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数据通信与计算机网络-交换

news 2025/9/26 7:31:59

交换网络由一系列节点构成，如下图所示：

分组交换网的趋向是结合数据报网和虚电路网：网络根据数据报寻址的思想对第一个分组进行路由选择，然后为同一个源端和目的端的所有其余的分组建立一个虚电路网；报文交换：每个交换机存储整个报文，并转发到下一个交换机，属于传输层及以上层次的概念

电路交换网络

电路交换网络是由物理链路连接的一组交换机组成的，两个站点间的连接由一条或多条链路组成的专用路径来实现，然而每次连接仅使用每条链路上的一条专用通道，通常每条链路用FDM或TDM划分成n个通道。

电路交换三个阶段

连接建立：在每条链路上预定一个电路（通道），并将这些电路或通道联合起来指定一条专用路径；

数据传输：当建立了这些连接的电路或通道的专用路径后，数据传输才可以进行；

拆除：所有数据传送完以后，拆除这些电路并释放资源。

注意：

1.电路交换是在物理层

2.通信开始前，站点必须对通信时间所用的资源给以预留，如通道、交换机的缓冲器、交换机处理时间和交换机输入/输出端口，在整个数据传输期间必须保留专用直到拆除阶段

3.两个站点间数据传输不打包，源站点发送连续的数据流

4.数据传输期间没有寻址，交换机基于它们占有的频带或时隙发送数据

例1：

一个简单的情景，考察一个小范围内连接8台电话机的电路交换网络，其通信通过4kHz的语音通道，假定每条链路使用FDM连接最大语音通道是两个，每条链路的带宽是8kHz，下图表示了电话机1连到电话机7，电话机2连接到电话机5，电话机3连接到电话机8和电话机4连接到电话机6的情况。

例2：

考虑某私人公司两个远程办公室计算机的连接，办公室从通信服务提供商租用T-1专用线连接这些计算机，在这个网络中，有两台4*8（4输入8输出）交换机，每台交换机中4额输出端与输入端重叠以允许同一办公室的计算机之间通信，剩余4个输出端允许两个办公室之间通信，如下图所示：

因为资源在整个连接期间都被占用，这些资源不能被其他连接所用，所以电路交换网的效率较低，不如其他两类网络的效率，但是其延迟很小，交换机的延迟可以忽略不计。在传统电话网物理层中，交换采用电路交换的方法。

数据报网络

在数据通信中需要从一个端系统发送报文到另一个端的系统，如果经过分组交换网传送报文，则交换网传送报文，报文必须划分为一些固定长度的分组或可变长的分组，分组长度由网络和控制协议决定。在分组交换网中，不存在资源预留，资源按需分配，在数据报网络中，每个分组独立处理，与其他分组无关，即使某个分组是多组传输的一个部分，网络处理它与单独存在一致，这种方法的分组称为数据报。

数据报交换通常在网络层进行。

数据报网有时也称无连接网络，不保存有关连接状态的信息，不需要建立连接阶段和拆除阶段，每个分组不管源端和目的端由交换机（路由器）同样处理。

每个交换机（即路由器）都有一个基于目的地址的路由表，路由表是动态的，周期性地修改，表中记录目的地址和相应的转发端口，每个分组有一个头部，它包含分组的目的地址；当交换机接收到分组时，检查目的地址，查阅路由表找到对应的输出端口，通过它将转发出去；目的地址在分组传送期间保持不变。

数据报网的效率比电路交换网高；仅当有传输的分组时，才分配资源，如果源端发送一个分组，在另一个分组可发送前，存在很少时间延迟。但是由于存在交换机和路由器处的等待，延迟比虚电路的延迟长

虚电路网络

虚电路网络是结合电路交换网络和数据报网络的产物，它具有两者的某些特征。

1.在数据传输阶段，有与电路交换网络一样的建立阶段与拆除阶段。

2.与数据报网络一样，按需分配资源。

3.同数据报网络一样，数据被划分为分组，每分组的头部含有地址，但是只有本地的权限，只定义了下一个交换机和传送通道是什么，不是数据报网络的端到端的权限。

4.同电路交换网络一样，所有分组沿着连接期间建立的路径传输。

5.虚电路网络通常在数据链路层实现，而电路交换网络是在物理层实现的，数据报网络是在网络层实现的。

虚电路网络编址有两类编址，全局和本地的（即虚电路标识符）：

全局编址：一个广域网范围或者国际范围内的唯一编址，但虚拟电路网络中的全局地址仅用于建立虚电路标识符。

虚电路表示符（VCI）：指实际用于数据传输的标识符，仅在交换机范围内的小数字，由两个交换机之间的帧来使用，当一帧到达一个交换机时，有一个VCI，当它离开时，有另一个VCI每个交换机都有唯一的VCI集，因此VCI不一定是一个大数字。

建立连接阶段

在建立连接阶段，一个交换机为虚电路生成的一个入口，假定源A需要生成到B的虚电路，需要两个步骤——建立请求与确认。

连接请求的帧从源端发送到目的端，交换机为这个虚电路在表中建立一个表项，但是它只能知道前三个参数，不知道输出端的VCI，此参数在确认环节后确定。

目的端给交换机3发送一个确认帧，携带有全局源端地址和目的端地址，用以对应交换表中的表项，同时携带有目的端选择的座位从A来的帧的输入VCI号，更新交换机3中对应表项的输出VCI，反向逐跳更新。源端使用交换机1分配的输入VCI作为准备发送给目的端B的数据帧的输出VCI。

拆除连接阶段

当源端向目的端发送完所有的帧后，在发送一个拆除请求的特殊帧，目的端用一个拆除确认帧来相应，所有交换机从各自的表中删除相应的表项。

在虚电路交换中，属于相同源端和目的端的所有分组都按同一路径传送；但资源按需分配，分组到达目的端可能有不同延迟。

总延迟=3×传输时间+3×传播时间+建立阶段延迟+拆除阶段延迟（未计入交换机处理时间）

在广域网中，数据链路层通常采用虚电路技术实现，例如帧中继和ATM。

交换机结构

在电路交换网和分组交换网中，使用交换机，电路交换机采用两个技术——空分交换机和时分交换机。分组交换机由四个部分组成：输入端口、输出端口、路由器处理器和交换结构。

图中每个交叉点使用微电子开关（晶体管），空分交换机需要节点（交叉点）数量大，效率不高，很多交叉点处于闲置状态。

将多台纵横制交换机按多级（通常是3级）结构组合在一起，设计三级交换机，按照下列步骤：

1. 将N条输入线划分为组，每组为n条输入线；对每组用一个n×k纵模交换机，其中k是中间级纵横交换机的个数；第一级有N/n个纵横交换机，每个具有n×k个交叉点

2. 在中间级，使用k个（N/n）×（N/n）纵横交换机

3. 在第三级，使用N/n个k×n纵横交换机。

在一个三级交换机中，总的交叉点个数是 $2k*N + k*(N/n)^{2}$ 比单级交换机的交叉点个数 $N^{2}$ 小了许多。

例3：

设计一个200*200交换机（N=200），其中k=4，n=20.

解：

在第一级有N/n=10个20*4纵横交换机，第二级有4个10*10的纵横交换机，第三极有10个4*20的纵横交换机，总的交叉点个数是2000，它是单级纵横交换机交叉点个数（40,000）的百分之五。

多级交换机有阻塞问题，会出现输入无法连接到输出的情形。按照 Clos 准则确定交叉点的最小个数：

$n = (N/2)^{1/2}$

$k\geqslant 2n- 1$

总的交叉点个数 $\geqslant 4N[(2N)^{1/2}-1]$

例4：

yonClos准则和最小交叉点个数重新设计前面三级200*200交换机。

解：

设 $n=(200/2)^{1/2}$ ，即n=10；计算取k=2n−1=19。在第一级有200/10=20个10×19交叉点的纵横交换机，第二级有19个20×20交叉点的纵横交换机，第三级有20个19×10交叉点的纵横交换机，总的交叉点个数是20(10×19)+19(20×20)+20(19×10)=15200。

空分交换的优势在于它是瞬态的，缺点在于空分交换的有效性，即拥塞忍受程度是由交叉点数量决定的；时分交换的优点在于它不需要交叉点，缺点是在使用TSI时，对每个连接的处理会产生延迟，每个时隙必须存储在RAM中，然后被检索和传递；第三种可选方法是将空分和时分技术组合起来，以充分利用两者的优点；将两种方法组合产生的交换，可以在物理上（交叉点的个数）和时间上（延迟时间）进行优化。