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第5章 广域网技术--数据交换

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第5章 广域网技术 — 数据交换 n5.1 线路 (电路) 交换技术 n5.2 存储转发交换技术 n5.3 分组交换机 n5.4 下一跳转发 n5.5 信元交换技术 1 广域网 2 三种类型的网络: n局域网Local Area Network (LAN) n城域网Metropolitan Area Network (MAN) n广域网Wide Area Network (WAN) 广域网技术的关键问题在于:广域网不仅仅连接 很多计算机,而且它能提供足够的容量允许这些计 算机同时通信 广域网资源利用策略—交换 3 n线路/电路交换 Circuit Switching n存储转发交换 Store and Forward v报文交换 Message Switching v分组交换 Packet Switching 定义 4 存储转发交换: 消息/分组到达某个交换机后被 存储在队列中,直到交换机找到了通往目的地的 正确路径后再将其转发出去 电路交换:网络中通信的两端点间存在一条物 理路径,在整个通信过程中,这条路径被通信双 方独占所有的数据/消息通过这条路径连续传送 通信结束后必须拆除这条路径。

5.1 线路(电路)交换技术 5.1.1 原理 5 5.1.2 特点 § 发送数据之前收发站点间要先建立一条 专用通信线路; § 两个站点间有一个实际的物理连接; § 预先分配带宽,一次传送所有数据; § 数据传送完后需要拆除通信线路 6 5.1.3 时分交换 (T接线器) 输出控制:顺序写入 控制读出 HW: 一条PCM用户线 TS: 时隙 输入控制:控制写入 顺序读出 输出TS8要装入 SM123的内容 输出TS123要装 入SM8的内容 输入TS8的内容 要放入SM123中 输入TS123的内 容要放入SM8中 按CM 的顺序 输出交 换后的 复用帧 按SM 的顺序 输出交 换后的 复用帧 7 SM:话音存储器 CM:控制存储器 5.1.4 空分交换 (S接线器) 输出控制 8 5.1.5 STS接线器 TS2 TS7 TS7 TS31 IN1 OUT3 9 5.1.6 Example – 10 ( ( ( ( Switch Switch Switch Switch Local Subscriber line B D C A Local Subscriber line A communicates with B 5.2 存储转发交换技术 5.2.1 报文交换 11 M1, M2: Message, 整个报文 5.2.1 报文交换(cont’) n特点: v采用存储转发技术,无需事先建立连 接,无需事先分配带宽; v数据传送单位是整个报文(消息); v某个中间节点完整地接收报文(消息) ,暂存之,再转发到下一个节点。

12 5.2.2 分组交换 n数据传输时,将完整的信息报文分割成具有统 一格式、一定(不是固定)长度的数据块,并 进行独立传输,这样的数据块称为分组可以 处理分组的网络称为分组网 n分组交换有两种模式 v数据报模式 v虚电路模式 13 1. 什么是分组 5.2.2 分组交换 D sends (M2 = P3) to C via B P3 2. 数据报 (Datagram) 模式 14 M1, M2: Message, 整个报文 P1, P2, P3: Packet, 分组 5.2.2 分组交换 3. 虚电路 (Virtual Circuit)模式 15 5.2.2 分组交换 4. 分组交换的特点: v采用存储转发方式; v数据传送过程中动态分配带宽; v数据以分组为单位,分组具有一定长 度 16 虚电路 vs 数据报 虚电路数据报 连接的建立 必须有不要 目的站地址 仅在连接建立阶段使用, 每 个分组使用短的虚电路号 每个分组都有目的站的全地 址 路由选择 在虚电路连接建立时进行, 所有分组均按同一路由 每个分组独立选择路由 当路由器出 故障 所有通过了出故障的路由器 的虚电路均不能工作 出故障的路由器可能会丢失 分组,一些路由可能会发生 变化 分组的顺序 总是按发送顺序到达目的站 到达目的站时可能不按发送 顺序 17 5. Example– 互联网数据交换 18 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 向 H5 发送分组 路由器 主机 在路由器 E 暂存查找 转发表找到转发的端口 最后到达目的主机 H5 在路由器 C 暂存查找转 发表找到转发的端口 在路由器 A 暂存查找转发 表找到转发的端口 5.3 分组交换机 19 一个网络 (广域网) 的规模是由交换机的数量 和交换机所连接的计算机的数量决定的。

如果有 需要,可以添加更多的交换机 [2, 1] [2, 2] 4 5 6 7 4 5 6 7 4 5 6 7 s1 s 2 s3 [1, 1] [1, 3] [3, 2] [3, 3] 一种端口连接计算机,运行在低传输速率 1 2 3 1 2 3 1 2 3 一个分组交换机有两种类型的I/O端口 一种端口连接其他的分组交换机,运行在高传输速率 20 3号交换机的 第三个端口 Forming a WAN 21 n交换机有很多I/O连接端口,可以连接构成很 多不同的网络拓扑结构 nWAN不需要是对称结构 22 分组交换机不需要保存如何到达所有可能目的地 的完整信息相反地,交换机只关心如何将信息送往 “下一跳”,使得信息最终能到达目的地 5.4 下一跳转发Next-hop forwarding 5.4.1 下一跳转发原理 如果某分组的目的地是computer C ([3, 2]),当该分 组到达switch2,switch2将为该分组查询转发表 =[3, 2] ? Next entry no 23 5.4.1 下一跳转发原理 =[3, 2] ? Next entry no 24 5.4.1 下一跳转发原理 =[3, 2] ? 根据这条记录,switch2将把分组通过interface 4送往switch3。

yes 25 5.4.1 下一跳转发原理 当分组到达了switch3, 它还需要查询switch3中的转发 表根据switch3中的转发表,分组将可以直接发送给 computer C ([3,2]) 26 5.4.2 源独立性 n下一跳转发 (Next-hop forwarding)并不依赖于分组 最初的出发地 (源),也不依赖于分组在到达某个分 组交换机之前已经经过的路径 n分组应该被送往哪个下一跳只依赖于分组的最终目 的地— 源独立性 (Source Independence). n源独立性允许转发机制更精简、更有效—对于使用 同一条路径的所有分组,转发表中只需要维护一条 记录信息 27 28 当发送一帧到另一个计算机时,发送方必须 提供目的地的地址 分层地址策略:将地址划分成多个部分 5.4.3 WAN中的物理地址 5.4.4 分层地址与路由之间的关系 29 使用分层地址时的路由处理: 当转发一个分组时,分组交换机只需要检查 地址的第一个部分只有当分组到达了与目的地 计算机直接相连的交换机的时候,交换机才需要 检查地址的第二部分 5.4.4 分层地址与路由之间的关系 30 优点: n整个路由表可以更短; n转发一个分组所需的计算时间可以被减少。

5.4.5 在WAN中路由 31 12 34 1 node edge 2 43 如果网络中两个分组交换机之间有一条直接相连 的链路 (link),那么网络的拓扑图中用一条线 (edge) 连接两个节点 (node) 来表示 5.4.5 在WAN中路由 32 路由表中的数据必须保证以下特性: n完整的路由:每个交换机的路由表必须包含所有可 能目的地的next-hops; n最优的路由:对于一个给定的目的地,其下一跳必 须指向到达目的地的最短路径 5.4.6 使用默认路由 33 使用默认路由的好处: n消除了普通的重复表项; n节约了在路由表中搜索所耗费的时间 重复 5.4.6 使用默认路由 34 5.5 信元交换技术 5.5.1 简介 TDM (同步)时分复用: 每个信道周期性地占用一个帧中的固定时隙 ATDM (Asynchronous TDM)异步时分复用: 每个时隙没有固定的占有者,且不形成帧 区别:有无称之为帧同步的一个共同的时间参考 35 5.5.2 ATM信元 信元(Cell): ATM的数据传输单位,53bytes GFC:一般流量控制 VPI:虚路径标识符 VCI:虚通道标识符 PT:净荷类型 CLP:信元丢失优先级 HEC:信头差错控制 首部+净荷 36 信元的特点 固定长度信元的优点: n使联网和交换的排队时延更容易预测,提高了 服务质量,有利于传输实时语音或视频。

n与可变长度的数据分组或帧相比,ATM信元便 于简单可靠地进行处理,便于硬件实现 n使信元中继式交换机可以并行处理各个信元, 交换速度大为提高 37 信元交换的特点 综合了电路交换的简单性和分组交换的灵活性: n灵活性 v使用异步时分复用方式,动态分配电路带宽; v以虚电路方式建立连接,虚电路的带宽动态地分配 n高速性 v取消了每条链路上的差错保护和流量控制; v采用面向连接方式:网络预先为连接建立预留资源, 避免路由选择; v减少信头功能:信头主要起标识作用,简化硬件处理 ,提高交换速度; v短小的净荷长度:减小组装、拆装、排队等时延 38 5.5.3 信元交换的流量控制 1. 为什么信元交换需要流量控制? 答: 在信元交换网络中,信元的丢失是最大的敌人 以太网(1500字节)= 32信元 IP over ATM(9180字节)= 192信元 FDDI光纤分布式数据接口(4470字节)= 96信元 可见:n丢失一个信元,剩下的信元毫无用处 n需要重传32个以上信元 n造成拥塞冲突 39 2. 流量控制的方法 n网络资源预订:以某种方式分配网络资源 n连接许可控制:网络防止自己超载 n使用参数控制 n优先级控制 n…… 40 2. 流量控制的方法 参数控制法: 令牌桶算法 连接许可控制法: 漏桶算法 41 5.5.3 信元交换的冲突控制 方法 n资源预留:建立虚电路时,主机与子网达成协议,子网 根据协议在虚电路上为此连接预留资源。

n抑制包 :监控线路及其它资源的利用情况,若超过某个 阈值,则减少发向特定目的地的流量 n负载丢弃:其他算法都不能消除拥塞时,交换机只能将 包丢弃 基本思想:一旦发生拥塞,在问题解决之前,不允许建立新 的虚电路;或是传输数据时,绕开发生拥塞的路径 42 5.5.4 ATM的评价 n标准太复杂、成本偏高,若丢弃现有以IP为基础 的网络,则太浪费 n现有网络(特别是Internet)对各种应用的支持 非常好,ATM则不行 n千兆比特以太网使ATM在LAN领域缺乏竞争力 nPoS(Packet over SDH/SONET)简单、线路利 用率高,配合千兆比特路由器,使IP技术亦可以 用于主干网 ––ATM 以失败告终 43 。

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