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(tái)設(shè)備之間）進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通信（N臺(tái)設(shè)備之間）。網(wǎng)絡(luò)連接方案點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接–

造價(jià)高，利用率低網(wǎng)狀：每對(duì)設(shè)備之間建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接星形：通過中心設(shè)備建立點(diǎn)對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)單（純硬件）。②透明連接，傳輸延遲?。▋H為物理信號(hào)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)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“，延遲最小（交換節(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(zhǎng)度和時(shí)間不定。2/2/202324發(fā)送站點(diǎn)將長(zhǎng)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(duì)分組重新排序并對(duì)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(hào)）通過呼叫建立連接(握手)每個(gè)分組中含有虛電路號(hào)而非目標(biāo)地址對(duì)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(qǐng)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(shí)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(qǐng)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(jiǎn)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(hào)通道和信號(hào)通道之間被物理隔開（空間分隔）。縱橫制交換機(jī)（單級(jí)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(duì)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(jí)交換機(jī)

MultistageSwitch將多臺(tái)縱橫交換機(jī)按多級(jí)（通常為3級(jí)）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(jí)交換機(jī)

MultistageSwitchP148圖8.182/2/202347在一個(gè)三級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)交換的交叉點(diǎn)數(shù)

NumberofCrosspoints示例：P148例8.32/2/202348三級(jí)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(duì)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