第05章_數據交換技術

1、 經編碼后的數據在信源和信宿之間進行傳輸的最理想的方式是在兩個互連的站點之間直接建立傳輸信道并進行數據通信。但實際上，在大范圍的網絡環(huán)境中直接連接兩個設備往往是不現實的，也是不可取的，而常常是通過網絡的中間節(jié)點把數據從源站點發(fā)送到目的站點，實現數據通信。這些中間節(jié)點并不關心數據內容，而是提供一個交換設備，使數據從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點，直至到達目的地為止。 數據經編碼后在通信信道上進行傳輸，按數據傳送技術劃分，交換網絡完成數據交換的方法有三種：“電路交換電路交換”、“報文交換報文交換”和“分組交換分組交換”。 電路交換電路交換(Circuit Switching)是指數據傳輸期間，在源站點與目

2、的站點之間建立專用電路鏈接，數據傳輸結束之前，電路一直被占用，而不能被其他節(jié)點所使用。用電路交換技術完成的數據傳輸要經歷以下三個階段。1. 電路的建立電路的建立 圖5.1為一個交換網絡的拓撲結構，圖中“”表示要求通信的設備，稱為網站或端系統(tǒng)，一般是計算機或終端。 “”表示為提供通信交換功能的節(jié)點設備。 在傳輸數據之前，源端先經過呼叫過程以建立一條端到端(站到站)的電路。例如在圖5.1中，信源H1站發(fā)送一個連接請求(信令)到節(jié)點A，請求與H5站建立一個連接。通常的做法是從H1站到節(jié)點A的電路是一條專用線路，這部分的物理連接已經存在。節(jié)點A必須在通向節(jié)點E的路徑中找到下一個路由。根據路徑選擇規(guī)程，

3、節(jié)點A選擇到節(jié)點B的電路，在此電路上分配一個未用的通道(可使用復用技術)，并告訴B它要連接E節(jié)點；B再呼叫E，并建立電路BE；節(jié)點E完成到H5站的連接。這樣在A與E之間就有了 一條專用電路ABE，用于H1站與H5站之間的數據傳輸。2. 數據傳輸數據傳輸 電路ABE建立以后，數據就可以從A送到B，再由B傳送到E，也可以從E發(fā)送數據通過B到A。這種數據傳輸經過每個中間節(jié)點時幾乎沒有延遲，并且沒有阻塞的問題(因為是專用線路)，在整個數據傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態(tài)，除非有意外的線路或節(jié)點故障而使電路中斷。3. 電路拆除電路拆除 數據傳輸結束后，由通信的某一方發(fā)出拆除電路請求(信令)，

4、對方作出響應并釋放鏈路。被拆除的信道空閑后，可被其他連接請求所使用。 電路交換的優(yōu)點優(yōu)點是：數據傳輸可靠、迅速，數據不會丟失且保持原來的序列。 電路交換的缺點缺點是：電路接續(xù)時間長；通信雙方占有一條信道后，即使不傳送數據其他用戶也不能使用，造成信道容量的浪費，而且當數據傳輸階段的持續(xù)時間很短暫時，電路建立和拆除所用的時間也得不償失；當用戶終端或網絡節(jié)點負荷過重時，可能出現呼叫不通的情況，即不能建立電路連接。 電路交換適用場合適用場合：數據傳輸要求質量高且批量大的情況。在數據傳送開始之前必須先建立一條專用的電路，在線路釋放之前，該通路由一對用戶完全占用。對于猝發(fā)式的通信，電路交換效率不高，電路交

5、換的典型例子是電話通信網絡。圖5.2 報文交換示意圖5.2.1 報文交換報文交換報文交換報文交換(Message Switching)方式(見圖5.2)不需在兩個站點之間建立一條專用電路，數據傳輸單位是報文，所謂“報文報文”就是站點一次性要發(fā)送的數據塊，其長度不限并且可變。傳送過程采用存儲轉發(fā)方式存儲轉發(fā)方式。當一個站要發(fā)送報文時，它將一個目的地址附加到報文上，途經的網絡節(jié)點根據報文上的目的地址信息，把報文發(fā)送到下一個節(jié)點，一直逐個節(jié)點地轉送到目的節(jié)點。每個節(jié)點在收到整個報文并檢查無誤后，就暫存這個報文，然后利用路由信息找出下一個節(jié)點的地址，再把整個報文傳送給下一個節(jié)點。在同一時間內，報文的傳

6、輸只占用兩個節(jié)點之間的一段線路。而在兩個通信用戶間的其他線路段，可傳輸其他用戶的報文，不像電路交換那樣必須端到端信道全部占用。 報文交換節(jié)點報文交換節(jié)點通常是一臺小型計算機，它具有足夠的存儲容量來緩沖收到的報文。1. 報文交換的特點報文交換的特點(1) 報文從源站點傳送到目的站點采用“存儲轉發(fā)”方式，在傳送報文時，一個時刻僅占用一段通道。(2) 在交換節(jié)點中需要緩沖存儲，報文需要排隊，故報文交換不能滿足實時通信的要求。2. 報文交換的優(yōu)、缺點報文交換的優(yōu)、缺點優(yōu)點：優(yōu)點：(1) 電路利用率高。由于許多報文可以分時共享兩個節(jié)點之間的電路，所以對于同樣的通信量來說，對電路的傳輸能力要求較低。(2)

7、 在電路交換網絡上，當通信量變得很大時，就不能接受新的呼叫。而在報文交換網絡上，通信量大時仍然可以接收報文，不過傳送延遲會增加。(3) 報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地，而電路交換網絡很難做到這一點。(4) 報文交換網絡可以進行速度和代碼的轉換。缺點：缺點：(1) 不能滿足實時或交互式的通信要求，報文經過網絡的延遲時間長而且不定。(2) 有時節(jié)點收到過多的數據而無空間存儲或不能及時轉發(fā)時，就不得不丟棄報文。5.2.2 分組交換分組交換 分組交換分組交換(Packet Switching)是報文分組交換的簡稱，又稱包交換包交換。它是報文交換的一種改進改進，它將報文分成若干個分組，每個分

8、組的長度有一個上限，有限長度的分組使得每個節(jié)點所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內存中，提高了交換速度。每個分組中包括數據和目的地址。其傳輸過程在表面上看與報文交換類似，但由于限制了每個分組的長度，因此大大地改善了網絡傳輸性能。分組交換有虛電路分組交換虛電路分組交換和數據報分組交數據報分組交換換兩種。它是計算機網絡中使用最廣泛的一種交換技術。 分組交換與報文變換最大的不同點不同點是：(1) 把數據傳送單位的最大長度限制在較小的范圍內，這樣每個節(jié)點所需要的存儲量低了。(2) 分組是較小的傳輸單位，只有出錯的分組才會被重發(fā)，因此大大降低了重發(fā)的比例和開銷，提高了交換速度。源節(jié)點發(fā)出一個報文的第一

9、個分組后，可以連續(xù)發(fā)出第二個、第三個分組，而第一個分組可能還在半路中，這些分組在各個節(jié)點中被同時接收、處理和發(fā)送，而且可走不同的路徑。這種并行性縮短了整體傳輸時間，并隨時利用網絡中流量分布的變化而確定盡可能快的路徑。分組交換適用于交互式通信，如終端與主機通信。5.2.2.1 虛電路方式虛電路方式 虛電路方式又分為兩種：呼叫虛電路呼叫虛電路和永久虛電路永久虛電路。 呼叫虛電路呼叫虛電路方式也要經歷以下三個過程。1. 建立虛電路建立虛電路 網絡的源節(jié)點和目的節(jié)點之間要事先建立一條邏輯通路。在圖5.3中，假設H1站有一個或多個分組要發(fā)送到H3站去，那么它首先要發(fā)送一個呼叫請求分組到節(jié)點A請求建立一條

10、到節(jié)點B的連接。節(jié)點A確定到節(jié)點B的路徑，節(jié)點B再確定到節(jié)點C的路徑，節(jié)點C最終把呼叫請求分組傳送到H3站，如果H3站準備接收這個連接，就發(fā)送一個呼叫接收分組到節(jié)點C，這個分組通過節(jié)點B和A返回到H1站。則在Hl站與H3建立了一條邏輯通路。圖5.3 虛電路分組交換示意圖2. 交換數據交換數據 在邏輯通路建立后，即可在虛電路上交換數據。每個分組除了包含數據之外還得包含一個虛電路標識符(虛電路號)。根據預先建立好的路徑，路徑上的每個節(jié)點都知道把這些分組傳送到哪里去，不再需要路由選擇判斷。3. 拆除虛電路拆除虛電路 當數據交換結束后，其中任意一個站均可發(fā)送拆除虛電路的請求來結束這次連接。一個站能和任

11、何一個站建立多個虛電路，也能與多個站建立虛電路。這種傳輸數據的邏輯通路所以是“虛虛”的，是因為這條電路不是專用的而是時分復用的時分復用的。每條虛電路支持特定的兩個端點之間的數據傳輸，兩個端點之間也可以有多條虛電路為不同的通信進程服務，這些虛電路的實際路由可能相同，也可能不同。 呼叫虛電路技術的主要特點特點是：在數據傳送之前先建立站與站之間的一條路徑。需注意的是，虛電路不像電路交換那樣有一條專用通路。分組在每個節(jié)點上仍然需要緩沖，并在輸出線路上排隊等待輸出。 永久虛電路：通信雙方虛電路路由信息事先存儲在各交換節(jié)點的路由表中，通信的雙方永遠在線，數據傳輸前不必再有建立連接階段，當然事后也不存在釋放

12、連接的問題。 永久虛電路方式適合于有大量數據傳輸的用戶，每次通信可省去了呼叫建立連接過程。5.2.2.2 數據報方式數據報方式 在數據報數據報(Datagram)方式中，每個分組的傳送是被單獨處理的，就像報文交換中的報文一樣也是獨立處理的。每個分組被稱為一個數據報，每個數據報自身攜帶足夠的地址信息。一個節(jié)點接收到一個數據報后，根據數據報中的地址信息和節(jié)點所存儲的路由信息，找出一個合適的出路，把數據報發(fā)送到下一個節(jié)點。因此，當某一個站點要發(fā)送一個報文時，先把報文拆成若干個帶有分組序號和地址信息的數據報，依次發(fā)送到網絡節(jié)點。各個數據報所走的路徑可能不同，各個節(jié)點可以隨時根據網絡流量、故障等情況動態(tài)

13、選擇路由，從而各個數據報的到達不保證是按順序的，甚至有的數據報會丟失。在整個過程中，沒有虛電路建立，中間節(jié)點要為每個數據報作路由選擇。 以圖5.4為例，H1站有由三個分組組成的報文發(fā)向H4工作站，它首先將各分組發(fā)向節(jié)點A并存入緩存器中，之后選定空閑的路徑向目的站傳送。假如分組P1、P2選定了節(jié)點B，而分組P3選定了節(jié)點F，在分組每經過一個節(jié)點時，都按“存儲選徑轉發(fā)”的方式發(fā)送，直至將各分組傳送至H4工作站。由于各個分組所經的路徑不同，再加上各分組在各節(jié)點上排隊等待時間的不同，從而導致各個分組到達節(jié)點D的時刻可能不同，為此節(jié)點D只能在收齊后才能將分組P1、P2、P3重新組裝成同發(fā)送端相同的完整的

14、報文，隨后送工作站H4，至此一次報文傳輸完畢。在這種交換方式中，每個分組在各個節(jié)點再向前傳輸時均需經過路由選擇；另外，在發(fā)送端要將整個報文分割成報文分組，而且在按收端要重新組裝。圖5.4 數據報分組交換示意圖虛電路方式與數據報方式相比，其不同點在于：(1) 虛電路方式是面向連接面向連接的交換方式，常用于兩端點之間數據交換量大的情況，能提供可靠的通信功能，保證每個分組正確到達，且保持原來的順序。但虛電路方式有一個弱點，當某個節(jié)點或某條鏈路出故障而徹底失效時，則所有經過故障點的虛電路將立即破壞，導致本次通信失敗。(2) 數據報方式是面向無連接面向無連接的交換方式，適用于交互式會話中每次傳送的數據報很短的情況。該方式省略了呼叫建立過程，因此當要傳輸的分組較少時，這種方式要比虛電路方式快速、靈活。而且分組可以繞開故障區(qū)而到達目的地，因此故障的影響面要比虛電路方式小得多。但數據報方式不保證分組按序到達。 圖5.5所示為幾種交換技術在4個節(jié)點情況下進行通信的時序圖。傳輸過程是有延時的，而且傳輸報文或分組的實際時間和節(jié)點數目多少、節(jié)點的處理速度、線路傳輸速率、傳輸質量、節(jié)