第四章 数据交换技术
一、线路交换
线路交换的使用是通过网络中的节点在两个站之间建立一条特殊的线路，线路交换
通信方式包括建立连接、数据传输和断开连接。空分交换和时分交换主要用于线路交换
多种语章频率采用换技术。
总结线路交换的主要特点：
1. 线路交换是一种实时交换。就性能而言，在数据传输之前，通过传输建立呼叫有延迟
输送链路时有传输延迟，节点上的延迟很小，适用于实时(过程)<=200MS)话音要求高
通信
2. 通信前，用户应建立物理连接
3. 线路交换是预分配
4.时间交换技术
线路交换技术的缺点：
(1)在典型的用户/主机应用中，线路大部分时间都是闲置的。这样，在数据连接场合，线路
交换效率很低；
(2)在线路交换网络中，连接为传输提供了恒定的数据传输速率，因此需要连接两台
必须以相同的数据传输速率传输信号，这限制了主计算机互联网络的利用率；
二 报文分组交换
1.报文分组交换过程
将用户数据分成多个报文组，每个报文组上都附加一些控制信息，依次传递给路由上的每
每个节点简单存储后，传输到下一个节点；
报文分组交换的优点：
(1)线路利用率高；节点链路动态共享多个报文分组，等待报文分组尽可能排队
在链路上快速传输；
(2)报纸分组交换网络可以实现数据传输速率的转换；具有不同数据传输速率的站点可以在同一节点之间
采用适当的数据传输速率交换报文分组；
(3)线路交换网上通信量超载时，会出现通话堵塞；在线报文分组交换，报文分组
但传输延迟会增加；
(4)使用优先权；
2.报文分组交换方式
分为两种:数据报告和虚拟电路(结合第五章网络层内容)
(1)数据报：在报文分组交换网络中，每个报文分组都是独立处理的，称为数据报；
A.在发送数据之前，发送终端不需要直接与接收端连接，但发送的报纸分组应包括在内
发送端和接收端的全网站可以独立传输；
B.当每个报纸分组从一个节点传输到下一个节点时，必须选择路由；并将其发送到接收端
不能保证有序，需要接收端自行调整；
(2)虚拟电路:在报纸分组交换网络中，在源主机与目标主机通信前建立网络连接
A.在发送数据之前，发送端应该发送一个呼叫请求报文分组(呼叫请求分组)
该组包括源主机和目标主机的全网地址；
B.每次呼叫请求分组通过一个网络节点时，节点应记录虚拟电路号，并选择最佳路径
传输到下一个节点，并传输到目标接收端。如果同意，将呼叫请求分组传回源发送端；此时，连接
建立完毕
C.发送其他报纸分组，每个报纸分组包括传输数据和虚拟电路号，并建立虚拟电路
上传输；能保证接收端能够按顺序接收数据；
两种报文分组交换方式比较
数据报 虚电路
避免呼叫建立过程，适用于报纸分组数较少 可提供与报纸分组排序和误差控制 相关服务(确保有序正确到达)
灵活，可避免堵塞，选择其他路径 快速传输，每个报纸分组不需要路由选择 可靠，一个节点失效，可以另取路由
3.线路交换与报文分组交换的比较
延迟类型
(1) 传播延迟：从一个节点到下一个节点所需的时间；
(2) 传输时间：发送器发送数据块所需的时间；
(3) 节点延迟：节点在交换数据处理时花费的时间；
(一) 性能(延迟)
A.线路交换网络：发送端发出的呼叫请求信号通过每个网络传输到接收端
节点将有传输延迟和处理延迟，即建立连接路由时间，接收端同意接收和呼叫
信号发送到发送端，当呼叫接收信号传输时，不需要处理，延迟很小；接收数据后，向发送
发送确认信号，无需处理，延迟很小
B.虚拟电路报纸分组交换网络：传输延迟和每个节点处理
处理延迟，建立连接后，接收端发送的呼叫信号传输仍有延迟；接收端接收数据完成
确认信号发送到发送端，传输过程中仍有延迟；
C.数据报文分组交换网络：无需建立连接，因此没有连接延迟，但每个报文分组单独传输
在每个节点上，数据报告的处理时间比虚拟电路长；
还应包括网络规模、拓扑结构、负载类型和典型的交换特征
(二) 其他
A.线路交换本质上是一种透明的服务，一旦建立连接，站点之间就会有恒定的数据传输速率；
B.数据报告分组交换：数据到达的顺序将与传输不同
C.传输前必须将模拟数据转换为数字信号；
D.报文分组交换：每个报纸分组应包括信宿地址的附加位置
4.报文分组交换网的阻塞控制
(1) 简单地丢弃它
(2) 采用某种流量控制手段通过其相邻节点，但这可能会影响整个网络；
5. X.25协议(报文分组交换协议标准)
(1) 层次:(低到高)物理层——>链路层——>报文分组层分别对应OSI最低三层模型
A.物理层：
处理站点(计算机、终端 DTE)和(连接报文分组交换结点 DCE )链路之间的物理接口
规范说明为X.有时使用25标准EIA232标准
B. 链路层
以帧序列的形式可靠地在物理链路上传输数据；
标准 LAPB(链接访问协议-平衡标准) 是HDLC的一个子集
C.报文分组层
提供虚拟线路扩展服务。
当用户数据传输到报文分组层时，创建报文分组，即在用户数据前后添加控制信息，
然后传输到链路层，LAPB实体在报告文件分组前后添加控制信息LAPB帧；
(2) 虚拟电路服务
虚拟调用：动态建立的虚拟线路，使用调用建立再用调用清除；
永久虚拟电路：固定，由网络分配的虚拟电路，发生数据传输时使用虚拟调用，不调用
建立或清除过程；
(3)多路复用
一个DTE物理的DTE-DCE高达4095条共生虚拟电路可在链路上建立；DTE-DCE链路
全双工复用，
(4)流量控制(和HDLC相同)
每个数据报文分组包括发送的顺序号P(S)(3)和接收信号P(R)，
P(S) 指明DTE在虚拟电路基础上发送的报纸分组
P(R) 指出下一个预期从虚拟电路对方接收的报纸分组号，并带有响应模式
基本形式的错误控制 GO-back-N ARQ
(5)报文分组序列
两种报文分组：A报文分组和B报文分组
A报文分组完整。
三。帧中继
1.帧中继：在X.在发展的基础上，保存了25HDLC帧格式，但没有LDPB使用规程L
APD规程，在链路层中实现链路的再利用和转接，帧中继可以在没有网络层的情况下实现再利用链路层的再利用
送；
与X.关键区别在于25
(1)调用控制信号，使用与用户数据分离的逻辑连接来承载。
(2)多路复用和逻辑连接发生在第二层，而不是第三层，整个一层的处理被删除；
(3)取消节点间接流量和错误控制。
2. 帧中继网络的使用
(1)作为公共网络的接口:将帧中继网络的交换设备放在电信中心的中央控制室，用户只有
需要定期向电信中心支付一定的使用租金，避免网络设备的管理和维护；
(2)专用网络接口:用帧中继网络接口安装所有数据设备T多路选择器，在，
其他应用仅仅安装非帧中断的接口；
(3) 其他应用：
A.块交互数据：主要用于传输具有短延迟和大流量的高发辨率图形数据；
B.文件传送：一般用于传送长文件；
C.支持多个低速复用:利用帧中继多路复用的能力，为更多的低速应用提供经济服务
务；
D.字符交互：短帧、短延迟、低流量；
E.互联网域网：流水线特性特别适用于传输局域网产生的突发性、高速率和大流量
并尽量减少转换处理；
3. 帧中继的系统结构和数据帧格式
(1) 帧中继系统结构
遵从ISDN将终端和交换机的功能与信令分离的原则 与用户信息传输有关
与呼叫控制相关的U功能和C功能。
A.U面:通信网络中所有U功能的集合；提供端到端功能传输用户数据；保持网络入口
出口处的帧顺序确保重帧不交付，帧丢失率很小
采用数据传输协议CCITT Q.922建议的核心部分包括帧定界和透明传输，用地址字段实现帧
再利用和再利用、控制帧长、检测传输错误和控制拥塞等
B.C面：C功能集合；用户与网络之间的操作，用于建立、维护和释放连接；确保呼叫控制
在终端和本地服务交换机的呼叫控制过程之间可靠传输报文；
运载用户信令的链路层协议是Q.921
体系结构特点：将网络的处理工作减少到了最小程度。帧中继网络中的节点对用户帧不作处
理，只是抛弃发现有错帧，差错恢复由高层进行；
(2) 数据帧格式(与HDLC类似，但没有控制字段)
FLAG01111110 ADDRESS INFORMATION FCS FLAG01111110
ADDRESS扩展可包括以下字段
DLCI(高) C/R EA=0 DLCI(低) FECN BECN DE EA=1
FCS：检测链咱上出现差错的频度，用于网络管理
DLCI：数据链路连接标识符，当采用2个字节的地址时，DLCI占10比特，用于唯一地标识一
个虚连接。16…199 标识用户的交换虚连接和永久虚连接，922…1007用于运载链路层管理
信息；地址为3个字节…17比特，4个字节…24比特
C/R：命令/响应，与高层有关，帧中继不用；
EA：可扩展地址：0 表示下一个字节还是地址，1 表示地址结束
FECN：正向显示拥塞通知，将发往接收端帧的FECN置1，通知接收方网络阻塞，接收方一般
可以使用高层协议让发送端降低发送速率；
BECN：反向显示拥塞通知，在返回发送终端的帧中BECN置1，通知发送方网络阻塞，要求降
低发送速率；
DE：可以丢弃，1 表示当网络阻塞时，可以优先丢弃；
4.帧中继阻塞的控制方式
ITUT 1.370建议，帧中继阻塞控制的所需遵行的原则
(1)把帧丢弃减少到最少
(2)维持质量稳定的服务
(3)把一个端接用牺牲其他端接用户的代价垄断网络资源的可能性减少到最小；
(4)容易实现，使任一端接用户或网络上的额外开销减至最小；
(5)产生最低限度的附加性网络信息流量；
(6)网络资源公平地分发给端接用户；
(7)限制阻塞在网络内扩散；
(8)操作效率与通信量流时无关；
(9)在帧中继网络中，对其他系统的交互作用或影响到最小
(10)在阻塞期间对各个帧中继连接服务质量的影响减至最小；
四。异步传输模式(ATM)
分组交换：以分组为单位，在网络层上进行
帧中继：以帧为单位，在数据链路层上进行；
异步传输：以信元为单位，在数据链路层上进行，建立在大容量光纤介质基础上的，适用于
LAN和WAN；
1.ATM导入背景
(1)N-ISDN 窄带ISDN 以线路交换为基础，存在局限：
A.带宽有限，只能向用户提供最高为2MB/S的基群速率接口，
B.中断网种类繁多，在网络和用户系统中并用线路交换和分组交换，要求系统个有双重交
换模式的网络功能；
C.网络资源利用率不高：只具有基本速率和基群速率，适于支持速率高于64MB/S的业务类
型，对于低速率，网络资源浪费严重；
D.不易导入新业务：
(2)B-ISDN 要求的传输模式必须满足：
A.对信息的损伤要小
B.能灵活支持各种业务；
C.具有高速传送信息的能力；
D.简单易行
ATM以分组交换为基础，融合了线路交换的优点，克服线路交换中不能适用于各种速率业务
的缺点，简化了分组通信中的协议，并由硬件对简化的协议进行处理，
2.ATM的基本概念
ATM：本质上一种高速分组交换模式，它将语音、数据及图像等所有的数字信息分解成长度
一定的数据块，并在各数据前装配地址、丢失优先级等控制信息构成信元，空信元以一定的
速率发送，只要获得空信元即可插入信息发送，因信息插入位置无周期性，故称这种传输方
式为异步传输方式；因为需要排队等待空信元到来才能发送信息，所以ATM是以信元为单位
的存储转发方式，称为信元交换；
优点：有极高的灵活性；有高速传输及交换能力；支持广播协议
(1)网络结构-多级的交换网络结构
组成：ATM终端、ATM交换机、终端与交换机接口称为用户网络接口 UNI；交换机与交换机接
口称为NNI；
ATM网分为：公用ATM、专用ATM、ATM接入网
专用ATM网：网络规模小，不需要复杂严密的计费等管理规程，主要用LAN互联或直接构成
ATM LAN网；
公用ATM网：通过公用用户网络接口连接各专用ATM网和ATM资源
ATM接入网：在各种接入网中使用ATM技术，以提供端到端的宽带连接；
(2)ATM信元
由信元和信息段构成；信元来识别通路
规定长度的信元，53字节，信头5字节，信息段48个字节，
信头结构(UNI 与NNI信头不同处在第一行中，UNI为GFC\VPI，NNI为VPI)
GFC：一般流量控制，只用于UNI，置0000
VPI：虚通道标识，在一个接口上将多个虚通道集中组成一个虚通道(VP)，UNI中为8比
特，NNI中为12比特；
VCI：虚通路标识，标识虚通道内的虚通路，VPI/VCI共同标识一个虚连接；
PTI：承载类型指示，用于指明信元中的承载类型
CLP：信元丢失优先级：
HEC：信头差错控制，检测信头中错误；，可以纠正1比特错；另一个作用用于信元定
界；在物理层实现
(3)连接
ATM 是面向连接的，在数据交换前要前建立连接
支持的连接：虚通道连接，由网络管理系统以半永久方式分配；虚通路连接，通过信令动态
占有虚通道的资源，最多可有4096个虚连接；
3.ATM物理层
(1)ATM物理层分为PMD和TC(从下至上)，相当于OSI模型中的物理层和数据链路层；
(2)PMD：与物理介质直接相连的一层，主要传输介质是光纤，接口速率155.5MB/S/622MB/S
(3)TC：接收ATM层的信元，转换成能在物理介质传输的比特流，交给PDM层发送，或从PMD层
接收比特流，从中取出信元交ATM层
(4)传输过程
A.从ATM层接收信元：首先计算HEC，将信头的前4个字节左移8位，然后除多项式
X(8)+X(2)+X+1，得到的余数与01010101相加，得到HEC；将HEC插入到信头后，准备发送信
元，
B.从PMD子层中接收比特流：首先信元办
4. ATM层
(1) 在物理层之上，为各种业务提供信元传输功能，与OSI模型中的网络层相当，提供端到
端的数据传输。ATM层中识别和处理信头，功能分为三大类
A.信元复用/解复用：在ATM层与TC层的接口处完成，发送端ATM层将具有不同VPI/VCI的信元
不加区分地交给TC层发送；接收端ATM层从TC层接收信元，根据信元的VPI/VCI值，将各信元
送给不同的模块去处理；
B.信元传输：ATM层建立虚连接，虚连接是单向的，但在建立时总是在两个方向上同时建
立，并且使用相同的连接标识，因而将虚连接看成是全双工，不同方向上的连接
虚连接分为永久性虚连接(在ATM启动时根据配置信息建立起来的)；交换型虚连接(通过ATM
连接管理信令建立起来的)
C.流量控制和阻塞控制：流量控制的目的是控制进入网络的数据量，以尽量避免阻塞的发
生；阻塞控制的目的是当网络已经阻塞时，采取措施减少阻塞带来的影响，避免阻塞的进一
步加剧。两者的目的都是为了提高网络性能，保证业务的服务质量；
ATM层不提供任何应答机制，不进行差错控制，但保证信元的投递绝对是按顺序的；
(2) 描述流量和服务质量的参数：
A.峰值信元速率(PCR)：
B.可维持信元速率(SCR)：
C.最小信元速率(MCR)：
D.最大突发长度(MBS)：
E.允许的信元抖动容限(CDVT)à体现业条对时间特性的要求
F.峰值信元时延抖动：
G.最大信元传送时延：
H.信元丢失率：
I.信元错误率：
J.严重出错的信元块比例：
K.信元误入率：
5. ATM适配层(AAL)
位于ATM层和高层应用之间，它的目的是为应用程序提供所需的服务。专门为各种特
定业务提供服务。保留开放式的协议结构，允许引入新的AAL协议，
(1)AAL1：针对当前的线路交换业务，提出一种利用ATM网络传输话章及各类N-ISDN业务的方
法；特点：速率恒定，并且需要端到端定时
CS子层：直接将高层产生的恒定比特率的AAL-SDU作为CS-PDU；
SAR子层：记录数据在SAR-PDU的位置，
(2)AAL2：没有具体的实现格式，对于可变比特采用AAL5进行适配，或通过速率娈换后采用
恒定比特率的AAL1进行适配；
(3)AAL3/4：将CS子层分为公共部分CS(CPCS)和业务特定CS(SSCS)，CPCS与业务无关，所有业
务的CPCS相关，SSCS根据具体业务而定；
支持两种业务模式：
(1) 消息模式MM(Message Mode)：每次装载一个数据块，数据块的长度可定长或不定长在AA
L中进行分段和组装；
(2) 流模式SM(Streaming Mode)：以字符流方式将要发送的由AAL层，数据没有起始边界
对于两种模式的操作有两种：
(1)确保操作：通过重传出错或丢失的SSCS-PDU来确保每个AAL-SDU的正确传送
(2)非确保操作：只通知是否出错，具体的出错处理由高层协议来完成
(4)AAL5(C/D类业务)
(5)信令AAL(SAAL)：专用来支持ATM信令消息的适配层
分为两个子层：业务特定协调功能层(SSCF) 及业务特定连接型协议(SSCOP)
6.连接管理
连接管理属于ATM的控制面，它的底层依靠SAAL，来保证数据传输的正确性。连接管理由U
NI信令 NNI信令来完成。
UNI信令规定了建立、维持及拆除B-ISDN UNI连接的过程，及过程中出现的消息和信息元
素格式，重大错误的处理方式以及所用到的定时器等。包含有UNI 3.1 及 ITU-T的Q.2931
(1)支持范围
A.支持点到点连接，提供按需建立相关的ATM虚连接的业务，ATM UNI3.1 还支持点到多点连
接
B.提供SETUP，REQUEST，ANSWER，CLEAR等一系列信令消息，完成建立、维持和拆除一个虚连接
的过程；
C.基本的信令功能通过协议定义的消息、信息元素及相应的过程实现；
D.协议应支持建立满足A类、C类、X类传输服务质量要求的虚连接。
E.信令的消息一个静态的虚通路连接完成(VCI=5，VPI=0)
F.支持错误恢复，包括非致命的消息信元的错误、AAL层的错误、状态查询机制以及可选的
错误恢复级别
G.支持公共ATM地址和专用ATM地址；
H.支持端到端的参数设置
(2)ATM呼叫连接过程
运用消息进行呼叫连接，
(3)ATM地址操作
同IP地址的作用相似，目的在世界范围内的ATM网格中标识一个ATM终端，
A.ATM地址的格式
长度为20字节，有3种格式，DCC ICD E.164
AFI DCCICDE.164 HO-DSP ESI SEL
利用HO-DSP进行分层选路，ESI在启动时由ROM读入IEEE MAC地址，ESI前的所有字段统称为
网络前缀，一个ATM终端处在不同的网络时有不同的ATM地址所以需要特殊的地址注册及解析
过程
B.注册过程
每个终端启动时，向交换机请求所在网络的网络前缀，然后将网络前缀与ESI结合形成自己
的ATM地址，并向交换机进行注册，以便交换机建立路由信息；
UNI用户侧(终端)ATM实体必须维护一个网络前缀表，记录所在网络的网络前缀；
UNI网络侧(交换机)ATM实体必须维护一个ATM地址表，记录所有与之相连的终端地址；