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1、1.5 交换交换1.5.1 多点网络的结构分析多点网络的结构分析BABCACEABDBCABCABCADBCA 全互连结构的线路数为全互连结构的线路数为n x (n-1)/2，实际中，在网络节点较，实际中，在网络节点较多时，全互连结构因系统复杂、成本等因素，很少采用。多时，全互连结构因系统复杂、成本等因素，很少采用。 多点互连除全互连结构外，还存在多种结构形式。多点互连除全互连结构外，还存在多种结构形式。 全互连全互连 n x (n-1)/24950 499500 星型星型n1001000 例如：采用星型结构，通过中转节点连接多个节点，有其合例如：采用星型结构，通过中转节点连接多个节点，有其合
2、理性与实用意义，电话交换机就是该思想的典型应用。理性与实用意义，电话交换机就是该思想的典型应用。 实际中，在拥有一定数量节点的网络中，网络的结构形式多为实际中，在拥有一定数量节点的网络中，网络的结构形式多为部部分互连分互连。 复杂网络可看作是基本拓扑结构的复合：复杂网络可看作是基本拓扑结构的复合： 星型、树型、线型、环型。星型、树型、线型、环型。 节点因结构、位置、成本等因素，往往无法直接进行点到点的连节点因结构、位置、成本等因素，往往无法直接进行点到点的连接，因此需要接，因此需要中间（交换）设备中间（交换）设备。 交换设备：不关心被传输的数据内容，仅提供数据转发的功能，交换设备：不关心被传输
3、的数据内容，仅提供数据转发的功能， 将数据从一个端口交换到另一端口，继而传输到另一台中间结点，直将数据从一个端口交换到另一端口，继而传输到另一台中间结点，直至目的地。至目的地。 线线路路交交换换分分组组交交换换帧帧交交换换多多速速率率 线线路路交交换换快快速速 线线路路交交换换 信信元元交交换换快快速速 分分组组交交换换帧帧中中继继 数据基本交换方式：线路交换、存贮转发。数据基本交换方式：线路交换、存贮转发。主要交换技术主要交换技术1.5.2 线路交换线路交换 （电路交换）（电路交换） 交换设备执行交换设备执行线路级线路级的交换，无缓存能力；的交换，无缓存能力； 电话系统电话系统, ,含三阶段
4、：含三阶段： 建立线路、占用线路并进行数据传输、释建立线路、占用线路并进行数据传输、释放线路。放线路。建立线路建立线路： 发起方站点向接收方站点发送请求，该请求将通过中间结点传输至终点；发起方站点向接收方站点发送请求，该请求将通过中间结点传输至终点；如果中间结点有空闲的输出端口（物理线路），接受请求，分配线路，将请如果中间结点有空闲的输出端口（物理线路），接受请求，分配线路，将请求传给下一中间结点直至终点。求传给下一中间结点直至终点。 线路一旦被分配，在未释放前，将不能被其它站点所使用，即使线路上并线路一旦被分配，在未释放前，将不能被其它站点所使用，即使线路上并没有数据传输。没有数据传输。数据
5、传输：数据传输： 物理线路建立后，站点之间进行数据传输。物理线路建立后，站点之间进行数据传输。 释放线路：释放线路： 站点之间的数据传输完毕，执行释放线路的动作。站点之间的数据传输完毕，执行释放线路的动作。 可以由任一站点发起，释放线路请求通过途径的中间结点送往对方，释放可以由任一站点发起，释放线路请求通过途径的中间结点送往对方，释放线路资源。线路被释放之后，进入空闲状态，可由其它站点通信所用。线路资源。线路被释放之后，进入空闲状态，可由其它站点通信所用。请求请求建立建立传输传输释放释放线路交换实现举例线路交换实现举例空分结构空分结构M M2 2个交叉开关，当节点数大时，交换系统复杂。个交叉开
6、关，当节点数大时，交换系统复杂。 分级结构（示意）分级结构（示意）m=16 l=3 m=16 开关数开关数 2ml+l(m/k) 2ml+l(m/k)2 2K=4 当当m=800 k=40 l=20 m=800 k=40 l=20 交叉开关交叉开关4000040000 而全交叉空分而全交叉空分6400006400004 5 7 0 1 3 2 63 4 6 5 0 1 7 245701326时隙映射表时隙映射表分时交换结构分时交换结构线路交换的特点：线路交换的特点： 独占性独占性（暂时（暂时“专用专用”的线路）的线路） 实时性好，数据传输的延迟小实时性好，数据传输的延迟小 线路交换不提供任何缓
7、存装置，数据透明传输线路交换不提供任何缓存装置，数据透明传输 收发站点自行解决速率匹配问题收发站点自行解决速率匹配问题 系统资源利用率低，存在系统资源利用率低，存在“用户低效用户低效”的问题的问题1.5.3 报文交换（存贮转发机制）报文交换（存贮转发机制） 不建立端到端的物理接续通路，数据通过相邻的节点逐段转发，不建立端到端的物理接续通路，数据通过相邻的节点逐段转发，直到目的地。直到目的地。 转发结点由具有存储能力的系统（计算机）承担，用户信息可转发结点由具有存储能力的系统（计算机）承担，用户信息可以暂时保存在中间结点上。以暂时保存在中间结点上。 呈现呈现 “ “接收接收- -存储等待空闲存储
8、等待空闲- -转发转发”特征，对系统资源利用有特征，对系统资源利用有利。利。其本质是：资源控制权由系统掌握，避免了用户低效问题。其本质是：资源控制权由系统掌握，避免了用户低效问题。线路交换线路交换 电话电话报文交换报文交换 信信 特点特点 （1 1）有利系统资源利用）有利系统资源利用 忙停，闲发忙停，闲发 动态选择路径动态选择路径 无用户独占，避免用户低效无用户独占，避免用户低效 （2 2）提高系统可靠性，当部分（线路）节点失效，还可通）提高系统可靠性，当部分（线路）节点失效，还可通过其他路径通信。过其他路径通信。 （3 3）对两端的接口不要求一致。）对两端的接口不要求一致。 （4 4）对多点
9、传输也适合。）对多点传输也适合。 （5 5）实时性差，交互能力相对弱。实时性差，交互能力相对弱。 互联网早期的研究目标之一是：能在部分节点失效情况下互联网早期的研究目标之一是：能在部分节点失效情况下维持信息传输。维持信息传输。 1.5.4 分组交换分组交换 将大小不一的报文，分成若干一定长度的数据块，装配成将大小不一的报文，分成若干一定长度的数据块，装配成分组分组，对，对各组编号，附上源、目的地址等控制信息，送入网络传输。到目的地重各组编号，附上源、目的地址等控制信息，送入网络传输。到目的地重新组装，提交用户。新组装，提交用户。 特点：特点： 1 1）分组大小规范，便于存储、转发。无须大的缓冲
10、。）分组大小规范，便于存储、转发。无须大的缓冲。 2 2）分组可在不同路径传输、并发，传输效率可提高。）分组可在不同路径传输、并发，传输效率可提高。 3 3）小的报文长度，出错概率小，重发量小。）小的报文长度，出错概率小，重发量小。 互联网的发展初始就是基于分组交换思想的（互联网的发展初始就是基于分组交换思想的（IPIP数据报）数据报） A B C A B C A B C A B CA B C A B C A B C A B C1 12 22 21 12 23 33 3报文交换报文交换分组交换分组交换报文重传报文重传分组重传分组重传1.5.5 数据报和虚电路数据报和虚电路 数据报数据报又称为面
11、向无连接的数据传输，通信双方无需事先建立联又称为面向无连接的数据传输，通信双方无需事先建立联系（无连接）。系（无连接）。 数据报的前部增加地址信息的字段，网络中的结点，根据地址信息数据报的前部增加地址信息的字段，网络中的结点，根据地址信息和一定的路由规则，独立地选择输出端口，暂存和排队数据报，并在和一定的路由规则，独立地选择输出端口，暂存和排队数据报，并在传输媒体空闲时，发往相邻结点，直至最终站点传输媒体空闲时，发往相邻结点，直至最终站点。 每个数据报均被独立地传输和路由，因此在网络中可能会走不同的每个数据报均被独立地传输和路由，因此在网络中可能会走不同的路径，具有不同的时间延迟。按序发送的多
12、个数据报可能以不同的顺路径，具有不同的时间延迟。按序发送的多个数据报可能以不同的顺序达到终点。站点必须具有存储和重新排序的能力。序达到终点。站点必须具有存储和重新排序的能力。虚电路虚电路又被称为面向连接的数据传输，类似于线路交换，但电路是又被称为面向连接的数据传输，类似于线路交换，但电路是虚拟的。虚拟的。 物理媒体被复用为多个子信道（称为逻辑信道物理媒体被复用为多个子信道（称为逻辑信道LCLC），）， 子信道的串接形子信道的串接形成虚电路（成虚电路（VCVC），利用不同的虚电路来支持不同的用户数据的传输。），利用不同的虚电路来支持不同的用户数据的传输。LC1（1）LC1（2）LC1（3）LC2
13、（1）LC2（2）LC2（3）LC3（1）LC3（2）LC3（3）A1A2A3B1B2B3VC(A1, B1)=LC1(3)+LC2(1)+LC3(1)虚电路建立虚电路建立： 发送方发送含有地址信息的特定的控制信息块（呼叫分组），发送方发送含有地址信息的特定的控制信息块（呼叫分组），该信息块途经的每个中间结点根据当前的逻辑信道（该信息块途经的每个中间结点根据当前的逻辑信道（LCLC）使用状）使用状况，分配况，分配LCLC，并建立输入和输出，并建立输入和输出LCLC映射表，所有中间结点分配的映射表，所有中间结点分配的LCLC的串接形成虚电路（的串接形成虚电路（VCVC）数据传输数据传输： 站点发
14、送的所有分组均沿着相同的站点发送的所有分组均沿着相同的VCVC传输，分组的发收顺序完传输，分组的发收顺序完全相同；分组中只带逻辑信道号，而不带地址。全相同；分组中只带逻辑信道号，而不带地址。虚电路释放：虚电路释放： 数据传输完毕，采用特定的控制信息块（如：拆除分组），释数据传输完毕，采用特定的控制信息块（如：拆除分组），释放该虚电路。通信的双方都可发起释放虚电路的动作。放该虚电路。通信的双方都可发起释放虚电路的动作。数据报数据报 任一中间结点或者线路的故障不会影任一中间结点或者线路的故障不会影响数据报的传输（可以选择不同的路径）响数据报的传输（可以选择不同的路径）. .虚电路虚电路 用户的连续
15、数据块沿着相同的路径，用户的连续数据块沿着相同的路径，按序到达目的地；接受站点处理方便。按序到达目的地；接受站点处理方便。1.5.6 现代现代交换的发展方向交换的发展方向 吸取两种基本交换的思想，发挥其优势。吸取两种基本交换的思想，发挥其优势。 一些措施：一些措施： 1 1）大大减小分组长度）大大减小分组长度 2 2）简化、取消低层的差错控制、流量控制、路由选择等操作。）简化、取消低层的差错控制、流量控制、路由选择等操作。 3 3）充分利用）充分利用VLSIVLSI、并行处理、分布控制等技术，以硬件实现、并行处理、分布控制等技术，以硬件实现交换、协议控制。交换、协议控制。 典型的代表：典型的代
16、表：帧中继帧中继 ATM ATM 异步传输模式异步传输模式 ATM信元信元 5353个字节（个字节（5 5字节信元头，字节信元头，4848字节净荷）字节净荷）8 7 6 5 4 3 2 1 比特比特 15 6.53信头（信头（5字节）字节）信息段（信息段（48字节）字节）GFC8 7 6 5 4 3 2 1VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP1 2 3 4 5VPI/VCI（Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier）：）： 选路信息。选路信息。PT（Payload Type）：）： 有有3个比特，表示净荷类型。个比特，表示净荷类型。CLP（Cell Loss Priority）：）： 表示信元丢失优先级，只有一个表示信元丢失优先级，只有一个比特，比特，CLP=0，表示高优先级；，表示高优先级；CLP=1,表示低优先级，若遇到拥塞表示低优先级，若遇到拥塞要丢弃信元时，要丢弃信元时，CLP=1的信元将首先的信元将首先丢弃。丢弃。HEC（Head Error Control）：）： 为为1个字节，用于信头差错控制。个字节，用于信头差错控制。VC交换交换ATM交换结构接口单元接口单元接口单元接口单元处理机控制部分控制子系统信元传送子系统
