话状态，分配的电路都一直被占用性强，时延。1.2. 报文交换技术报文交换技术和分组交换技术类似，也是采用存储转发机制，但报文交换是以报文作为传送单元，由于报文长度差异很大，长报文可能导致很大的时延，并且对每个节点来说缓冲区的分配也比较困难，为了满足各种长度报文的需要并且达到高效的目的，节点需要分配不同大小的缓冲区，否则就有可能造成数据传送的失败。在实际应用中报文交换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。报文交换比分组交换出现的要早一些，分组交换是在报文交换的基础上，将报文分割成分组进行传输，在传输时延和传输效率上进行了平衡，从而得到广泛的应用。报文交换方式不要求在两个通信结点之间建立专用通路。结点把要发送的信息组织成一个数据包报文，该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。经过多次的存储转发，最后到达目标，因而这样的网络叫存储转发网络。其中的交换结点要有足够大的存储空间（一般是磁盘），用以缓冲收到的长报文。 交换结点对各个方向上收到的报文排队，对找下一个转结点，然后再转发出去，这些都带来了排队等待延迟。报文交换的优点是不建立专用链路，线路利用率较高，这是由通信中的等待时延换来的。 电子邮件系统（E-mail）适合采用报文交换方式。1.3. 分组交换技术电路交换技术主要适用于传送和话音相关的业务，这种网络交换方式对于数据业务而言，有着很大的局限性。首先数据通信具有很强的突发性，峰值比特率和平均比特率相差较大，如果采用电路交换技术，若按峰值比特率分配电路带宽则会造成资源的极大浪费，如果按照平均比特率分配带宽，则会造成数据的大量丢失。其次是和语音业务比较起来，数据业务对时延没有严格的要求，但需要进行无差错的传输，而语音信号可以有一定程度的失真但实时性一定要高。分组交换技术就是针对数据通信业务的特点而提出的一种交换方式，它的基本特点是面向无连接而采用存储转发的方式，将需要传送的数据按照一定的长度分割成许多小段数据，并在数据之前增加相应的用于对数据进行选路和校验等功能的头部字段，作为数据传送的基本单元即分组。采用分组交换技术，在通信之前不需要建立连接，每个节点首先将前一节点送来的分组收下并保存在缓冲区中，然后根据分组头部中的地址信息选择适当的链路将其发送至下一个节点，这样在通信过程中可以根据用户的要求和网络的能力来动态分配带宽。分组交换比电路交换的电路利用率高，但时延较大。分组交换是以信息分发为目的，把从输入端进来的数据分组，根据其标志的地址域和控制域，把它们分发到各个目的地，而不是以电路为目的的交换方式。分组交换是把信息分为一个个的数据分组，并且需要在每个信息分组中增加信息头及信息尾，表示该段信息的开始及结束，此外还要加上地址域和控制域，用以表示这段信息的类型和送往何处，加上错误校验码以检验传送中发生的错误。因而可以说，电路交换它只管电路而不管电路上传送的信息。分组交换则对传送的信息进行管理。电路交换的主要缺点是在通信过程中独占一条信道。分组交换中，交换机根据数据分组上的地址域来确定送到目的地，因而，可以有许多个通信过程共享一个信道，这是分组交换的一个主要优点。然而，分组交换却具有信息传送的随机时延的缺点。因为在电路交换中，如果电路忙，呼叫就被拒绝，只要电路一旦连通，就可以随时把信息传送过去。在分组交换中，其共享的电路有时可能很空，信息可以马上就传送过去，有时可能很忙，信息就要在分组交换机中排队等候，排队的长度和等候时间是由电路的忙闲来决定的，这就是不确定的随机时延。当然，在分组交换机中也采取了流量控制的措施，以便减少这种时延，即当在交换机中等待的数据分组过多时，交换机会向各个输入端发出命令，禁止它们继续发送信息，或者要求它们改用较低速率传送信息。此外，在分组交换中，对收到错误的分组数据要求马上重发的反馈重发机制也增加了随机时延。随机时延对于计算机通信(数据业务)问题不大，但对于话音业务来说，随机时延就不可容忍了.分组交换提供的业务交换虚电路指在两个用户之间建立的临时逻辑连接。永久虚电路指在两个用户之间建立的永久性的逻辑连接。用户一开机，一条永久虚电路就自动建立起来了。2. 电路、报文、分组交换的特点和比较2.1. 电路交换的优缺点由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），因而有以下优缺点。优点：由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。信息传输时延非常小，实时性强。不存在失序问题，控制较简单。信息以数字信号的形式在数据信道上进行“透明”传输，交换机对用户的数据信息不存储、处理，交换机在处理方面的开销比较小，对用户的数据信息不用附加控制信息，使信息的传送效率较高信息编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不受限制，与交换网络无关，即可向用户提供透明的通路电路交换的交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。缺点：电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长。电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用低。电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。2.2. 报文交换的优缺点报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式，因而有以下优缺点：优点：报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信；c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。缺点由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。报文交换只适用于数字信号。由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。利用“存储-转发”，所以要求交换系统有较高的处理速度和大的存储能力2.3. 分组交换的优缺点分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去，因此分组交换除了具有报文的优点外，与报文交换相比有以下优缺点：优点：加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。缺点： 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。 分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。2.4. 从多个方面比较电路交换、报文交换和分组交换的主要优缺点。 若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于呼叫建立时间，则采用数据通信前预先分配传输带宽的电路交换较为合适。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送实发数据时可提高整个网络的信道利用率。分组交换比报文交换的时延小，但其结点交换机必须具有更强的处理能力。在电路交换中，只要整个通路中有一段链路不能使用，通信就会中止，而分组交换可选择另一条路由转发分组。但是电路交换是完全透明的，发送方和接收方可以使用任何比特速率、格式或分帧方法，电信公司不知道也不用关心这些；而分组交换，电信公司决定基本参数。此外，电路交换基于时间和距离收费，而分组交换基于所传分组的字节数及连接时间收费。总之，若要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则采用电路交换较为合适；当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。3. 帧交换与信元交换的区别交换区别ATM技术长度之间传送网络连接数据固定帧交换是帧中继采用的交换技术，信元交换是ATM的交换技术,他们都属于快速分组交换技术，主要区别在：前者的帧长是可变的，后者的帧（信元）长是固定的。比如ATM固定为53字节不放心，又查了一下，找到详细解释，如下：3.1. 帧交换技术传统的以太网和令牌环网在逐级链路的传送交换过程中，包含执行链路协议设备和网络层协议的大量运算操作。随着光纤的普及和网络传输速度与质量的提高，为了使网络的每个传送环节上通信协议简化，提高通信效率，产生了帧中继交换技术。帧中继开始是在ISDN标准化过程中在I.122协议中提出来的，它保存了X.25链路层HDLC帧格式，但不采用LAPB规程，而按照ISDN标准使用独立于用户数据信道的呼叫控制信令，即LAPD规程，在链路级(帧级)实现交换(X.25在网络层实现)。在帧中继网内，帧的长度是可变的，最大长度可达1000字节以上，每帧含有“数据链路连接标识符”，从源点DTE到终点DTE之间所有途径的结点根据此标识符指明信道。当FCS校验发现有错时，分组即被丢弃并由终点和源点设备间负责检错重发。帧交换类似于路由器桥接器，在工作站或网络区段之间传递以太网或令牌环网，只需要一个以太网或令牌环接口，帧交换器便可与任何网络设备连接(如个人机、工作站、集线器等)，无须再配置接口。帧交换器可以辨认每个终端站的地址，当收到信息以后，便会审查其终点MAC地址，然后把信息包前送至终站上拥有相同MAC地址的输出端口。该输出端口可直接与终端站连接，或连接多个用户的公共区段，或另一个与终端站连接的交换器。3.2. ATM交换技术ATM(即异步传输模式)交换称为信无交换，它是在光纤大容量传输媒体的环境中分组交换技术的新发展。ATM中把数字化的语音、数据及图像信息分成固定长度的若干段，称为信元，由用户信息字段和信元头组成，如图2。信元数据根据信源动作按需分配。同一个虚信道上的信元整体性由ATM层保持，而源信号与信元号之间由适配层来控制。ATM技术与帧交换之间主要有