第05章_数据交换技术剖析

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1、第5章 数据交换技术,经编码后的数据在信源和信宿之间进行传输的最理想的方式是在两个互连的站点之间直接建立传输信道并进行数据通信。但实际上，在大范围的网络环境中直接连接两个设备往往是不现实的，也是不可取的，而常常是通过网络的中间节点把数据从源站点发送到目的站点，实现数据通信。这些中间节点并不关心数据内容，而是提供一个交换设备，使数据从一个节点传到另一个节点，直至到达目的地为止。 数据经编码后在通信信道上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络完成数据交换的方法有三种：“电路交换”、“报文交换”和“分组交换”。,第5章 数据交换技术,电路交换(Circuit Switching)是指数据传输期间，在

2、源站点与目的站点之间建立专用电路链接，数据传输结束之前，电路一直被占用，而不能被其他节点所使用。用电路交换技术完成的数据传输要经历以下三个阶段。 1. 电路的建立 图5.1为一个交换网络的拓扑结构，图中“”表示要求通信的设备，称为网站或端系统，一般是计算机或终端。 “”表示为提供通信交换功能的节点设备。,5.1 电路交换,第5章 数据交换技术,图5.1 电路交换示意图,第5章 数据交换技术,在传输数据之前，源端先经过呼叫过程以建立一条端到端(站到站)的电路。例如在图5.1中，信源H1站发送一个连接请求(信令)到节点A，请求与H5站建立一个连接。通常的做法是从H1站到节点A的电路是一条专用线路，

3、这部分的物理连接已经存在。节点A必须在通向节点E的路径中找到下一个路由。根据路径选择规程，节点A选择到节点B的电路，在此电路上分配一个未用的通道(可使用复用技术)，并告诉B它要连接E节点；B再呼叫E，并建立电路BE；节点E完成到H5站的连接。这样在A与E之间就有了 一条专用电路ABE，用于H1站与H5站之间的数据传输。 2. 数据传输 电路ABE建立以后，数据就可以从A送到B，再由B传送到E，也可以从E发送数据通过B到A。这种数据传输经过每个中间节点时几乎没有延迟，并且没有阻塞的问题(因为是专用线路)，在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态，除非有意外的线路或节点故障而使电路中

4、断。,第5章 数据交换技术,3. 电路拆除 数据传输结束后，由通信的某一方发出拆除电路请求(信令)，对方作出响应并释放链路。被拆除的信道空闲后，可被其他连接请求所使用。 电路交换的优点是：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。 电路交换的缺点是：电路接续时间长；通信双方占有一条信道后，即使不传送数据其他用户也不能使用，造成信道容量的浪费，而且当数据传输阶段的持续时间很短暂时，电路建立和拆除所用的时间也得不偿失；当用户终端或网络节点负荷过重时，可能出现呼叫不通的情况，即不能建立电路连接。 电路交换适用场合：数据传输要求质量高且批量大的情况。在数据传送开始之前必须先建立一条专用的电路，

5、在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高，电路交换的典型例子是电话通信网络。,第5章 数据交换技术,图5.2 报文交换示意图,5.2 存储转发交换,5.2.1 报文交换,第5章 数据交换技术,报文交换(Message Switching)方式(见图5.2)不需在两个站点之间建立一条专用电路，数据传输单位是报文，所谓“报文”就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限并且可变。传送过程采用存储转发方式。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，途经的网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。每个节点在收到整个

6、报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。在同一时间内，报文的传输只占用两个节点之间的一段线路。而在两个通信用户间的其他线路段，可传输其他用户的报文，不像电路交换那样必须端到端信道全部占用。 报文交换节点通常是一台小型计算机，它具有足够的存储容量来缓冲收到的报文。 1. 报文交换的特点 (1) 报文从源站点传送到目的站点采用“存储转发”方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。 (2) 在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。,第5章 数据交换技术,2. 报文交换的优、缺点 优点： (1) 电路利用

7、率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的电路，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。 (2) 在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。 (3) 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。 (4) 报文交换网络可以进行速度和代码的转换。 缺点： (1) 不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长而且不定。 (2) 有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文。,第5章 数据交换技术,5.2.2 分组交换 分组交换(Packe

8、t Switching)是报文分组交换的简称，又称包交换。它是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。每个分组中包括数据和目的地址。其传输过程在表面上看与报文交换类似，但由于限制了每个分组的长度，因此大大地改善了网络传输性能。分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。 分组交换与报文变换最大的不同点是： (1) 把数据传送单位的最大长度限制在较小的范围内，这样每个节点所需要的存储量低了。 (2) 分组是较小的传输单位，只有出错的分组才

9、会被重发，因此大大降低了重发的比例和开销，提高了交换速度。源节点发出一个报文的第一个分组后，可以连续发出第二个、第三个分组，而第一个分组可能还在半路中，这些分组在各个节点中被同时接收、处理和发送，而且可走不同的路径。这种并行性缩短了整体传输时间，并随时利用网络中流量分布的变化而确定尽可能快的路径。分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。,第5章 数据交换技术,5.2.2.1 虚电路方式 虚电路方式又分为两种：呼叫虚电路和永久虚电路。 呼叫虚电路方式也要经历以下三个过程。,1. 建立虚电路 网络的源节点和目的节点之间要事先建立一条逻辑通路。在图5.3中，假设H1站有一个或多个分组要发送到H3

10、站去，那么它首先要发送一个呼叫请求分组到节点A请求建立一条到节点B的连接。节点A确定到节点B的路径，节点B再确定到节点C的路径，节点C最终把呼叫请求分组传送到H3站，如果H3站准备接收这个连接，就发送一个呼叫接收分组到节点C，这个分组通过节点B和A返回到H1站。则在Hl站与H3建立了一条逻辑通路。,图5.3 虚电路分组交换示意图,第5章 数据交换技术,2. 交换数据 在逻辑通路建立后，即可在虚电路上交换数据。每个分组除了包含数据之外还得包含一个虚电路标识符(虚电路号)。根据预先建立好的路径，路径上的每个节点都知道把这些分组传送到哪里去，不再需要路由选择判断。 3. 拆除虚电路 当数据交换结束后

11、，其中任意一个站均可发送拆除虚电路的请求来结束这次连接。一个站能和任何一个站建立多个虚电路，也能与多个站建立虚电路。这种传输数据的逻辑通路所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的而是时分复用的。每条虚电路支持特定的两个端点之间的数据传输，两个端点之间也可以有多条虚电路为不同的通信进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同，也可能不同。 呼叫虚电路技术的主要特点是：在数据传送之前先建立站与站之间的一条路径。需注意的是，虚电路不像电路交换那样有一条专用通路。分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在输出线路上排队等待输出。,第5章 数据交换技术,永久虚电路：通信双方虚电路路由信息事先存储在各交换节点的路由表中

12、，通信的双方永远在线，数据传输前不必再有建立连接阶段，当然事后也不存在释放连接的问题。 永久虚电路方式适合于有大量数据传输的用户，每次通信可省去了呼叫建立连接过程。,第5章 数据交换技术,5.2.2.2 数据报方式 在数据报(Datagram)方式中，每个分组的传送是被单独处理的，就像报文交换中的报文一样也是独立处理的。每个分组被称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报发送到下一个节点。因此，当某一个站点要发送一个报文时，先把报文拆成若干个带有分组序号和地址信息的数据报，依次发送到网

13、络节点。各个数据报所走的路径可能不同，各个节点可以随时根据网络流量、故障等情况动态选择路由，从而各个数据报的到达不保证是按顺序的，甚至有的数据报会丢失。在整个过程中，没有虚电路建立，中间节点要为每个数据报作路由选择。,第5章 数据交换技术,以图5.4为例，H1站有由三个分组组成的报文发向H4工作站，它首先将各分组发向节点A并存入缓存器中，之后选定空闲的路径向目的站传送。假如分组P1、P2选定了节点B，而分组P3选定了节点F，在分组每经过一个节点时，都按“存储选径转发”的方式发送，直至将各分组传送至H4工作站。由于各个分组所经的路径不同，再加上各分组在各节点上排队等待时间的不同，从而导致各个分组

14、到达节点D的时刻可能不同，为此节点D只能在收齐后才能将分组P1、P2、P3重新组装成同发送端相同的完整的报文，随后送工作站H4，至此一次报文传输完毕。在这种交换方式中，每个分组在各个节点再向前传输时均需经过路由选择；另外，在发送端要将整个报文分割成报文分组，而且在按收端要重新组装。,图5.4 数据报分组交换示意图,第5章 数据交换技术,虚电路方式与数据报方式相比，其不同点在于： (1) 虚电路方式是面向连接的交换方式，常用于两端点之间数据交换量大的情况，能提供可靠的通信功能，保证每个分组正确到达，且保持原来的顺序。 但虚电路方式有一个弱点，当某个节点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过故障

15、点的虚电路将立即破坏，导致本次通信失败。 (2) 数据报方式是面向无连接的交换方式，适用于交互式会话中每次传送的数据报很短的情况。该方式省略了呼叫建立过程，因此当要传输的分组较少时，这种方式要比虚电路方式快速、灵活。而且分组可以绕开故障区而到达目的地，因此故障的影响面要比虚电路方式小得多。但数据报方式不保证分组按序到达。,第5章 数据交换技术,图5.5所示为几种交换技术在4个节点情况下进行通信的时序图。传输过程是有延时的，而且传输报文或分组的实际时间和节点数目多少、节点的处理速度、线路传输速率、传输质量、节点的负荷等诸多因素有关。教材P47表5.1给出了几种交换技术性能比较。,5.3 各种数据交换技术的比较,图5.5 几种交换方法的时序图,第5章 数据交换技术,表5.1 交换技术性能比较表,