数据通信原理第4章

1、 第第4 4章章 数据交换数据交换4.1 4.1 数据交换的概念及数据交换方式数据交换的概念及数据交换方式1.1.两端用户通过信道直接连接起来进行数据传输；两端用户通过信道直接连接起来进行数据传输；2.2.将各个用户终端通过一个由多个节点组成的网络连接起来，由中将各个用户终端通过一个由多个节点组成的网络连接起来，由中间网络把数据从源点转发到目的点，以此实现数据传输。这个间网络把数据从源点转发到目的点，以此实现数据传输。这个中间网络又叫交换网络。中间网络又叫交换网络。 3.3.目前应用的数据交换方主要有电路交换方式和存储转发交换方式目前应用的数据交换方主要有电路交换方式和存储转发交换方式两大类，

2、存储转发交换方式中又可分为报文交换和分组交换两两大类，存储转发交换方式中又可分为报文交换和分组交换两种方式。种方式。 4.2电路交换两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 5 部电话机两两相连，需部电话机两两相连，需 10 对电线。对电线。N 部电话机两两相连，需部电话机两两相连，需 N(N 1)/2 对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。的电线对的数量与电话机数的平方成正比。 n当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。 交换机 4

3、.2 电路交换1.电路交换的概念：电路交换的概念： 在这里，在这里，“交换交换”(switching)(switching)的含义就是转接的含义就是转接把一条电话把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，角度来看，“交换交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。资源。 n电路交换方式的基本概念是电路交换方式的基本概念是：数据通信中的电路交换方式是指：数据通信中的电路交换方式是指两台计算机或终端在相互通信之前，需预先建立起一条实际的两台计算机或终端在相互通信之前，需预先

4、建立起一条实际的物理链路，在通信中自始至终使用该条链路进行数据信息传输，物理链路，在通信中自始至终使用该条链路进行数据信息传输，并且不允许其他计算机或终端同时共享该链路，通信结束后再并且不允许其他计算机或终端同时共享该链路，通信结束后再拆除这条物理链路。拆除这条物理链路。4.2 电路交换2.电路交换的特点：电路交换的特点： （1 1）. .电路交换的三个阶段：电路交换的三个阶段：n建立连接建立连接n通信通信n释放连接释放连接（2 2）. .在建立通路后到通路被断开前，用户独占通路的带宽，在建立通路后到通路被断开前，用户独占通路的带宽，线路利用率低；线路利用率低；（3 3）. .数据能保证按序传

5、输；数据能保证按序传输； （4 4）. .不适合于计算机通信；不适合于计算机通信； （5 5）. .信息传输延时小，传输效率高；信息传输延时小，传输效率高； （6 6）. .不够灵活。不够灵活。4.2 电路交换3.电路交换举例电路交换举例nA 和和 B 通话经过四个交换机通话经过四个交换机n通话在通话在 A 到到 B 的连接上进行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BDCA4.2 电路交换n3.电路交换举例电路交换举例nC 和和 D 通话只经过一个本地交换机通话只经过一个本地交换机n通话在通话在 C 到到 D 的连接上进行的连接上进行D交换机交换机交换机交换机用户线用户

6、线中继线中继线BCA4.2 电路交换4.3 4.3 报文交换报文交换1.报文交换的概念：报文交换的概念：报文交换是指以报文为单位进行存储与转发（报文交换是指以报文为单位进行存储与转发（StoreForward）的交换方式；发送方把待传送的信息分为多个报文正文，在报的交换方式；发送方把待传送的信息分为多个报文正文，在报文正文上附加发送方和接收方地址信息以及一些控制信息，形文正文上附加发送方和接收方地址信息以及一些控制信息，形成一份完整的报文。然后，以报文为单位在交换网络的各节点成一份完整的报文。然后，以报文为单位在交换网络的各节点间传送。间传送。当用户的报文到达交换机时,先对报文缓存和必要的处理

7、，当所需要的输出电路有空闲时,再将该报文转发出去直到目的结点。目的节点将收到的各份报文按原来的顺序进行组合，然后将完整的信息交付给接收端计算机或终端。4.3 4.3 报文交换报文交换2.报文交换的原理：报文交换的原理：一份报文应包括3个部分:(1)报头或标题。它包括发信站地址、终点收倍地址和其他辅助控制信息等。(2)报文正文。传输用户信息。(3)报尾。表示报文的结束标志,若报文长度有规定, 则可省去此标志。 3.3.报文交换特点：报文交换特点：与电路交换相比，源站和目标站在通信时不需建立一条专与电路交换相比，源站和目标站在通信时不需建立一条专用通路，故没有建立线路和拆除线路所需的等待和延时；用

8、通路，故没有建立线路和拆除线路所需的等待和延时； 线路利用率高，与电路交换相比，线路的利用率大大提线路利用率高，与电路交换相比，线路的利用率大大提高了。由于节点间可根据链路情况选择不同的速度传输，高了。由于节点间可根据链路情况选择不同的速度传输，因此能高效传输数据。因此能高效传输数据。 数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都可以数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都可以进行差错控制，即检锗、纠错。进行差错控制，即检锗、纠错。4.3 4.3 报文交换报文交换3.3.报文交换特点：报文交换特点： 报文交换报文交换需要对完整报文进行存储转发，因此节点存储需要对完整报文进行存储转发，因此节

9、点存储转发的时延较大并且报文交换对报文长度没有限制，转发的时延较大并且报文交换对报文长度没有限制，故报文可以很长，这样就有可能使报文长时间占用某两故报文可以很长，这样就有可能使报文长时间占用某两节点之间的链路，不利于实时交互通信，且需要节点节点之间的链路，不利于实时交互通信，且需要节点具具备足够的报文数据存储能力，以及高速的数据处理能力备足够的报文数据存储能力，以及高速的数据处理能力。 4.3 4.3 报文交换报文交换4.4 4.4 分组交换分组交换n1.1.分组交换的概念：分组交换的概念：n分组交换是吸取报文交换的优点分组交换是吸取报文交换的优点, ,而仍然采用而仍然采用“存储一转发存储一转

10、发”的方式的方式, ,但不像报文交换那样以报文为单位交换但不像报文交换那样以报文为单位交换, ,而是把报文而是把报文截成若干比较短的、规格化了的截成若干比较短的、规格化了的“分组分组”或称包或称包) )进行交进行交换和传输。换和传输。报文1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输n2.2.分组的构成：分组的构成：n每一个数据段前面添加上首部构成分组每一个数据段前面添加上首部构成分组。数 据数 据数 据报文首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”4.4 4.4 分组交换分组交换n3.3.分组交换的传输单元：分组

11、交换的传输单元：n分组交换网以分组交换网以“分组分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 34.4 4.4 分组交换分组交换n4.分组首部的重要性：分组首部的重要性：n每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换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

12、后分组就能到达最终目的地。转发方式，最后分组就能到达最终目的地。4.4 4.4 分组交换分组交换n4.4.接收端分组的处理：接收端收到分组后剥去首部还接收端分组的处理：接收端收到分组后剥去首部还原成报文。原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据4.4 4.4 分组交换分组交换数 据数 据数 据n5.在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。n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。报文11010001101010101101010111000100110100104.4 4.4 分组交换分组交换6.分组交换网的示意图分组交换网的示意图4.

13、44.4 分组交换分组交换n7.分组在分组交换网中的传输方式有两种：n 数据报方式n 虚电路方式n（1）数据报方式n数据报方式类似于报文交换方式，只不过把报文分成若干个分组，分组长度由网络决定。在传输过程中将每个分组单独当作一份报一样对待，交换机为每一个数据分组独立地寻找路径，每一个分组独立地进行处理。由于网络中交换机对每个分组可能选择不同的路由，同一终端送出的不同分组可以沿着不同的路径到达终点。在网络终点，分组的顺序可能不同于发端，这就要求目的终端必须重新排序。在这种技术中，独立处理的每个分组称为“数据报”。由于这种方式不需要事先建立一个连接线路，因此，数据报方式属于无连接方式。4.44.4

14、 分组交换分组交换注意分组的存储转发过程H1A互联网BDECH3H5H6H4H2H1 向 H5 发送分组路由器主机1在路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5在路由器 C 暂存查找转发表找到转发的端口在路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口n（2 2）数据报方式的特点）数据报方式的特点n 用户之间的通信不需要经历呼叫建立和呼叫清除阶段，对用户之间的通信不需要经历呼叫建立和呼叫清除阶段，对于数据量小的通信，传输效率比较高。于数据量小的通信，传输效率比较高。n数据分组的传输时延大（与虚电路方式比），且离散度大（即数据分组的传输时延大（与虚电路方式比），且离散度大（即同一终端

15、的不同分组的同一终端的不同分组的 传输时延差别较大）。传输时延差别较大）。n 同一终端送出的若干分组到达终端的顺序可能不同于发端，同一终端送出的若干分组到达终端的顺序可能不同于发端，需重新排序。需重新排序。n 对网络拥塞或故障的适应能力较强，一旦某个经由的节点对网络拥塞或故障的适应能力较强，一旦某个经由的节点出现故障或网络的一部分形成拥塞，数据分组可以另外选择传输出现故障或网络的一部分形成拥塞，数据分组可以另外选择传输路径。路径。4.44.4 分组交换分组交换n（3 3）虚电路方式）虚电路方式n概念：概念：n虚电路方式是两个用户终端设备在开始互相传输数据之前必须通虚电路方式是两个用户终端设备在

16、开始互相传输数据之前必须通过网络建立一条逻辑上的连接（称为虚电路），一旦这种连接建过网络建立一条逻辑上的连接（称为虚电路），一旦这种连接建立以后，用户发送的数据（以分组为单位）将通过该路径按顺序立以后，用户发送的数据（以分组为单位）将通过该路径按顺序通过网络传送到达终点。当通信完成之后用户发出拆链请求，网通过网络传送到达终点。当通信完成之后用户发出拆链请求，网络清除连接。络清除连接。n在虚电路方式中在虚电路方式中, ,在发送任何分组之前在发送任何分组之前, ,需先建立一条逻辑连接需先建立一条逻辑连接( (虚电路虚电路,VC,Virtual circuit),VC,Virtual circuit

17、),即在发送终端和目的终端之间的即在发送终端和目的终端之间的各个节点上事先选定一条网络路由各个节点上事先选定一条网络路由, ,然后两终端便可以在这条逻然后两终端便可以在这条逻辑连接辑连接( (虚电路虚电路) )上传输和交换数据。在虚电路上传输的分组上传输和交换数据。在虚电路上传输的分组, ,除除包含数据之外还得包含一个虚电路标识符。包含数据之外还得包含一个虚电路标识符。 4.44.4 分组交换分组交换4.44.4 分组交换分组交换在虚电路方式中在虚电路方式中, ,数据传输过程与电路交换方式类似数据传输过程与电路交换方式类似, ,也是分也是分成三个阶段成三个阶段: :建立连接、数据传输和拆除连接

18、。建立连接、数据传输和拆除连接。a.a.建立连接建立连接源端在发送数据分组之前源端在发送数据分组之前, ,首先使用建立连接请求建立一条逻首先使用建立连接请求建立一条逻辑连接辑连接, ,网络中间节点将根据该请求在源端和目的端之间预先网络中间节点将根据该请求在源端和目的端之间预先选择一条传输路径。由于该路径上的各段线路是共享而非独选择一条传输路径。由于该路径上的各段线路是共享而非独占的占的, ,因此这种逻辑连接称为虚电路。因此这种逻辑连接称为虚电路。nb.b.数据传输数据传输n当虚电路建立起来后当虚电路建立起来后, ,源端和目的端之间便可以在这条虚电路上源端和目的端之间便可以在这条虚电路上交换数据

19、交换数据, ,并且每个数据分组中都必须包含一个虚电路标识符并且每个数据分组中都必须包含一个虚电路标识符, ,用用于标识这个虚电路。由于虚电路的传输路径是预先选择好的于标识这个虚电路。由于虚电路的传输路径是预先选择好的, ,因因此此, ,每个中间节点只要根据虚电路标识符就能查找到相应的路径每个中间节点只要根据虚电路标识符就能查找到相应的路径来传输这些数据分组来传输这些数据分组, ,而无须重新选择路由。而无须重新选择路由。nC.C.拆除连接拆除连接n当数据传输完毕后当数据传输完毕后, ,其中的任一个端点都可以发出拆除连接请求其中的任一个端点都可以发出拆除连接请求分组分组, ,终止这个虚电路。虚电路

20、方式是一种面向连接的数据传输终止这个虚电路。虚电路方式是一种面向连接的数据传输方式方式, ,不像电路交换那样需要一条专用的通道而是在交换时建立不像电路交换那样需要一条专用的通道而是在交换时建立一条逻辑通道。另一方面一条逻辑通道。另一方面, ,虚电路方式也不像数据报方式那样虚电路方式也不像数据报方式那样, ,需需要为每个分组选择路由要为每个分组选择路由, ,只是在建立虚电路时选择一次路由。因只是在建立虚电路时选择一次路由。因此此, ,虚电路的报文分组不必带目的地址、源地址等附加信息。虚电路的报文分组不必带目的地址、源地址等附加信息。n根据虚电路的建立方式根据虚电路的建立方式, ,可以将虚电路分为

21、永久虚电路可以将虚电路分为永久虚电路(PVC)(PVC)和交和交换虚电路换虚电路(SVC)(SVC)。4.44.4 分组交换分组交换虚电路服务与数据报服务的对比对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来保证连接的建立必须有不需要终点地址仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号每个分组都有终点的完整地址分组的转发属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发每个分组独立选择路由进行转发当结点出故障时所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化分组的顺序总是按发送顺序到达终点到达终点时不一定按发送顺序端到端的差

22、错处理和流量控制可以由网络负责，也可以由用户主机负责由用户主机负责n8.8.分组交换的优缺点na.分组交换的优点n传输质量高;可靠性高;经济性好;n为不同种类的终端相互通信提供方便;n能满足通信实时性要求; n可实现分组多路通信 。nb.分组交换的缺点n由于传输分组时需要交换机有一定的开销，使网络附加的传输信息较多，对长报文通信的传输效率比较低； n要求交换机有较高的处理能力。4.44.4 分组交换分组交换4.5 4.5 三种交换的比较三种交换的比较 数据传送的特点P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文t报文P2P1A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组

23、交换连接建立数据传送连接释放比特流直达终点报文报文报文分组 分组 分组存储转发存储转发存储转发存储转发4.6 帧中继帧中继n1. 1. 帧中继的概念及发展帧中继的条件帧中继的概念及发展帧中继的条件: :n帧中继是一种快速分组交换技术。帧中继是在开放系统互连帧中继是一种快速分组交换技术。帧中继是在开放系统互连(OSI)(OSI)参考模型第二层参考模型第二层, ,即数据链路层上使用简化的方式传送和即数据链路层上使用简化的方式传送和交换数据单元的一种方式。帧中继不执行差控和流量控制，简交换数据单元的一种方式。帧中继不执行差控和流量控制，简化了帧的处理，可缩短延时。化了帧的处理，可缩短延时。n2.2.

24、帧中继的提出基于以下几个原因帧中继的提出基于以下几个原因: :n(1(1光纤信道已被大量使用。光纤传输线路具有容量大光纤信道已被大量使用。光纤传输线路具有容量大, ,质量高质量高(2)(2)用户终端的智能化。用户终端的智能化。n(3)(3)用户及用户传送信息的剧增。用户及用户传送信息的剧增。4.6 帧中继帧中继 3.帧中继简介：帧中继简介：帧中继不提供纠错机制帧中继不提供纠错机制.帧中继节点在检测到错误时只是丢弃数据包，而不发出任何通知。帧中继节点在检测到错误时只是丢弃数据包，而不发出任何通知。帧中继在单个物理电路上提供多个逻辑连接，允许网络通过这些连帧中继在单个物理电路上提供多个逻辑连接，允

25、许网络通过这些连接将数据发送到目的地接将数据发送到目的地。n4.帧中继的工作原理帧中继的工作原理n(1). 帧中继的帧格式：帧中继的帧格式：帧中继接受网络层协议（例如帧中继接受网络层协议（例如 IP）发来的数据包。随后，帧中）发来的数据包。随后，帧中继在数据包中封装地址字段，地址字段包含继在数据包中封装地址字段，地址字段包含 DLCI 和校验和校验。4.6 4.6 帧中继帧中继n(1). 帧中继的帧格式：nF:是数据帧的标志字段，其长度1byte，为01111110；n I:是信息字段，可变长度，最长为4096byte，既可以是用户数据也可以是各种控制规程；nFCS:校验字段，检查链路上的错误，终端利用它可以进行纠错，共2byte；4.6 帧中继帧中继nDLCI:表示DTE设备和交换机之间的虚连接，复用到物理信道中的每