1第12章數據交換技術212.1交換的概念12.2

交換的基本功能主要內容12.3常用的交換技術第12章數據交換技術3

點到點的通信，在通信雙方之間建立一個連接即可。點到多點或多點到多點的通信（也就是具有多個通信終端），最直接的方法就是讓所有通信方兩兩相連，即全互連式。全互連式成本較高，連接復雜，僅適合于終端數目較少、地理位置相對集中且可靠性要求很高的場合。12.1交換的概念第12章數據交換技術44.當終端用戶數量較多、分布范圍較廣時，最好的連接方法是在用戶分布密集中心處安裝一個設備，把每個用戶終端設備分別用專用的線路連接到這個設備上。5.能夠完成任意兩個用戶之間通信線路連接與斷開作用的設備稱為交換設備或交換機。6.在該設備上完成通信連接的過程就稱之為交換。

第12章數據交換技術圖12-1通信終端的連接方式5

交換設備和連接在其上的用戶終端設備以及它們之間的傳輸線路構成了最簡單的通信網,并可由多個交換設備構成實用的大型通信網。處于通信網中的任何一臺交換設備都可以稱為一個交換節(jié)點。第12章數據交換技術6圖12-3由交換節(jié)點構成的通信網第12章數據交換技術7

一個通信網（比如一個計算機網絡）是由許多相互交叉的節(jié)點連接而成，就像我們熟悉的鐵路交通網是由許多火車站連接起來的一樣。

信息在網絡中從一點到另一點的傳輸也像火車在鐵路上從一地到另一地的運行似地要經過若干個交換節(jié)點（車站）才能完成，這種節(jié)點對信息的轉發(fā)方式（車站引導火車的運行方式，比如扳道岔）就稱為交換方式。交換：各通信終端之間（比如計算機之間，電話機之間，計算機與電話機之間等）為交換信息所采用的一種利用交換設備進行連接的工作方式。第12章數據交換技術8第12章數據交換技術9UNI：用戶終端與交換機之間的線路稱為用戶線，其接口稱為用戶網絡接口；NNI：交換機之間的線路稱為中繼線，其接口稱為網絡接口。12.2交換的基本功能第12章數據交換技術10對于一個交換節(jié)點，至少應具備下述功能：(1)能正確接收和分析來自UNI或NNI的呼叫信令；(2)能正確接收和分析來自UNI或NNI的地址信令；(3)能按照目的地址正確地進行路由選擇并通過NNI轉發(fā)信號；(4)能控制連接的建立；(5)能按照要求拆除連接。信令是指通信系統(tǒng)中的控制指令，用于在指定的終端之間建立臨時通信信道，并維護網絡本身的正常運行。信令傳送時所遵循的規(guī)則就是信令協(xié)議和信令方式。第12章數據交換技術11

根據交換裝置和信息處理方法的不同，有如下幾種交換方式：線路交換報文交換分組交換ATM交換12.3常用的交換技術第12章數據交換技術12線路交換CircuitSwitching，也叫電路交換；在信息（數據）的發(fā)送端和接收端之間，直接建立一條臨時通路，供通信雙方專用，其它用戶不能再占用，直到雙方通信完畢才能拆除。第12章數據交換技術圖12-4（a）線路交換信道13線路交換三個階段：線路建立數據傳輸線路拆除第12章數據交換技術圖12-4(b)線路建立和數據傳輸過程14線路交換兩種方式:模擬式交換器采用空分線路交換方式；2.數字式交換機采用時分線路交換方式。第12章數據交換技術15線路交換特點通信前建立連接，通信后拆除連接，通信期間，連接始終保持且對通信信息不作處理；基于同步時分復用方式，連接為物理連接；實時交換，只要允許建立連接，就可保證通信質量；固定分配帶寬，資源利用率低，靈活性差；一般用于電話交換，但也可用于數據交換，用于數據交換時一般速率低于9.6kb/s；當節(jié)點使用電路交換技術時，可構成公用電話網（PSTN）、數字數據網（DDN）、移動通信網等。第12章數據交換技術16線路交換優(yōu)缺點優(yōu)點：傳輸延時少，對一次連接來說，傳輸延時固定不變；交換機對用戶的數據信息不存儲、分析和處理，即交換機在處理方面的開銷小，傳輸效率高；信息的編碼方法和格式無限制。缺點線路連接時間較長，短報文通信效率低；電路的利用效率低。通信期間，不管是否有信息傳輸，始終由通信雙方占有；雙方的傳輸速率、編碼格式、同步方式、通信規(guī)約等方面要完全兼容，限制了各種不同速率、不同代碼格式和不同的通信規(guī)程的用戶終端設備間的互通；有呼損，即在網絡和用戶終端設備繁忙時雙方呼叫不通的可能；電路交換方式可向用戶提供低速到高速的各種用戶接口，但只有同速的用戶之間才能互通。第12章數據交換技術17線路交換應用：適合于傳輸信息量大，通信對象比較確定的用戶；典型應用就是電話網。第12章數據交換技術18報文交換MessageSwitching，不需要建立專用通道。原理：信源將欲傳輸的信息組成一個數據包（報文），該報文上寫有信宿的地址；該報文送上網絡后，每個接收到的節(jié)點都先將它存在該節(jié)點處，然后按信宿的地址，根據網絡的具體傳輸情況，尋找合適的通路將報文轉發(fā)到下一個節(jié)點；經過這樣的多次存儲—轉發(fā)，直至信宿，完成一次數據傳輸。這種節(jié)點存儲—轉發(fā)數據的方式稱為報文交換。第12章數據交換技術19第12章數據交換技術圖12-5報文交換過程示意圖20報文交換的優(yōu)點：報文是以存儲轉發(fā)方式通過交換機；輸入輸出電路的速率、編碼格式等可以不同，很容易實現(xiàn)各種類型終端之間的相互通信。線路利用率高；在報文交換的過程中沒有電路持續(xù)過程，來自不同用戶的報文可以在一條線路上以報文為單位進行多路復用，線路可以以其最高的傳輸能力工作，大大地提高了線路的利用率。用戶不需要叫通對方就可以發(fā)送報文，無呼損，并可以節(jié)省通信終端操作人員的時間。如果需要，同一報文可以由交換機轉發(fā)到許多不同的收發(fā)地點，即實現(xiàn)同報文的通信（或廣播功能）。第12章數據交換技術21報文交換的缺點：信息通過交換機時產生的時延大，而且時延的變化也大，不利于實時通信；交換機需要有能力存儲用戶發(fā)送的報文；不適用于立即對話的通信方式；適用于公眾電報和電子信箱業(yè)務；雙交換機備份。第12章數據交換技術22分組交換類似于報文交換，采用“存儲——轉發(fā)”方式；分組交換是數據量有限的報文交換；把報文截成許多比較短的、被規(guī)格化的“分組”（Packet）進行交換和傳輸；所謂分組（或“打包”），是把信息分成一系列規(guī)格化的、長度有限的“消息包”（MessagePacket），而且每個包的傳送彼此獨立，可以以不同的路徑、不同的次序傳送到目的節(jié)點。由于信息按一個個的分組傳送，因此，在每個用戶的終端處，要對其所發(fā)送和接收的消息分別進行分包和打包（PAD）。分包就是把待發(fā)信息劃為一個個規(guī)劃化的分組。打包則是把所接收到的一個個分組按其原來的消息順序排列組合，重新裝配成完整的消息，然后送往用戶第12章數據交換技術23

分組在網絡中傳輸到達終點的方法有兩種：虛電路（VirtualCircuit）2.數據報（Datagram）分組交換技術是最適合于數據通信的交換技術。第12章數據交換技術24虛電路:在發(fā)送任何分組之前，發(fā)送端（源點）和接收端（目的節(jié)點）之間需要建立一條邏輯連接鏈路，而且每個包都包含有這個邏輯鏈路（虛擬電路）的標識符。終端可以在任何時候發(fā)送數據，在暫時無數據發(fā)送時依然保持這種連接；但是它并沒有獨占網絡資源，網絡可以將線路的傳輸能力和交換機的處理能力用作其他服務。第12章數據交換技術25虛電路方式的優(yōu)點：接收分組的網絡終端無須重新排序，時延小。一次通信具有呼叫建立、數據傳輸和呼叫清除三階段。分組中不含終端地址，對數據量大的通信傳輸效率高。可為用戶提供永久虛電路服務，在用戶間建立永久性的虛連接，用戶就可以象使用專線一樣方便。

不足之處在于虛電路的意外中斷，需重呼叫建立新連接。第12章數據交換技術26數據報：一種無連接型的服務；將每個數據分組當成一份獨立的報文一樣看待，每個數據分組都包含終點地址信息。分組交換機要為各個數據分組獨立尋找路徑，到達終點后重新排序。數據報方式的優(yōu)點：對網絡故障的適應能力強，對短報文的傳輸效率高。數據報方式的不足：離散度較大，時延相對較長。缺乏端到端的數據完整性和安全性，支持它的工業(yè)產品少。第12章數據交換技術27分組交換的主要優(yōu)點：向用戶提供不同速率、不同代碼、不同同步方式、不同的通信控制規(guī)程的數據終端之間能相互通信的靈活的通信環(huán)境。信息的傳輸時延較小，而且變化范圍不大，能夠較好地滿足會話型通信的實時性要求。實現(xiàn)線路的動態(tài)統(tǒng)計時分復用，通信線路（包括中繼線、用戶線）的利用率高。一條物理線路可同時提供多條信息通路?？煽啃愿?，經濟性好。分組交換的主要缺點：傳輸中的附加的傳輸信息增加，對長報文交通信的傳輸效率比較低；技術實現(xiàn)復雜。第12章數據交換技術28

信息交換可分為同步轉移模式（STM，SynchronousTransferMode）和異步轉移模式（ATM，AsynchronousTransferMode）兩種方式。STM采用固定的幀長結構，根據時隙在幀內的相對位置來識別信道，要求時隙周期性出現(xiàn)，因此要有同步信號來定位；ATM結合電路交換和分組交換的優(yōu)點，把各種信息分割成長度固定的小塊，采用分組中加入地址和控制信息的思想構成一個定長信元（Cell）載送信息，并不根據時隙位置來識別信道，而是通過時隙中的“標記”信息來進行識別，并通過標記來進行交換，不需要同步信號來進行時隙定位。第12章數據交換技術29

ATM交換一種快速分組交換方式，或者說是一種先進的數據分組交換技術。ATM是一種基于信元、面向連接、全雙工、點到點的傳輸協(xié)議。該協(xié)議對各個站點來說都具有專用帶寬，使用異步時分復用技術進行數據的傳輸。第12章數據交換技術30ATM具有如下的優(yōu)點：適應性強，以定長信元（Cell）載送信息，使任意高低速的信號均在同一個網內傳輸和交換；有效利用資源，集電路交換和信息交換于一體，其按需分配的交換型電路使網絡的接入更加靈活；兼容能力強，能令現(xiàn)有的各種網絡納入基于ATM體制的新型網絡中；能提供數十GBPS的帶寬和相同數量級的交換吞吐率；可借助硬件實現(xiàn)協(xié)議的通信和交換。第12章數據交換技術31ATM的信元：不管信息內容，ATM簡單地把欲傳輸的信息分割為相同長度的分組，稱為信元（cell）。具有固定長度的53個字節(jié)，其中5個字節(jié)為信頭（Header），48字節(jié)是信息段（informationfield），又稱為凈載荷或有效載荷（payload）。VPI:虛通路標識GFC:一般流量控制VCI:虛信道標識CLP:信元丟棄優(yōu)先權PTI:凈荷類型HEC:信頭差錯控制碼第12章數據交換技術圖12-7ATM信元格式32圖12-8ATM分割、傳輸和封裝示意圖

第12章數據交換技術33ATM的連接ATM交換是面向連接的工作方式，必須建立連接，它的連接為邏輯連接，即虛電路方式；在ATM交換中，有兩個重要的連接形式，它們是虛信道連接（VCC）和虛通路（VPC）連接；在一個物理信道中，可以包含一定數量的虛通路(VP，VirtualPath），其數量由信頭中的VPI；而在一條虛通路中可以包含一定數量的虛信道(VC，VirtualChannel），虛信道數量由信頭中的VCI值決定。第12章數據交換技術34第12章數據交換技術圖12-9VP、VC和物理鏈路之間關系示意圖35虛信道虛信道連接的作用是為ATM虛信道（VC）建立一條虛電路；ATM復用線上具有相同VCI的信元在同一邏輯信道（虛電路）上傳遞。虛通路虛通路連接是為ATM虛通路（VP，有的稱之為虛路徑）建立一條虛電路虛通路VP是一束具有相同端點的VC鏈路。第12章數據交換技術36ATM網中的終端和交換節(jié)點之間存在三種連接方式：終端和交換節(jié)點之間；終端和終端之間；交換節(jié)點和交換節(jié)點之間。終端和交換節(jié)點之間一般通過VP建立；終端和終端之間一般通過VC建立。第12章數據交換技術37ATM的復用異步時分復用；采用的復用方式為標記復用，也叫統(tǒng)計復用（StatisticMultiplex）；把具有固定長度的信息塊（信元包）裝入具有長度相同的連續(xù)時隙之中。來自不同信息源的信元匯集到一個緩沖器內排隊，隊列的輸出是根據信息到達的快慢隨機插到ATM復用線上；ATM使得各種業(yè)務按其實際信息量來占用網絡帶寬，并且不管業(yè)務源的性質，網絡都按同樣方式接入，從而實現(xiàn)完全的業(yè)務綜合。第12章數據交換技術38ATM復用原理第12章數據交換技術圖12-10ATM統(tǒng)計時分復用原理39ATM異步時分復用和同步時分復用的差異：在同步時分復用中，為某個連接所占用的時隙在整個連接過程中自始至終位置編號不變；在ATM中，虛信道標記容許連接所占用的時隙可不出現(xiàn)在同一個位置，即任何位置編碼的時隙都可被同一個連接所占用。在同步時分復用中，一旦建立連接，為某個連接所占用的某個位置的時隙就只能為該連接所占用，即使無信息內容，也不能為其它連接服務，連接中的空時隙無瞬時可用性。ATM中就無此不足，即通過VCI可使空閑時隙具備可用性。第12章數據交換技術403.同步時分復用中，各位置上的時隙所傳送的數據速率相同，用戶所需的傳輸帶寬為靜態(tài)分配。ATM中，不同的虛信道有不同的傳輸速率，通過虛信道標記可在不同的用戶之間實現(xiàn)虛信道的動態(tài)分配。表明傳輸速度是獨立的，和網絡無關。4.由于信頭功能簡單，可實現(xiàn)高速信元頭處理，信元的排隊時延大大降低。5.信元的信息域相對小，可降低交換節(jié)點的緩沖器容量，減少排隊時延和時延抖動，可用于實時性業(yè)務。6.ATM取消了逐段鏈路的差錯控制和流量控制，降低了他們給網絡帶來的復雜性。第12章數據交換技術41ATM交換：ATM信元的交換可在VP級進行，也可在VC級進行。ATM交換需要完成兩項工作：空間“線路”交換，即將信元從一條輸入線改換到另一條輸出線上去，這一過程稱為路由選擇?？臻g“位置”交換，就是邏輯信道的交換，即將信元從一個VPI/CVI改換到另一個VPT/VCI上，實際操作是將信元從一個時隙改換到另一個時隙。

路由選擇、信頭翻譯和信元排隊是ATM交換的三個最基本的功能。第12章數據交換技術42第12章數據交換技術43第12章數據交換技術圖12-11ATM中VP、VC交換與連接示意圖44路由選擇、信頭翻譯和信元排隊是ATM交換的三個最基本的功能。第12章數據交換技術45ATM交換步驟：（1）根據對每個呼叫建立的控制，把輸入線上虛信道標記轉成相應輸出線上的虛信道標記；（2）把具有新信頭的信元存儲到相應的輸出線的隊列中；（3）從隊列中取出該單元并把它送到輸出線的時隙中。第12章數據交換技術46用一個比較易懂的生活實例說明ATM的復用和交換原理：第12章數據交換技術47IP交換ATM技術是20世紀90年代初電信部門為寬帶綜合業(yè)務數據網（B-ISDN）開發(fā)的專用技術。它除了可以提供高速交換能力外，其綜合業(yè)務和可靠的QoS（服務質量）能力也很有競爭力。將ATM技術用于Internet既可以解決帶寬問題，也可以簡單地將ATM的QoS能力引入，以滿足各種實時業(yè)務的高性能要求。因此，IPoverATM方案就成為構建寬帶IP網的選擇之一。IP交換機結構IPoverATM方案有重疊模式和集成模式兩種。由于重疊模式不適用于構建寬帶骨干Internet網，所以，我們只介紹集成模式。集成模式主要包括IP交換技術、標記交換技術和多協(xié)議標記交換（MPLS）技術。第12章數據交換技術48

IP交換（IPswitching）是Ipsilon公司提出的專門用于在ATM網上傳送IP分組技術。它可以在ATM硬件基礎上直接實現(xiàn)無連接的IP路由，大大提高ATM網的IP分組轉發(fā)效率，它既有無連接IP的強壯性，還具備ATM交換的大容量、高速度的優(yōu)點。IP交換機在邏輯上由ATM交換機硬件和IP交換控制器兩部分組成，見圖12-13。第12章數據交換技術49IP交換機原理IP交換同時支持傳統(tǒng)的逐跳分組轉發(fā)方式和基于流的ATM直接交換方式，其工作過程大致可分為三個階段：（1）逐跳轉發(fā)IP分組階段。（