第 6 章 数据交换技术

1. 数据交换技术概述2. 电路交换3. 存储转发交换4. 虚电路交换与数据报交换

H1

H2 H1 H2

交换技术的引入

• 所谓交换，是在用户之间有目的地互相传递信息( 话音、文本、数据或图像 ) 。

交换机

什么是数据交换

• 在数据传输系统中，通信的双方通常通过传输网络中的中继节点的转发，将数据从源站点发送到目的站点。

• 中继节点转发数据的过程被称为数据交换。•传输网络

•传输链路•中继节点

网络中的交换设备

• 中继节点通常为交换设备，具有多个端口，分别连接不同的传输线路。

Control

123

N

123

N

Connectionof inputs to outputs

数据交换技术

• 从数据传输资源分配的角度来看，所谓“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

• 中继节点转发数据的技术就是数据交换技术。

1 2

3 4

电话的典型连接方式• 通过电话交换机进行语音数据的转接。• 传输过程是： 模拟话音 – PCM – PCM - 模拟话音

PSTNPSTN

交换网络

PSTN- Public Switched Telephone Network- 公共交换电话网络

PSTN 的层次结构

公用交换电话网 PSTN

--Public Switched Tel .Net

分为三级：1. 国际网2. 长途网3. 本地网

本地电话网的网络结构

数据交换技术的分类

•电路交换（ Circuit Switching ）•存储转发交换（ Store and Forward Switching ）

– 报文交换（ Message Switching ）– 分组交换 （ Packet Switching ）

• 数据报• 虚电路

第 6 章 数据交换技术

1. 数据交换技术概述2. 电路交换3. 存储转发交换4. 虚电路交换与数据报交换

电路交换• 电路交换（ Circuit switching ）是最早出现的一种交换方式，

也是应用最广泛的一种。• 电路交换是实电路交换，是一种面向连接的直接交换方式。• 要求数据传输双方在传输数据之前建立一条实际的物理通路，

并且在整个传输过程中独占该通路。• 电话系统的交换过程：

1. 通话前先拨号建立连接。2. 通话过程中，数据传输双方一直占用所建立的连接。3. 通话结束后，挂机释放连接。

A

B

C

D

交换节点的作用

• 把一条传输线路转接到另一条传输线路，使它们把一条传输线路转接到另一条传输线路，使它们连通起来。连通起来。

电路交换的过程• 建立电路连接

– 开始传输数据之前，首先在信源节点和信宿节点间，通过呼叫建立一条由各个中间交换节点的分段连接所组成的传输电路。

• 数据传输– 建立传输链路之后，就通过这条专用信道进行实时、双向的数据传输。

• 释放电路连接– 完成数据传输之后，必须释放占用的线路，即拆除信源节点和信宿节点之间的物理连接。

电路交换的三个阶段

• 呼叫建立 信息传送 连接释放

Signal

Source

Signal

Release

Signal

Destination

GoAhead Message

电路交换的特点

• 数据传输网络中的数据传输网络中的中继节点中继节点是电子或机电结合的交换设备，是电子或机电结合的交换设备，仅完成输入线路与输出线路的物理连接（如：电话交换机），仅完成输入线路与输出线路的物理连接（如：电话交换机），不能存储数据，无纠错能力不能存储数据，无纠错能力。。

• 它通过网络中继节点在两个工作站之间它通过网络中继节点在两个工作站之间建立专用的物理信道建立专用的物理信道。。• 在数据进行传输实现交换的过程中，数据从信源节点到信宿在数据进行传输实现交换的过程中，数据从信源节点到信宿

节点，所经过的节点，所经过的中继节点并不关心数据的内容中继节点并不关心数据的内容，只是把数据，只是把数据从一个节点送到下一个节点，直至送到信宿节点为止。从一个节点送到下一个节点，直至送到信宿节点为止。

电路交换的优缺点• 优点

– 传输实时性强。 一旦线路接通，数据直通，传输延迟时间短，适用于交互式会话类数据传输。

– 数据传输可靠、迅速，保证按序传送。

• 缺点– 独占电路和一组用户设备，其他用户不能利用。– 电路交换的呼叫建立过程所花时间太长。– 由于计算机和各种终端的传输速率不一样，很难使这些不同速率

的设备互相通信。– 双方数据通路建立连接以后，一旦出现了故障，都必须重新建立

连接。这对重要的与紧急的通信很不利。

• 综上所述，数据传输技术必须寻找其它的交换技术。

第 6 章 数据交换技术

1. 数据交换技术概述2. 电路交换3. 存储转发交换4. 虚电路交换与数据报交换

存储转发交换• 存储转发交换（ Store and Forward Switching ）

利用传输链路中继节点的存储器来转发数据。• 中继节点由具有存储能力的计算机担任，用户信息可以暂时

保存在中继节点上。• 信源节点和信宿节点之间无需建立专用通道。信息传输的路径既可以是固定的，也可以在传输过程中动态确定。

11

22

6633

44 55

AABB

中继节点的交换方式

• 在中继节点中的输入和输出端口之间在中继节点中的输入和输出端口之间没有直接没有直接连线连线。。

• 中继节点进行数据交换的过程：中继节点进行数据交换的过程：– 把收到的数据先放入把收到的数据先放入缓存缓存（暂时存储）；（暂时存储）；– 查找查找转发表转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；发；

– 把数据送到适当的把数据送到适当的端口端口转发出去。 转发出去。

报文交换与分组交换

• 存储转发交换分为报文（存储转发交换分为报文（ messagemessage ）交换与分组）交换与分组（（ packetpacket ）交换两种方式；）交换两种方式；

• 报文交换报文交换：：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元，不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元，附上相应的控制信息，组成一个报文发送。附上相应的控制信息，组成一个报文发送。

• 分组交换分组交换：：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送方就将它分成多个报文分组发送。最大长度，发送方就将它分成多个报文分组发送。

报文和报文分组的结构

• 公用数据网采用的是分组交换技术。公用数据网采用的是分组交换技术。

报文分组：

报文： 报文号 目的地址 源地址 校验

报文号 目的地址 源地址 报文分组数据 校验报文分组号

数据

报文交换的优点

• 采用采用存储转发存储转发的技术：的技术：无建立电路的过程，接收方和发送方无建立电路的过程，接收方和发送方无须同时工作，信道忙或接收方忙时中继节点可暂存报文； 无须同时工作，信道忙或接收方忙时中继节点可暂存报文；

• 线路利用率较高线路利用率较高：不独占线路，信道可为多个用户的数据报：不独占线路，信道可为多个用户的数据报文所共享；文所共享；

• 支持多点传输支持多点传输：一个信源节点可同时向多个目的节点发送同：一个信源节点可同时向多个目的节点发送同一报文 ；一报文 ；

• 能进行速率与码型的转换能进行速率与码型的转换：不同速率和码型的终端用户之间：不同速率和码型的终端用户之间可以进行数据传送。可以进行数据传送。

• 可以增加可以增加差错控制机制差错控制机制进行检错和纠错处理。进行检错和纠错处理。确保报文有序确保报文有序无误地传送。无误地传送。

报文交换的缺点

• 通常传输网络的延迟等待时间过长，不适合于实时的或交互会话式的数据通信业务。如：语音交如：语音交换、终端与主机之间的数据传输等。换、终端与主机之间的数据传输等。

• 要求中继节点必须配置大容量的存储设备；中继节点必须配置大容量的存储设备；

分组交换的原理

• 分组交换也称为包交换（ Packet Switching ），其原理是：• 限定分组的最大长度，将用户传送的数据报文划分成较短

长度的分组（包）；• 每个分组的前面不仅包含原始报文的报头信息，还添加了

分组编号；• 各中继节点根据每个分组的地址标志，将它们转发至目的

地；

分组（ Packet ）的形成

• 分组 = 分组头 + 分组数据

分组的概念是 1967 年由英国国家物理实验室 NPL提出的。

分组交换的优点

• 数据传输灵活，线路的利用率高：• 一个报文的不同分组可按不同的路径进行传输；• 到中继节点后的分组不必等待未到达的分组而继续转发；• 不同站点的数据分组可以交织在同一线路上传输。

11

22

6633

44 55

AABB

分组交换的优缺点• 优点：优点：• 转发时延短，速度快：转发时延短，速度快：限定分组的最大长度，有利于提高中继节点的存储空间利用率与转发效率。由于分组较为短小，适合在交换机的主存储器中存储转发，因此改善了转发分组的传输延迟。甚至可以固定分组的长度，可以采用高速缓存来暂存分组。

• 转发差错少容易进行恢复处理：转发差错少容易进行恢复处理：由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；

• 缺点：缺点：• 目的站点要重组报文，增加了复杂性。目的站点要重组报文，增加了复杂性。

分组交换实现的关键

• 分组长度的选择分组长度的选择– 分组越小，冗余量（分组中的控制信息等）在整个分组分组越小，冗余量（分组中的控制信息等）在整个分组中所占的比例越大，最终将影响用户数据传输的效率；中所占的比例越大，最终将影响用户数据传输的效率；

– 分组越大，数据传输出错的概率也越大，增加重传的次分组越大，数据传输出错的概率也越大，增加重传的次数，也影响用户数据传输的效率。数，也影响用户数据传输的效率。

• X.25X.25 分组交换网分组交换网– 分组长度为分组长度为 131131字节，包括字节，包括 128128字节的用户数据和字节的用户数据和 33 字字节的控制信息。节的控制信息。

1. 数据交换技术概述2. 电路交换3. 存储转发交换4. 虚电路交换与数据报交换

第 6 章 数据交换技术

数据报和虚电路

• 分组交换结合了报文交换和电路交换两者的优点，采用分组交换结合了报文交换和电路交换两者的优点，采用两种不同的方法来管理被传输的分组流：两种不同的方法来管理被传输的分组流：

• 数据报（数据报（ DatagramDatagram ））是无连接的数据传输方式是无连接的数据传输方式 ,, 工作过程类似于报文交换。采工作过程类似于报文交换。采用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。

• 虚电路（虚电路（ Virtual CircuitVirtual Circuit ））是面向连接的数据传输方式是面向连接的数据传输方式 ,, 工作过程类似于电路交换。工作过程类似于电路交换。

两种服务方式 , 两种交换机制

• 虚电路（面向连接的服务）– 用户的数据能够确保正确传输– 通信前源主机和目的主机之间要先建立一条虚电路，

之后数据沿固定路径顺序传送，通信后拆除虚电路。

• 数据报（无连接的服务）– 用户的数据不能确保正确传输– 主机只要想发送数据就随时可发送，每个分组独立地选择传送路径，不进行数据校验和重传。

P1

交换技术的比较

报文交换报文交换电路交换电路交换 分组交换分组交换

连接建立连接建立

数据传送数据传送

连接释放连接释放

P3

P4报

文

报文

报文

AA BB CC D D A A BB C C DD

报文

P2 P

1

P3

P4

P2 P

1

P3

P4

P2

P1

P3

P4

P2 P

1

P3

P4

P2 P

1

P3

P4

P2

t

A A BB C C DD A A BB C C DD

交换技术的比较• 电路交换电路交换

实时性强，实时性强，适用于交互式会话类通信，也适用于大量数据适用于交互式会话类通信，也适用于大量数据连续传输的场合，但线路利用率不高。连续传输的场合，但线路利用率不高。

• 报文交换报文交换报文需要缓冲，转发时延长，适用于单向传输。报文需要缓冲，转发时延长，适用于单向传输。

• 分组交换分组交换转发时延较短，线路利用率较高。转发时延较短，线路利用率较高。虚电路方式适用于长报文传输；虚电路方式适用于长报文传输；数据报方式适用于短报文传输。数据报方式适用于短报文传输。

HH11

HH55

HH22 HH44

HH33

AA

CC

DD

BB

HH66

EE

数据报交换的过程

HH11 向 向 HH55

发送分组发送分组

HH22 向 向 HH66

发送分组发送分组

路径可能变化路径可能变化通信子网通信子网

分包分包 打包打包 发送发送 接收接收 拆包拆包 组包组包选路选路 传输传输

中继节点为每个报文分中继节点为每个报文分组组分别分别进行进行选路选路，尽快，尽快将分组传给下一节点。将分组传给下一节点。

•目标主目标主机对收到机对收到的报文分的报文分组进行整组进行整理，拆包理，拆包后后按序重按序重组组报文。报文。

•源主机将报文源主机将报文分割分割成分组成分组按顺序传给按顺序传给本地的通信子网节本地的通信子网节点。点。•每个报文分组均包每个报文分组均包含详细的源地址和含详细的源地址和目标地址。目标地址。

数据报服务的特点

• 网络网络随时随时接收主机发送的分组（即数据报），并为每个分组接收主机发送的分组（即数据报），并为每个分组独立独立地选择路由。地选择路由。

• 网络网络尽最大努力尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺，既不保证所传送的分组不丢失，也不保证按时限、按任何承诺，既不保证所传送的分组不丢失，也不保证按时限、按源主机发送分组的先后顺序将分组交付给目的主机。源主机发送分组的先后顺序将分组交付给目的主机。

• 当网络发生拥塞时，网络中的节点可根据情况将一些分组当网络发生拥塞时，网络中的节点可根据情况将一些分组丢弃丢弃。。• 数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。• 实际上“尽最大努力交付”的服务，就是没有质量保证的服务。实际上“尽最大努力交付”的服务，就是没有质量保证的服务。

虚电路的概念

• 虚电路虚电路：：– 指网络中一对数据传输站点之间的逻辑连接指网络中一对数据传输站点之间的逻辑连接，允许双向，允许双向数据交换。数据交换。

• 虚电路是虚电路是面向连接面向连接的数据传输，工作过程类似于电路交换，的数据传输，工作过程类似于电路交换，不同之处在于此时的电路是不同之处在于此时的电路是虚拟虚拟的。的。

• 虚电路交换虚电路交换具有以下三个阶段：具有以下三个阶段：– 建立虚电路连接建立虚电路连接– 数据传输数据传输– 释放释放虚电路虚电路

交换式虚电路和永久虚电路

• 交换式虚电路交换式虚电路• 在两个节点之间通过虚呼叫建立的临时连接，也称为在两个节点之间通过虚呼叫建立的临时连接，也称为呼叫式虚电路呼叫式虚电路

(SVC,Switch Virtual Circuit)(SVC,Switch Virtual Circuit) 。。• 用户可以根据需要动态地建立和释放。用户可以根据需要动态地建立和释放。

• 永久虚电路永久虚电路• (PVC, permanence Virtual Circuit) (PVC, permanence Virtual Circuit) 是在两个节点之间建立的一条是在两个节点之间建立的一条固固定定的连接。的连接。

• 它类似于专用电路，无需建立和拆除，任何时候，站点之间都可以进它类似于专用电路，无需建立和拆除，任何时候，站点之间都可以进行通信。行通信。

HH11

HH55

HH22 HH44

HH33

AA

CC

DD

BB

HH66

EE

虚电路的工作过程

HH11 向 向 HH55 发送的所有分发送的所有分组都沿此虚电路传送。组都沿此虚电路传送。

HH11 要和 要和 HH55 通信通信

•源主机先通过本源主机先通过本地的通信子网节地的通信子网节点向目标主机 发点向目标主机 发出一个特定格式出一个特定格式的的呼叫分组呼叫分组（虚（虚呼叫）要求进行呼叫）要求进行通信。通信。

中继节点为呼叫分组进中继节点为呼叫分组进行行逐站选路逐站选路，最终送达，最终送达目标主机。目标主机。

•目标主目标主机若同意机若同意通信就发通信就发回回响应分响应分组组，双方，双方就建立了就建立了虚电路。虚电路。

HH22 要和 要和 HH66 通信通信

HH22 向 向 HH66 发送的所有分发送的所有分组都沿此虚电路传送。组都沿此虚电路传送。

组包组包分包分包 打包打包 建立连接建立连接 传输传输 拆除连接拆除连接 拆包拆包

虚电路服务的特点

• 源主机必须先通过虚呼叫与目标主机建立虚电路连接。源主机必须先通过虚呼叫与目标主机建立虚电路连接。• 在虚电路建立后，就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络在虚电路建立后，就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络

的的数字管道数字管道。。• 所有发送的分组都所有发送的分组都按顺序按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。到达目的站的分组顺序就与发沿着此管道传送到目的站主机。到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致。送时的顺序一致。

• 因此，提供虚电路服务的网络对通信的服务质量 因此，提供虚电路服务的网络对通信的服务质量 QoSQoS （（ Quality of ServiceQuality of Service ）有较好的保证。）有较好的保证。

AA

BB CC

DD

EE FF

H1H1

H2H2 H3H3

H4H4

H6H6H5H5

虚电路的建立

• 采用虚电路方式传输时，物理介质被划分为多个子信道（称之为逻辑信采用虚电路方式传输时，物理介质被划分为多个子信道（称之为逻辑信道道 LCLC ） ，子信道的串接形成虚电路（） ，子信道的串接形成虚电路（ VCVC ）） .. 利用不同的虚电路来支利用不同的虚电路来支持不同的用户数据的传输。持不同的用户数据的传输。

1.1.0-ABCD0-ABCD

2.2.1-ACD1-ACD

3.3.0-BCD0-BCD

4.4.1-BAE1-BAE

5.5.2-AEFD2-AEFD

6.6.2-BFE2-BFE

虚电路的建立顺序：虚电路的建立顺序：

两种服务思想的来源不同

• 虚电路服务的思路来源于传统的电信网。虚电路服务的思路来源于传统的电信网。– 电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的节点交换机复杂而昂贵。的节点交换机复杂而昂贵。

• 数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。努力的服务。– 可靠数据传输由用户终端中的软件来保证。可靠数据传输由用户终端中的软件来保证。

数据报服务与虚电路服务之争

• 让网络只提供数据报服务就可大大简化网络的结构。 让网络只提供数据报服务就可大大简化网络的结构。 • 技术的进步使得网络出错的概率已越来越小，因而让主机技术的进步使得网络出错的概率已越来越小，因而让主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多的负担，反负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多的负担，反而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行。而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行。

• 因特网发展到今天的规模，充分说明了在网络层提供数据因特网发展到今天的规模，充分说明了在网络层提供数据报服务是非常成功的。 报服务是非常成功的。