现代数字通信技术第七章现代交换技术

现代数字通信技术第七章现代交换技术第一页，共55页。本章主要内容7.1交换网络SwitchingNetworks7.2电路交换网络Circuit-switchedNetworks7.3报文交换网络

Message-switchingNetworks7.4分组交换网络Packet-switchingNetworks7.5信元交换网络Cell-switchingNetworks7.6交换机结构StructureofaSwitch第二页，共55页。7.1交换网络

•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）。

•几种网络连接方案

(1)

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

(2)

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

(3)

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）构建临时连接第三页，共55页。7.1交换网络常见的交换网络结构如下图所示：图7-1交换网络结构第四页，共55页。7.1交换网络

在通信网中，交换功能是由交换节点即交换设备来完成的。交换节点(node)并不关心数据的内容。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)。所有交换节点及其连接的集合称为“通信网络”。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。第五页，共55页。7.1交换网络图7-2简单的交换网络结构图第六页，共55页。7.1交换网络常用的分类方法:

若按照信息传送模式的不同，可将交换方式分为电路传送模式（CTM-CircuitTransferMode）、分组传送模式（PTM-PacketTransferMode）和异步传送模式（ATM-AsynchronousTransferMode）三大类，如电路交换、多速率电路交换、快速电路交换属于电路传送模式；分组交换、帧交换、帧中继属于分组传送模式，而ATM交换则属于异步传送模式。

图7-3交换方式第七页，共55页。7.1交换网络同时不同的通信网络根据所支持业务的特性不同，其交换设备所采用的交换方式也各不相同，目前常采用的或曾出现的交换类型主要有以下几种，也是本章主要讲的内容：图7-4交换网络的类型第八页，共55页。7.2电路交换网络一个普通的电路交换网，如下图7-5所示：第九页，共55页。7.2电路交换网络◆

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。第十页，共55页。7.2电路交换网络电路交换的基本过程（三个阶段：连接建立hello、数据传送talk和连接拆除bye），如图7-6所示：第十一页，共55页。7.2电路交换网络连接建立：如同打电话先要通过拨号在通话双方间建立起一条通路一样，数据通信的电路交换方式在传输数据之前也要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路；数据传送：电路交换连接建立以后，数据就可以从源节点发送到中间节点，再由中间节点交换到终端节点，当然终端节点也可以经中间节点向源节点发送数据；连接拆除：当站点之间的数据传输完毕，执行释放电路的动作。该动作可以由任一站点发起，释放线路请求通过途经的中间节点送往对方，释放线路资源。第十二页，共55页。7.2电路交换网络电路交换具有以下6个特点：①交换设备简单（纯硬件）；②透明连接，（对话音信息不做处理，不像IP分组头部字段处理）；传输延迟小（仅为物理信号本身延迟）；③带宽固定，如同步时分复用TDM（不适合猝发性大通信流量）；单一速率，无差错控制功能（话音业务特点：实时性强，可靠性不高）；同步时分复用TDM的基本原理如下图所示：第十三页，共55页。7.2电路交换网络如：基于PCM30/32路同步时分复用系统，每秒钟传送8000个帧，每帧32个时隙，每个时隙8比特，每路通信信道（TS）为64kbit/s恒定速率，即对每路通信信道所分配的带宽是固定的。在信息传送阶段不管有无信息传送，都占用这个TS子信道，直到通信结束。图7-7PCM30/32路同步时分复用系统第十四页，共55页。7.2电路交换网络④只能一对一通信，信息传送的最小单位是时隙（PCM系统）；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%）。基于呼叫损失制的流量控制（过负荷到来的呼叫直接拒绝，而不是采用排队等待，以保证原有的通话业务的QoS）；⑥要求建立连接，是面向连接的工作方式（物理连接）。第十五页，共55页。7.2电路交换网络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式。通过公用电路交换网连接示例如图7-8：第十六页，共55页。7.2电路交换网络电路交换网的延迟第十七页，共55页。7.2电路交换网络总结：电路交换适合于实时性、恒定速率的业务（如话音）。电话通信网中的话音业务，具有实时性强、可靠性要求不高的特点；电路交换不管是其面向连接的特点，还是对信息无差错控制、透明传输以及基于呼叫损失制的流量控制特点，都满足了话音业务的特性，因而电话通信网采用电路交换方式；电路交换的不足：由于无差错控制机制，因而对数据交换的可靠性没有分组交换高，不适合对差错敏感的数据业务；同时由于电路交换采用固定带宽分配方式，因而其电路利用率低、不适合突发（burst）业务。第十八页，共55页。7.3报文交换网络报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式，报文整个地发送，一次一跳。报文交换是分组交换的前身。

60年代和70年代，在数据通信中普遍采用报文交换方式，目前这种技术仍普遍应用在某些领域(如电子信箱等)。第十九页，共55页。7.3报文交换网络采用“存储-转发”技术(storeandforward)；（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。图7-9报文交换网络第二十页，共55页。7.3报文交换网络报文交换的优点：①报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文，不存在呼损。②通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率，通信资费低。第二十一页，共55页。7.3报文交换网络③由于采用存储转发的传输方式，在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，当某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。第二十二页，共55页。7.3报文交换网络报文交换的缺点：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。第二十三页，共55页。7.3报文交换网络报文交换：只适合在公用电报网中使用①通道可复用，费用较低②带宽可调变（猝发性通信）③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。④可实现一对多通信⑤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。第二十四页，共55页。7.4

分组交换网络分组交换的本质也是存储转发,它将用户所传送的数据划分一定长度的分组，在每个分组前加分组头，用以指明该分组发往的地址，然后交换机根据每个分组头的地址标志，将他们转发到目的地。图7-10分组交换的基本过程第二十五页，共55页。7.4

分组交换网络“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）第二十六页，共55页。7.4.1

分组交换与报文交换的比较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加检错、纠错信息报文交换分组交换第二十七页，共55页。7.4.2

分组交换与电路交换的比较电路交换必有“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。第二十八页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理分组交换包含两种基本途径：(1)数据包交换。采用无连接工作方式（CL—ConnectionLess），在呼叫前不需要事先建立连接，而是边传送信息边选路，并且各个分组依据分组头中的目的地址独立地进行选路。(2)虚拟电路分组交换。采用面向连接的工作方式（OC—OrientedConnection），其通信过程与电路交换相似，具有连接建立、数据传送和连接拆除三个阶段，即在用户数据传送前先建立端到端的虚连接；一旦虚连接建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚连接传送，分组的接收顺序与发送顺序相同；通信结束时拆除该虚连接。我们将虚连接也称为虚电路，即逻辑连接，它不同于电路交换中的实际的物理连接，而是通过通信连接上的所有交换节点保存选路结果和路由连接关系来实现连接的，因而是逻辑的连接。分为交换虚电路和永久虚电路两种方式。第二十九页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理数据包交换的特点：分组中携带完整的目的地址,每个分组相互独立；每个分组可以使用任何可用的路线；交换机或路由器根据转发表或路由表来转发分组；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。图7-11数据包交换第三十页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理有四个交换机（路由器）的数据包网，图7-12第三十一页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理数据包网络路由表，图7-13目的地址输出端口第三十二页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理数据包网的延迟如图7-14第三十三页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理虚拟电路分组交换的特点：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图7-15虚拟电路分组交换第三十四页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理虚拟电路网络，图7-16第三十五页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理虚拟电路网络源端到目的端的数据传输如图7-17第三十六页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理虚拟电路网络的延迟，图7-18第三十七页，共55页。7.4.3分组交换的基本原理数据包技术和虚拟电路技术比较：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。第三十八页，共55页。7.4.4分组交换的特点信息传送的最小单位是分组（Packet）分组由分组头和用户信息组成，分组头含有选路和控制信息。面向连接（逻辑连接）和无连接两种工作方式虚电路采用面向连接的工作方式，数据报是无连接工作方式。统计时分复用（动态分配带宽）（电路交换：固定分配时隙）图7-19

统计时分复用的基本原理第三十九页，共55页。7.4.4分组交换的特点统计时分复用的基本原理是把时间划分为不等长的时间片（传送一个分组所需的时间），对每路通信没有固定分配时间片，而是按需来使用。当某路通信需要传送的分组多时，所占用的时间片的个数就多；由此可见统计时分复用是动态分配带宽的。l信息传送有差错控制

（数据业务可靠性要求高）l信息传送不具有透明性

（对数据分组要处理，如：分片等）l基于呼叫延迟制的流量控制

（排队机制）分组交换的技术特点决定了它不适合对实时性要求较高的话音业务，而适合突发（burst）和对差错敏感的数据业务。第四十页，共55页。7.4.5

三种交换技术的比较电路交换

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。第四十一页，共55页。7.5

信元交换网络信元：在通信和网络技术中，指大小固定不变数据的分组。ATM(异步传送模式)交换技术是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式的优点发展而来的，兼具分组传送模式和电路传送模式的优点。信元交换又称“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。第四十二页，共55页。7.5

信元交换网络信元交换的特点：以固定长度的信元为传输单元；采用统计时分复用（等长的时间片）；采用面向连接并预约传输资源的工作方式（虚连接）；ATM网络内部取消逐段链路的差错控制和流量控制；

综述:ATM技术是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式高速化的优点发展而成的。采用异步时分复用方式，实现了动态分配带宽，可适应任意速率的业务；固定长度的信元和简化的信头，使快速交换和简化协议处理成为可能，从而极大地提高了网络的传输处理能力，使实时业务应用成为可能。异步传送模式的基本原理第四十三页，共55页。7.6交换机结构常见的交换机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交换机第四十四页，共55页。7.6.1

空分交换机最初用于模拟网络，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