中间节点上通信技术

1、关于中间节点上的通信技术第1页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四数据交换：把一条线路上的数据转接到另一条线路上 或者说，交换的基本功能就是转发业务流2.1 交换技术的演变如图所示，交换是通过交换节点中的交换机构实现的。交换机构的功能是将一条输入信道上的数据转送到另外的输出信道上，将输入端口与输出端口对应起来。交换机构的功能 第2页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四数据交换的基本方式和数据交换机构的基本工作原理：2.1.1 电路交换2.1.2 存储-转发交换 2.1.3 分组交换的虚电路服务和数据报服务 2.1.4 交换机的功能2.1.5 交换机实现技

2、术 第3页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2.1.1 电路交换（Circuit Switching或Circuit Exchanging）电路交换需要建立物理链路，即：它要经过3步：建立连接（呼叫）,数据传送,线路拆除（释放） 线路交换是面向连接的服务；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；线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段；线路交换方式的优点：通信实时性强，适用于交互式会话类通信；线路交换方式的缺点：对突发性通信不适应，系统效率低，系统没有存储数据的能力，不能平滑交通量。 第4页，共28

3、页，2022年，5月20日，16点58分，星期四电路交换方式的工作原理电路交换有如下特点：（1）由于需要连接过程，建立连接需要时间，故适合传输大量数据而传输少量数据时效率不高；（2）连接一旦建立，便可以固定的速率传输数据，除了传输延迟外，不再有别的延迟；（3）一旦连接成功，就建立了一条临时专线，即使不通话，也被占用，他人不可使用。 第5页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四存储-转发交换的概念 存储-转发交换（Store-and-Forward Switching）是一种不要求建立专用物理信道的交换技术。 当发送方要发送信息时，应把目的地址先加到报文中，然后从发送节点起，一

4、个节点、按地址把报文一个节点地转送到目的节点；在转送过程中，中间节点要先把报文暂时存储起来，然后在线路不忙时将报文转发出去，这就是将其称为存储-转发交换的缘由。 2.1.2 存储转发交换第6页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2. 分组交换系统的发展（1）早期的存储-转发交换以报文（Message）形式进行，称为报文交换。 缺点：报文较大，因而传输延时较长，不适合传输语音等实时信号；在传输过程中容易因为个别错误而导致整个报文传输作废。 （2）分组交换（Packet Switching）,也称包交换 特点：分组交换网中，要先把一个报文分割成规定长度的信息组-分组打包，然后在

5、每个分组上贴上标签-报头，按编号一批一批地将“数据分组”发出去；在每一个中间节点上，都要先存储、后转发；传送到达目的地后，再重新装配成完整的报文。 ATM、TCP/IP都是分组交换 第7页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四（3）报文交换和分组交换的比较：图3.3 报文交换的基本过程 图3.4 报文分组 第8页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2.1.3 分组交换网络中的最佳帧长度最佳帧长度的选择是传输时间、传输开销和网络处理负载之间的折中。帧的长度分为帧长可变和帧长固定两种。如ATM网络，其信元长度固定为53B。第9页，共28页，2022年，5月20

6、日，16点58分，星期四2.2 虚电路与数据报2.2.1 分组交换的虚电路服务 虚电路的服务过程与下面的部队从A地向D地转移的过程相似。 先派侦察兵侦察出一条安全的通道（如图2.5中的A-B-C-D），侦察工作完成后，向指挥部发回报告； 部队接到通道已经侦察好的报告，开始以支队为单位沿侦察好的通道转移，并且是先出发的先到达； 部队转移结束，A地通知D地，该通道的任务完成，停止使用。第10页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四虚电路服务也分3个阶段：（1）建立虚电路（2）数据传输（3）拆除虚电路 图3.6 虚电路工作时的时序关系第11页，共28页，2022年，5月20日，16

7、点58分，星期四（1）建立虚电路 A启动路由算法，选择下一个节点B，并向B发送一个“呼叫请求分组”；接着B也启动路由算法，选择下一个节点C，并向C转发“呼叫请求分组”。于是“呼叫请求分组”沿A B C的路径到达目的节点D。目的节点D则沿D C B A的路径返回“呼叫应答分组”。至此虚电路建立。（2）数据传输 A将报文分组打包，不需再加目的主机的全地址，只需带上到B的虚电路号（A对可能到达的每个节点编号）即可，按照该虚电路号将各数据分组发送到B。B如法炮制，将各数据分组发送到C，由C再发送到D。（3）拆除虚电路 报文传送完毕，A沿A B C D路径发送“释放请求分组”到D；D返回“释放应答分组”

8、，将虚电路拆除。第12页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2.2.2 分组交换的数据报服务 数据报服务方式犹如大部队化整为零后分头向某地行进集结，每个分组都加有目的地地址，并且按“各自为战”的策略，依据网络的运行情形各自选择合适的路径，向目的地进发。这样，就会呈现以下几个传输特点。 （1）每个分组所走过的路径可能是不相同的， （2）由于传输路径不同，各节点交换处理的时间不等，到达目的地的时间也不相同，于是就会出现到达目的地后各分组的顺序与发送时的顺序不同，必须重新排序，再装配成报文。 （3）数据报服务不需要进行连接，因此也说它提供无连接的服务。后面要介绍的IP就只提供数据

9、报服务。 （4）数据报服务要求在传送过程中每一个数据分组都要带有目的地址和源地址。同时在传送到目的地后，有可能出现乱序、重复与丢失现象，因而传输延时较大，适合于突发性通信，不适合于长报文通信。第13页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2.2.3 电路交换、虚电路与数据报的比较 主要从三个过程、三个参数上对交换方式进行比较。（1）三个过程 连接过程； 传输过程； 释放过程 （2）三个参数（a）时延 呼叫时延：呼叫连接过程花费的时间。 传输时延：从一个节点传输到下一个节点所用的时间。 节点时延（处理延迟）：节点进行数据交换和处理花费的时间。（b）顺序分组到达目的节点的顺序是否

10、与源节点发送时的顺序一致。（c）通用性是否适合不同类型、不同速率的计算机或终端之间通信。第14页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四虚电路与数据报的比较第15页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2.3.1 交换机的功能 现代通信网络按照有无交换功能可以分为两大类：交换网和传输网。 简单地说：交换机的作用是接收数据，然后有选择地将数据转发出去，实现交换网中的数据流控制。交换机功能概括为:数据转发物理编址-定义数据帧的物理地址网络拓扑结构-定义设备物理连接所形成 的网络拓扑结构差错验证-错误发生时发出告警数据帧整序流量控制-延缓数据的传输能力 2.3 交换

11、机第16页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2.3.2 交换机单元分类 构成交换机构的最基本元件是交换单元。交换单元的基本实现技术有两种：空间交换和时隙交换 1. 空间交换空间交换是指交换单元按照链路的空间分布进行交换，将分组从一条链路转送到另一条链路上 2. 时隙交换时隙交换是按时间顺序进行交换，是指将输入链路上某个时隙上分组安排到输出链路上的另一个时隙上。 （1）STM传输模式的交换机 （2）ATM传输模式的交换机 3. 多级互联网络交换结构MIN4. 分组交换结构 第17页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2.4 路由节点上的通信 2.4.1路

12、由器与路由表 路由节点是连结不同网络的节点。在路由节点上工作的设备是路由器。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据分组寻找一条最佳传输路径，并将丐数据分组有效地传送到目的站点。为此，每个路由器中都要维护一个路由表，供路由选择时使用。根据设置方式，路由表可以分成两类：静态路由和动态路由1.静态路由 静态路由用预先编好的程序定义表示通过网络的路径，其算法通常由网络管理员人工实现。该管理员负责发现和传播通过网络的路由。常用的静态路由算法 ：（1）洪泛（flooding）算法 洪泛算法也称扩散式算法。它的基本思想是，每个节点收到分组后，即将其发往除分组来的节点之外的其他各相邻节点。但是要限制分组复

13、制的数量，有3种方法： 一是在每个分组的头部设一个计数器，用来统计分组到达节点的数量，当计数器超过规定值（如端到端最大段数）时，将之丢弃； 二是在每个节点上建立一个分组登记表，不接收重复的分组； 三是只选择距目标节点近的部分节点发送分组。 （2）热土豆（Hot Potato）算法通常每个节点要为其连接的相邻节点各建一个分组队列。热土豆算法是，节点收到一个分组后，为了尽快脱手，要将其放在最短的队列中，而不管该分组的目标节点是什么。 （3）固定路由算法固定路由算法也称查表法，它是在网络的每个节点上都存放一个预先计算好的路由表，给出本节点到所有可能的目标节点的最短路径 第18页，共28页，2022年

14、，5月20日，16点58分，星期四2.动态路由 动态（Dynamic）路由表是路由器根据网络系统的运行情况自动调整的路由表。通常是通过路由器与相邻路由器交换网络信息来动态地进行路由表维护的。 根据发现和计算到达目的网络的新路径的方法，可以把动态路由算法分为3种： （1）距离向量（distance vector）算法 距离向量算法的原理非常简单：它把每经过一个路由器称为一跳。一条路由上的跳数称为“距离”，然后动态地选择最短距离作为路径。 第19页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四（2）链路状态（link state）算法 链路状态是路由器上的接口（网络地址和网络类型等）描述

15、及其与相邻路由器关系的总称。这些链路状态的集合形成了一个链路状态数据库（link-state database）。 在Internet中广泛使用的最短路径优先SPF（Shortest Path First）就是一种分布式链路状态协议（link state protocol）。它提供了网络的树状表示。树根是运行SPF的设备，用来计算到达每个目的网络的最短路径列表。 （a）每个路由器标识与它直接相连的网络上的所有路由设备。 （b）SPF将实际网络、路由器和链路集抽象成有向图，两个路由器间的一系列链路由一对有向弧表示，各指向一方，且它们的权值可能不同。然后根据有向弧上的权值计算最短路径 。 （c）

16、每个路由器通过与网络中的其他路由器交换LSA（ Link State Advertisement, 链路状态公告）通知所有与之直接相连的网络链路以及每个链路关联的度。 （d）SPF提供了网络的树状表示。树根是运行SPF的设备，用来计算到达每个目的网络的理想路径。虽然每个路由器的链路状态数据库相同，但是由于每个设备占据了网络中的一个不同位置，SPF将为每个路由器产生不同的树。 （3）混合（hybrid）路由算法 混合算法试图综合距离向量算法和链路状态算法的优点： 使用度把优先权分配给一个路径（吸取距离向量算法的优点）； 通过事件驱动更新路由而不是定期更新路由（吸取链路状态算法的优点） 第20页，

17、共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2.4.2 路由器的组成 路由器是一种设备，其基本结构都包括路由器接口（网卡）、路由表和路由器软件、路由交换单元和路由队列等。1. 网络接口 路由器的网络接口用作将路由器连接到网络。对路由器来说，接口的主要功能是输入和输出。 从大的方面来说，网络接口可以分为局域网接口和广域网接口两种： 局域网接口主要包括:10 M/100M/1000M以太网接口,10/100自适应以太网接口,快速以太网接口,令牌环,令牌总线等网络接口。 广域网接口主要包括:通用串行口（可转换成X.21 DTE/DCEV、35 DTE/DCE、RS232 DTE/DCE、R

18、S449 DTE/DCE、EIA530 DTE）、E1/T1、E3/T3、DS3、ATM接口（2M，25M，155M，633M等）、POS接口（155M，622M）等网络接口2. 路由器表和路由器软件路由器软件一般实现路由协议功能、查表转发功能和管理维护功能等。由于Internet规模庞大，路由表一般也非常庞大，可能会有几十万条。路由协议是路由器软件的核心，主要用作建立和维护路由表。 第21页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四3. 路由交换单元 路由处理器还可以与交换开关结合在一起，组成一个路由交换单元。交换开关可以使用多种不同的技术来实现。4. 路由器队列 路由器是基于

19、IP分组交换的设备，在每个接口上进行带宽统计复用。 所以路由器必须在每个端口上维护一个或多个队列，以处理多个数据包发向一个端口而端口接收能力有限的矛盾。队列管理的能力直接影响路由器的性能以及拥塞管理能力。下面是三种常用的队列管理算法： （1）基于时标的IP分组调度算法基于时标的IP分组调度算法为每个IP分组维持两个时标：起始时标（Start Time Stamp）和完成时标（Finish Time Stamp）。路由器根据这两个时标来决定下一个转发数据包，常见的有WFQ、WF2Q等。（2）基于轮转的调度算法轮转调度算法又称时间片法，系统赋予每个队列一个时间片。转发操作在各队列间轮转地进行，常见

20、的有WRR、DRR等。（3）基于优先级的调度算法基于优先级的调度算法是根据预先规定的优先级对不同队列的数据包进行调度转发。 第22页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2.4.3 路由器技术的演进 表3.1 华为公司路由器体系结构的演进 第23页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四 1. 第1代路由器技术 第1代路由器主要由一个CPU和多个固定的网络接口组成，如图3.18所示，CPU与网络接口之间通过内部总线相连接。网络接口收到报文后，通过内部总线传送给CPU。CPU负责所有事务处理，包括路由收集、转发处理、设备管理等。CPU处理后，从另一个网络接口传送出去。 3.18 第1代路由器结构 第24页，共28页，2022年，5月20日，16点58分，星期四2. 第2代路由器技术 第2代路由器把网络接口做成可插拔的活动