第2章7数据交换技术8

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,2.7,信息交换技术,2.7.1,交换的概念,2.7.2,交换的基本功能,2.7.3,常用的交换技术,2.7.1,交换的概念,对于点到点的通信，只要在通信双方之间建立一个连接即可。而对于点到多点或多点到多点的通信（也就是具有多个通信终端），最直接的方法就是让所有通信方两两相连，如图,2.71,（,a,）所示。这样的连接方式称为全互连式。当存在,N,个终端时需要,N,（,N-1,）,/2,条连线，连线数量随终端数的平方而增加。,图,2.71,通信终端连接方式示意图,图,2.71,通信终端连接方式示意图,能够将多个输入和多个输出随意（一般是两两连通或切断）连通或切断的设备就叫交换机。,引入交换设备后，交换设备就和连接在其上的用户终端设备以及它们之间的传输线路构成了最简单的通信网，并可由多个交换设备构成实用的大型通信网，如图,2.72,所示。处于通信网中的任何一台交换设备都可以称为一个交换节点。,图,2.72,通信网示意图,图中直接与电话机或终端连接的交换机称为本地交换机或市话交换机，相应的交换局称为端局或市话局；仅与各交换机连接的交换机称为汇接交换机。当距离很远时，汇接交换机也称为长途交换机。用户终端与交换机之间的线路称为用户线，交换机之间的线路称为中继线。,对于一个交换节点，至少应具备下述功能：,(1),能正确接收和分析来自,U,N,I,或,NN,I,的呼叫信令；,(2),能正确接收和分析来自,U,N,I,或,NN,I,的地址信令；,(3),能按照目的地址正确地进行路由选择并通过,NN,I,转发信号；,(4),能控制连接的建立；,(5),能按照要求拆除连接。,2.7.2,交换的基本功能,2.7.3,常用的交换技术,从,100,多年前最早应用于电话网的线路交换开始，经过人们的不断努力，现在交换技术已经从单一方式发展为多种形式，如线路交换、报文交换、分组交换、,ATM,交换等。,2.7.3.1,线路交换,线路交换（也叫电路交换）是在信息（数据）的发送端和接收端之间，直接建立一条临时通路，供通信双方专用，其它用户不能再占用，直到双方通信完毕才能拆除。其特点是直接由物理链路连通，没有其它用户干扰、没有非传输时延；缺点是通路建立时间较长，线路利用率不高（也就是长途电话费用高的原因）。该方式适合大数据量的信息传输。,线路交换分三个阶段：,（,1,）线路建立阶段：该阶段的任务是在欲进行通信的双方之间，各节点（电话局）通过线路交换设备，建立一条仅供通信双方使用的临时专用物理通路。,（,2,）数据传输阶段：通信双方的具体通信过程（数据交换）在这个阶段进行。,（,3,）线路拆除阶段：通信完毕后，必须拆除这个临时通道，以释放线路资源供其它通信方使用。,如图,2.73,（,a,），节点,B,、,D,、,E,为,A,、,F,两点提供一条直接通路。图,23,（,b,）给出了线路交换的线路建立和数据传输过程。,图,2.73,线路交换过程示意图,2.7.3.2,报文交换,报文交换不像线路交换那样需要建立专用通道。它的原理是，信源将欲传输的信息组成一个数据包，我们称作报文。该报文上写有信宿的地址。这样的数据包送上网络后，接收到的节点先将它存在该节点处，然后按信宿的地址，根据网络的具体传输情况，寻找合适的通路将报文转发到下一个节点。经过这样的多次存储,转发，直至信宿，完成一次数据传输，这种节点存储,转发数据的方式称为报文交换。,图,2.74,报文交换过程示意图,报文交换的主要优点是：,(1),报文是以存储转发方式通过交换机。没有电路接续的延时。,(2),在报文交换不需要建立专用通路，来自不同用户的报文可以在一条线路上以报文为单位进行多路复用，提高了线路的利用率。,(3),用户不需要叫通对方就可以发送报文，如果需要，同一报文可以由交换机转发到许多不同的收发地点。,报文交换的主要缺点：,(1),由于每个节点在收到来自不同方向的报文后，都要将报文先排队，再转发，因此产生的时延大，不利于实时通信。,(2),一般要求配备大容量的磁盘和磁带存储器，导致交换机的设备比较庞大，费用较高。,(3),报文交换不适合进行实时传输或交互式通信。一般只适用于公众电报和电子信箱业务。,2.7.3.3,分组交换,线路交换不利于实现数据终端设备之间的相互通信，报文交换信息传输时延又太长，分组交换技术较好地解决了这些矛盾。,分组交换类似于报文交换，其主要差别在于：分组交换是数据量有限的报文交换。为区分这两种交换方式，把小数据包（即分组交换中的数据传输单位）称为分组（,Packet,）。,数据分组在网络中有两种传输方式：数据报（,Datagram,）和虚电路（,Virtual Circuit,）。数据报,该方式非常像报文交换，是一种无连接型的服务。,每个分组在网络中的传输路径与时间完全由网络的具体情况而随机确定。因此，会出现信宿收到的分组顺序与信源发送时的不一样，先发的可能后到，而后发的却有可能先到。,数据报的好处在于对网络故障的适应能力强，对短报文的传输效率高。主要不足是离散度较大，时延相对较长。,图,2.75,分组交换过程示意图,在图,2.75,中，,A,点将信息数据打成,4,个包，包,1,、包,2,沿,ABDE F,传输；包,3,沿,ABEF,传输；包,4,沿,ABCEF,传输。,4,个包沿不同的路径传输，在途中就可能产生不同的时延，致使到达,F,点时的顺序与,A,点发送时的顺序不同，比如，到达顺序可能是包,3-,包,4-,包,1-,包,2,，而,F,点的,PAD,就会根据各包上的信息将顺序调整过来。,虚电路,其交换方式类似于电路交换。在发送分组前， 需要在通信双方建立一条逻辑连接。,但它们在过节点时并不能直通，仍要像报文交换那样，存储、排队、转发，不过它的时延要比数据报小得多。各分组将沿同一路径在网中传送，到达次序和发送的次序相同。,在虚电路连接中，网络可以将线路的传输能力动态分配，终端在暂时无数据发送时依然保持这种连接，但它并没有独占网络资源。,虚电路因其实时性较好，故适合于交互式通信；数据报更适合于单向传输短信息。,虚电路方式的优点是：,(1),数据接收端无需对分组重新排序，时延小。,(2),可为用户提供永久虚电路服务，在用户间建立永久性的虚连接，用户就可以像使用专线一样方便。,虚电路方式的不足之处在于虚电路如果发生意外中断时，需要重呼叫建立新的连接。,分组交换主要有以下特点：,(1),数据采用固定的短分组，不但可减小各交换节点的存储缓冲区大小，同时也使数据传输的时延减少。,(2),基于统计时分复用方式，可以不建立连接，也可建立连接，连接为逻辑连接（虚连接）；,(3),分组交换也意味着按分组纠错，接收端发现错误，只需让发送端重发出错的分组，而不需将所有数据重发，这样就提高了通信效率。,(4),有时延，实时性差，不能保证通信质量；,(5),一般用于数据交换，也可用于分组话音业务；,(6),当节点使用分组交换技术，可构成分组交换网。,传统分组交换使用的最典型的协议就是著名的,X.25,协议。分组交换技术是最适于数据通信的交换技术。,分组交换是线路交换和报文交换相结合的一种交换方式，它综合了线路交换和报文交换的优点，并使其缺点最少。,2.7.3.4,异步转移模式,ATM,1.ATM,的概念,电路传送模式也叫同步转移（传输）模式（,STM,，,Synchronous Transfer Mode,）。,STM,源于同步时分技术，以周期性重复出现的时隙作为信息载体，在收、发两端之间建立一条传输速率固定的信息通路。在通信过程中不论是否发送了信息，该通路（时隙）为某呼叫所独占。,STM,系统最适合处理像数字电话网那样的速率单一的信息。此外，,STM,也不适合处理像计算机通信那样突发性很强的信息数据。,ATM,克服了,STM,不能适应任意速率业务的缺点；简化了分组通信中的协议，交换节点不再对信息进行流控和差错控制，从而极大地提高了网络的传输处理能力。,概括地说，,ATM,是一种基于信元、面向连接、全双工、点到点的,使用异步时分复用技术进行数据传输的协议。,2.,ATM,的信元,ATM,不管信息的内容和形式，它简单地把欲传输的信息（数据）分割成相同长度的分组，即信元。这种分组操作称为,“,分割,”,。因此，我们给信元下一个定义：所谓信元是一种对长度较小且固定的数据分组或数据帧的别称。,ATM,将话音、数据和图像等所有的数字信息分解成长度一定的数据块，并在各数据块之前装配地址等控制信息（即信头,H,：,Header,）构成信元（,Cell,）。只要获得空信元随即可以插入信息发送出去。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传送方式。由于,ATM,信元非常小，传输和交换时的处理时延也非常小，因此可以很好地保证通信的实时性。,ATM,的信元具有固定长度的,53,个字节，其中,5,个字节为信头（,Header,）,信头中包含各种控制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址、其它一些维护信息、优先级别以及信头的纠错码。剩下的,48,字节是信息段（,InformationField,），又称为净载荷或有效载荷（,Payload,）。信息段中包含来自各种不同业务的用户信息，比如数据、语音和图像等。,图,2.76 ATM,信元格式,信元各字段内容含义如下：,(1)GFC,（,Generic Flow Control,）：一般流量控制，,4,比特，在,NN,I,中没有,GFC,。,(2)VPI,（,Virtual Path Identifier,）：虚通路标识，在,U,N,I,中为,8,比特，在,NN,I,中为,12,比特。,VPI,属路由信息。,(3)VCI,（,Virtual Channel Identifier,）：虚信道标识，,16,比特。,VCI,属路由信息。,(4)PT,（,Payload Type,）：净荷类型，,3,比特，可以指示,8,种净荷类型，其中,4,种为用户数据信息类型，,3,种为网络管理信息，还有,1,种目前尚未定义。,(5)CLP,（,Cell Loss Priority,）：信元丢弃优先权，当传送网络发生拥塞时，首先丢弃,CLP=1,的信元。,(6)HEC,（,Header Error Control,）：信头差错控制码，,HEC,是一个多项式码，用来检验信头的错误。,3. ATM,的连接,ATM,由于采用面向连接的工作方式，因此工作时必须建立连接，但其连接为逻辑连接，即虚电路方式。在,ATM,虚电路中包含两种连接形式，它们是虚信道连接,VCC,和虚通路连接,VPC,。,在一个物理信道中，可以包含一定数量的虚通路,(VP,，,Virtual Path,），其数量由信头中的,(VPI,，,Virtual Path Identifier,）值决定。,而在一条虚通路中可以包含一定数量的虚信道,(VC,，,Virtual Channel,），虚信道数量由信头中的,VCI,（,Virtual Channel Identifier,）值决定。,可见，一条物理信道（传输介质）能够分为多条虚通路，而一条虚通路又可分为多条虚信道。虚信道连接的作用是为,ATM,信元传输建立一条虚电路。,ATM,虚信道是具有相同,VCI,标记的一组,ATM,信元的逻辑集合。,图,2.78 VP,、,VC,示意图,4.,ATM,的复用,ATM,最突出的特征是异步时分复用，采用的复用方式为标记复用，也叫统计复用（,Statistic Multiplex,）。它把具有固定长度的信息块（信元包）装入具有长度相同的连续时隙之中，如图,2.79,所示。来自不同信息源的信元汇集到一个缓冲器内排队，队列的输出是根据信息到达的快慢随机插入到,ATM,复用线上，因而具有很大的灵活性，使得各种业务按其实际信息量来占用网络带宽，,图,2.79 ATM,复用原理,从工程和技术的角度看，,ATM,具有如下的优点：,(1),适应性强，以定长信元（,Cell,）载送信息，使任意速率的数据均在同一个网内传输和交换。,(2),有效利用资源，集电路交换和分组交换于一体，其按需分配带宽的交换型电路使网络的接入更加灵活。,(3),由于信头功能简单，可实现高速信元头处理，一般,ATM,交换机的交换时延在,100,1000s,之间，与分组交换,20ms,的交换时延相比，可以忽略不计。,(4),信元的信息域相对小，可降低交换节点的缓冲器容量，减少排队时延，可用于实时性业务。,(5)ATM,取消了逐段链路的差错控制和流量控制，降低了它们给网络带来的复杂性。,2.8,通信网,通信网,是指多用户通信系统在一定的范围相互连接构成的通信系统。通信网以通信设备和交换设备为点，以传输设备为线，并按一定的顺序点线相连构成有机组合的系统。完成多个用户对多个用户的通信。,2.8.1,通信网组成,构成通信网的基本要素是：终端设备、传输链路和转接交换设备。,其中，终端设备是通信网中的源点和终点。,终端设备的主要功能,，是把输入信息变换为适宜于在信道中传输的信号，并参与控制通信工作。对应不同的通信业务有不同的终端。如电话业务的终端设备是话机终端；传真业务的终端是传真终端；数据业务的终端是数据终端；此外还有图像通信终端、移动通信终端和多媒体终端等等。,传输链路,是网络节点的连接媒介，是信息和信号的传输通路。它由传输介质和各种通信装置组成。传输链路具有波形变化、调制解调、多路复用、发信和收信等功能。传输介质分为有线或无线传输线路，如：明线、电缆、载波传输线路、,PCM,传输系统、数字微波传输系统、光纤传输系统和卫星传输系统等等。,转接交换,设备是是通信网的核心。其主要功能有交换、控制、管理机执行等。对于不同业务的网路的转接交换设备的性能要求是不同的。,2.8.2,通信网分类,通信网有不同的分类方法，常见的有以下几种：,按照运营方式分，有公用网和专用网。,按照网络服务范围分，有市内网、长途网和国际网等。,按照业务范围分，有电话通信网、数据通信网和广播电视网等。,2.8.3,通信网拓扑结构,一、,星型网,：,每一个终端均通过单一的传输链路与中心交换接点相连。如图（,a,）示，星型网具有结构简单、建网容易且易于管理的特点。缺点是线路利用率低，安全性差。,二、,总线型网,：,如图（,b,）示，通过总线把各个节点连接起来，从而形成一个共享信道。其结构简单扩展方便。,三、,环型网,：,如图（,c,）示，各节点用闭合环路形式组成。这种结构常用于计算机通信网，有单环双环之分。,四、,树型网,：,是一种分层结构，适用于分级控制的系统，如图（,d,）示，其优点是节省线路，降低成本和易于扩展，缺点是对高层节点和链路的要求较高。,五、,网型网,：,即全互连网。特点是安全性高，链路数多（,n,个节点具有,1/2nn-1,条链路）。如图（,e,）,六、,复合型网,：,该网络结构是现实中最常见的一种形式。其特点是将其特点是将网型网和星型网结合。在通信容量大的区域采用网型网，而在局域区域内采用星型网，这样既保证了网络的可靠性又节省了链路。,(f),(e),网型网,(c),环型网,(b),总线型网,(f),复合型网,(d),树型网,图,2.8-1,网络的拓扑结构,(a),星型网,2.8.4,电力系统通信中常用通信网,电力系统通信网中常见的通信网络有：电话交换网络、电力数据网、电视电话会议网、企业内联网等。其中，,一、电力电话交换网,。,我国电力电话网有三级长途交换中心和一级本地网端局组成四级结构。其中一、二、三级的长途交换中心构成长途电话网，由本地网端局和按需要设置的汇接局组成本地电话网。一级交换中心是国家电力（国网）通信中心，二级交换中心是网（区域网公司）局交换中心，三级交换中心是省（省公司）级交换中心。电力系统交换网是专用交换通信网，其作用是传输和交换电力调度人员的操作命令、经济调度、处理事故、行政管理等信息，是确保电力系统安全生产，稳定、经济运行的重要指挥调度工具。,二、,电视电话会议网,。,会议电视系统是依托计算机网络在异地的多个会场召开电视会议系统。其国际标准为,H.32x,。我国幅员辽阔，选择会议电视系统可减轻交通压力及减少经费开支。,在我国，会议电视系统的应用有两种形式：一是由中国电信经营的以预约租用方式使用的公用会议电视系统，系统覆盖所有省会及主要地级城市。需要召开电视会议的单位事先进行预约，电视会议在中国电信的会场进行。二是组建专用系统。,建设会议电视系统时需要考虑这样一些关键因素：,需求分析，包括业务要求、系统规模、安全要求、功能性能要求、可靠性和预算控制等；,采用何种制式（协议）系统，是,H.320,还是,H.323,；,使用何种网络类型，是电路交换网络还是分组交换网络，网络运行费用是否可以承受。,下面就上述几种因素进行具体介绍，以供选择会议电视系统时参考。,（一）会议电视系统的制式,对电力企业专用会议电视系统而言主要面临两种选择：一是选择由,H.320,协议实现的专用系统；二是选择由,H.323,协议实现的开放式系统。就目前来讲两种系统各具优点与不足，下面分别进行介绍。,（,1,）,H.320,系统,H.320,协议的系统类似于传统广播电视系统。其相同之处在于，网络上传输的同小信号与视频信息依然严格按照时序进行，若网络时延经常处于不确定的变化之中，则将使接收的电视信号轻者出现扭曲，重者图像则被完全破坏，因此该系统严格要求网络传输时延小且确定。不同之处在于,H.320,系统传送接收的图像和语音为数字化信息。,H.320,协议第,1,版于,1989,年推出，目前使用的是第,2,版。经过多年来的发展与实践，无论是功能性能。还是在工程实施与系统可靠稳定运行方面，该系统都已十分成熟，在企业专业会议电视系统领域特别是在大型的关键系统中占据统治地位。基于,H.320,的会议电视系统具有如下特点：利用电路交换网络组成系统，包括,DDN,、卫星电路、,ISDN,等时延很小且确定的电路类型；通信带宽通常为,384,2048kbit,s,；属于专用系统，不同厂商的系统不能互通；功能、性能完整，有大型系统实施运行经验，系统成熟。,（,2,）,H.323,系统,H.323,是支持在分组交换网络进行多媒体通信的协议。国际电联（,ITU-T,）于,1996,年推出了,H.323,协议第,1,版，,1998,年推出第,2,版，现在又在讨论第,3,版。,基于,H.323,协议的系统技术特征是，允许在网络时延不确定的平台上运行。显然该系统应支持随网络时延变化而调节帧的传输速率，电视终端能自动调节帧的显示速率。即系统能够自适应网络时延的不确定性。,H.323,协议的推出符合,IP,统一一切、在开放式网络平台和应用平台上进行互连互通的国际发展趋势，受到了广大用户和设备厂商的欢迎，系统与设备的发展十分迅速。这种系统既适用于广域网提供正式会议室，又适用于局域网在桌面系统使用的基于,H.323,的开放式系统。,基于,H.323,协议的系统有如下特点：利用分组交换网络组成系统，如,IP,网络、帧中继、,ATM,等，时延不确定，但有一定带宽质量保证；通信带宽可达,2Mbit,s,，但通常使用在,384kbit,s,以下（如,128kbit,s,）；,IP,协议从理论上保证了不同厂商的系统在不同类型网络之间互连互通；协议，技术和系统正在发展之中。,总之，是选择成熟但是封闭的,H.320,系统，还是选择技术仍在成熟中的、但却是未来发展方向的,H.323,系统，在目前来看，仍然是个复杂的难以把握的问题，它涉及用途、功能性能、安全、系统成熟程度、费用等因素。,（,二）会议电视系统的网络,（,1,）支持,H.320,系统的网络,原则上只要是提供电路交换形式的网络均可支持,H.320,。其中，,DDN,电路、卫星电路的特点是：专用网络；网络时延小（通常在数,10ms,以内），而且为确定时延；通常使用,384kbit,s,带宽就可组成具有较好质量的会议电视系统；采用星型或者树型网络结构支持会议电视系统。,ISDN,电路的特点是：采用公用交换电话网络通过拨号方式实现通信；通信速率,128kbit,s,（,2B,信道）；可以使用多个,2B,信道以支持高速通信，但对信道质量要求很高；通常用来支持点对点或小规模电视会议。,（,2,）支持,H.323,系统的网络,基于,H.323,的视频终端通常通过局域网络经,IP,（路由器）网络进行通信，因此除上述支持,H.320,的网络可以使用外，还可使用帧中继和,ATM,网络（国内的,X.25,网络因为时延通常在,800ms,，甚至更大，故对图像质量有较高要求时通常不予考虑）。对会议电视系统影响较大的因素主要是带宽和时延。,利用,DDN,组织,H.323,会议电视系统的特点如下：通信带宽通常为选定的会议电视设备速率（如,384kbit,s,），再加上必要的,IP,开销（一般为,20,）；系统需要使用网闸以进行系统的呼叫建立与拆除、网络带宽控制等。,帧中继网络（,ATM,特性优于帧中继网络，故不再介绍）除具有,DDN,电路特性外，还具有：网络时延一般在数十至数百毫秒，且不确定；通信基本带宽（,CIR,参数）为会议电视终端设备速率加上,20,左右的,IP,开销，还应再考虑由,IP,分组变成帧中继分组所增加的少量开销。,最为重要的是，无论是在,DDN,还是在帧中继网上组织,H.323,会议电视系统，都需要按照循序渐进方式实施，特别是较大规模系统的工程实施。,国家电力公司会议电视系统一期工程于,2001,年,3,月建成，开通了省级以上的,22,个点。同时实现了和原有的,8,个省局会议电视终端的互联互通。,三、电力数据网,主要用于传输不同的数据业务，如：远动、保护、,IP,数据流等。一般要求电力数据网具有：较高的可靠性；开放性；实时性。,