第8章-交換技術

第八章交換技術

Chapter8SwitchingTechniquesComputerNetworks

2/2/20231莆田學院網絡教研室中心本章主要內容

What’saboutThisChapter？

本章學習常用的交換通信技術。本章研究：什么是“交換網絡”三種重要的交換網絡電路交換網報文交換網分組交換網2/2/20232網絡通信：連接問題

NetworkCommunications:Connection本章開始由數據通信（兩臺設備之間）進入網絡通信（N臺設備之間）。網絡連接方案點對點連接–

造價高，利用率低網狀：每對設備之間建立點對點連接星形：通過中心設備建立點對點連接多點連接–

廣播沖突，介質和設備容量限制總線形：將所有設備接在一條“總線”上

交換連接–適用在廣域網中使用由互連節點在通信設備（端系統）構建臨時連接2/2/20233交換網絡

SwitchednetworksP138圖8.12/2/20234交換式網絡

SwitchingNetworks遠程傳輸通常是通過由中間交換節點構成的網絡來實現。節點交換機之間為點到點連接。交換節點(node)并不關心數據的內容。各種終端設備被稱為“站點”(station)。這些站點可能是計算機、終端、電話機等。所有交換節點及其連接的集合稱為“通信網絡”。數據通過一個節點一個節點交換處理而被“路由”(從哪個端口轉發給下一個節點)。2/2/20235簡單的交換網絡

SimpleSwitchingNetwork2/2/20236交換技術的基本要求

BasicRequest滿足各種不同速率數據通信的需求交換速度快傳輸準確性高網絡時延要小滿足用戶各種數據通信業務的需要2/2/20237交換網絡類型

SwitchingNetworksP138圖8.22/2/202388.1電路交換網絡

Circuit-switchedNetworks2/2/20239莆田學院網絡教研室中心一個普通的電路交換網

ATrivialCircuit-switchedNetworkP139圖8.32/2/202310例8.1電路交換網

Circuit-switchedNetworkusedinExample8.1P140圖8.42/2/202311例8.2電路交換網

Circuit-switchedNetworkusedinExample8.2P140圖8.52/2/202312電路交換網

Circuit-switchingNetworks傳送前需先在兩站點間建立專用“通信通道”。通道由一組網絡節點之間依次相互連接的鏈路組成。"透明"連接：兩站點間如同直接連接。2/2/202313電路交換

CircuitSwitching通信過程三步驟:建立電路連接(hello)傳送數據(talk)取消電路連接(bye)最早為電話通信設計電路資源為某一次通話專用數據連接時大部分時間線路是空閑的固定的數據速率通信雙方必須按同一速率傳送2/2/202314電路交換的特點

CharacteristicsofCircuitSwitching①交換設備簡單（純硬件）。②透明連接，傳輸延遲小（僅為物理信號本身延遲）。③帶寬固定（不適合猝發性大通信流量），單一速率，無差錯控制功能。④只能一對一通信。⑤獨占線路，信道利用率低（空閑也不能利用）。

數據通信時占用線路時間一般不超過10%（語音通信最高可達80%）。⑥要求建立連接2/2/202315電路交換網的延遲

DelayinaCircuit-switchedNetworkP141圖8.62/2/2023168.2數據報網絡

DATAGRAMNETWORKS2/2/202317莆田學院網絡教研室中心報文交換技術的改進（存儲轉發）以“分組”為單位傳輸信息——分組在每個交換節點處被接收、暫存，隨后被傳遞給下一節點不同于報文交換：報文被“分組”后傳送保證任何用戶都不能長時間獨占某傳輸線路分組交換網

PacketSwitchingNetworks用戶報文2/2/202318Packet

分組“分組”(packet)分割的報文段+控制信息數據以較小的信息包(分組)形式傳送通常以1000字節為一組更長的報文被分割成一個分組串每個分組包括有用戶數據(部分或全部的)和附加的控制信息控制信息“路由”(尋址)信息（收發雙方站點地址）其他有關信息（協議版本、差錯處理等）2/2/202319分組的使用

TheUseofPackets2/2/202320分組形成示意圖

PacketForming允許同一線路傳送多個數據流傳輸差錯糾正能力允許數據通過多個路由器傳送每個分組都附加了這四條控制信息原始數據數據分組分組的形成附加的控制信息發送方地址（源地址）接收方地址（目標地址）序列號校驗和2/2/202321分組交換的優點：共享信道

PacketSwitching:SharingChannels幾個數據流可以使用同一條線路上2/2/202322分組交換的特點：多路由傳輸

PacketSwitching:MultipleRoutes可以通過多條路徑傳輸數據2/2/202323分組交換與電路交換之比較

CircuitSwitchingvsPacketSwitching電路交換必有“連接-傳送-斷連”三步；”透明連接“，延遲最小（交換節點處無延遲）；恒定數據傳輸率；獨占信道，線路利用率低而費用高。分組交換在每個節點處需存儲轉發；交換機根據分組中附加的目標地址確定如何轉發；多個通信過程可共享一個信道；信息傳送存在隨機延遲問題：節點處排隊長度和時間不定。2/2/202324發送站點將長報文分割成一個個小的信息包（分組）分組被逐個發送到網絡上傳送分組有兩種方式數據報方式虛電路方式分組交換技術

PacketSwitchingTechniques

2/2/202325分組交換網絡主要根據其內部工作原理是數據報還是虛電路進行分類。使用數據報(datagram)技術時，每個分組是獨立傳送的，送往同一個目的站的分組可能沿著不同路由傳送。使用虛電路(virtualcircuit)技術時，兩個端節點間的路由是固定不變的，虛電路上的所有分組都沿同一路由傳送。兩種分組交換方式

TwoApproachesforPacketSwitching“散車”“車隊”2/2/202326數據報網絡每個分組相互獨立每個分組可以使用任何可用的路線需為每個分組（需自帶地址）選擇路由分組的到達可能無序分組在傳送中可能丟失在接收端對分組重新排序并對丟失的分組進行補救處理2/2/202327Figure8.7有4個交換機（路由器）的數據報網

ADatagramNetworkwithFourSwitches(routers)P142圖8.72/2/202328數據報網絡路由表

RoutingTableinaDatagramNetworkP142圖8.8目的地址輸出端口2/2/202329Figure8.9數據報網的延遲

DelayinaDatagramNetworkP142圖8.92/2/2023308.3虛電路網絡

VIRTUAL-CIRCUITNETWORKS2/2/202331莆田學院網絡教研室中心分組交換:虛電路方式傳送前要先建立預定的路由（各節點虛電路表中記錄虛電路號）通過呼叫建立連接(握手)每個分組中含有虛電路號而非目標地址對使用同一虛電路的所有分組只需做一次路由選擇有序傳送，接收后無需排序清除請求，斷開電路并非獨享線路(存儲轉發而非透明直連2/2/202332虛電路網絡

Virtual-circuitNetworkP143圖8.102/2/202333虛電路標識符

Virtual-circuitIdentifierP144圖8.112/2/202334虛電路網絡中交換機和路由表

Switchandtablesinavirtual-circuitnetworkP144圖8.122/2/202335虛電路網絡源端到目的端的數據傳輸

DataTransferinaVirtual-circuitNetworkP145圖8.132/2/202336虛電路網絡的連接請求

SetupRequestinaVirtual-circuitNetworkP145圖8.142/2/202337虛電路網絡中建立確認

SetupAcknowledgmentinaVirtual-circuitNetworkP146圖8.152/2/202338虛電路網絡的延遲

DelayinaVirtual-circuitNetworkP147圖8.162/2/202339分組交換技術：數據報與虛電路比較

DatagramvsVirtualCircuit數據報(datagram)

無需呼叫建立連接階段，所以傳輸少量數據時比虛電路快。分組可繞過故障結點到達目的地，但不保證分組能按序到達，數據丟失也不知曉。虛電路（virtualcircuit）傳輸前需先建立連接，所以適用于兩端之間大數據量交換。能保證每個分組按序正確到達。但構成虛電路的某個結點或鏈路出故障時，虛電路完全失效。2/2/202340數據報與虛電路比較

DatagramvsVirtualCircuits數據報技術無需呼叫建立連接階段傳輸少量數據時比虛電路快傳輸更靈活可通過選擇不同路由避繞網絡中的擁塞區域但不保證分組能按序到達，數據丟失也不知曉虛電路技術傳輸前需先建立連接，所以適用于兩端之間大數據量交換。順序傳送，差錯控制簡便分組傳送速率更快因為無需花費時間選擇路由可靠性較低構成虛電路的某個結點或鏈路出故障時，虛電路完全失效。2/2/2023418.4交換機結構

StructureofaSwitchingP.1472/2/202342莆田學院網絡教研室中心常見交換機

CommonSwitches電路交換機空分交換機時分交換機時間-空間-時間交換機分組交換機“榕樹”(Banyan)交換機“巴切爾榕樹”(Batcher-banyan)交換機2/2/202343①空分交換機

Space-divisionSwitch最初用于模擬網絡，目前同時用于模擬和數字網絡。信號通道和信號通道之間被物理隔開（空間分隔）。縱橫制交換機（單級空分交換機）交叉點：微電子開關（晶體管）交叉點數量大，成本高：n×m（n-輸入線數，m-輸出線數）實際所需交叉點：相連站點數的平方一個交叉點損壞將使對應線路無法連接交叉點利用率低（即使所有連接全部開通，仍有大部分交叉點處于閑置狀態）2/2/202344縱橫制空分交換機

CrossbarSwitchP147圖8.172/2/202345多級交換機

MultistageSwitch將多臺縱橫交換機按多級（通常為3級）結構組合在一起。特點：減少了交叉點的數量；提高了可靠性（兩個站點間的連接在網絡中具有多條通路）；更加復雜的控制系統；高通信量時會引起阻塞。阻塞解決方案：Clos準則(見P149)2/2/202346多級交換機

MultistageSwitchP148圖8.182/2/202347在一個三級交換系統中，交叉點的數量是

2kN+k(N/n)2遠遠小于單級交換系統的交叉點數量(N2)。式中：N-輸入或輸出數k-中間級縱橫交換機個數n–將N個輸入分為組，每組n條輸入線Note三級交換的交叉點數

NumberofCrosspoints示例：P148例8.32/2/202348三級交換機：阻塞示例

MultistageSwitch:Blocking2/2/202349②時分交換機

Time-divisionSwitch采用時分復用（TDM）在交換機內部實現交換。最常用的是時隙互換（TSI，time-slotinterchange）技術。缺點是使用時隙互換時，對每個連接的處理會產生延遲（每個時隙必須存儲在隨機存儲器RAM中，然后被檢索和傳送）。事實上，所有的現代電路交換機都使用數字時分技術。2/2/202350時隙互換

Time-slotInterchangeP150圖8.192/2/202351③時間-空間-時間交換機

Time-space-timeswitchP150圖8.202/2/202352分組交換機的組成

PacketSwitchComponents四個組成部分：參見P151圖8.21

輸入端口，輸出端口，路由處理器和交換結構。2