数据交换技术

1、第三章 数据交换技术,本章内容,第一节 数据交换概述 第二节 数据交换方式 第三节 帧中继 第四节 ATM技术,本章重点难点,了解数据交换的基本方式 了解电路交换和报文交换 掌握分组交换 掌握帧中继 掌握ATM技术,第一节 数据交换概述,经编码后的数据在通信线路上进行传输的最简单形式是在两个互连的设备之间直接进行数据通信，但是，直接连接两个设备往往是不现实的； 常常是通过有节点的网络来把数据从源地点发送到目的地点，以此实现通信； 这些节点并不关心数据内容，而是提供一个交换设备，使数据从一个节点传到另一个节点直至到达目的地为止。下图示意一个交换网络的拓扑结构。,第一节 数据交换概述,通常将希望通

2、信的一批设备称为网络站，而将提供通信的一批设备称为节点。这些节点以某种方式用传输链路相互连接起来。每个分支都连接到一个节点上去，把节点集称为通信网络。如果所连接的设备是计算机和终端的话，那么节点集加上一些分支就构成计算机网络。,实现数据通信的交换网有两类：公用交换网和公用数据交换网 利用公用交换网进行数据交换 在公用电话网上只要附加一些呼叫或应答装置，即可实现用户终端和计算中心设备的数据交换。,通过公用电话网实现数据交换,第一节 数据交换概述,实现数据通信的交换网有两类：公用交换网和公用数据交换网 利用公用数据交换网进行数据交换 公用数据交换网要求本身可解决数据交换。在早期的广域网中，数据通过

3、通信子网的交换方式分为两类： 线（电）路交换方式、存储转发交换方式。,第一节 数据交换概述,第二节 数据交换方式,一、线路交换方式（电路交换方式） 与电话交换方式的工作过程很类似； 两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接，然后再进行数据通信； 在通信中自始至终使用该条链路进行信息传输，而不允许其它计算机和终端同时共享该条链路。,第二节 数据交换方式,一、线路交换方式（电路交换方式） 线路交换方式的通信过程 线路建立阶段：如果主机H1要向主机H2传输数据，首先要通过通信子网在主机H1与主机H2之间建立线路连接。主机H1首先向通信子网中节点A发送“呼叫

4、请求包”，其中含有需要建立线路连接的源主机地址与目的主机地址。节点A根据目的主机地址，根据路选算法，如选择下一个节点为B，则向节点B发送“呼叫请求包”。其它节点动作基本类同。至此，从“主机H1-节点A-节点B-节点C-节点D-主机H2”的专用物理线路连接建立完成。,第二节 数据交换方式,一、线路交换方式（电路交换方式） 线路交换方式的通信过程 数据传输阶段：在主机H1与主机H2通过通信子网的物理线路连接建立以后，主机H1与主机H2就可以通过该连接实时、双向交换数据。 线路释放阶段：在数据传输完成后，就要进入路线释放阶段。一般可以由主机H1向主机H2发出“释放请求包”，主机H2同意结束传输并释放

5、线路后，将向节点D发送“释放应答包”，然后按照节点C-节点B-节点A-主机H1次序，依次将建立的物理连接释放。这时，此次通信结束。,第二节 数据交换方式,一、线路交换方式（电路交换方式） 线路交换方式的特点 通信子网中的节点是用电子或机电结合的交换设备来完成输入与输出线路的物理连接； 交换设备与线路分为模拟通信与数字通信两类； 线路连接过程完成后，在两台主机之间已建立的物理线路连接为此次通信专用，电路利用率低； 通信子网中的结点交换设备不能存储数据，不能改变数据内容，并且不具备差错控制能力； 信息传输效率较高，对用户提供“透明”传输通路。,第二节 数据交换方式,二、报文交换方式 报文交换的基本

6、原理 报文交换不事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它把要发送的数据当作一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，如此循环往复直至将数据发送到目的结点。 报文的基本格式,第二节 数据交换方式,二、报文交换方式 报文交换的特点 线路效率较高，因为许多报文可以分时共享一条节点到节点的通道； 不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前，暂时存储这个报文； 在线路交换网上，当通信量变得很大时，就不能接受某些呼叫； 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地； 根据报文的长短或其他特征能够建立报文的优先权，

7、使得一些短的、重要的报文优先传递，且可以进行速度和代码的转换。,第二节 数据交换方式,三、分组交换方式 分组交换的基本原理 分组交换与报文交换的工作方式基本相同，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度,一般选128B。 发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收节点将接收到的分组重新组装成信息或报文。 分组的基本格式,第二节 数据交换方式,三、分组交换方式 分组交换的实现方式 虚电路方式：两个用户(DTE)在进行通信之前通过网络建立的逻辑上的连接。在同一条物理线路上可以同时建立多个虚电路。包括

8、呼叫建立、数据传输和呼叫释放阶段。 数据报方式：每个分组单独传送，称为数据报，每个数据报都包含源节点和目的节点的地址信息。 二者之间的比较：,第二节 数据交换方式,三、分组交换方式 分组交换的实现方式,第二节 数据交换方式,三、分组交换方式 分组交换的特点 具有分段差错流量控制功能，传输质量高； 对线路动态多路复用，传输效率高； 可在不同种类的终端之间通信； 服务质量(QoS)可靠，经济性好； 时延不固定，平均时延较长； 分组头部增加开销，不适宜传送实时性要求高的数据。,第二节 数据交换方式,四、三种交换方式的比较 三种交换技术总结如下 线路交换：在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放

9、之前，该通路将一直被一对用户完全占有； 报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式； 分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需重新将分组组装成报文。,电路交换 报文交换 分组交换,第三节 帧中继,快速分组交换 （FPS：Fast Packet Switching）可理解为尽量简化协议，只具有核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换方式。 一、帧中继提出的原因 光纤信道的大量使用； 用户终端的智能化； 用户数量和用户数据量的剧增。,二、帧中继的基本原理 1、帧中继的定义 帧中继是快速分组交换FPS技术帧方式的一种 。 FP

10、S的目标是通过简化通信协议来减少中间节点对分组的处理时间，发展高速分组交换机，以获得高的分组吞吐量和小的传输时延，适应高速传输的需要 。 由于数据链路层的数据单元一般称作帧，故称为帧方式。帧方式包括帧交换和帧中继两种类型 。 帧中继交换机只进行检测，不纠错，省去了流控等功能；帧交换则保留有差错控制和流量控制功能。所以帧中继比帧交换更简化，传输效率更高，所以广泛应用的是帧中继技术 。,第三节 帧中继,二、帧中继的基本原理 2、帧中继的格式,第三节 帧中继,二、帧中继的基本原理 2、帧中继的格式 标志字段F：标志字段是一个独特的01111110比特序列，用于指示一帧的开始与结束。 地址字段 数据链

11、路连接标识符（DLCI）：表示永久虚电路（PVC）、呼叫控制或管理信息； 命令/响应（C/R）：与高层应用有关，帧中继本身并不使用 ； 地址扩展（EA）：当EA为0时表示下一个字节仍为地址字段，当EA为1时表示地址字段到此为止 ； 前向拥塞通知（FECN）：若某节点将FECN置1，则表明与该帧同方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响而产生时延。,第三节 帧中继,二、帧中继的基本原理 2、帧中继的格式 地址字段 后向拥塞通知（BECN） ：若某节点将BECN置1，则指示接收者与该帧相反方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响而产生时延； 丢弃指示（DE）：当DE置1，表明在网络发生拥塞时，为了维持网络的服

12、务水平，该帧与DE为0的帧相比应先丢弃； 信息字段（I）：信息字段长度为1600字节到2048字节不等。信息字段可传送多种规程信息，如X.25、局域网等，为帧中继与其它网络的互连提供了方便 。 帧校验字段（FCS） ：FCS为2字节的循环冗余校验（CRC校验）。,第三节 帧中继,二、帧中继的基本原理 3、帧中继的工作原理 节点交换机在收到帧目的地址后立即转发，无须等待收到整个帧并做相应处理后再转发。若帧在传输过程中出现差错，当节点检测到错误时，节点立即停止传送，并发一指示到下一节点使其停止传输该帧，并将其丢弃，请求重发 ； 帧中继中间节点机只转发帧而不回送确认帧，只有在目的终端交换机收到一帧后

13、才回送端到端的确认，减少了中间节点的处理时间 ； 帧中继采用面向连接的虚电路交换技术，可提供SVC（交换虚电路）和PVC（永久虚电路）。目前世界上已建成的帧中继网络大多数只提供PVC业务 。,第三节 帧中继,二、帧中继的基本原理 4、帧中继的寻址 帧中继采用统计复用技术，以“虚电路”机制为每一帧提供地址信息，每一条线路和每一个物理端口可容纳许多虚电路，用户之间通过虚电路进行连接。在每一帧的帧头中都包含虚电路号-DLCI，这是每一帧的地址信息。 每一个节点机中都存在PVC路由表，当帧进入网络时，节点机通过DLCI值识别帧的去向。DLCI只具有本地意义，它并非指终点的地址，而只是识别用户与网络间以

14、及网络与网络间的逻辑连接。,第三节 帧中继,二、帧中继的基本原理 4、帧中继的寻址,第三节 帧中继,三、帧中继的特点 高效性 经济性 高可靠性 灵活性 网络组建简单 ； 可为用户要求传送的多种业务提供共同的网络传输能力，并对高层协议保持透明 ； 具有长远性 。,第三节 帧中继,一、ATM的基本原理 1、ATM的概念 ATM是一种基于信元、面向连接、全双工、点到点的传输协议； ATM本质是一种高速分组传送模式，只是ATM分组的长度是固定的 。 2、ATM信元格式 信头：5字节； 信息段：48字节； 根据其位置不同，对于用户-网络接口和网络-节点接口，ATM信元格式略有不同。如下图所示：,第四节

15、ATM技术,一、ATM的基本原理 2、ATM信元格式,第四节 ATM技术,UNI信元,NNI信元,GFC：一般流量控制 PTI：净荷类型 PAYLOAD：载荷 VPI：虚通道标识 CLP：信元丢失优先级 VCI：虚通路标识 HEC：信头误码控制,一、ATM的基本原理 3、ATM工作原理 传输通道、虚路径和虚通道三者之间的关系 每个VP可以用复用方式容纳多达65536个VC，属于同一VC的信元群拥有相同的VCI，属于同一VP的不同VC拥有相同的VPI。 虚路径连接（VPC） 在一条通信线路上具有相同VPI的信元所占用的子信道即为一条虚路径，多个VP链路通过VP交叉连接设备或VP交换机串联形成一个

16、VPC 。 虚通道连接（VCC） 在一条VPC中具有相同VCI的信元所占用的子信道即为一条虚通道，多个VC链路通过VC交叉连接设备或VC交换机串联形成一个VCC。,第四节 ATM技术,第四节 ATM技术,一、ATM的基本原理 3、ATM工作原理 VP/VC交换 在虚电路中，相邻两个交换节点间信元的VCI/VPI值保持不变； VP交换完成将一条VP上所有的VC链路全部送到另一条VP上，而这些VC链路的VCI值保持不变 ； VC交换要和VP交换同时进行， 此时VPI和VCI的值均要改变。因为当一条VC链路终止时，VP连接（即VPC）就终止了，这个VPC上的所有VC链路将各自执行交换过程，加到不同方向的VPC中去。,第四节 ATM技术,第四节 ATM技术,二、ATM交换的实现 ATM 交换机翻译 VPI/VCI值； 每个接口内的VPI/VCI值唯一； ATM交换机完成端口间路由。,第四节 A