《论述分组交换网的存储转发技术》

1、毕业论文院系：机械与电子工程学院题目：论述分组交换网的存储转发技术班别：14通信1班姓名：吴锦辉指导教师：柳金峰广东科学技术职业学院二O一七年三月十一日论述分组交换网的存储转发技术班别：14通信1班姓名：吴锦辉摘要：本论文论述了分组交换网和存储转发技术，通过各种网络和分组交换网的对比，各种和存储转发同层次的技术和存储转发技术的对比，还有存储转发技术的发展来历和展望，不同层次的，立体的论述了什么是分组交换网，什么是存储转发技术，什么是分组交换网的存储转发技术。关键词：分组交换网，存储转发TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 第一章：绪论1 HYPERLINK

2、l bookmark12 1.1研究的意义1 HYPERLINK l bookmark14 1.2论文的主要工作1 HYPERLINK l bookmark16 第二章：存储转发技术在哪里1 HYPERLINK l bookmark18 2.1分组交换网1 HYPERLINK l bookmark20 2.2分组交换技术3 HYPERLINK l bookmark22 第三章：存储转发技术4 HYPERLINK l bookmark24 3.1概述4 HYPERLINK l bookmark26 3.1.1原理43.1.2存储转发特征4 HYPERLINK l bookmark28 3.2过程

3、5 HYPERLINK l bookmark30 3.3交换方式5 HYPERLINK l bookmark32 3.4和直通转发的比较6 HYPERLINK l bookmark34 3.5存储转发机制涉及的两个方面。7 HYPERLINK l bookmark36 第四章：发展趋势8 HYPERLINK l bookmark38 参考文献8 第一章：绪论1.1研究的意义分组交换技术就是适应数据通信要求而发展起来的一种先进的通信技术，它能够最充分地利用网络资源，降低通信成本，提供高质量的数据通信服务，所以一问世就获得了成功，并很快发展起来。分组交换网时至今日在以当今网络中仍然占据着极其重要的

4、地位。分组交换实质上又是在“存储转发”基础上发展起来的。所以在了解和学习网络的过程中，必不可免的要去知道分组交换网的存储转发技术。1.2论文的主要工作本文从大家都熟知的网络说到分组交换网，又从分组交换网说到分组交换技术，从分组交换技术的基本原理说到存储转发。从网络一层又一层的剥开存储转发技术的外壳，让读者可以直击存储转发技术到底从哪来。本文通过存储转发和直通转发的对比来述明存储转发，还从浅的存储转发原理、特征、过程、交换方式，到深的存储转发涉及的两个方面论述了什么是存储转发。最后还对存储转发进行了粗简的展望，既存储转发要到哪里去。本文由浅到深的论述了什么是存储转发，存储转发的原理、交换方式、过

5、程，存储转发机制涉及的方面。并且粗略的介绍了分组交换网。第二章：存储转发技术在哪里2.1分组交换网在计算机领域中，网络是信息传输、接收、共享的虚拟平台，通过它把各个点、面、体的信息联系到一起，从而实现这些资源的共享。网络是人类发展史来最重要的发明，提高了科技和人类社会的发展。网络有很多种类型，从不同的角度对网络有不同的分类方法，每种网络名称都有特殊的含意。了解网络的分类方法和类型特征，是熟悉网络技术的重要基础之一。按地理位置可以分为局域网，城域网，广域网。按传输介质可以分为有线网，光纤网，无线网。还可以按交换方式又可分为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络。由于分组交换优于线路交换和报文交

6、换，具有许多优点，因此它已成为计算机网络的主流。那么什么是分组交换网呢？能够进行分组交换的通信网被称为分组交换网。它具有（1）差错检测和纠正的能力，误码率极小；（2）传输质量高。（3）可实现分组交换网上的不同码型、速率和规程之间的终端互通等特点。下面通过分组交换网和电路交换网络，报文交换网络简单的对比，进一步的了解分组交换网。使用电路交换的通信网被称为电路交换网。它具有（1）独占性：在建立电路之后、释放线路之前，即使站点之间无任何数据可以传输，整个线路仍不允许其他站点共享，（2）实时性好，（3）可靠性高的特点。优点是：（1）延迟低，（2）数据传输可靠、迅速，数据不会丢失，且保持原来的序列，基本

7、不会出现抖动现象等。但缺点也同样的明显，电路利用率低，存在呼损等。所以若传输的数据量很大，而且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，采用分组交换较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，分组交换优于电路交换。使用报文交换的通信网被称为报文交换网。报文交换的机制和分组交换的一样，也是采用存储转发的机制，不过报文交换是以报文为数据交换的单位，所以报文交换网和分组交换网最大的差别就是时延大。分组交换的思想来源于报文交换，报文交换也称为存储转发交换，它们交换过程的本质都是存储转发，所不同的是分组交换的最小信息单位是分组，而报文交换则是一个个报文。所以分组交

8、换网与电路交换网相比有许多优点（1）利用率高：利用率高较之电路交换对链路的独占性而言，不同的数据分组可以在同一条链路上以动态共享和复用方式进行传输,通信资源利用率高，从而使得信道的容量和吞吐量有了很大的提升。因为结点到结点的单个链路可以由很多分组动态共享。分组被排队，并被尽可能快速地在链路上传输。（2）一个分组交换网络可以实行数据率的转换：两个不同数据率的站之间能够交换分组，因为每一个站以它的自己的数据率连接到这个结点上。（3）排队机制：在同一个链路上可以同时传输不同类型和规格的数据，当分组网络上有大量的分组时，可以根据设定数据传输的排队机制，保证优先级高的分组优先传输。当电路交换网络上负载很

9、大时，一些呼叫就被阻塞了。在分组交换网络上，分组仍然被接受，只是其交付时延会增加。由于以较小的分组为单位进行传输和交换，所以分组交换比报文交换快。报文交换主要应用于公用电报网中。总的来说分组交换结合了两种交换方式的优点，比电路交换的电路利用率高比报文交换的传输时延小，交互性好。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。2.2分组交换技术在通信过程中，通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制实现数据交互的通信方式，被称为分组交换。分组交换也称为包交换，它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段，在每个

10、数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部，每个带有首部的数据段就构成了一个分组。首部指明了该分组发送的地址，当交换机收到分组之后，将根据首部中的地址信息将分组转发到目的地，这个过程就是分组交换。分组交换的本质就是存储转发，分组交换的思想来源于报文交换，报文交换也称为存储转发交换，它们交换过程的本质都是存储转发，所不同的是分组交换的最小信息单位是分组，而报文交换则是一个个报文。分组交换技术是在计算机技术发展到一定程度，人们除了打电话直接沟通，通过计算机和终端实现计算机与计算机之间的通信，在传输线路质量不高、网络技术手段还较单一的情况下，应运而生的一种交换技术。分组交换的实质就是将要传输的数

11、据按一定长度分成很多组，为了准确的传送到对方每个组都打上标识，许多不同的数据分组在物理线路上以动态共享和复用方式进行传输，为了能够充分利用资源，当数据分组传送到交换机时，会暂存在交换机的存储器中，然后根据当前线路的忙闲程度，交换机会动态分配合适的物理线路，继续数据分组的传输，直到传送到目的地。到达目地之后的数据分组再重新组合起来，形成一条完整的数据。圈3好俎冼怏实现方式口轅鴉井蛆O书点奁换机c擬据誕丸Lzi蚀扯弊鹉O囤回因回分组交换的本质就是存储转发，它将所接受的分组暂时存储下来，在目的方向路由上排队，当它可以发送信息时，再将信息发送到相应的路由上，完成转发。其存储转发的过程就是分组交换的过程

12、。按照实现方式，分组交换可以分为数据报分组交换和虚电路分组交换。第三章会详细的说明两者的关系和区别。分组交换特点有（1）信息传送的最小单位是分组（2）信息传送为有差错控制：分组交换是专门为数据通信网设计的交换方式，数据业务的特点是可靠性要求高，对实时性要求没有电话通信高，因而在分组交换中为保证数据信息的可靠性，设有CRC校验、重发等差错控制机制，以满足数据业务特性的需求。（3）面向连接（逻辑连接）和无连接两种工作方式：分组交换分为数据报分组交换和虚电路分组交换，数据报分组交换无连接，虚电路分组交换面向连接（4）基于呼叫延迟制的流量控制。分组交换的基本原理是采用“存储一一转发”技术。第三章：存储

13、转发技术3.1概述3.1.1原理存储转发交换技术在交换机各个端口的输入和输出通道都有可利用的缓存空间。在端口的接收通道，接收的帧信号首先存入缓存器之中，待全帧存入后，进行帧识别和帧处理，包括对帧的合法性的识别及循环冗余误码的校验（CRC）、散列出目的节点MAC地址和源节点MAC地址、修改MAC地址表和作出过滤与转发决策等处理。在处理的过程中将非法的帧丢弃。在对数据帧识别和处理之后，被转发到目的节点MAC地址对应的端口，首先存入相关的缓存器，再经排队，按先后次序发送出去。3.1.2存储转发特征（1）错误检验功能CRC的作用是对前面的数据进行校验，防止出错。由于存储转发只有当收取了整个帧之后才开始

14、转发进程，所以当收取到CRC字段的时候，可以进行错误的校验，交换机把已经收到的数据进行CRC计算，把计算出来的值同接收到的CRC字段的值进行比较，如果两者相同则说明数据没有被破坏，如果不同则说明已经破坏。（2）自动缓存(3)策略功能也即ACL访问控制列表的功能，访问控制列表主要是通过策略来对数据进行控制,ACL所涉及的控制层面从OSI的第二层到第七层都有，既然存储转发把整个帧都存储下来了，那么可以想像如果交换机拥有了处理多层数据的能力就可以执行ACL了，毕竟ACL所参照的目标在接收的帧中都已经存在了。3.2过程存储转发在二层交换机中，二层交换机属数据链路层设备，所以存储转发的对象是数据帧。所谓

15、数据帧(Dataframe)，就是数据链路层的协议数据单元，它包括三部分：帧头，数据部分，帧尾。其中，帧头和帧尾包含一些必要的控制信息，比如同步信息、地址信息、差错控制信息等；数据部分则包含网络层传下来的数据，比如IP数据包。数据帧的帧头包括四个字段。第一个字段是长度为8个字节的序，中间两个字段分别为6字节长的目的地址字段和源地址字段，目的地址字段包含目的MAC地址信息，源地址字段包含源MAC地址信息。最后的字段为2字节的类型字段，里面包含的信息用来标志上一层使用的是什么协议，以便接收端把收到的MAC帧的数据部分上交给上一层的这个协议。数据部分只有一个字段，包含的信息是网络层传下来的数据。帧尾

16、也只有一个字段，为4字节长，为CRC。Data86ChecksumBasedcnCRCFrameNetworkTransportHeaderHeaderDestinationMACAddressSourceMACAddressEtherType数据进入交换机是从图中的左向右进入的，也就是先从”Preamble这个起始字段进入。首先交换机启动接收进程，开始收取帧，从Preamble字段开始，一直到最后的CRC,当这个完整的帧收取完成，把收到的分组放入缓存，之后交换机开始启动转发进程，根据接收帧所示的DMAC，也就是目标MAC地址来决定转发策略，如果在MAC地址表中存在那么转发到相对应的端口，如果

17、不存在则发送到所有端口。3.3交换方式上面说到报文交换网采用的是存储转发技术，分主交换网采用的也是存储交换技术，虽然机制一样，但两种网络采用的存储交换技术的有区别的。因为存储转发技术按交换的方式又分为报文交换技术和分组交换技术。报文交换技术是信源直接将报文投递给信宿，而分组交换方式的存储转发技术是分割一个报文中有效载荷数据，并加上一定的控制信息后及报文号，组建出一个个分组后，以分组为单位进行传输的一种数据交换模式。分组交换技术根据实现机制的不同又分为：数据报交换技术和虚电路交换技术。（1）数据报交换技术：数据报交换技术和报文交换技术相似，不同的是前者每次传输的数据包时分组，而后者传输的是整个报

18、文。这是一种“无连接”的数据交换技术，它在数据传输的过程中具一定的路由算法动态选择数据报的传输路径，且这是一种无序传输。（2）虚电路交换技术：虚电路交换技术与数据报交换技术不同，它是一种面向连接的交换技术。其之所以称之为“虚电路”是因为在数据交换的过程中，通信双方间会建立专门的动态逻辑电路。在传输数据时先确定路径在转发，每一个成功的虚电路需要分配一个识别号码，编码到分组里去，以免造成混乱，分组通过建立的这一专用通道进行有序传输，因此每个分组中不再包含控制数据，降低了辅助开销，传输完毕又会把虚电路拆除。虚电路交换技术是一种可靠性较强，系统效率高的交换技术。其是在工作过程中建立专用的逻辑连接，每个

19、节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。数据报交换技术和虚电路交换技术中的分组都需根据一定的路由算法选择通信路径，但前者的每一个分组都要单独寻找路由，而虚电路交换技术中一次通信过程的所有分组只需进行一次路由选择即可。显然，按数据报方式工作的路由计算要比按虚电路方式频繁。3.4和直通转发的比较在理论上最快只需要等收到目标MAC之后就可以开启转发进程，这就是直通转发的基本原理。同时也给它带来了一些特点：（1）失去了错误检查的能力由于直通转发过程根本就没有接收到完整的数据包就进行转发了,所以无法进行CRC校验，也就无法进行错误检查，这个工作只能落在HOST上了。（2）加快了转发速度，减少了延迟。对比两

20、种交换原理，不难看出在速度上是有很大提高的。（3）存储转发可以启用ACL,那么在直通转发可以吗？这个也是可以的。我们要把握这一条：直通转发是灵活的，这才是直通转发的精髓，直通转发最少要检测到DMAC之后才可以开启转发进程，但是也可以多等一段时间，多收取一些数据（IP层，传输层）再开始转发，它是十分灵活的。如果我们要启用ACL或者是QoS就可以在直通转发的策略上进行设置。举例来说，如果交换机从F0/1接收数据，在这个接口上启用了基于IP的ACL，这样直通转发就会当接收到IP包头之后才基于ACL启动转发进程，决定是否转发。当然，如果启动了基于UDP的ACL，这样直通转发就会等到接收到UDP头的时候

21、才启动转发进程，决定是否转发。如果在接口上没有设置ACL，直通转发进程也一般会读取IP包头之后才启动转发进程。还有一种转发方式叫做“无碎片转发”这种转发方式其实是和直通转发一样的，只是比直通转发收取了更多的信息之后再进行转发，无碎片转发就是收取64字节才开始转发的，减少了转发出错的几率。1存储转发技术要求交换机在接收到全部数据包后再决定如何转发，而直通转发则是在交换机收到整个帧之前就已经开始转发数据了，这样可以有效地降低交换延迟。但是，如果交换机在没有完全接收并检查数据包的正确性之前就已经开始了数据转发，这样在通讯质量不高的环境下，交换机会转发所有的完整数据包和错误数据包，这实际上是给整个交换

22、网络带来了许多垃圾通讯包。因此，直通转发技术适用于网络链路质量较好、错误数据包较少的网络环境。存储转发优点在于：可靠性很好：几乎可以把所有的残帧、差错帧等非法帧检出，而不把它们转发到其它端口。由于转发到同一端口的数据帧被排队缓存，而大大减少了端口产生拥塞和碰撞的概率。支持不同的速度的端口间的转换。例如，一些端口可在10Mbit/s的速率下工作，而另一些端口则可在100Mbit/s的速率下工作，甚至可在工作于千兆1000Mbit/s)以太网中工作。主要缺点是：存储转发交换方式的数据处理时延时较大，转发等待的时间最长，超过了1518个字节(12144比特)占用的时长。比较复杂，需要有足够的存储器容

23、量和相关的控制硬件或软件。3.5存储转发机制涉及的两个方面。存储转发机制涉及到两个方面，队列管理机制和数据包的缓存方式。(1)队列管理机制队列管理算法的核心思想是在必要时通过丢包来管理队列长度。对队列进行管理直接影响路由器性能、拥塞管理能力以及服务质量能力。由于因特网数据具有突发的特点，因此必须允许传输突发的数据包，那么路由器中队列的一个重要的责任就是接收来自网络中的突发的数据包。较大的队列能够吸收较多的突发数据，提高吞吐量。但实际网络中往往会保持较高的队列占用这一点是由现有的TCP协议决定的，从而增加了数据包的排队等待延迟，降低了吞吐量。而较小的队列长度具有如下的优点：降低排队延迟、提高吞吐

24、量外、保持较大的队列空间来吸收突发数据包。因此需要路由器对队列采用适当的管理机制，以此来维持较小的队列长度。当前的队列管理算法可以分为两大类：被动式队列管理和主动式队列管理被动式队列管理是对每个队列设置一个最大值和一个回复值，然后接收网络中的数据包进入队列中，直到队列长度达到最大值，接下来就要启动队列的相应管理机制，直到队列长度下降到回复值。所采取的队列管理机制有去尾机制、随机丢弃机制和从前丢弃机制。去尾机制是将尾部的数据包丢弃；随机丢弃是从队列中随机找出一个包丢弃；从前丢弃是从队列头部丢弃。根据因特网中数据包的突发本质是不可避免的特性被动式队列管理存在以下几个缺点1.由于使用共享的队列和被动

25、式队列管理会不可避免地产生全局同步，导致很低平均带宽利用率，即吞吐量很低；2.TCP从突发包的丢弃中恢复要比从单个包丢弃中恢复更复杂；3.如果一个数据包在到达目的端之前被丢弃，则其在传输过程中所消耗的资源都被浪费，降低了网络带宽的利用率。因此，不必要的包丢弃也就意味着带宽的浪费。为了降低丢包的概率，必须在路由器满之前就开始丢包，这样端节点便能在队列溢出前对拥塞做出反应。这种在队列满之前就开始丢包的方法称为主动式队列管理。主动式队列管理”是一种基于先入先出队列(先进入的指令先完成并引退，跟着才执行第二条指令。)调度策略的队列管理机制，通过保持较小的平均队列长度来提供更大的容量用以吸收来自网络中突

26、发的数据包，进而大大减少了丢包数。(2)数据包的缓存方式在存储中数据包的缓存形式，按照端口分可以分为基于输入端口的排队和基于输出端口的排队。基于输入端口的排队是按照不同的输入端口进行入队操作，同一个输入端口排成一个队列；基于输出端口的排队是按照不同的输出端口进行入队操作，同样的，同一个输出端口排成一个队列。按照队列的实现方式分可分为先入先出队列结构和链表结构。先入先出队列结构是每个队列即为一个固定长度的先入先出队列，每到一个数据包则排在先入先出队列的队尾，先入先出队列结构的缺点是每个队列只能存固定个数的数据包，不利用扩展，并且当某一个队列满时，即使其他队列仍有可用的资源，也不能够被利用，所以容

27、易造成资源浪费；链表结构是采用软件中链表的思想，每个队列的管理通过链表的队列头/队列尾指针来实现，例如，当接收到一个数据包时，分配一个可用地址，并将该数据包存储在当前分配的地址中，同时更新队列的队尾指针，当需要输出一个数据包时，将该队头指针中的数据包输出，并将指针中的下一地址指针更新为新的头指针。链表结构易于扩展并且充分的利用了存储资源。第四章：发展趋势随着互连网的高速发展及多种新业务的出现，存储转发面临着提高转发速率、扩大吞吐量和提供有保证的服务等压力。在宏观计算机网络中，数据交换量的进一步增加，使得存储转发技术成为了限制网络发展的瓶颈问题。同时，在片上网络中，互连IP核数目的增加以及不同IP核之间进行通信，要求提供不同优先级别的服务，对片上网络中的存储转发也提出了更高