第四章 數據交換技術

　　一。線路交換

　　使用線路交換方式，就是通過網絡中的節點在兩個站之間建立一條專用線路，線路交換

　　方式的通信包括建立連接、數據傳送和斷開連接。線路交換中主要使用了空分交換和時分交

　　換技術來承載多種語章頻率。

　　線路交換的主要特點歸納：

　　1. 線路交換是一種實時交換，就性能而言，數據傳送以前，呼叫建立有一個延遲，通過傳

　　輸鏈路時有一個傳輸延遲，而節點上的延遲很小，適用于實時（全程<=200MS）要求高的話音

　　通信

　　2. 在通信前要通過呼叫為主、被叫用戶建立一條物理連接

　　3. 線路交換是預分配

　　4.時分交換技術

　　線路交換技術的缺點：

　　（1）在典型的用戶/主機應用中，大部分時間線路是閑著的。這樣，在數據連接場合中，線路

　　交換方式效率十分低下；

　　（2）在線路交換網中，連接為傳輸提供了恒定的數據傳輸速率，這樣，就要求連接的兩臺設

　　備必須以同樣的數據傳輸速率傳輸信號，這限制了各主計算機互聯的網絡的利用率；

　　二 報文分組交換

　　1.報文分組交換過程

　　將用戶數據分成多個報文組，每個報文組上都附加一些控制信息，依次傳遞給路由上的每

　　個節點，并且每個節點簡單存儲后，傳向下一個節點；

　　報文分組交換的優點：

　　（1）線路利用率高；節點的鏈路動態地為許多報文分組共享，報文分組等候排隊，并盡可能

　　迅速地在鏈路上傳送；

　　（2）報文分組交換網能實現數據傳輸速率轉換；具有不同的數據傳輸速率的站點同節點間可

　　采用其適合的數據傳輸速率交換報文分組；

　　（3）在線路交換網上通信量超載的時候，會發生通話阻塞；而報文分組交換網上，報文分組

　　還會被接收，但傳輸延遲會增加；

　　（4）能使用優先權；

　　2.報文分組交換工作方式

　　分為二種：數據報和虛電路（與第五章網絡層內容結合）

　　（1）數據報：在報文分組交換網絡中，每個報文分組都獨立地處理，稱為數據報；

　　A.發送終端在發送數據前無需與接收端建立連接，直接發送，但發送的報文分組中要包括

　　發送端和接收端的全網址，以便可以獨立傳輸；

　　B.每個報文分組由一個節點傳輸到下一個節點時，都要進行路由選擇；且發送到接收端時

　　不能保證是有序的，需要接收端自己調整；

　　（2）虛電路：報文分組交換網絡中，在源主機與目標主機通信之前，建立起一條網絡連接

　　A.發送端在發送數據之前，要先發送一個“調用請求呼叫報文分組”（呼叫請求分組），該

　　組包含源主機和目標主機的全網地址；

　　B.呼叫請求分組每經一個網絡節點時，節點都要記下此虛電路號，并選擇一條更佳的路徑

　　傳給下一個節點，傳送到目標接收端，若同意，則將呼叫請求分組傳回源發送端；這時連接

　　建立完畢

　　C.發送其它報文分組，這時每個報文分組中包含傳輸數據及虛電路號，在建立好的虛電路

　　上進行傳輸；能夠保證接收端可以按順序接收數據；

　　兩種報文分組交換方式比較

　　數據報 虛電路

　　避免了呼叫建立過程，適用于報文分組數少 可以提供與報文分組排序和誤差控制 有關的服務（保證有序，并正確到達）

　　靈活，對于阻塞情況可以避讓，選擇其他路徑 傳遞迅速，每個報文分組不用路由選擇 可靠，一個節點失效，可以另取路由

　　3.線路交換與報文分組交換的比較

　　延遲類型

　　（1） 傳播延遲：從一個節點傳到下一個節點所需的時間；

　　（2） 傳輸時間：發送器發出數據塊所需的時間；

　　（3） 節點延遲：節點在交換數據處理時花費的時間；

　　（一） 性能方面（延遲方面）

　　A.線路交換網絡：發送端發出的“呼叫請求信號”在傳到接收端的過程中，經過每個網絡

　　節點時都會有傳輸延遲和處理延遲，即時間用在建立連接路由上，接收端同意接收，發呼叫

　　信號給發送端，呼叫接受信號傳輸時，不用處理，延遲微小；接受端接收數據完畢后，向發

　　送端發送確認信號，不用處理，延遲微小

　　B.虛電路報文分組交換網絡：呼叫請求信號傳輸時存在傳輸延遲及在每個節點處理時存在

　　處理延遲，建立連接后，接收端發送的呼叫接受信號傳輸時仍存在延遲；接受端接收數據完

　　畢后，向發送端發送確認信號，傳輸過程中仍存在延遲；

　　C.數據報報文分組交換網絡：不需建立連接，所以沒有連接延遲，但每個報文分組單獨傳

　　輸，在每個節點上對數據報的處理時間要比虛電路長；

　　在考慮時還應包括網絡規模、拓撲結構、負載類型和典型的交換特征

　　（二） 其他

　　A.線路交換本質上是透明服務，一旦建立連接，站點間就有恒定的數據傳輸速率；

　　B.數據報報文分組交換：數據到達的順序會與傳送的不同

　　C.報文分組交換：模擬數據必須在傳輸前轉換為數字信號；

　　D.報文分組交換：每個報文分組都要包括信宿地址的附加位在內

　　4.報文分組交換網的阻塞控制

　　（1） 簡單地將其丟棄

　　（2） 采用某種流量控制手段將報文從其相鄰節點通過，但這樣就有可能影響整個網絡；

　　5. X.25協議（報文分組交換協議標準）

　　（1） 層次：（低到高）物理層——>鏈路層——>報文分組層，分別對應OSI模型的更低三層

　　A.物理層：

　　處理站點（計算機、終端 DTE）和（連接報文分組交換結點 DCE ）鏈路之間的物理接口

　　規范說明為X.25標準，有時也用EIA232標準

　　B. 鏈路層

　　為數據以幀序列的形式可靠地在物理鏈路上傳輸；

　　標準 LAPB（鏈路訪問協議-平衡制式） 是HDLC的一個子集

　　C.報文分組層

　　提供擴展的虛擬線路服務。

　　用戶數據傳送到報文分組層時，創建報文分組，即在用戶數據前、后端加上控制消息，

　　然后傳給鏈路層，LAPB實體，實體在報文件分組前、后加控制信息形成LAPB幀；

　　（2） 虛（擬）電路服務

　　虛調用：動態建立的虛擬線路，使用調用建立再用調用清除；

　　永久性虛擬電路：固定，由網絡分配的虛電路，發生數據傳送時要用虛調用，沒有調用

　　建立或清除過程；

　　（3）多路復用

　　一個DTE在一條物理的DTE-DCE鏈路上允許建立高達4095條共生的虛擬電路；DTE-DCE鏈路

　　提供全雙工復用，

　　（4）流量控制（與HDLC相同）

　　每個數據報文分組都包括發送的順序號P（S）（3個比特）和接收信號P（R），

　　P（S） 指明DTE在虛擬電路基礎上分配給送出的報文分組

　　P（R） 指明下一個預期從虛擬電路的另一方接收的報文分組號，捎帶響應方式

　　錯誤控制基本形式 GO-back-N ARQ

　　（5）報文分組序列

　　兩種報文分組：A報文分組和B報文分組

　　A報文分組是完整的。

　　三。幀中繼

　　1.幀中繼：在X.25基礎上發展起來，保存了HDLC幀格式，但沒有采用LDPB規程，而使用了L

　　APD規程，在鏈路層實現鏈路的復用和轉接，幀中繼可以不用網絡層而用鏈路層實現復用傳

　　送；

　　與X.25關鍵差異在于

　　（1）調用控制信號使用與用戶數據分離的邏輯連接來承載。

　　（2）多路復用和邏輯連接發生在第二層，而不是第三層，刪除了整個一層的處理；

　　（3）取消了節點間接方式的流量和錯誤控制。

　　2. 幀中繼網絡的用途

　　（1）作為公共網絡的接口：將幀中繼網絡的交換設備放在電訊中心的中央控制室內，用戶只

　　需定期向電訊中心交納一定的使用租金，而免去了對網絡設備的管理和維護；

　　（2）作專用網絡接口：為所有的數據設備安裝帶有幀中繼網絡接口的T1多路選擇器，在，而

　　其他應用僅僅安裝非幀中斷的接口；

　　（3） 其他應用：

　　A.塊交互數據：主要用于傳輸高發辨率的圖形數據，特點是短時延和大流量；

　　B.文件傳送：一般用于傳送長文件；

　　C.支持多個低速率復用：利用幀中繼多路復用的能力，為較多的低速率應用提供經濟的服

　　務；

　　D.字符交互：特點短幀、短延時和低流量；

　　E.互聯域網：流水線特性特別適合于用來傳輸局域網產生的突發性、高速率和大流量的數

　　據，并盡可能減少轉換處理；

　　3. 幀中繼的體系結構和數據幀格式

　　（1） 幀中繼的體系結構

　　遵從ISDN用戶數據與信令分離的原則，將終端與交換機的功能 分成與用戶信息傳輸有關

　　的U功能和與呼叫控制有關的C功能。

　　A.U面：通信網中全部U功能的集合；提供端到端功能，用于傳送用戶數據；保持網絡入口

　　處與出口處的幀順序，保證不交付重幀且幀丟失率很小

　　數據傳送協議采用CCITT Q.922建議的核心部分包括幀定界和透明傳輸、用地址字段實現幀

　　復用和去復用、控制幀長、檢測傳輸差錯和進行擁塞控制等

　　B.C面：C功能的集合；在用戶和網絡之間操作，用于建立、維持和釋放連接；保證呼叫控

　　制報文在終端和本地服務交換機中的呼叫控制進程之間進行可靠地傳遞；

　　運載用戶信令的鏈路層協議是Q.921

　　體系結構特點：將網絡的處理工作減少到了更小程度。幀中繼網絡中的節點對用戶幀不作處

　　理，只是拋棄發現有錯幀，差錯恢復由高層進行；

　　（2） 數據幀格式（與HDLC類似，但沒有控制字段）

　　FLAG01111110 ADDRESS INFORMATION FCS FLAG01111110

　　ADDRESS擴展可包括以下字段

　　DLCI（高） C/R EA=0 DLCI（低） FECN BECN DE EA=1

　　FCS：檢測鏈咱上出現差錯的頻度，用于網絡管理

　　DLCI：數據鏈路連接標識符，當采用2個字節的地址時，DLCI占10比特，用于唯一地標識一

　　個虛連接。16…199 標識用戶的交換虛連接和永久虛連接，922…1007用于運載鏈路層管理

　　信息；地址為3個字節…17比特，4個字節…24比特

　　C/R：命令/響應，與高層有關，幀中繼不用；

　　EA：可擴展地址：0 表示下一個字節還是地址，1 表示地址結束

　　FECN：正向顯示擁塞通知，將發往接收端幀的FECN置1，通知接收方網絡阻塞，接收方一般

　　可以使用高層協議讓發送端降低發送速率；

　　BECN：反向顯示擁塞通知，在返回發送終端的幀中BECN置1，通知發送方網絡阻塞，要求降

　　低發送速率；

　　DE：可以丟棄，1 表示當網絡阻塞時，可以優先丟棄；

　　4.幀中繼阻塞的控制方式

　　ITUT 1.370建議，幀中繼阻塞控制的所需遵行的原則

　　（1）把幀丟棄減少到更少

　　（2）維持質量穩定的服務

　　（3）把一個端接用犧牲其他端接用戶的代價壟斷網絡資源的可能性減少到更小；

　　（4）容易實現，使任一端接用戶或網絡上的額外開銷減至更小；

　　（5）產生更低限度的附加性網絡信息流量；

　　（6）網絡資源公平地分發給端接用戶；

　　（7）限制阻塞在網絡內擴散；

　　（8）操作效率與通信量流時無關；

　　（9）在幀中繼網絡中，對其他系統的交互作用或影響到更小

　　（10）在阻塞期間對各個幀中繼連接服務質量的影響減至更小；

　　四。異步傳輸模式（ATM）

　　分組交換：以分組為單位，在網絡層上進行

　　幀中繼：以幀為單位，在數據鏈路層上進行；

　　異步傳輸：以信元為單位，在數據鏈路層上進行，建立在大容量光纖介質基礎上的，適用于

　　LAN和WAN；

　　1.ATM導入背景

　　（1）N-ISDN 窄帶ISDN 以線路交換為基礎，存在局限：

　　A.帶寬有限，只能向用戶提供更高為2MB/S的基群速率接口，

　　B.中斷網種類繁多，在網絡和用戶系統中并用線路交換和分組交換，要求系統個有雙重交

　　換模式的網絡功能；

　　C.網絡資源利用率不高：只具有基本速率和基群速率，適于支持速率高于64MB/S的業務類

　　型，對于低速率，網絡資源浪費嚴重；

　　D.不易導入新業務：

　　（2）B-ISDN 要求的傳輸模式必須滿足：

　　A.對信息的損傷要小

　　B.能靈活支持各種業務；

　　C.具有高速傳送信息的能力；

　　D.簡單易行

　　ATM以分組交換為基礎，融合了線路交換的優點，克服線路交換中不能適用于各種速率業務

　　的缺點，簡化了分組通信中的協議，并由硬件對簡化的協議進行處理，

　　2.ATM的基本概念

　　ATM：本質上一種高速分組交換模式，它將語音、數據及圖像等所有的數字信息分解成長度

　　一定的數據塊，并在各數據前裝配地址、丟失優先級等控制信息構成信元，空信元以一定的

　　速率發送，只要獲得空信元即可插入信息發送，因信息插入位置無周期性，故稱這種傳輸方

　　式為異步傳輸方式；因為需要排隊等待空信元到來才能發送信息，所以ATM是以信元為單位

　　的存儲轉發方式，稱為信元交換；

　　優點：有極高的靈活性；有高速傳輸及交換能力；支持廣播協議

　　（1）網絡結構-多級的交換網絡結構

　　組成：ATM終端、ATM交換機、終端與交換機接口稱為用戶網絡接口 UNI；交換機與交換機接

　　口稱為NNI；

　　ATM網分為：公用ATM、專用ATM、ATM接入網

　　專用ATM網：網絡規模小，不需要復雜嚴密的計費等管理規程，主要用LAN互聯或直接構成

　　ATM LAN網；

　　公用ATM網：通過公用用戶網絡接口連接各專用ATM網和ATM資源

　　ATM接入網：在各種接入網中使用ATM技術，以提供端到端的寬帶連接；

　　（2）ATM信元

　　由信元和信息段構成；信元來識別通路

　　規定長度的信元，53字節，信頭5字節，信息段48個字節，

　　信頭結構（UNI 與NNI信頭不同處在第一行中，UNI為GFC\VPI，NNI為VPI）

　　GFC：一般流量控制，只用于UNI，置0000

　　VPI：虛通道標識，在一個接口上將多個虛通道集中組成一個虛通道（VP），UNI中為8比

　　特，NNI中為12比特；

　　VCI：虛通路標識，標識虛通道內的虛通路，VPI/VCI共同標識一個虛連接；

　　PTI：承載類型指示，用于指明信元中的承載類型

　　CLP：信元丟失優先級：

　　HEC：信頭差錯控制，檢測信頭中錯誤；，可以糾正1比特錯；另一個作用用于信元定

　　界；在物理層實現

　　（3）連接

　　ATM 是面向連接的，在數據交換前要前建立連接

　　支持的連接：虛通道連接，由網絡管理系統以半永久方式分配；虛通路連接，通過信令動態

　　占有虛通道的資源，更多可有4096個虛連接；

　　3.ATM物理層

　　（1）ATM物理層分為PMD和TC（從下至上），相當于OSI模型中的物理層和數據鏈路層；

　　（2）PMD：與物理介質直接相連的一層，主要傳輸介質是光纖，接口速率155.5MB/S/622MB/S

　　（3）TC：接收ATM層的信元，轉換成能在物理介質傳輸的比特流，交給PDM層發送，或從PMD層

　　接收比特流，從中取出信元交ATM層

　　（4）傳輸過程

　　A.從ATM層接收信元：首先計算HEC，將信頭的前4個字節左移8位，然后除多項式

　　X（8）+X（2）+X+1，得到的余數與01010101相加，得到HEC；將HEC插入到信頭后，準備發送信

　　元，

　　B.從PMD子層中接收比特流：首先信元辦

　　4. ATM層

　　（1） 在物理層之上，為各種業務提供信元傳輸功能，與OSI模型中的網絡層相當，提供端到

　　端的數據傳輸。ATM層中識別和處理信頭，功能分為三大類

　　A.信元復用/解復用：在ATM層與TC層的接口處完成，發送端ATM層將具有不同VPI/VCI的信元

　　不加區分地交給TC層發送；接收端ATM層從TC層接收信元，根據信元的VPI/VCI值，將各信元

　　送給不同的模塊去處理；

　　B.信元傳輸：ATM層建立虛連接，虛連接是單向的，但在建立時總是在兩個方向上同時建

　　立，并且使用相同的連接標識，因而將虛連接看成是全雙工，不同方向上的連接

　　虛連接分為永久性虛連接（在ATM啟動時根據配置信息建立起來的）；交換型虛連接（通過ATM

　　連接管理信令建立起來的）

　　C.流量控制和阻塞控制：流量控制的目的是控制進入網絡的數據量，以盡量避免阻塞的發

　　生；阻塞控制的目的是當網絡已經阻塞時，采取措施減少阻塞帶來的影響，避免阻塞的進一

　　步加劇。兩者的目的都是為了提高網絡性能，保證業務的服務質量；

　　ATM層不提供任何應答機制，不進行差錯控制，但保證信元的投遞絕對是按順序的；

　　（2） 描述流量和服務質量的參數：

　　A.峰值信元速率（PCR）：

　　B.可維持信元速率（SCR）：

　　C.更小信元速率（MCR）：

　　D.更大突發長度（MBS）：

　　E.允許的信元抖動容限（CDVT）à體現業條對時間特性的要求

　　F.峰值信元時延抖動：

　　G.更大信元傳送時延：

　　H.信元丟失率：

　　I.信元錯誤率：

　　J.嚴重出錯的信元塊比例：

　　K.信元誤入率：

　　5. ATM適配層（AAL）

　　位于ATM層和高層應用之間，它的目的是為應用程序提供所需的服務。專門為各種特

　　定業務提供服務。保留開放式的協議結構，允許引入新的AAL協議，

　　（1）AAL1：針對當前的線路交換業務，提出一種利用ATM網絡傳輸話章及各類N-ISDN業務的方

　　法；特點：速率恒定，并且需要端到端定時

　　CS子層：直接將高層產生的恒定比特率的AAL-SDU作為CS-PDU；

　　SAR子層：記錄數據在SAR-PDU的位置，

　　（2）AAL2：沒有具體的實現格式，對于可變比特采用AAL5進行適配，或通過速率孌換后采用

　　恒定比特率的AAL1進行適配；

　　（3）AAL3/4：將CS子層分為公共部分CS（CPCS）和業務特定CS（SSCS），CPCS與業務無關，所有業

　　務的CPCS相關，SSCS根據具體業務而定；

　　支持兩種業務模式：

　　（1） 消息模式MM（Message Mode）：每次裝載一個數據塊，數據塊的長度可定長或不定長在AA

　　L中進行分段和組裝；

　　（2） 流模式SM（Streaming Mode）：以字符流方式將要發送的由AAL層，數據沒有起始邊界

　　對于兩種模式的操作有兩種：

　　（1）確保操作：通過重傳出錯或丟失的SSCS-PDU來確保每個AAL-SDU的正確傳送

　　（2）非確保操作：只通知是否出錯，具體的出錯處理由高層協議來完成

　　（4）AAL5（C/D類業務）

　　（5）信令AAL（SAAL）：專用來支持ATM信令消息的適配層

　　分為兩個子層：業務特定協調功能層（SSCF） 及業務特定連接型協議（SSCOP）

　　6.連接管理

　　連接管理屬于ATM的控制面，它的底層依靠SAAL，來保證數據傳輸的正確性。連接管理由U

　　NI信令 NNI信令來完成。

　　UNI信令規定了建立、維持及拆除B-ISDN UNI連接的過程，及過程中出現的消息和信息元

　　素格式，重大錯誤的處理方式以及所用到的定時器等。包含有UNI 3.1 及 ITU-T的Q.2931

　　（1）支持范圍

　　A.支持點到點連接，提供按需建立相關的ATM虛連接的業務，ATM UNI3.1 還支持點到多點連

　　接

　　B.提供SETUP，REQUEST，ANSWER，CLEAR等一系列信令消息，完成建立、維持和拆除一個虛連接

　　的過程；

　　C.基本的信令功能通過協議定義的消息、信息元素及相應的過程實現；

　　D.協議應支持建立滿足A類、C類、X類傳輸服務質量要求的虛連接。

　　E.信令的消息一個靜態的虛通路連接完成（VCI=5，VPI=0）

　　F.支持錯誤恢復，包括非致命的消息信元的錯誤、AAL層的錯誤、狀態查詢機制以及可選的

　　錯誤恢復級別

　　G.支持公共ATM地址和專用ATM地址；

　　H.支持端到端的參數設置

　　（2）ATM呼叫連接過程

　　運用消息進行呼叫連接，

　　（3）ATM地址操作

　　同IP地址的作用相似，目的在世界范圍內的ATM網格中標識一個ATM終端，

　　A.ATM地址的格式

　　長度為20字節，有3種格式，DCC ICD E.164

　　AFI DCCICDE.164 HO-DSP ESI SEL

　　利用HO-DSP進行分層選路，ESI在啟動時由ROM讀入IEEE MAC地址，ESI前的所有字段統稱為

　　網絡前綴，一個ATM終端處在不同的網絡時有不同的ATM地址所以需要特殊的地址注冊及解析

　　過程

　　B.注冊過程

　　每個終端啟動時，向交換機請求所在網絡的網絡前綴，然后將網絡前綴與ESI結合形成自己

　　的ATM地址，并向交換機進行注冊，以便交換機建立路由信息；

　　UNI用戶側（終端）ATM實體必須維護一個網絡前綴表，記錄所在網絡的網絡前綴；

　　UNI網絡側（交換機）ATM實體必須維護一個ATM地址表，記錄所有與之相連的終端地址；