第8章-交换技术

第八章交换技术

Chapter8SwitchingTechniquesComputerNetworks

2/2/20231莆田学院网络教研室中心本章主要内容

What’saboutThisChapter？

本章学习常用的交换通信技术。本章研究：什么是“交换网络”三种重要的交换网络电路交换网报文交换网分组交换网2/2/20232网络通信：连接问题

NetworkCommunications: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2/2/20233交换网络

SwitchednetworksP138图8.12/2/20234交换式网络

SwitchingNetworks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、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)。2/2/20235简单的交换网络

SimpleSwitchingNetwork2/2/20236交换技术的基本要求

BasicRequest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2/2/20237交换网络类型

SwitchingNetworksP138图8.22/2/202388.1电路交换网络

Circuit-switchedNetworks2/2/20239莆田学院网络教研室中心一个普通的电路交换网

ATrivialCircuit-switchedNetworkP139图8.32/2/202310例8.1电路交换网

Circuit-switchedNetworkusedinExample8.1P140图8.42/2/202311例8.2电路交换网

Circuit-switchedNetworkusedinExample8.2P140图8.52/2/202312电路交换网

Circuit-switchingNetworks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。2/2/202313电路交换

CircuitSwitching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2/2/202314电路交换的特点

CharacteristicsofCircuitSwitching①交换设备简单（纯硬件）。②透明连接，传输延迟小（仅为物理信号本身延迟）。③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。④只能一对一通信。⑤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%）。⑥要求建立连接2/2/202315电路交换网的延迟

DelayinaCircuit-switchedNetworkP141图8.62/2/2023168.2数据报网络

DATAGRAMNETWORKS2/2/202317莆田学院网络教研室中心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

PacketSwitchingNetworks用户报文2/2/202318Packet

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）2/2/202319分组的使用

TheUseofPackets2/2/202320分组形成示意图

PacketForming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2/2/202321分组交换的优点：共享信道

PacketSwitching:SharingChannels几个数据流可以使用同一条线路上2/2/202322分组交换的特点：多路由传输

PacketSwitching:MultipleRoutes可以通过多条路径传输数据2/2/202323分组交换与电路交换之比较

CircuitSwitchingvsPacketSwitching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。2/2/202324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

PacketSwitchingTechniques

2/2/202325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(virtualcircuit)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

TwoApproachesforPacketSwitching“散车”“车队”2/2/202326数据报网络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2/2/202327Figure8.7有4个交换机（路由器）的数据报网

ADatagramNetworkwithFourSwitches(routers)P142图8.72/2/202328数据报网络路由表

RoutingTableinaDatagramNetworkP142图8.8目的地址输出端口2/2/202329Figure8.9数据报网的延迟

DelayinaDatagramNetworkP142图8.92/2/2023308.3虚电路网络

VIRTUAL-CIRCUITNETWORKS2/2/202331莆田学院网络教研室中心分组交换: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2/2/202332虚电路网络

Virtual-circuitNetworkP143图8.102/2/202333虚电路标识符

Virtual-circuitIdentifierP144图8.112/2/202334虚电路网络中交换机和路由表

Switchandtablesinavirtual-circuitnetworkP144图8.122/2/202335虚电路网络源端到目的端的数据传输

DataTransferinaVirtual-circuitNetworkP145图8.132/2/202336虚电路网络的连接请求

SetupRequestinaVirtual-circuitNetworkP145图8.142/2/202337虚电路网络中建立确认

SetupAcknowledgmentinaVirtual-circuitNetworkP146图8.152/2/202338虚电路网络的延迟

DelayinaVirtual-circuitNetworkP147图8.162/2/202339分组交换技术：数据报与虚电路比较

DatagramvsVirtualCircuit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，数据丢失也不知晓。虚电路（virtualcircuit）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。2/2/202340数据报与虚电路比较

DatagramvsVirtualCircuits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或链路出故障时，虚电路完全失效。2/2/2023418.4交换机结构

StructureofaSwitchingP.1472/2/202342莆田学院网络教研室中心常见交换机

CommonSwitches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2/2/202343①空分交换机

Space-divisionSwitch最初用于模拟网络，目前同时用于模拟和数字网络。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：n×m（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）2/2/202344纵横制空分交换机

CrossbarSwitchP147图8.172/2/202345多级交换机

MultistageSwitch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)2/2/202346多级交换机

MultistageSwitchP148图8.182/2/202347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

NumberofCrosspoints示例：P148例8.32/2/202348三级交换机：阻塞示例

MultistageSwitch:Blocking2/2/202349②时分交换机

Time-divisionSwitch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-slotinterchange）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。2/2/202350时隙互换

Time-slotInterchangeP150图8.192/2/202351③时间-空间-时间交换机

Time-space-timeswitchP150图8.202/2/202352分组交换机的组成

PacketSwitchComponents四个组成部分：参见P151图8.21

输入端口，输出端口，路由处理器和交换结构。2