自动化工程系,数据通信与计算机网络,第六章 数据交换,数据通信发展的一项关键技术就是数据交换技术。各种数据交换技术本质上是通信与计算机结合的产物，交换系统实质上是一个以计算机为基础，在实时多任务操作系统的控制下，完成信息处理的应用系统。数据交换的主要任务是为所有进入通信网的数据流提供从源节点到目的节点的通路。,目前比较常见的交换技术主要有电路交换、报文交换和分组交换三种不同的方式。,第六章 数据交换 数据通信发展的一项关键技术就是数据,第,1,节 数据交换的概念,数据交换的必要性,多个用户之间进行数据通信，最简单的实现方法就是在任意两个用户之间建立直达线路，这种实现方式称为全连接，由全连接方式形成的通信网，叫做完全连接网。,假设现在有两部电话需要进行通信，那么我们只需要一根线就可以把这两部电话连接起来。,第1节 数据交换的概念数据交换的必要性 多个用户之间,但是若有,5,部电话需要通信，那么就需要,10,根线。,扩展开来，若有,N,部电话需要进行通信，则需要,N,（,N-1,）,/2,根线，也就是说，当需要通信的电话数量增大时，需要的电线数量与电话数的平方是车工正比的，而这在现实中是不可能进行实现的。,但是若有5部电话需要通信，那么就需要10,因此，当电话的数量增多时，就需要使用交换机或一个具备交换功能的网络把它们连接起来，使任何一个通过该交换机（或者接入到该交换网）的用户都能够实现通信操作。,交换机,因此，当电话的数量增多时，就需要使用交换机或一个具备,交换的概念,什么是交换？,交换是采用交换机（或节点机）等交换系统，通过路由选择技术在进行通信的双方之间建立物理的,/,逻辑的连接，形成一条通信电路，实现通信双方的信息传输和交换的一种技术。,具有交换功能的网络称为交换网络，交换中心称为交换节点。通常，交换节点泛指网内的各类交换机，它具有为两个或多个设备创建临时连接的能力。,交换的概念什么是交换？交换是采用交换机（或节点机）等,交换节点的基本组成,交换节点的基本组成,交换方式的分类,所谓交换方式是指对应于各种传输模式，交换节点为完成其交换功能所采用的互通（,Intercommunication,）技术。交换方式主要分为两类。,1.,电路交换方式,(,或线路交换方式,),2.,存储,/,转发方式,（或信息交换方式）,存储,/,转发方式又分为：报文交换和分组交换。,交换方式的分类 所谓交换方式是指对应于各种传输模式，交,数据业务的特点及其对交换方式的要求,1.,通信速率、信号形式,要求交换机最好能够适应各种速率和各种信号形式的使用。,2.,业务量、实时性,（,1,）短数据传送：无呼叫连接，有信息立即发出去。,（,2,）交互式数据传送：要有较快的响应，要求交换传输时延小，最好把通信线路的空闲时间利用上。,（,3,）批方式数据传送：较大的传送信息能力，尽量减少附加信息的开销。,3.,传输差错,4.,呼叫,/,应答,数据业务的特点及其对交换方式的要求1.通信速率、信号形式,第,2,节 电路交换,由于目前电路交换的最主要应用是电信网，因此我们就以电话为例子，来分析电路交换的工作原理以及它的优缺点。但需要注意的是，电路交换并不意味着它就是电话交换网，除了电信网，还有很多地方也可以用到电路交换。,电路交换的原理,我们一般可以认为打电话分为三个步骤：,拨号通话挂机,第2节 电路交换 由于目前电路交换的最主要应用,而在电路交换中，我们形象的把这三步分别称为：,建立连接通信释放连接,注意：,这里需要指出一个概念，所有象这种必须通过“建立连接通信释放连接”三个步骤的连网方式我们称为是“,面向连接的,”连网方式。否则就可以称为是“,无连接的,”连网方式。,因此可以看出，,电路交换必定是面向连接的。,下面我们就通过电话的例子来讲解一下电路交换的过程。,而在电路交换中，我们形象的把这三步分别称为：注意：这里需要指,D,C,A,和,B,通话经过四个交换机,通话在,A,到,B,的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换举例,DCA 和 B 通话经过四个交换机(交换机交换机交换机,电路交换举例,C,和,D,通话只经过一个本地交换机,通话在,C,到,D,的连接上进行,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换举例C 和 D 通话只经过一个本地交换机(交换机,电路交换的优缺点,电路交换的优点,1.,信息传输延迟时间小（对于一次连接来说，传输延迟是固定不变的）。,2.,交换机对用户的数据信息不进行存储、分析和处理，交换机在处理方面的开销小，对用户的数据信息不需要附加许多用于控制的信息，传输效率高。,3.,信息的编码方法和信息格式不受限制，即可在用户间提供,“,透明,”,的传输。,电路交换的优缺点电路交换的优点1.信息传输延迟时间小（对于,电路交换的缺点,1.,电路接续时间较长，短报文通信效率低。,2.,电路资源被通信双方占用，电路利用率低。,3.,通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等方面应完全兼容，这就限制了各种不同速率、不同代码格式、不同通信规程的用户终端之间互通。,4.,有呼损。,5.,传输质量较多地依赖于线路的性能，因而差错率较高。,电路交换的缺点1.电路接续时间较长，短报文通信效率低。,电路交换,Circuit Switching,电路交换网的致命缺点,电路交换电路交换网的致命缺点,电路交换的应用,电路交换多用于传输信息量较大，通信对象比较确定的用户。,如：数字话音和传真等业务。电路交换不适合传送计算机与终端或计算机与计算机之间的数据。,例题,假设需要传送的报文共,x,比特。从源站到目的站共经过,k,段链路，每段链路的传播时延为,d,秒，数据率为,b,（,bps,），在电路交换时电路的建立时间为,s,秒，且各结点的排队等待时间可忽略不计。问该情况下，把数据全部发送完需要多长时间？,电路交换发送完数据共需要：秒。,电路交换的应用 电路交换多用于传输信息量较大，通,第,3,节 报文交换,由于电路交换的资源利用率低，不同类型的用户间不能直接开通，灵活性差，所以，又发展了报文交换。,报文交换的工作原理,报文交换的基本思想就是,“,存储,转发,”,。假定用户甲有报文,A,，,B,和,C,要发往乙用户时，甲用户不需要先接通乙用户之间的电路，而是先与连接甲的一中间节点接通，将报文,A,，,B,和,C,先存储下来；然后，分析报文提供的乙地址信息，根据地址信息接通下一个中间节点后，将报文,A,，,B,和,C,转发出去；如此进行下去直到将数据报文,A,，,B,和,C,发往乙用户。,第3节 报文交换 由于电路交换的资源利用率低，,报文交换的优缺点,报文交换的优点,1.,报文以存储,/,转发方式通过交换机，输入输出电路的速率、代码格式可以不同，很容易实现各种不同类型用户间的相互通信。,2.,报文交换中没有电路接续过程，来自不同用户的报文可以在同一线路上以报文为单位实现时分多路复用，线路的利用率大大提高。,3.,用户不需要叫通对方就可以发送报文，没有呼损，并可以节省通信终端操作人员的时间。同一报文可由交换机转发到许多不同的收信地点。,报文交换的优缺点报文交换的优点1.报文以存储/转发方式通过,报文交换的缺点,1.,报文通过交换机的时延大，且时延抖动也大，不利于实时通信。,2.,交换机要有能力存储转发用户发送的报文，其中有的报文可能很长，这就要求交换机要有高速处理能力和大的存储空间。因此，报文交换机的设备比较庞大，费用高。,3.,报文交换不适于实时交换数据的场合。,报文交换的应用,报文交换主要应用于公众电报和电子信箱业务。,报文交换的缺点1.报文通过交换机的时延大，且时延抖动也大，,第,4,节 分组交换,分组交换的产生背景,60,年代初，美国国防部领导的远景研究规划局,ARPA,（,Advanced Research Project Agency,）提出要研制一种崭新的、能够适应现代战争的、生存性很强的网络，其目的是对付来自前苏联的核进攻威胁。当时，使用传统的电路交换的电信网虽然已经四通八达，但在战争期间，一旦正在通信的电路中有一个交换机或一条链路被摧毁，则整个通信通信电路就要中断。如要立即该用其他迂回电路通信，还必须重新拨号建立连接。这将要延误一部分时间（例如十几秒钟），但这可能造成不可挽回的重大损失。,第4节 分组交换分组交换的产生背景 60年代初，美国,根据美国军方提出的要求，这种新型的网络必须满足以下的一些要求：,1.,和传统的电信网不同，这种新型的网络不是为了打电话，而是,用于计算机之间的数据传送。,2.,新型的网络,能够连接不同类型的计算机,，而不局限于单一类型的计算机。,3.,所有的网络节点都同等重要。,因为网络必须经受的住敌人的核打击，所以在网络中不能有某些特别重要的节点，否则敌人将首先瞄准和摧毁这些重要的节点。,4.,计算机在进行通信时，,必须有冗余的路由,。当网络中的某一节点或链路被破坏时，冗余的路由能够使正在进行的通信自动找到合适的路由，使通信维持畅通。,5.,网络的,结构应当尽可能的简单,，但能够非常可靠的传送数据。,根据这些要求，一批专家终于设计出了使用,分组交换,的网络。,根据美国军方提出的要求，这种新型的网络必须满足以下的,分组交换的原理,报文,1101000110101010110101011100010011010010,假定这个报文较长,不便于传输,1.,在发送端，先把较长的报文划分成,较短的、固定长度的数据段,。,分组交换的原理报文110100011010101011010,数 据,数 据,数 据,报文,首部,首部,首部,分组,1,分组,2,分组,3,请注意：现在左边是,“,前面,”,2.,在每一个数据段前添加,首部,构成分组。,数 据数 据数 据报文首部首部首部分,数 据,首部,分组,1,数 据,首部,分组,2,数 据,首部,分组,3,3.,分组交换网以,“,分组,”,作为数据传输单元。,依次,把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。,首部的重要性,：,（,1,）,每一个,分组的首部都含有,地址,等控制信息。,（,2,）分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的,地址信息,，把分组,转发,到下一个结点交换机。,（,3,）用这样的,存储转发,方式，最后分组就能到达最终,目的地,。,数 据首部分组 1数 据首部分组 2数,数 据,首部,数 据,首部,分组,2,数 据,首部,分组,3,收到的数据,4.,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数 据首部数 据首部分组 2数 据首,数 据,数 据,数 据,报文,1101000110101010110101011100010011010010,5.,在接收端把收到的数据,恢复成为原来的报文,。,这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。,数 据数 据数 据报文1101000,H,1,A,分组交换网,B,D,E,C,H,5,H,6,H,4,H,2,H,3,H,1,向,H,5,发送分组,H,2,向,H,6,发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,分组交换网示意图,H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5,H,1,A,分组交换网,B,D,E,C,H,5,H,6,H,4,H,2,H,3,H,1,向,H,5,发送分组,结点交换机,主机,在结点交换机,A,暂存,查找转发表,找到转发的端口,在结点交换机,C,暂存,查找转发表,找到转发的端口,在结点交换机,E,暂存,查找转发表,找到转发的端口,最后到达目的主机,H,5,注意分组存储转发的过程,H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5,A,B,C,D,E,H,1,H,5,H,2,H,4,H,3,H,6,高速链路,结点,交换机,1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4,1 2,3,4,1,2,3,4,需要注意的是，每个结点交换机都是有