数字通信基础 ch6_数据交换技术讲解

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1、第6章 数据交换技术,1.定义 直接进入目录 数据交换技术是实现远距离多节点数据通信必须依靠的技术。 在通信网中，当有多个用户之间进行通信时，就要考虑如何把它们连接起来，使一对一的通信成为可能。这种技术可把数据信号从一个节点传向另一个节点，直至到达目的地。,2.解决方案,方案一 在每对设备之间安装一条点到点的链路(网状拓扑结构)，或者在一个中心设备和每个其他设备之间设置一条点到点的链路(星型拓扑结构)。(成本高，线路利用率低 ),方案二 将各个用户终端通过一个具有交换功能的网络连接起来，使得接入该网络的两个用户终端由网络来实现必需的交换操作。,原理图,优缺点 线路利用率高 有时延 如果有多个用

2、户同时进行通信，还可能出现由于争用线路而引起的“阻塞”和“拥挤”现象。,常用交换方法,电路交换 报文交换 数据报 分组交换 虚电路 帧中继 高速分组交换 ATM,第6章 数据交换技术,6.1 电路交换方式 6.2 报文交换方式 6.3 分组交换方式 6.4 帧中继 6.5 ATM技术,6.1 电路交换方式,电路交换（Circuit Switching）也称为线路交换，是一种直接的交换方式。 建立一条专用的传输通道，(物理通道又可以是逻辑通道)（使用时分或频分复用技术）。 进行数据通信。,6.1 电路交换方式,6.1.1 电路交换原理 6.1.2 电路交换机 6.1.3 电路交换机特性分析,6.

3、1.1 电路交换原理,1. 电路建立阶段 2. 数据传送阶段 3. 电路拆除阶段,图6.2所示为电路交换网络的例子。,6.1.2 电路交换机,电路交换机是实现电路交换的主要设备，它由交换电路和控制电路两部分组成。 交换电路的作用是完成相应电路的连接，在主叫用户和被叫用户之间建立一条传输通路； 控制部分的主要功用是根据主叫用户的选线信号来控制交换电路完成接续。 电路交换机按照电路接续方式的不同，有空分交换机和时分交换机。,1. 空分交换机 空分电路交换是采用所谓空间交换。在空分交换机中，电路中的每条路径在空间上和其他路径区分开，这项技术原来是设计使用在模拟网络中，但是目前它被同时使用在模拟和数字

4、网络中。 这是一项古老而成熟的技术。在发展过程中出现了许多设计方案，如纵横制交换机和多级交换机。,（1）纵横制交换机 纵横制交换机是由矩阵开关组成，在矩阵的每一个交叉点上都有一个电子开关，一个n个输入和m个输出的矩阵开关如图6.3所示。 使用纵横制连接n个输入和m个输出需要n m个纵横交叉点。,（2）多级交换机 把多个纵横制交换机串联起来组合成若干个级联的多级交换机。 多级交换机的结构设计 1）在多级交换中，终端设备先连接到交换机中，然后将这个交换机的输出再连接到其他交换机的输入端，最后一级的输出端用来连接终端。 2）多级交换机的设计取决于级联的数目和在每个级联所需要(或想要)的交换机数量。通

5、常中间级联的交换机数目比第一级和最后一级少。,多级交换机设计规则,输入级 （1）交换机数交换机输入端数=n （2）输入交换机输出端=中间交换机数 输出级 （1）交换机数交换机输出端数=m （2）输出交换机输入端=中间交换机数 中间级 （1）数量输入交换机数(或输出交换机数) （2）输入端数=输入交换机数 （3）输出端数=输出交换机数,例：设计一个32 32的多级交换机。,2. 时分交换机 时分电路交换采用的是时分多路复用原理，即在一条公用通信线路上，多个终端在l帧的时间内，分别占用一定的时隙，用户信号的传输在时间上是不连续的，但只要满足取样定理要求，就可进行正常通信。 （1）两种实现方法,图6

6、.5 两种时分复用技术,说明： （1）图a按顺序交换，实现容易。 （2）图b插入一个时间片交换（TSI）设备。TSI根据要求，改变了传送数据的顺序。如图所示，输入顺序是1、2、3、4，经过TSI 后的输出顺序为3、4、1、2。因而，使数据达到了交换的目的。,（2）TSI的工作原理 它由若干个随机存储器RAM和交换开关组成。RAM的大小和单个输入端每个时间片输入数据的大小相等。而RAM的数量等于交换系统输入通道的数量。RAM按照收到的顺序填满各自的存储空间（由顺序控制开关控制）。然后，再按照选择控制开关控制的顺序输出。,3. 时分和空分混合交换机 （1）问题的提出 空分交换的优点是实时性。它的缺

7、点是当用户数量多时需要的纵横交叉点太多。 时分交换的优点不需要任何纵横交叉点。它的缺点是处理每个连接时会引入时延。而且每个时间片的数据都必须先存放在RAM中，然后在取出和处理。 因此，人们又提出一种把二者结合起来的方案，这就是时分和空分混合交换机。该交换机的特点是把时分交换技术和空分交换技术结合起来。这种技术的交换机在物理上(纵横交叉点的数目)和时间上(时延)都是最优化的。,（2）分类 时空时(TST) 时空空时(TSST) 空时时空(STTS) 或其他组合。,（3）简单的TST交换机 这个交换机由两个时间级和一个空间级组成，并有12个输入和12个输出。在此系统中，它将输入划分为三个组(每四个

8、输入一组)，同时将它们引入到3个时分交换电路中。这种方法的结果是平均时延只有使用一个时分交换电路来处理所有12个输入的三分之一。 最后一级是第一级的镜像。中间级是一个空分交换机(纵横开关)，它将TSI组连接在一起，允许所有可能的从输入到输出的连接方式(如连接第一组的输入3到第二组的输出7)。,（3）简单的TST交换机,6.1.3 电路交换机特性分析,（1）电路交换的优点 信息传输延迟时间短。数据交换过程中，只有电路建立阶段延迟和数据传输阶段线路的传播延迟，因此数据传输的延迟时间短，实时传输性能比较好。 信息传输效率较高。这是因为交换机对用户的数据信息不进行存储、分析和处理，所以交换机在处理方面

9、的开销比较小，对用户的数据信息不需要附加许多用于控制的信息。 对用户提供“透明”传输通路。这是因为传输信息的编码方法和信息格式不受限制，故网络对于用户是透明的。,（2）电路交换的缺点 电路接续时间较长。 电路利用率低。 不同类型的终端(终端的数据速率、代码格式、通信协议等不同)不能相互通信。 有呼损。 差错率高。 电路交换方式较适合于传输信息量大，通信对象比较确定的用户。,6.2 报文交换方式,报文交换是一种完全不同于电路交换的通信方法。 在这种交换方式中, 两个端点之间无需建立专用的信道。如果一个端点想要发送报文(数据传输单位), 则需要把目的端地址添加在报文中一起发送出去。 报文交换在20

10、世纪60年代和70年代是十分常用的。它主要的用途是为非智能设备提供高性能服务(如延迟传输，广播)。,6.2 报文交换方式,6.2.1 报文交换原理 6.2.2 报文交换的优缺点,6.2.1 报文交换原理,1. 报文交换过程 报文交换方式的基本思想是“存储转发”交换方式的一种。在这种方式中，一个节点接收一个报文，把它存储在交换机的存储器中（内存或外存），直到合适的路径处于空闲状态，然后沿这条路径将它发送出去。由于在一次报文的接收方和发送方之间不存在直接的链路，因此存储转发被认为是一种交换技术。,例子,例如在图6.8中，信息报文从DTE数据终端设备A传到D，可以是图中所示的路线，A124D也可以是

11、另外的路线，如，A134D，或者是A1234D，到底走哪一条路线，完全根据当时线路的忙/闲情况（通常称做线路的权值）来决定。,报文交换机 图6.9 报文交换机,报文交换的过程如下： (1)通信控制器探询各条输入用户线路，若某条用户线路有报文输入，则向中央处理机发出中断请求，并逐字把报文送入内存储器； (2)收到报文结束标志后，中央处理机对报文进行处理，例如分析报头，判别和确定路由，登录输出排队表等； (3)将报文转移到外部大容量存储器，等待一条空闲输出线路； (4)等到线路空闲，把报文从外存储器调入内存储器，经通信控制器向线路发出去。,2. 报文格式,6.2.2 报文交换的优缺点,与电路交换方

12、式相比，报文交换方式具有如下优点: （1）线路利用率高。 因为节点之间的信道可被报文所共享。 这样, 对相同的流量要求, 所需的总传输容量要小些。 （2）接收者和发送者无需同时工作, 当接收者处于“忙”时, 中间节点可将报文暂时存储起来。 （3）当流量加大时, 在电路交换网络中可能导致一些呼叫被阻塞; 而在报文交换网络中, 报文仍然可以接收, 但延时会增加。 （4）报文交换系统可同时向多个目的站发送同一报文。 这种功能在电路交换方式中是难以实现的。 （5）可以建立报文传输的优先级。 （6）能够在网络上实现报文的差错控制和纠错处理。 （7）报文交换网络可以进行传输速率和代码格式的转换, 使两个传

13、输速率不同且数据格式相异的端点可相互连接。 （8）发送给未准备好终端的报文可以被暂时存储下来, 或者转发给其它终端。,报文交换方式的主要缺点 是不适于实时通信或交互式通信, 网络的延时比较长, 波动范围比较大。所以, 它不能用来传输声音或图像信号, 也不适用于交互式通信。 报文交换设备费用高。其高费用主要表现在报文交换机具有高速处理能力和大的缓冲存储器容量。,报文交换适用于公众电报和电子信箱业务，不适合实时通信。报文交互方式在早期的广域网中也有应用。但是，在现代网络中，很少采用。,6.3 分组交换方式,问题的提出 电路交换虽然实时性好，但它对于短报文通信效率低，电路利用率低，且不利于不同类型终

14、端相互通信； 报文交换虽能解决电路交换的缺点，但又不满足数据在实时情况下的通信。 随着计算机的广泛应用，要求数据交换能适应不同速率的交换，接续时间短，实时性好，传输准确性高，且不同类型终端可相互通信。为此，提出了分组交换技术。 分组交换综合了电路交换和报文交换的优点，并使两者的缺点得以相互抵消。 分组交换方式也属于存储一转发交换方式，但它不是以报文为单位进行交换，而是把报文分组，以短的、格式化的离散报文为单位进行交换和传输。这些单元是大小可变的数据块，称为包。包的最大长度由网络决定。 分组交换方式是目前网络中应用最多的方法。,6.3 分组交换方式,6.3.1 分组基本格式及长度选取 6.3.2

15、 分组交换原理 6.3.3 数据报 6.3.4 虚电路 6.3.5 分组交换的优缺点,6.3.1 分组基本格式及长度选取,帧格式,F 分组开始和结束的字段。 A 地址字段，包括目的地址、源地址。 C 控制类型的字段。 I 信息字段。 FCS 是CRC循环冗余检验码，它提供分组内各节点检错的 检错码，,分组长度 CCITT规定：分组长度以16字节到4096字节之间的2n字节为标准分组长度，一般选用分组长度为128字节，不超过256字节(不包括组头)。分组头长度为310字节。,6.3.2 分组交换原理,1. 分组交换工作过程,6.3.2 分组交换原理,1. 分组交换工作过程,6.3.2 分组交换原理,1. 分组交换工作过程,6.3.2 分组交换原理,1. 分组交换工作过程,6.3.2 分组交换原理,1. 分组交换工作过程,6.3.2 分组交换原理,1. 分组交换工作过程,分组交换方式分类 数据报(Data g