第8章-交換技術(shù)

第八章交換技術(shù)

Chapter8SwitchingTechniquesComputerNetworks

2/2/20231莆田學(xué)院網(wǎng)絡(luò)教研室中心本章主要內(nèi)容

What’saboutThisChapter？

本章學(xué)習(xí)常用的交換通信技術(shù)。本章研究：什么是“交換網(wǎng)絡(luò)”三種重要的交換網(wǎng)絡(luò)電路交換網(wǎng)報(bào)文交換網(wǎng)分組交換網(wǎng)2/2/20232網(wǎng)絡(luò)通信：連接問題

NetworkCommunications:Connection本章開始由數(shù)據(jù)通信（兩臺設(shè)備之間）進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通信（N臺設(shè)備之間）。網(wǎng)絡(luò)連接方案點(diǎn)對點(diǎn)連接–

造價(jià)高，利用率低網(wǎng)狀：每對設(shè)備之間建立點(diǎn)對點(diǎn)連接星形：通過中心設(shè)備建立點(diǎn)對點(diǎn)連接多點(diǎn)連接–

廣播沖突，介質(zhì)和設(shè)備容量限制總線形：將所有設(shè)備接在一條“總線”上

交換連接–適用在廣域網(wǎng)中使用由互連節(jié)點(diǎn)在通信設(shè)備（端系統(tǒng)）構(gòu)建臨時(shí)連接2/2/20233交換網(wǎng)絡(luò)

SwitchednetworksP138圖8.12/2/20234交換式網(wǎng)絡(luò)

SwitchingNetworks遠(yuǎn)程傳輸通常是通過由中間交換節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)交換機(jī)之間為點(diǎn)到點(diǎn)連接。交換節(jié)點(diǎn)(node)并不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容。各種終端設(shè)備被稱為“站點(diǎn)”(station)。這些站點(diǎn)可能是計(jì)算機(jī)、終端、電話機(jī)等。所有交換節(jié)點(diǎn)及其連接的集合稱為“通信網(wǎng)絡(luò)”。數(shù)據(jù)通過一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)交換處理而被“路由”(從哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)節(jié)點(diǎn))。2/2/20235簡單的交換網(wǎng)絡(luò)

SimpleSwitchingNetwork2/2/20236交換技術(shù)的基本要求

BasicRequest滿足各種不同速率數(shù)據(jù)通信的需求交換速度快傳輸準(zhǔn)確性高網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要小滿足用戶各種數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的需要2/2/20237交換網(wǎng)絡(luò)類型

SwitchingNetworksP138圖8.22/2/202388.1電路交換網(wǎng)絡(luò)

Circuit-switchedNetworks2/2/20239莆田學(xué)院網(wǎng)絡(luò)教研室中心一個(gè)普通的電路交換網(wǎng)

ATrivialCircuit-switchedNetworkP139圖8.32/2/202310例8.1電路交換網(wǎng)

Circuit-switchedNetworkusedinExample8.1P140圖8.42/2/202311例8.2電路交換網(wǎng)

Circuit-switchedNetworkusedinExample8.2P140圖8.52/2/202312電路交換網(wǎng)

Circuit-switchingNetworks傳送前需先在兩站點(diǎn)間建立專用“通信通道”。通道由一組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間依次相互連接的鏈路組成。"透明"連接：兩站點(diǎn)間如同直接連接。2/2/202313電路交換

CircuitSwitching通信過程三步驟:建立電路連接(hello)傳送數(shù)據(jù)(talk)取消電路連接(bye)最早為電話通信設(shè)計(jì)電路資源為某一次通話專用數(shù)據(jù)連接時(shí)大部分時(shí)間線路是空閑的固定的數(shù)據(jù)速率通信雙方必須按同一速率傳送2/2/202314電路交換的特點(diǎn)

CharacteristicsofCircuitSwitching①交換設(shè)備簡單（純硬件）。②透明連接，傳輸延遲小（僅為物理信號本身延遲）。③帶寬固定（不適合猝發(fā)性大通信流量），單一速率，無差錯(cuò)控制功能。④只能一對一通信。⑤獨(dú)占線路，信道利用率低（空閑也不能利用）。

數(shù)據(jù)通信時(shí)占用線路時(shí)間一般不超過10%（語音通信最高可達(dá)80%）。⑥要求建立連接2/2/202315電路交換網(wǎng)的延遲

DelayinaCircuit-switchedNetworkP141圖8.62/2/2023168.2數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)

DATAGRAMNETWORKS2/2/202317莆田學(xué)院網(wǎng)絡(luò)教研室中心報(bào)文交換技術(shù)的改進(jìn)（存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)）以“分組”為單位傳輸信息——分組在每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)處被接收、暫存，隨后被傳遞給下一節(jié)點(diǎn)不同于報(bào)文交換：報(bào)文被“分組”后傳送保證任何用戶都不能長時(shí)間獨(dú)占某傳輸線路分組交換網(wǎng)

PacketSwitchingNetworks用戶報(bào)文2/2/202318Packet

分組“分組”(packet)分割的報(bào)文段+控制信息數(shù)據(jù)以較小的信息包(分組)形式傳送通常以1000字節(jié)為一組更長的報(bào)文被分割成一個(gè)分組串每個(gè)分組包括有用戶數(shù)據(jù)(部分或全部的)和附加的控制信息控制信息“路由”(尋址)信息（收發(fā)雙方站點(diǎn)地址）其他有關(guān)信息（協(xié)議版本、差錯(cuò)處理等）2/2/202319分組的使用

TheUseofPackets2/2/202320分組形成示意圖

PacketForming允許同一線路傳送多個(gè)數(shù)據(jù)流傳輸差錯(cuò)糾正能力允許數(shù)據(jù)通過多個(gè)路由器傳送每個(gè)分組都附加了這四條控制信息原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分組分組的形成附加的控制信息發(fā)送方地址（源地址）接收方地址（目標(biāo)地址）序列號校驗(yàn)和2/2/202321分組交換的優(yōu)點(diǎn)：共享信道

PacketSwitching:SharingChannels幾個(gè)數(shù)據(jù)流可以使用同一條線路上2/2/202322分組交換的特點(diǎn)：多路由傳輸

PacketSwitching:MultipleRoutes可以通過多條路徑傳輸數(shù)據(jù)2/2/202323分組交換與電路交換之比較

CircuitSwitchingvsPacketSwitching電路交換必有“連接-傳送-斷連”三步；”透明連接“，延遲最?。ń粨Q節(jié)點(diǎn)處無延遲）；恒定數(shù)據(jù)傳輸率；獨(dú)占信道，線路利用率低而費(fèi)用高。分組交換在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處需存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)；交換機(jī)根據(jù)分組中附加的目標(biāo)地址確定如何轉(zhuǎn)發(fā)；多個(gè)通信過程可共享一個(gè)信道；信息傳送存在隨機(jī)延遲問題：節(jié)點(diǎn)處排隊(duì)長度和時(shí)間不定。2/2/202324發(fā)送站點(diǎn)將長報(bào)文分割成一個(gè)個(gè)小的信息包（分組）分組被逐個(gè)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上傳送分組有兩種方式數(shù)據(jù)報(bào)方式虛電路方式分組交換技術(shù)

PacketSwitchingTechniques

2/2/202325分組交換網(wǎng)絡(luò)主要根據(jù)其內(nèi)部工作原理是數(shù)據(jù)報(bào)還是虛電路進(jìn)行分類。使用數(shù)據(jù)報(bào)(datagram)技術(shù)時(shí)，每個(gè)分組是獨(dú)立傳送的，送往同一個(gè)目的站的分組可能沿著不同路由傳送。使用虛電路(virtualcircuit)技術(shù)時(shí)，兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)間的路由是固定不變的，虛電路上的所有分組都沿同一路由傳送。兩種分組交換方式

TwoApproachesforPacketSwitching“散車”“車隊(duì)”2/2/202326數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)每個(gè)分組相互獨(dú)立每個(gè)分組可以使用任何可用的路線需為每個(gè)分組（需自帶地址）選擇路由分組的到達(dá)可能無序分組在傳送中可能丟失在接收端對分組重新排序并對丟失的分組進(jìn)行補(bǔ)救處理2/2/202327Figure8.7有4個(gè)交換機(jī)（路由器）的數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)

ADatagramNetworkwithFourSwitches(routers)P142圖8.72/2/202328數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)路由表

RoutingTableinaDatagramNetworkP142圖8.8目的地址輸出端口2/2/202329Figure8.9數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)的延遲

DelayinaDatagramNetworkP142圖8.92/2/2023308.3虛電路網(wǎng)絡(luò)

VIRTUAL-CIRCUITNETWORKS2/2/202331莆田學(xué)院網(wǎng)絡(luò)教研室中心分組交換:虛電路方式傳送前要先建立預(yù)定的路由（各節(jié)點(diǎn)虛電路表中記錄虛電路號）通過呼叫建立連接(握手)每個(gè)分組中含有虛電路號而非目標(biāo)地址對使用同一虛電路的所有分組只需做一次路由選擇有序傳送，接收后無需排序清除請求，斷開電路并非獨(dú)享線路(存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而非透明直連2/2/202332虛電路網(wǎng)絡(luò)

Virtual-circuitNetworkP143圖8.102/2/202333虛電路標(biāo)識符

Virtual-circuitIdentifierP144圖8.112/2/202334虛電路網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)和路由表

Switchandtablesinavirtual-circuitnetworkP144圖8.122/2/202335虛電路網(wǎng)絡(luò)源端到目的端的數(shù)據(jù)傳輸

DataTransferinaVirtual-circuitNetworkP145圖8.132/2/202336虛電路網(wǎng)絡(luò)的連接請求

SetupRequestinaVirtual-circuitNetworkP145圖8.142/2/202337虛電路網(wǎng)絡(luò)中建立確認(rèn)

SetupAcknowledgmentinaVirtual-circuitNetworkP146圖8.152/2/202338虛電路網(wǎng)絡(luò)的延遲

DelayinaVirtual-circuitNetworkP147圖8.162/2/202339分組交換技術(shù)：數(shù)據(jù)報(bào)與虛電路比較

DatagramvsVirtualCircuit數(shù)據(jù)報(bào)(datagram)

無需呼叫建立連接階段，所以傳輸少量數(shù)據(jù)時(shí)比虛電路快。分組可繞過故障結(jié)點(diǎn)到達(dá)目的地，但不保證分組能按序到達(dá)，數(shù)據(jù)丟失也不知曉。虛電路（virtualcircuit）傳輸前需先建立連接，所以適用于兩端之間大數(shù)據(jù)量交換。能保證每個(gè)分組按序正確到達(dá)。但構(gòu)成虛電路的某個(gè)結(jié)點(diǎn)或鏈路出故障時(shí)，虛電路完全失效。2/2/202340數(shù)據(jù)報(bào)與虛電路比較

DatagramvsVirtualCircuits數(shù)據(jù)報(bào)技術(shù)無需呼叫建立連接階段傳輸少量數(shù)據(jù)時(shí)比虛電路快傳輸更靈活可通過選擇不同路由避繞網(wǎng)絡(luò)中的擁塞區(qū)域但不保證分組能按序到達(dá)，數(shù)據(jù)丟失也不知曉虛電路技術(shù)傳輸前需先建立連接，所以適用于兩端之間大數(shù)據(jù)量交換。順序傳送，差錯(cuò)控制簡便分組傳送速率更快因?yàn)闊o需花費(fèi)時(shí)間選擇路由可靠性較低構(gòu)成虛電路的某個(gè)結(jié)點(diǎn)或鏈路出故障時(shí)，虛電路完全失效。2/2/2023418.4交換機(jī)結(jié)構(gòu)

StructureofaSwitchingP.1472/2/202342莆田學(xué)院網(wǎng)絡(luò)教研室中心常見交換機(jī)

CommonSwitches電路交換機(jī)空分交換機(jī)時(shí)分交換機(jī)時(shí)間-空間-時(shí)間交換機(jī)分組交換機(jī)“榕樹”(Banyan)交換機(jī)“巴切爾榕樹”(Batcher-banyan)交換機(jī)2/2/202343①空分交換機(jī)

Space-divisionSwitch最初用于模擬網(wǎng)絡(luò)，目前同時(shí)用于模擬和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。信號通道和信號通道之間被物理隔開（空間分隔）?？v橫制交換機(jī)（單級空分交換機(jī)）交叉點(diǎn)：微電子開關(guān)（晶體管）交叉點(diǎn)數(shù)量大，成本高：n×m（n-輸入線數(shù)，m-輸出線數(shù)）實(shí)際所需交叉點(diǎn)：相連站點(diǎn)數(shù)的平方一個(gè)交叉點(diǎn)損壞將使對應(yīng)線路無法連接交叉點(diǎn)利用率低（即使所有連接全部開通，仍有大部分交叉點(diǎn)處于閑置狀態(tài)）2/2/202344縱橫制空分交換機(jī)

CrossbarSwitchP147圖8.172/2/202345多級交換機(jī)

MultistageSwitch將多臺縱橫交換機(jī)按多級（通常為3級）結(jié)構(gòu)組合在一起。特點(diǎn)：減少了交叉點(diǎn)的數(shù)量；提高了可靠性（兩個(gè)站點(diǎn)間的連接在網(wǎng)絡(luò)中具有多條通路）；更加復(fù)雜的控制系統(tǒng)；高通信量時(shí)會(huì)引起阻塞。阻塞解決方案：Clos準(zhǔn)則(見P149)2/2/202346多級交換機(jī)

MultistageSwitchP148圖8.182/2/202347在一個(gè)三級交換系統(tǒng)中，交叉點(diǎn)的數(shù)量是

2kN+k(N/n)2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單級交換系統(tǒng)的交叉點(diǎn)數(shù)量(N2)。式中：N-輸入或輸出數(shù)k-中間級縱橫交換機(jī)個(gè)數(shù)n–將N個(gè)輸入分為組，每組n條輸入線Note三級交換的交叉點(diǎn)數(shù)

NumberofCrosspoints示例：P148例8.32/2/202348三級交換機(jī)：阻塞示例

MultistageSwitch:Blocking2/2/202349②時(shí)分交換機(jī)

Time-divisionSwitch采用時(shí)分復(fù)用（TDM）在交換機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)交換。最常用的是時(shí)隙互換（TSI，time-slotinterchange）技術(shù)。缺點(diǎn)是使用時(shí)隙互換時(shí)，對每個(gè)連接的處理會(huì)產(chǎn)生延遲（每個(gè)時(shí)隙必須存儲(chǔ)在隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中，然后被檢索和傳送）。事實(shí)上，所有的現(xiàn)代電路交換機(jī)都使用數(shù)字時(shí)分技術(shù)。2/2/202350時(shí)隙互換

Time-slotInterchangeP150圖8.192/2/202351③時(shí)間-空間-時(shí)間交換機(jī)

Time-space-timeswitchP150圖8.202/2/202352分組交換機(jī)的組成

PacketSwitchComponents四個(gè)組成部分：參見P151圖8.21

輸入端口，輸出端口，路由處理器和交換結(jié)構(gòu)。2