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行數(shù)據(jù)傳輸；2.將各個用戶終端通過一個由多個節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)連接起來，由中間網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)從源點轉(zhuǎn)發(fā)到目的點，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這個中間網(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轉(zhuǎn)發(fā)交換方式兩大類，存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式中又可分為報文交換和分組交換兩種方式。

4.2電路交換兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。

5部電話機兩兩相連，需10對電線。N部電話機兩兩相連，需N(N–1)/2對電線。當電話機的數(shù)量很大時，這種連接方法需要的電線對的數(shù)量與電話機數(shù)的平方成正比。

當電話機的數(shù)量增多時，就要使用交換機來完成全網(wǎng)的交換任務(wù)。

…

交換機

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計算機或終端在相互通信之前，需預(yù)先建立起一條實際的物理鏈路，在通信中自始至終使用該條鏈路進行數(shù)據(jù)信息傳輸，并且不允許其他計算機或終端同時共享該鏈路，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：（1）.電路交換的三個階段：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）.不適合于計算機通信；（5）.信息傳輸延時小，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)過四個交換機通話在A到B的連接上進行((((交換機交換機交換機交換機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)過一個本地交換機通話在C到D的連接上進行((D((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BCA4.2電路交換4.3報文交換1.報文交換的概念：報文交換是指以報文為單位進行存儲與轉(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報文正文，在報文正文上附加發(fā)送方和接收方地址信息以及一些控制信息，形成一份完整的報文。然后，以報文為單位在交換網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點間傳送。當用戶的報文到達交換機時,先對報文緩存和必要的處理，當所需要的輸出電路有空閑時,再將該報文轉(zhuǎn)發(fā)出去直到目的結(jié)點。目的節(jié)點將收到的各份報文按原來的順序進行組合，然后將完整的信息交付給接收端計算機或終端。4.3報文交換2.報文交換的原理：一份報文應(yīng)包括3個部分:(1)報頭或標題。它包括發(fā)信站地址、終點收倍地址和其他輔助控制信息等。(2)報文正文。傳輸用戶信息。(3)報尾。表示報文的結(jié)束標志,若報文長度有規(guī)定,則可省去此標志。

3.報文交換特點：①與電路交換相比，源站和目標站在通信時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；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?，每個節(jié)點在存儲轉(zhuǎn)發(fā)中，都可以進行差錯控制，即檢鍺、糾錯。4.3報文交換3.報文交換特點：④報文交換需要對完整報文進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，因此節(jié)點存儲／轉(zhuǎn)發(fā)的時延較大并且報文交換對報文長度沒有限制，故報文可以很長，這樣就有可能使報文長時間占用某兩節(jié)點之間的鏈路，不利于實時交互通信，且需要節(jié)點具備足夠的報文數(shù)據(jù)存儲能力，以及高速的數(shù)據(jù)處理能力。

4.3報文交換4.4分組交換1.分組交換的概念：分組交換是吸取報文交換的優(yōu)點,而仍然采用“存儲一轉(zhuǎn)發(fā)”的方式,但不像報文交換那樣以報文為單位交換,而是把報文截成若干比較短的、規(guī)格化了的“分組”〈或稱包)進行交換和傳輸。報文1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸2.分組的構(gòu)成：每一個數(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)點交換機根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個結(jié)點交換機。用這樣的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。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)成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉(zhuǎn)發(fā)時也沒有被丟棄。報文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)報方式·虛電路方式（1）數(shù)據(jù)報方式數(shù)據(jù)報方式類似于報文交換方式，只不過把報文分成若干個分組，分組長度由網(wǎng)絡(luò)決定。在傳輸過程中將每個分組單獨當作一份報一樣對待，交換機為每一個數(shù)據(jù)分組獨立地尋找路徑，每一個分組獨立地進行處理。由于網(wǎng)絡(luò)中交換機對每個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終點。在網(wǎng)絡(luò)終點，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，獨立處理的每個分組稱為“數(shù)據(jù)報”。由于這種方式不需要事先建立一個連接線路，因此，數(shù)據(jù)報方式屬于無連接方式。4.4分組交換注意分組的存儲轉(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)的端口最后到達目的主機

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)報方式的特點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延差別較大）。③同一終端送出的若干分組到達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，一旦某個經(jīng)由的節(jié)點出現(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)傳送到達終點。當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節(jié)點上事先選定一條網(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)之外還得包含一個虛電路標識符。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占的,因此這種邏輯連接稱為虛電路。b.數(shù)據(jù)傳輸當虛電路建立起來后,源端和目的端之間便可以在這條虛電路上交換數(shù)據(jù),并且每個數(shù)據(jù)分組中都必須包含一個虛電路標識符,用于標識這個虛電路。由于虛電路的傳輸路徑是預(yù)先選擇好的,因此,每個中間節(jié)點只要根據(jù)虛電路標識符就能查找到相應(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.拆除連接當數(shù)據(jù)傳輸完畢后,其中的任一個端點都可以發(fā)出拆除連接請求分組,終止這個虛電路。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)報方式那樣,需要為每個分組選擇路由,只是在建立虛電路時選擇一次路由。因此,虛電路的報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)報服務(wù)的對比對比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報服務(wù)思路可靠通信應(yīng)當由網(wǎng)絡(luò)來保證可靠通信應(yīng)當由用戶主機來保證連接的建立必須有不需要終點地址僅在連接建立階段使用，每個分組使用短的虛電路號每個分組都有終點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行轉(zhuǎn)發(fā)每個分組獨立選擇路由進行轉(zhuǎn)發(fā)當結(jié)點出故障時所有通過出故障的結(jié)點的虛電路均不能工作出故障的結(jié)點可能會丟失分組，一些路由可能會發(fā)生變化分組的順序總是按發(fā)送順序到達終點到達終點時不一定按發(fā)送順序端到端的差錯處理和流量控制可以由網(wǎng)絡(luò)負責，也可以由用戶主機負責由用戶主機負責8.分組交換的優(yōu)缺點a.分組交換的優(yōu)點傳輸質(zhì)量高;可靠性高;經(jīng)濟性好;為不同種類的終端相互通信提供方便;能滿足通信實時性要求;可實現(xiàn)分組多路通信。b.分組交換的缺點由于傳輸分組時需要交換機有一定的開銷，使網(wǎng)絡(luò)附加的傳輸信息較多，對長報文通信的傳輸效率比較低；要求交換機有較高的處理能力。4.4分組交換4.5三種交換的比較

數(shù)據(jù)傳送的特點P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文t報文P2P1ABCDABCDABCD報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終點報文報文報文分組分組分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(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。2.幀中繼的提出基于以下幾個原因:(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：幀中繼不提供糾錯機制.幀中繼節(jié)點在檢測到錯誤時只是丟棄數(shù)據(jù)包，而不發(fā)出任何通知。幀中繼在單個物理電路上提供多個邏輯連接，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。4.6幀中繼(1).幀中繼的幀格式：F:是數(shù)據(jù)幀的標志字段，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:校驗字段，檢查鏈路上的錯誤，終端利用它可以進行糾錯，共2byte；4.6幀中繼DLCI:表示DTE設(shè)備和交換機之間的虛連接，復(fù)用到物理信道中的每個虛連接都有唯一的DLCI標識。DLCI具有本地意義，連接兩端的設(shè)備可以使用不同的DLCI標識同一條虛連接C/R:當前沒有具體定義。擴展地址（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，將某個幀放到擁塞鏈路時，交換機設(shè)置FECN，屬于間接通知。BECN:向后顯示擁塞通知。交換機從某條擁塞鏈路收到數(shù)據(jù)幀時，設(shè)置BECN，屬于直接通知。DE:可丟棄標識。當DE=1,表示當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，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)點交換機收到幀的目的地址后立即轉(zhuǎn)發(fā),無須等待收到整個幀并做相應(yīng)處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。如果幀在傳輸過程中出現(xiàn)差錯,當節(jié)點檢測到差錯時,可能該幀的大部分已被轉(zhuǎn)發(fā)到了下一個節(jié)點。解決這個問題的辦法是:當檢測到