工学第八章交换技术课件

1、Computer Networks 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 TechniquesP.138第1页，共76页。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 Internet8/4/20222第2页，共76页。第7部分 讨论的主要问题 ISSUES FOR PART THREEInternet 和其他互联网络的组成要素是局域网和广域网。第三部分讨论常用的广域网技术交换通信技术电路交换技术 报文交换技术 分组

2、交换技术信元交换技术常见广域网网型及其接入技术电话通信网有线电视网分组交换网数据专用网广域主干网城域网技术8/4/20223第3页，共76页。第8章 交换技术Chapter 8 Switching TechniquesComputer Networks 第4页，共76页。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。本章研究：什么是“交换网络”四种重要的交换网络电路交换网报文交换网分组交换网信元交换网8/4/20225第5页，共76页。本章主要内容 Contents8.1 交换网络 Switching Networks 8.2 电路交换网络

3、Circuit-switched Networks8.3 报文交换网络 Message-switching Networks8.4 分组交换网络 Packet-switching Networks8.5 信元交换网络 Cell-switching Networks8.6 交换机结构 Structure of a Switch8/4/20226第6页，共76页。8.1 交换网络 Switching Networks第7页，共76页。网络通信：连接问题Network Communications: Connection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）。网络连接方案点对

4、点连接 造价高，利用率低网状：每对设备之间建立点对点连接星形：通过中心设备建立点对点连接多点连接 广播冲突，介质和设备容量限制总线形：将所有设备接在一条“总线”上 交换连接 适用在广域网中使用由互连节点在通信设备（端系统）构建临时连接8/4/20228第8页，共76页。交换网络 Switched networksP138 图8.18/4/20229第9页，共76页。交换式网络 Switching Networks远程传输通常是通过由中间交换节点构成的网络来实现。节点交换机之间为点到点连接。交换节点(node)并不关心数据的内容。各种终端设备被称为“站点”(station)。这些站点可能是计算机

5、、终端、电话机等。所有交换节点及其连接的集合称为“通信网络”。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)。8/4/202210第10页，共76页。简单的交换网络Simple Switching Network8/4/202211第11页，共76页。交换技术的基本要求 Basic Request满足各种不同速率数据通信的需求交换速度快传输准确性高网络时延要小满足用户各种数据通信业务的需要 8/4/202212第12页，共76页。交换网络类型Switching NetworksP138 图8.28/4/202213第13页，共76页。8.2 电路交换网络 Circu

6、it-switched Networks第14页，共76页。一个普通的电路交换网 A Trivial Circuit-switched NetworkP139 图8.38/4/202215第15页，共76页。例8.1电路交换网 Circuit-switched Network used in Example 8.1P140 图8.48/4/202216第16页，共76页。例8.2电路交换网 Circuit-switched Network used in Example 8.2P140 图8.58/4/202217第17页，共76页。电路交换网 Circuit-switching Networ

7、ks传送前需先在两站点间建立专用“通信通道”。通道由一组网络节点之间依次相互连接的链路组成。透明连接：两站点间如同直接连接。8/4/202218第18页，共76页。电路交换 Circuit Switching 通信过程三步骤:建立电路连接 (hello)传送数据 (talk) 取消电路连接 (bye)最早为电话通信设计电路资源为某一次通话专用数据连接时大部分时间线路是空闲的固定的数据速率通信双方必须按同一速率传送8/4/202219第19页，共76页。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

8、式。8/4/202220第20页，共76页。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8/4/202221第21页，共76页。电路交换网的延迟 Delay in a Circuit-switched NetworkP141 图8.68/4/202222第22页，共76页。

9、8.3 报文交换网络 Message-switched Networks第23页，共76页。报文交换网Message Switching Networks采用“存储-转发”技术 ( store and forward ) （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。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。8/4/202224第24页，共76页。报文交换的优点 Message Switching：Advantage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。优点无需建立连接和取

10、消连接。未独占线路（多个报文可共享一条线路），通信资费低。 8/4/202225第25页，共76页。报文交换的缺点Not Practical: Why ?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。组网费用高 通常要求大容量存储硬盘，以便存储大的报文。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。8/4/202226第26页，共76页。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

11、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。8/4/202227第27页，共76页。8.4 分组交换网络 Packet-switched Networks第28页，共76页。报文交换技术的改进（存储转发）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不同于报文交换：报文被“分组”后传送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 N

12、etworks用户报文8/4/202229第29页，共76页。Packet分组“分组” (packet)分割的报文段+控制信息数据以较小的信息包(分组)形式传送通常以1000字节为一组更长的报文被分割成一个分组串每个分组包括有用户数据(部分或全部的)和附加的控制信息控制信息“路由”(寻址)信息（收发双方站点地址）其他有关信息（协议版本、差错处理等）8/4/202230第30页，共76页。分组的使用The Use of Packets8/4/202231第31页，共76页。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

13、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8/4/202232第32页，共76页。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8/4/202233第33页，共76页。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8/4/202234第34页，共76页。更快速 可分组多路传送 转发更快(内存存取，无需读写磁盘)更经济 存储器造价低(内存而非磁盘) 设备小型化 线路利用率更高更可靠 附

14、加检错、纠错信息报文交换分组交换分组交换与报文交换之比较 Packet Switching vs Message Switching8/4/202235第35页，共76页。 分组交换与电路交换之比较 Circuit Switching vs Packet Switching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。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。 8/4/202236第

15、36页，共76页。发送站点将长报文分割成一个个小的信息包（分组）分组被逐个发送到网络上传送分组有两种方式数据报方式虚电路方式分组交换技术Packet Switching Techniques 8/4/202237第37页，共76页。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。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。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 Switch

16、ing “散车”“车队”8/4/202238第38页，共76页。分组交换:数据报方式每个分组相互独立每个分组可以使用任何可用的路线需为每个分组（需自带地址）选择路由分组的到达可能无序分组在传送中可能丢失在接收端对分组重新排序并对丢失的分组进行补救处理8/4/202239第39页，共76页。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8.78/4/202240第40页，共76页。数据报网络路由表Routing Table in a Datagram NetworkP142 图8.8目

17、的地址输出端口8/4/202241第41页，共76页。Figure 8.9数据报网的延迟Delay in a Datagram NetworkP142 图8.98/4/202242第42页，共76页。分组交换:虚电路方式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）通过呼叫建立连接(握手)每个分组中含有虚电路号而非目标地址对使用同一虚电路的所有分组只需做一次路由选择有序传送，接收后无需排序清除请求，断开电路并非独享线路(存储转发而非透明直连8/4/202243第43页，共76页。虚电路网络Virtual-circuit NetworkP143 图8.108/4/202244第44页，

18、共76页。虚电路标识符Virtual-circuit IdentifierP144 图8.118/4/202245第45页，共76页。虚电路网络中交换机和路由表Switch and tables in a virtual-circuit networkP144 图8.128/4/202246第46页，共76页。虚电路网络源端到目的端的数据传输Data Transfer in a Virtual-circuit NetworkP145 图8.138/4/202247第47页，共76页。虚电路网络的连接请求Setup Request in a Virtual-circuit NetworkP145

19、 图8.148/4/202248第48页，共76页。虚电路网络中建立确认Setup Acknowledgment in a Virtual-circuit NetworkP146 图8.158/4/202249第49页，共76页。虚电路网络的延迟Delay in a Virtual-circuit NetworkP147 图8.168/4/202250第50页，共76页。分组交换技术：数据报与虚电路比较 Datagram vs Virtual Circuit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

20、丢失也不知晓。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。8/4/202251第51页，共76页。数据报与虚电路比较Datagram vs Virtual Circuits数据报技术无需呼叫建立连接阶段传输少量数据时比虚电路快传输更灵活可通过选择不同路由避绕网络中的拥塞区域但不保证分组能按序到达，数据丢失也不知晓虚电路技术传输前需先建立连接，所以适用于两端之间大数据量交换。顺序传送，差错控制简便分组传送速率更快因为无需花费时间选择路由可靠性较低构成虚电路的某个结点

21、或链路出故障时，虚电路完全失效。8/4/202252第52页，共76页。三种交换技术之比较 Comparison of Three Switching Techniques 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。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。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。 8/4/202253第53页，共76页。8.5 信元交换网络 Cell-switching Networks

22、第54页，共76页。与分组交换相似处 分组后发送；存储转发；线路共享和复用。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 Networks8/4/202255第55页，共76页。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：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通信设备价格极高（“贵族网

23、络”）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。8/4/202256第56页，共76页。使用信元的多路复用 Multiplexing using cellsP346 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8/4/202257第57页，共76页。服务质量Quality of Service 参见P511-515 第24.5节“服务质量”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”。 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。衡量QoS的主要性能指标有：带宽控制、

24、传输延迟、读码特性、流量控制、抖动控制和实时特性等。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。8/4/202258第58页，共76页。8.6 交换机结构 Structure of a Switching第59页，共76页。常见交换机Common Switches电路交换机空分交换机时分交换机时间-空间-时间交换机分组交换机“榕树”(Banyan)交换机“巴切尔榕树”(Batcher-banyan)交换机ATM交换机 参见第18.2节8/4/202260第60页，共76页。 空分交换机Space-division Switch最初用于模拟网络，目前同时用于模拟和

25、数字网络。信号通道和信号通道之间被物理隔开（空间分隔）。纵横制交换机（单级空分交换机）交叉点：微电子开关（晶体管）交叉点数量大，成本高： nm （n-输入线数，m-输出线数）实际所需交叉点：相连站点数的平方一个交叉点损坏将使对应线路无法连接交叉点利用率低（即使所有连接全部开通，仍有大部分交叉点处于闲置状态）8/4/202261第61页，共76页。纵横制空分交换机 Crossbar SwitchP147 图8.178/4/202262第62页，共76页。多级交换机 Multistage Switch将多台纵横交换机按多级（通常为3级）结构组合在一起。特点：减少了交叉点的数量；提高了可靠性（两个站

26、点间的连接在网络中具有多条通路）；更加复杂的控制系统；高通信量时会引起阻塞。阻塞解决方案：Clos准则(见P149)8/4/202263第63页，共76页。多级交换机 Multistage SwitchP148 图8.188/4/202264第64页，共76页。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8.38/4/202265第65页，共76页。三级交换机：阻塞示例Multistage Switch: Blocking8/4/202266第66页，共76页。 时分交换机Time-division Switch采用时分复用（TDM）在交换机内部实现交换。最常用的是时隙互换（TSI，time-slot interchange）技术。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储器RAM中，然后被检索和传送）。事实上，所有的现代电路交换机都使用数字时分技术