第二部分数据交换方式..ppt

第六章数据交换,数据通信发展的一项关键技术就是数据交换技术。各种数据交换技术本质上是通信与计算机结合的产物，交换系统实质上是一个以计算机为基础，在实时多任务操作系统的控制下，完成信息处理的应用系统。数据交换的主要任务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。目前比较常见的交换技术主要有电路交换、报文交换和分组交换三种不同的方式。,第1节数据交换的概念,数据交换的必要性,多个用户之间进行数据通信，最简单的实现方法就是在任意两个用户之间建立直达线路，这种实现方式称为全连接，由全连接方式形成的通信网，叫做完全连接网。,假设现在有两部电话需要进行通信，那么我们只需要一根线就可以把这两部电话连接起来。,但是若有5部电话需要通信，那么就需要10根线。,扩展开来，若有N部电话需要进行通信，则需要N（N-1）/2根线，也就是说，当需要通信的电话数量增大时，需要的电线数量与电话数的平方是车工正比的，而这在现实中是不可能进行实现的。,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网络把它们连接起来，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。,交换的概念,什么是交换？,交换是采用交换机（或节点机）等交换系统，通过路由选择技术在进行通信的双方之间建立物理的/逻辑的连接，形成一条通信电路，实现通信双方的信息传输和交换的一种技术。具有交换功能的网络称为交换网络，交换中心称为交换节点。通常，交换节点泛指网内的各类交换机，它具有为两个或多个设备创建临时连接的能力。,交换节点的基本组成,交换方式的分类,所谓交换方式是指对应于各种传输模式，交换节点为完成其交换功能所采用的互通（Intercommunication）技术。交换方式主要分为两类。,1.电路交换方式(或线路交换方式)2.存储/转发方式（或信息交换方式）存储/转发方式又分为：报文交换和分组交换。,数据业务的特点及其对交换方式的要求,1.通信速率、信号形式要求交换机最好能够适应各种速率和各种信号形式的使用。2.业务量、实时性（1）短数据传送：无呼叫连接，有信息立即发出去。（2）交互式数据传送：要有较快的响应，要求交换传输时延小，最好把通信线路的空闲时间利用上。（3）批方式数据传送：较大的传送信息能力，尽量减少附加信息的开销。3.传输差错4.呼叫/应答,第2节电路交换,由于目前电路交换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。,电路交换的原理,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。因此可以看出，电路交换必定是面向连接的。,下面我们就通过电话的例子来讲解一下电路交换的过程。,D,C,A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行,(,(,(,(,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,电路交换举例,电路交换举例,C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行,(,(,(,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,1.信息传输延迟时间小（对于一次连接来说，传输延迟是固定不变的）。2.交换机对用户的数据信息不进行存储、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.信息的编码方法和信息格式不受限制，即可在用户间提供“透明”的传输。,电路交换的缺点,1.电路接续时间较长，短报文通信效率低。2.电路资源被通信双方占用，电路利用率低。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。4.有呼损。5.传输质量较多地依赖于线路的性能，因而差错率较高。,电路交换CircuitSwitching,电路交换网的致命缺点,电路交换的应用,电路交换多用于传输信息量较大，通信对象比较确定的用户。如：数字话音和传真等业务。电路交换不适合传送计算机与终端或计算机与计算机之间的数据。,例题,假设需要传送的报文共x比特。从源站到目的站共经过k段链路，每段链路的传播时延为d秒，数据率为b（bps），在电路交换时电路的建立时间为s秒，且各结点的排队等待时间可忽略不计。问该情况下，把数据全部发送完需要多长时间？,电路交换发送完数据共需要：秒。,第3节报文交换,由于电路交换的资源利用率低，不同类型的用户间不能直接开通，灵活性差，所以，又发展了报文交换。,报文交换的工作原理,报文交换的基本思想就是“存储转发”。假定用户甲有报文A，B和C要发往乙用户时，甲用户不需要先接通乙用户之间的电路，而是先与连接甲的一中间节点接通，将报文A，B和C先存储下来；然后，分析报文提供的乙地址信息，根据地址信息接通下一个中间节点后，将报文A，B和C转发出去；如此进行下去直到将数据报文A，B和C发往乙用户。,报文交换的优缺点,报文交换的优点,1.报文以存储/转发方式通过交换机，输入输出电路的速率、代码格式可以不同，很容易实现各种不同类型用户间的相互通信。2.报文交换中没有电路接续过程，来自不同用户的报文可以在同一线路上以报文为单位实现时分多路复用，线路的利用率大大提高。3.用户不需要叫通对方就可以发送报文，没有呼损，并可以节省通信终端操作人员的时间。同一报文可由交换机转发到许多不同的收信地点。,报文交换的缺点,1.报文通过交换机的时延大，且时延抖动也大，不利于实时通信。2.交换机要有能力存储转发用户发送的报文，其中有的报文可能很长，这就要求交换机要有高速处理能力和大的存储空间。因此，报文交换机的设备比较庞大，费用高。3.报文交换不适于实时交换数据的场合。,报文交换的应用,报文交换主要应用于公众电报和电子信箱业务。,第4节分组交换,分组交换的产生背景,60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA（AdvancedResearchProjectAgency）提出要研制一种崭新的、能够适应现代战争的、生存性很强的网络，其目的是对付来自前苏联的核进攻威胁。当时，使用传统的电路交换的电信网虽然已经四通八达，但在战争期间，一旦正在通信的电路中有一个交换机或一条链路被摧毁，则整个通信通信电路就要中断。如要立即该用其他迂回电路通信，还必须重新拨号建立连接。这将要延误一部分时间（例如十几秒钟），但这可能造成不可挽回的重大损失。,根据美国军方提出的要求，这种新型的网络必须满足以下的一些要求：,1.和传统的电信网不同，这种新型的网络不是为了打电话，而是用于计算机之间的数据传送。2.新型的网络能够连接不同类型的计算机，而不局限于单一类型的计算机。3.所有的网络节点都同等重要。因为网络必须经受的住敌人的核打击，所以在网络中不能有某些特别重要的节点，否则敌人将首先瞄准和摧毁这些重要的节点。4.计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。当网络中的某一节点或链路被破坏时，冗余的路由能够使正在进行的通信自动找到合适的路由，使通信维持畅通。5.网络的结构应当尽可能的简单，但能够非常可靠的传送数据。,根据这些要求，一批专家终于设计出了使用分组交换的网络。,分组交换的原理,报文,1.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,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,2.在每一个数据段前添加首部构成分组。,3.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）。,首部的重要性：（1）每一个分组的首部都含有地址等控制信息。（2）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。（3）用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。,数据,首部,数据,首部,数据,首部,收到的数据,4.接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数据,数据,数据,5.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。,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1向H5发送分组,H2向H6发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,分组交换网示意图,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,注意分组存储转发的过程,A,B,C,D,E,H1,H5,H2,H4,H3,H6,高速链路,结点交换机,1234,1234,1234,1234,1234,需要注意的是，每个结点交换机都是有多个端口的。,分组交换的优缺点,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，信息传输时延小，而且变化范围不大，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，在一条物理线路上可以同时提供多条信息通路。4.可靠性高。5.经济性好。6.能与公用电话网、用户电报网和低速数据网及其其他专用网相连。,分组交换的缺点,1.由网络附加的传输信息多，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。,例题,假设需要传送的报文共x比特。从源站到目的站共经过k段链路，每段链路的传播时延为d秒，数据率为b（bps），在分组交换时分组长度为p（bit）且各结点的排队等待时间可忽略不计。问该情况下，把数据全部发送完需要多长时间？,分组交换发送完数据共需要：秒。,分组交换的传输方式,一个站要发送一个报文，其长度比最大分组长度还要长，它把该报文分成组而把这些分组发送到节点上，分组流的传输方式有数据报（Datagram）和虚电路（VirtualCircuit）两种方式。,数据报方式的分组交换,数据报非常类似于报文交换，交换网把对进网的任一分组都当作单独的“小报文”来处理，如下图所示。,数据报方式有以下几个特点：用户之间的通信不需要经历呼叫建立和呼叫清除阶段，对于短报文通信传输效率较高。数据分组传输的时延较大。对网络拥塞或故障的适应能力较强。如在网络的一部分形成拥塞或某个节点出现故障，数据报可以绕开那个拥塞的部分和某个故障节点另找路由。现今的Internet网络就是以数据报方式进行传输数据信息的。,虚电路方式的分组交换,1.基本概念,（1）虚电路所谓虚电路就是网络内一对数据终端（DTE）之间的逻辑连接，允许数据同时双向传输，而且通过逻辑连接的全部数据传输均采用分组形式。（2）逻辑信道用信道组号和信道号共同标识一条特定的逻辑信道。（3）虚呼叫它是一个临时的或交换的虚电路，它必须在进行信息传送之前通过交换分组来建立。,2.虚电路的建立,根据分组交换方式的虚电路和分组复用的概念，即在一条物理的线路上能够传输多对用户终端之间的数据，而虚电路的实现借用了逻辑信道标识。每一条已经建立的虚电路，被标识为一个逻辑信道号。在虚呼叫的过程中，主叫/被叫终端从各自的信道号表中选取一个未用号，通知源/目的节点；然后，由通信网络中的沿途各节点交换机通过路径表将一对终端进行逻辑上的连接，从而完成虚电路的建立过程。一般来说，由于主叫和被叫两端的逻辑信道号的选取是相互独立进行的，所以对某一指定的呼叫所选取的逻辑信道号，双方可能各不相同。,3.虚电路的特点,在数据传送之前建立站与站之间的一条路径，但并不像电路交换有一条专用的线路。分组在每个节点上仍然