數(shù)據(jù)通信原理第4章

第4章數(shù)據(jù)交換4.1數(shù)據(jù)交換的概念及數(shù)據(jù)交換方式1.兩端用戶通過信道直接連接起來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；2.將各個(gè)用戶終端通過一個(gè)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)連接起來，由中間網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)從源點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)中間網(wǎng)絡(luò)又叫交換網(wǎng)絡(luò)。

3.目前應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換方主要有電路交換方式和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式兩大類，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式中又可分為報(bào)文交換和分組交換兩種方式。

4.2電路交換兩部電話機(jī)只需要用一對電線就能夠互相連接起來。

5部電話機(jī)兩兩相連，需10對電線。N部電話機(jī)兩兩相連，需N(N–1)/2對電線。當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量很大時(shí)，這種連接方法需要的電線對的數(shù)量與電話機(jī)數(shù)的平方成正比。

當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量增多時(shí)，就要使用交換機(jī)來完成全網(wǎng)的交換任務(wù)。

…

交換機(jī)

4.2電路交換1.電路交換的概念：在這里，“交換”(switching)的含義就是轉(zhuǎn)接——把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源。電路交換方式的基本概念是：數(shù)據(jù)通信中的電路交換方式是指兩臺(tái)計(jì)算機(jī)或終端在相互通信之前，需預(yù)先建立起一條實(shí)際的物理鏈路，在通信中自始至終使用該條鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸，并且不允許其他計(jì)算機(jī)或終端同時(shí)共享該鏈路，通信結(jié)束后再拆除這條物理鏈路。4.2電路交換2.電路交換的特點(diǎn)：（1）.電路交換的三個(gè)階段：建立連接通信釋放連接（2）.在建立通路后到通路被斷開前，用戶獨(dú)占通路的帶寬，線路利用率低；（3）.數(shù)據(jù)能保證按序傳輸；（4）.不適合于計(jì)算機(jī)通信；（5）.信息傳輸延時(shí)小，傳輸效率高；（6）.不夠靈活。4.2電路交換3.電路交換舉例A和B通話經(jīng)過四個(gè)交換機(jī)通話在A到B的連接上進(jìn)行((((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA4.2電路交換3.電路交換舉例C和D通話只經(jīng)過一個(gè)本地交換機(jī)通話在C到D的連接上進(jìn)行((D((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BCA4.2電路交換4.3報(bào)文交換1.報(bào)文交換的概念：報(bào)文交換是指以報(bào)文為單位進(jìn)行存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)（Store—Forward）的交換方式；發(fā)送方把待傳送的信息分為多個(gè)報(bào)文正文，在報(bào)文正文上附加發(fā)送方和接收方地址信息以及一些控制信息，形成一份完整的報(bào)文。然后，以報(bào)文為單位在交換網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)間傳送。當(dāng)用戶的報(bào)文到達(dá)交換機(jī)時(shí),先對報(bào)文緩存和必要的處理，當(dāng)所需要的輸出電路有空閑時(shí),再將該報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出去直到目的結(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)將收到的各份報(bào)文按原來的順序進(jìn)行組合，然后將完整的信息交付給接收端計(jì)算機(jī)或終端。4.3報(bào)文交換2.報(bào)文交換的原理：一份報(bào)文應(yīng)包括3個(gè)部分:(1)報(bào)頭或標(biāo)題。它包括發(fā)信站地址、終點(diǎn)收倍地址和其他輔助控制信息等。(2)報(bào)文正文。傳輸用戶信息。(3)報(bào)尾。表示報(bào)文的結(jié)束標(biāo)志,若報(bào)文長度有規(guī)定,則可省去此標(biāo)志。

3.報(bào)文交換特點(diǎn)：①與電路交換相比，源站和目標(biāo)站在通信時(shí)不需建立一條專用通路，故沒有建立線路和拆除線路所需的等待和延時(shí)；②線路利用率高，與電路交換相比，線路的利用率大大提高了。由于節(jié)點(diǎn)間可根據(jù)鏈路情況選擇不同的速度傳輸，因此能高效傳輸數(shù)據(jù)。③數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)中，都可以進(jìn)行差錯(cuò)控制，即檢鍺、糾錯(cuò)。4.3報(bào)文交換3.報(bào)文交換特點(diǎn)：④報(bào)文交換需要對完整報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，因此節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)／轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延較大并且報(bào)文交換對報(bào)文長度沒有限制，故報(bào)文可以很長，這樣就有可能使報(bào)文長時(shí)間占用某兩節(jié)點(diǎn)之間的鏈路，不利于實(shí)時(shí)交互通信，且需要節(jié)點(diǎn)具備足夠的報(bào)文數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，以及高速的數(shù)據(jù)處理能力。

4.3報(bào)文交換4.4分組交換1.分組交換的概念：分組交換是吸取報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn),而仍然采用“存儲(chǔ)一轉(zhuǎn)發(fā)”的方式,但不像報(bào)文交換那樣以報(bào)文為單位交換,而是把報(bào)文截成若干比較短的、規(guī)格化了的“分組”〈或稱包)進(jìn)行交換和傳輸。報(bào)文1101000110101010110101011100010011010010假定這個(gè)報(bào)文較長不便于傳輸2.分組的構(gòu)成：每一個(gè)數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文首部首部首部分組

1分組

2分組

3請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”4.4分組交換3.分組交換的傳輸單元：分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

34.4分組交換4.分組首部的重要性：每一個(gè)分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)交換機(jī)。用這樣的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能到達(dá)最終目的地。4.4分組交換4.接收端分組的處理：接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報(bào)文。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3收到的數(shù)據(jù)4.4分組交換數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)5.在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為原來的報(bào)文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯(cuò)，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)也沒有被丟棄。報(bào)文11010001101010101101010111000100110100104.4分組交換6.分組交換網(wǎng)的示意圖4.4分組交換7.分組在分組交換網(wǎng)中的傳輸方式有兩種：·數(shù)據(jù)報(bào)方式·虛電路方式（1）數(shù)據(jù)報(bào)方式數(shù)據(jù)報(bào)方式類似于報(bào)文交換方式，只不過把報(bào)文分成若干個(gè)分組，分組長度由網(wǎng)絡(luò)決定。在傳輸過程中將每個(gè)分組單獨(dú)當(dāng)作一份報(bào)一樣對待，交換機(jī)為每一個(gè)數(shù)據(jù)分組獨(dú)立地尋找路徑，每一個(gè)分組獨(dú)立地進(jìn)行處理。由于網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)對每個(gè)分組可能選擇不同的路由，同一終端送出的不同分組可以沿著不同的路徑到達(dá)終點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)終點(diǎn)，分組的順序可能不同于發(fā)端，這就要求目的終端必須重新排序。在這種技術(shù)中，獨(dú)立處理的每個(gè)分組稱為“數(shù)據(jù)報(bào)”。由于這種方式不需要事先建立一個(gè)連接線路，因此，數(shù)據(jù)報(bào)方式屬于無連接方式。4.4分組交換注意分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A互聯(lián)網(wǎng)BDECH3H5H6H4H2H1

向

H5

發(fā)送分組路由器主機(jī)1在路由器E暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達(dá)目的主機(jī)

H5在路由器C暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在路由器A暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口（2）數(shù)據(jù)報(bào)方式的特點(diǎn)①用戶之間的通信不需要經(jīng)歷呼叫建立和呼叫清除階段，對于數(shù)據(jù)量小的通信，傳輸效率比較高。②數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延大（與虛電路方式比），且離散度大（即同一終端的不同分組的傳輸時(shí)延差別較大）。③同一終端送出的若干分組到達(dá)終端的順序可能不同于發(fā)端，需重新排序。④對網(wǎng)絡(luò)擁塞或故障的適應(yīng)能力較強(qiáng)，一旦某個(gè)經(jīng)由的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或網(wǎng)絡(luò)的一部分形成擁塞，數(shù)據(jù)分組可以另外選擇傳輸路徑。4.4分組交換（3）虛電路方式概念：虛電路方式是兩個(gè)用戶終端設(shè)備在開始互相傳輸數(shù)據(jù)之前必須通過網(wǎng)絡(luò)建立一條邏輯上的連接（稱為虛電路），一旦這種連接建立以后，用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)（以分組為單位）將通過該路徑按順序通過網(wǎng)絡(luò)傳送到達(dá)終點(diǎn)。當(dāng)通信完成之后用戶發(fā)出拆鏈請求，網(wǎng)絡(luò)清除連接。在虛電路方式中,在發(fā)送任何分組之前,需先建立一條邏輯連接(虛電路,VC,Virtualcircuit),即在發(fā)送終端和目的終端之間的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上事先選定一條網(wǎng)絡(luò)路由,然后兩終端便可以在這條邏輯連接(虛電路)上傳輸和交換數(shù)據(jù)。在虛電路上傳輸?shù)姆纸M,除包含數(shù)據(jù)之外還得包含一個(gè)虛電路標(biāo)識(shí)符。4.4分組交換4.4分組交換在虛電路方式中,數(shù)據(jù)傳輸過程與電路交換方式類似,也是分成三個(gè)階段:建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和拆除連接。a.建立連接源端在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前,首先使用建立連接請求建立一條邏輯連接,網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)將根據(jù)該請求在源端和目的端之間預(yù)先選擇一條傳輸路徑。由于該路徑上的各段線路是共享而非獨(dú)占的,因此這種邏輯連接稱為虛電路。b.數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)虛電路建立起來后,源端和目的端之間便可以在這條虛電路上交換數(shù)據(jù),并且每個(gè)數(shù)據(jù)分組中都必須包含一個(gè)虛電路標(biāo)識(shí)符,用于標(biāo)識(shí)這個(gè)虛電路。由于虛電路的傳輸路徑是預(yù)先選擇好的,因此,每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)只要根據(jù)虛電路標(biāo)識(shí)符就能查找到相應(yīng)的路徑來傳輸這些數(shù)據(jù)分組,而無須重新選擇路由。C.拆除連接當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后,其中的任一個(gè)端點(diǎn)都可以發(fā)出拆除連接請求分組,終止這個(gè)虛電路。虛電路方式是一種面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方式,不像電路交換那樣需要一條專用的通道而是在交換時(shí)建立一條邏輯通道。另一方面,虛電路方式也不像數(shù)據(jù)報(bào)方式那樣,需要為每個(gè)分組選擇路由,只是在建立虛電路時(shí)選擇一次路由。因此,虛電路的報(bào)文分組不必帶目的地址、源地址等附加信息。根據(jù)虛電路的建立方式,可以將虛電路分為永久虛電路(PVC)和交換虛電路(SVC)。4.4分組交換虛電路服務(wù)與數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的對比對比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)思路可靠通信應(yīng)當(dāng)由網(wǎng)絡(luò)來保證可靠通信應(yīng)當(dāng)由用戶主機(jī)來保證連接的建立必須有不需要終點(diǎn)地址僅在連接建立階段使用，每個(gè)分組使用短的虛電路號(hào)每個(gè)分組都有終點(diǎn)的完整地址分組的轉(zhuǎn)發(fā)屬于同一條虛電路的分組均按照同一路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)每個(gè)分組獨(dú)立選擇路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)結(jié)點(diǎn)出故障時(shí)所有通過出故障的結(jié)點(diǎn)的虛電路均不能工作出故障的結(jié)點(diǎn)可能會(huì)丟失分組，一些路由可能會(huì)發(fā)生變化分組的順序總是按發(fā)送順序到達(dá)終點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)不一定按發(fā)送順序端到端的差錯(cuò)處理和流量控制可以由網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)，也可以由用戶主機(jī)負(fù)責(zé)由用戶主機(jī)負(fù)責(zé)8.分組交換的優(yōu)缺點(diǎn)a.分組交換的優(yōu)點(diǎn)傳輸質(zhì)量高;可靠性高;經(jīng)濟(jì)性好;為不同種類的終端相互通信提供方便;能滿足通信實(shí)時(shí)性要求;可實(shí)現(xiàn)分組多路通信。b.分組交換的缺點(diǎn)由于傳輸分組時(shí)需要交換機(jī)有一定的開銷，使網(wǎng)絡(luò)附加的傳輸信息較多，對長報(bào)文通信的傳輸效率比較低；要求交換機(jī)有較高的處理能力。4.4分組交換4.5三種交換的比較

數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報(bào)文報(bào)文報(bào)文t報(bào)文P2P1ABCDABCDABCD報(bào)文交換電路交換分組交換連接建立數(shù)據(jù)傳送連接釋放比特流直達(dá)終點(diǎn)報(bào)文報(bào)文報(bào)文分組分組分組存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)4.6幀中繼1.幀中繼的概念及發(fā)展幀中繼的條件:幀中繼是一種快速分組交換技術(shù)。幀中繼是在開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型第二層,即數(shù)據(jù)鏈路層上使用簡化的方式傳送和交換數(shù)據(jù)單元的一種方式。幀中繼不執(zhí)行差控和流量控制，簡化了幀的處理，可縮短延時(shí)。2.幀中繼的提出基于以下幾個(gè)原因:(1〉光纖信道已被大量使用。光纖傳輸線路具有容量大,質(zhì)量高(2)用戶終端的智能化。(3)用戶及用戶傳送信息的劇增。4.6幀中繼3.幀中繼簡介：幀中繼不提供糾錯(cuò)機(jī)制.幀中繼節(jié)點(diǎn)在檢測到錯(cuò)誤時(shí)只是丟棄數(shù)據(jù)包，而不發(fā)出任何通知。幀中繼在單個(gè)物理電路上提供多個(gè)邏輯連接，允許網(wǎng)絡(luò)通過這些連接將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地。4.幀中繼的工作原理(1).幀中繼的幀格式：幀中繼接受網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（例如IP）發(fā)來的數(shù)據(jù)包。隨后，幀中繼在數(shù)據(jù)包中封裝地址字段，地址字段包含DLCI和校驗(yàn)。4.6幀中繼(1).幀中繼的幀格式：F:是數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志字段，其長度1byte，為01111110；I:是信息字段，可變長度，最長為4096byte，既可以是用戶數(shù)據(jù)也可以是各種控制規(guī)程；FCS:校驗(yàn)字段，檢查鏈路上的錯(cuò)誤，終端利用它可以進(jìn)行糾錯(cuò)，共2byte；4.6幀中繼DLCI:表示DTE設(shè)備和交換機(jī)之間的虛連接，復(fù)用到物理信道中的每個(gè)虛連接都有唯一的DLCI標(biāo)識(shí)。DLCI具有本地意義，連接兩端的設(shè)備可以使用不同的DLCI標(biāo)識(shí)同一條虛連接C/R:當(dāng)前沒有具體定義。擴(kuò)展地址（EA）:EA=0,表示下一字節(jié)仍為地址，EA=1表示地址段結(jié)束。FECN:向前顯示擁塞通知，將某個(gè)幀放到擁塞鏈路時(shí)，交換機(jī)設(shè)置FECN，屬于間接通知。BECN:向后顯示擁塞通知。交換機(jī)從某條擁塞鏈路收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，設(shè)置BECN，屬于直接通知。DE:可丟棄標(biāo)識(shí)。當(dāng)DE=1,表示當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，為了維持網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平，該數(shù)據(jù)幀比DE=0的數(shù)據(jù)幀相比應(yīng)先丟棄。4.6幀中繼(2).幀中繼的工作原理幀中繼基本工作原理是:節(jié)點(diǎn)交換機(jī)收到幀的目的地址后立即轉(zhuǎn)發(fā),無須等待收到整個(gè)幀并做相應(yīng)處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。如果幀在傳輸過程中出現(xiàn)差錯(cuò),當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到差錯(cuò)時(shí),可能該幀的大部分已被轉(zhuǎn)發(fā)到了下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。解決這個(gè)問題的辦法是:當(dāng)檢測到