第5章 数据交换技术

第5章数据交换技术第5章数据交换技术5.1交换技术概述5.2交换基本原理5.3X.25分组交换网5.4帧中继5.5异步传送模式(ATM)5.6ATM交换网络结构5.7网络的路由选择和阻塞控制第5章数据交换技术5.1交换技术概述5.1.1交换节点的基本组成交换节点泛指通信网内的各类交换机，它是由交换网络(SN，SwitchingNetwork)、通信接口(用户接口、中继接口等)、控制单元以及信号单元等部分所组成的，如图5.1.1所示。第5章数据交换技术图5.1.1交换节点的基本组成高端服务器信号单元控制单元交换网络中继接口用户接口中继线用户线通信子网PC计算机交换设备第5章数据交换技术1.交换网络交换系统的基本功能是提供用户通信接口之间的连接。在不同的交换方式中，其连接可以是物理的，也可以是逻辑的。所谓物理连接，是指用户通信过程中，不论用户有无信息传送，交换网络始终按预先分配的方法保持其专用的接续通路；而逻辑连接则只有在用户有信息传送时，才按需分配提供接续通路。因此，逻辑连接也称之为虚连接(VirtualConnection)。在交换系统中，交换网络部分是与硬件有关的交换机构(SwitchFabric)，整个连接过程是受控制单元程序控制的。第5章数据交换技术2.通信接口各类交换系统的通信接口一般分成两种：用户接口(UserInterface)和中继接口(TrunkInterface)。用户使用用户线(SubscriberLine)终接到交换系统的用户接口，而交换局间通过中继线连接到中继接口。不同类型的交换系统具有不同的通信接口，通信接口技术主要由硬件来实现，有部分功能可由软件或固件(Firmware，即将其功能程序化后固化在EPROM或PROM内)来完成。第5章数据交换技术3.信号单元为满足任意用户之间的连接，由信号单元支持相关的呼叫信号(或信令)来实现寻址功能。不同类型的交换系统所采用的信号方式有很大差别。信令处理过程需用加以规范化的一系列协议来实现。第5章数据交换技术4.控制单元交换系统应能在程序控制下有条不紊地完成大量的接续连接，以确保服务质量(QoS)。由图5.1.1可见，交换网络、通信接口、信号单元都与控制单元有关联。不同类型的交换系统有不同的控制技术，与通信协议密切相关。控制技术的实现与处理机控制结构有关，直接会影响到交换系统的性能和服务质量。第5章数据交换技术图5.1.2交换方式分类电路交换多速率电路交换快速电路交换ATM交换快速分组交换存储/转发报文交换分组交换X.25分组交换帧中继SMDS第5章数据交换技术5.1.2交换方式由电信网分类可知，交换方式基本上分为三种，即电路交换(CS，CircuitSwitch)、报文交换(MS，MessageSwitch)、分组交换(PS，PacketSwitch)，如图5.1.2所示。从交换原理上来看，电路交换是基于电路传送模式(又称同步传送模式)的；而报文交换、分组交换则是采用存储/转发模式(如X.25分组交换)的，又称异步传送模式。ATM交换是在快速分组交换的基础上结合了电路交换的优点而产生的高速异步传送模式，并在1992年由ITU―T确定为BISDN的基本传送模式。第5章数据交换技术5.2交换基本原理5.2.1电路交换原理在计算机通信网中所用的电路交换和电话交换系统的工作原理是相似的，但系统设计的对象是不同的：电话交换系统以话音业务通信为目标；而计算机通信网中的电路交换是面向数据业务的，组成电路交换的公用数据网(CSPDN，CircuitSwitchingPublicDataNetwork)[ZW(]利用现有电话网进行数据和计算机通信或拨号上网，第5章数据交换技术从概念上应理解为电话网上支持的数据传输。对电话网来说，数据传输是它的增值业务。CSPDN在法国、日本已建成，但我国没有采用。1.电路交换过程电路交换(CircuitSwitching)是根据电话交换原理发展而成的一种交换方式，图5.2.1给出了电路交换的基本框架。第5章数据交换技术图5.2.1电路交换的基本框架话机AA终端设备Modem调制解调器电话网或CSPDNModem调制解调器传输系统交换机交换机话机BB第5章数据交换技术所有电路交换的基本处理过程都包括呼叫建立、通话(信息传送)、连接释放三个阶段，如图5.2.2所示。1)呼叫建立阶段图5.2.1中，主叫(CallingParty)用户取机，听拨号音，拨被叫(CalledParty)号码。若被叫用户不在同一个交换局，则A局(本地局)向B局(中转局)送占用信号，转接被叫号码，再由B局转发到C局(远端局)。最终C局按被叫号码向被叫发送振铃信号。当被叫用户取机后，C局接收应答信号，然后通知各局加以连接。第5章数据交换技术2)通信阶段在通信阶段，始终在主叫与被叫用户间保持这一条物理连接。3)连接释放阶段当主叫或被叫任一方挂机，如图5.2.2所示，局间互送正向或反向拆线信号，经证实后释放连接。值得说明的是，目前我国的电路交换系统采用主叫计费方式，因此，若被叫先挂机，物理连接暂不释放，由端局向主叫送忙音催挂。第5章数据交换技术图5.2.2电路交换的基本处理过程主叫用户A局B局C局被叫用户拨号音拨号占用信号占用信号振铃取机通话(信息传送)被叫挂机反向拆线信号主叫挂机正向拆线信号挂机正向证实信号呼叫建立连接释放回铃音挂机第5章数据交换技术2.电路交换的主要特点电路交换的主要特点归纳如下：(1)电路交换是一种实时交换，适用于实时要求高的话音通信(全程的传输时间≤200ms)。(2)在通信前要通过呼叫为主、被叫用户建立一条局间逻辑的端-端连接。如果呼叫请求数超过交换网的连接能力(过负荷)，用户会听到忙音。衡量电话交换服务质量的指标之一是呼叫损失率，简称为呼损率。第5章数据交换技术(3)电路交换预分配带宽，话路接通后，即使无信息传送也虚占电路。据统计，传送数字话音时电路利用率仅为36%。(4)在传送信息时，没有任何差错控制措施，不利于传输可靠性要求高的突发性数据业务。采用电路交换方式的交换节点在建立的连接通路上通常只提供一种基本的传送速率(如64kb/s)。为了适应各种业务的不同需要，电路交换方式也进行了变革，如多速率电路交换方式和快速电路交换方式。第5章数据交换技术多速率电路交换方式的基本思路是使交换节点内的交换网络及控制过程能为不同的业务提供不同的带宽(基于基本速率8kb/s或64kb/s)。快速电路交换方式的基本思路是有用户信息传送时分配带宽和网络资源，也就是在为用户建立连接过程中，由网内相关交换节点通过协商保存所需的带宽、路由，向用户提供的是逻辑连接，即虚电路。第5章数据交换技术5.2.2报文交换原理1.报文交换处理过程早在20世纪40年代，电报通信系统就采用了报文交换方式。报文交换(MessageSwitch)与电路交换的工作原理不同，每个报文传送时，没有连接建立和释放这两个阶段。在报文交换节点接收一份份报文，予以存储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等)进行转发，如图5.2.3所示。第5章数据交换技术图5.2.3报文交换的基本处理过程传播时延传输时延存储/处理时延用户电报机AA局B局C局用户电报机BM1M1M1M1t第5章数据交换技术报文从用户电报终端到交换节点或在交换节点之间的存储/转发过程包括4方面的时延：(1)传播时延(PropagationDelay)，即tprop=L/v(5.1)式中，tprop为传播时延，L为传输距离，v为电波速度(3×105km/s，实际计算时取为2×105km/s)。(2)传输时延(TransmissionDelay)，即tT=D/C(5.2)式中，tT为传输时延，D为报文长度，C为传输速率。第5章数据交换技术(3)处理时延(ProcessingDelay)tproc，指交换节点内部执行程序所开销的时间。tproc与报文长度、处理机处理能力等有关。(4)存储时延(QueueingDelay)tq。交换节点将收到的报文先在缓存单元存储，等待转发处理。存储时延就是报文在缓存单元的排队时间tq。tq是随机的，与交换节点的交换能力、网络负荷有关。第5章数据交换技术报文交换的特点如下：(1)交换节点采用存储/转发方式对每份报文完整地加以处理。(2)每份报文中含有报头，必须包含收、发双方的地址，以便交换节点进行路由选择。(3)报文交换可进行速率、码型的变换，具有差错控制措施，便于一对多地址传送报文，但网络或交换节点过负荷时将会导致报文延迟。第5章数据交换技术5.2.3分组交换原理分组交换也是一种存储/转发处理方式，其处理过程需将用户的原始信息(报文)分成若干个小的数据单元来传送，这些数据单元称为分组(Packet)，也可称之为“包”。每个分组中必须附加一个分组标题，含可供处理的控制信息(路由选择、流量控制和阻塞控制等)。图5.2.4给出了三台分组交换机(PSE，PacketSwitchingEquipment)互连而成的分组交换网示意图，图中设每台分组交换机各连一台计算机(或称主机)。分组交换网可提供两种服务方式：虚电路(VC，VirtualCircuit)和数据报(DG，DataGram)，下面分别加以解释。第5章数据交换技术1.虚电路服务虚电路是分组交换网向用户提供的一种面向连接(CO，ConnectionOriented)的网络服务方式，即两个用户(数据终端设备DTE)之间完成一次数据通信的过程，包括呼叫建立、数据传输和呼叫释放三个阶段，其工作过程类似于电话通信。第5章数据交换技术1)呼叫建立阶段主叫DTE(主机A)发出呼叫建立分组，通过分组网与被叫DTE(主机B)建立逻辑上的连接，即建立一条虚电路，如图5.2.4中A→B虚线表示的虚连接。由于分组交换在网中是采用逐段链路进行存储/转发处理的，因而每段的处理由分组型终端或分组交换机基于线路的传输能力按按需动态分配原则来确定一逻辑信道。因此，一条虚电路实际上是由多段逻辑信道链接而成的。第5章数据交换技术图5.2.4分组交换网的虚连接A主机P4P3P2P1PSEa链路PSEbP5P6B主机PSEc主机C报文P2P1分组头第5章数据交换技术2)数据传输阶段一旦建立了虚电路，分组交换机就会协调两端用户DTE以保持这种逻辑连接。用户可按需要随时发送分组。若用户暂无数据传送，网络可将线路的传送能力和交换机的处理能力为其他用户动态地提供复用服务，这时网络仍为原用户保持逻辑上的连接关系。在虚电路服务方式中，用户所有的分组均按已建立的路径有序地通过网络，因此远端用户的DTE或交换机不需要对收到的分组重新排序，分组在网内的传送时延相对较小，且容易及时发现分组丢失。第5章数据交换技术图5.2.5虚电路(SVC)方式分组交换计算机DTEADCEA局DCEB局DCEC局计算机DTEB呼叫请求分组呼叫连通分组释放请求分组DCE释放证实分组连接释放数据传输呼叫建立P1P2P3传播时延传输时延存储/处理时延入呼叫分组呼叫接受分组t释放指示分组释放证实分组DTE第5章数据交换技术3)呼叫释放阶段当用户要终止通信时，必须通过呼叫释放分组来拆除逻辑连接。具有上述三个阶段的虚电路服务称为交换虚电路(SVC)服务，其处理过程如图5.2.5所示。此外，网络还可提供永久虚电路(PVC)服务，即用户DTE之间的通信设备没有呼叫建立、连接释放两个阶段，可直接进入数据传输阶段，好像网络向用户提供了一条专线。但这种服务需由用户向电信管理部门预约申请后才有效。第5章数据交换技术2.数据报服务数据报是类似于电报处理过程的一种无连接(CL，Connectionless)的网络服务方式，数据报方式分组交换仍然采用分组(即数据报)作为传送的基本单元，如图5.2.6所示。其工作过程是将每一个分组都当作独立的报文(或称电文)来处理，但每个数据报头都必须包括源地址、目的地地址(也称宿地址)。在交换过程中，每个数据报都需要进行路由选择，路由算法复杂；且同一报文划分成各个数据报后，可能无次序到达目的地，需要进行排序。但数据报分组交换方式不