【正文】 第四章 交換方式及交換網(wǎng) 電路交換網(wǎng) 分組交換網(wǎng) – 數(shù)據(jù)報交換網(wǎng)絡(luò) 分組交換網(wǎng) – 虛電路交換網(wǎng)絡(luò) 虛電路網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)的比較 IP地址 IPv4編址系統(tǒng) IPv6編址系統(tǒng) （暫時沒寫，還講嗎？） 因特網(wǎng)協(xié)議 IPv4協(xié)議 協(xié)同IPv4工作的協(xié)議 IPv6協(xié)議 （暫時沒寫，還講嗎？） IPv4向IPv6的轉(zhuǎn)換（暫時沒寫，還講嗎？） 路由算法和路由協(xié)議 分組的轉(zhuǎn)發(fā) 路由表 路由協(xié)議（暫時沒寫，還講嗎？） 擁塞和擁塞控制 擁塞的概念 擁塞控制措施注：如果目錄中現(xiàn)在缺的部分都補齊的話，8個課時（原設(shè)計為6個課時，從第三章借兩個課時）肯定不夠用?，F(xiàn)在已經(jīng)整理的內(nèi)容中可以去掉的只有“電路交換機的結(jié)構(gòu)”這部分。但是課時應(yīng)該還是不夠。各位老師的意見呢？交換技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)中的一個十分重要的問題。為什么要用交換設(shè)備？簡單的講就是為了節(jié)省傳輸線路。在交換網(wǎng)中，有些交換節(jié)點直接和端設(shè)備相連（例如計算機或電話），有些僅僅是為了路由。如圖41所示，如果不使用交換設(shè)備，10個設(shè)備之間采用直接相連，則共需條鏈路。在廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)中，將所有端設(shè)備直接相連是不可能的。交換節(jié)點將兩個或多個節(jié)點連接在一起，在他們之間產(chǎn)生臨時連接。圖41 交換網(wǎng)絡(luò)根據(jù)交換的方式和交換的特點，可以把交換分為3類：電路交換、報文交換和分組交換（包交換）。分組交換又分為兩種形式：數(shù)據(jù)報和虛電路。 用數(shù)據(jù)交換的形式來命名網(wǎng)絡(luò)，就得到電路交換網(wǎng)，分組交換網(wǎng)和報文交換網(wǎng)。其中分組交換網(wǎng)又進一步劃分兩個子類：虛電路網(wǎng)和數(shù)據(jù)報網(wǎng)。電話網(wǎng)采用電路交換，電報網(wǎng)是報文交換，計算機網(wǎng)絡(luò)采用包交換。目前報文交換已基本不用，因此重點討論電路交換和分組交換。圖421．電路交換網(wǎng)l 電路交換網(wǎng)組成 電路交換網(wǎng)是由物理鏈路連接的一組交換機組成的，每條鏈路用FDM或TDM劃分成n個通道，每次連接僅使用每條鏈路上的一專用通道。圖表示一個有四個交換機和四條鏈路的電路交換網(wǎng)絡(luò)每條鏈路用FDM或TDM劃分成n（=3）個通道。，l 三個階段 252。 連接建立階段 在雙方通信之前，交換機之間建立專用通道的過程。當(dāng)端系統(tǒng)A需要與M通信時，它發(fā)送一個含有M地址的連接請求給交換機I。交換機I發(fā)現(xiàn)它與交換機這個連接請求必須被所有交換機接受包括M 本身的交換機Ⅳ有專用通道，然后。（見書）252。 數(shù)據(jù)傳輸階段252。 拆除階段例題【41】：一個小例子。8臺電話機通過一個小型電路交換網(wǎng)絡(luò)連接。信道為4kHz的音頻信道。假設(shè)鏈路均采用頻分復(fù)用FDM，可以同時容納最大兩個音頻信道。因此，每條鏈路（或者連接）的帶寬為8kHz。如圖43。電話1與電話7相連，2和5相連，3和8相連，4和6相連。如果有新的終端加入，連接則可能發(fā)生變化。交換機控制連接。圖43例題41的電路交換網(wǎng)例題【42】：某公司兩個距離很遠的辦公室的計算機通過電路交換網(wǎng)絡(luò)相連。相連的鏈路是租借某通信服務(wù)商的專用線路。網(wǎng)絡(luò)中有兩個4 8的交換機（4個輸入，8個輸出）。對于每一個交換機，8個輸出中有4個輸出與輸入交叉連接，以完成同一個辦公室里的計算機之間的通信。如圖44所示。圖44 例題42的電路交換網(wǎng)l電路交換網(wǎng)的性能? 低效252。 連接期間信道容量固定且專用（必須為必須為建立的連接保留交換容量和信道容量）252。 如果無數(shù)據(jù)，容量浪費252。 建立 (連接) 花費時間（必須有足夠智能完成容量分配和路由選擇）? 一旦連接, 傳送是透明的? 為話音通信量 (電話)開發(fā)延遲盡管效率低，但這種網(wǎng)絡(luò)的延遲最小。整個延遲的組成：建立連接需要的時間、數(shù)據(jù)傳輸需要的時間、拆除電路的時間每一階段延遲的組成：由建立所引起的延遲是四部分的和：原計算機請求的傳播時間（第一個灰色框的斜度），請求信號的傳輸時間（第一個灰框的高度），目的計算機確認(rèn)的傳播時間（第二個灰框的斜度）和確認(rèn)信號的傳輸時間（第二個灰框的高度）。數(shù)據(jù)傳輸延遲是兩部分的和：傳播延遲（淺灰色框的斜率）和數(shù)據(jù)傳輸時間（淺灰色框的高度）拆除電路延遲：第三個框表示。圖45中表示接收方請求撤銷連接，產(chǎn)生的最大延遲。 圖45電路交換的延時2． 電路交換機的結(jié)構(gòu)（1）空分交換機最初為模擬通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，現(xiàn)在即可用于模擬通信網(wǎng)，又可用于數(shù)字通信網(wǎng)。發(fā)展歷史 Crossbar 交換（縱橫交換，開關(guān)矩陣交換？）：crossbar 交換將n個輸入和m個輸出以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連接起來，每個交叉節(jié)點為電子微開關(guān)（晶體管），見圖46。此種交換機的主要限制是位于交叉節(jié)點的晶體管的數(shù)目。N個輸入，m個輸出，需要nm個節(jié)點。例如，用crossbar將1000個輸入和1000個輸出連接起來，需要1，000，000個交叉節(jié)點。具有如此大數(shù)目的交叉節(jié)點的縱橫交換開關(guān)無法實現(xiàn)。而且，即便能夠制造，使用效率也不高。任意時刻大概只有低于25%的交叉節(jié)點處于使用狀態(tài)，其他均為空閑狀態(tài)。圖46 三個輸入，四個輸出的crossbar交換Multistage 開關(guān)（多級開關(guān)）：可以解決輸入輸出數(shù)目較大時交叉結(jié)點過多的問題。多級開關(guān)使用多級縱橫交換開關(guān)，一般為3級。如圖47所示。在一個縱橫交換開關(guān)中，對于任何一次連接，只使用一行或一列交叉節(jié)點。這樣，如果能夠通過設(shè)計，使得一次連接中可以利用多行或多列交叉節(jié)點，則可以減少中的交叉節(jié)點的數(shù)目。如圖47的三級結(jié)構(gòu)，處于中間的縱橫交換開關(guān)可以被第一級和第三級的縱橫交換開關(guān)的多個交叉節(jié)點使用。（這個怎么形容？）圖47多級交換開關(guān) 圖47中的三級縱橫交換行列節(jié)點數(shù)可以按如下步驟設(shè)計：1) 將N個輸入分成組，每組n條輸入。每一組，縱橫交換開關(guān)大小為nk，k是中間一級的縱橫開關(guān)的個數(shù)。換句話說，第一級有N/n個縱橫交換開關(guān)，每個縱橫交換開關(guān)有nk個交叉節(jié)點。2) 中間一級有k個縱橫交換開關(guān)，每個的尺寸是（N/n）（Nn）個交叉節(jié)點。3) 第三級有N/n個縱橫交換開關(guān)，每個的尺寸是kn交叉節(jié)點個。三級縱橫交換開關(guān)的交叉節(jié)點數(shù)為 （41）例題【43】設(shè)計三級縱橫交換開關(guān)，200200（這個是指輸入為200，輸出為200嗎？）的交換開關(guān)（N=200），k=4，n=20求解：第一級有200/20=10個縱橫交換開關(guān)（204），第二級4個（1010），第三級10個（420）。總的交叉點的數(shù)目是2000，只占實現(xiàn)同樣功能的單級縱橫交換開關(guān)交叉點（200200=40000）的5%。注：但是可能存在阻塞多級縱橫交換開關(guān)有一個缺點，交換量大時可能造成阻塞（指的是由于中間級的交換的不可用導(dǎo)致的輸入無法跟輸出建立連接的時間）。單級縱橫交換開關(guān)不會阻塞。Clos準(zhǔn)則：滿足可以避免阻塞發(fā)生。下面的公式怎么算出來的？假設(shè)N的數(shù)目一定，根據(jù)Clos準(zhǔn)則，計算不發(fā)生阻塞情況下的n的最小值。則應(yīng)該將帶入式（81），此時只有一個變量n，對n求導(dǎo)，使一階導(dǎo)數(shù)為零的n即為極值?？墒俏宜悴怀鰜恚t總的交叉點的數(shù)目。例【44】：重新設(shè)計前例，200200交換開關(guān)，使用Clos準(zhǔn)則，使總的交叉點數(shù)最少。解：英文教材230頁（2）時分交換機時分交換機使用時分復(fù)用技術(shù)。常用的方法稱作時隙互換（timeslot interchange）（TSI）圖48 時分交換圖48中包含時分多路復(fù)用開關(guān)以及RAM（用來存儲時隙數(shù)據(jù)）。左側(cè)的A,B,C,D為四臺終端需要發(fā)往右側(cè)的時隙數(shù)據(jù)。該時隙數(shù)據(jù)所需到達的目的終端在右側(cè)以同樣的字母標(biāo)出，即13，24，31，42。RAM用以按順序暫存接收的時隙數(shù)據(jù)?？刂茊卧獩Q定RAM中的時隙數(shù)據(jù)發(fā)出的順序（即，可能與接收的順序不同嗎？）。（3） 組合時分空分交換圖49 組合時分空分交換 networks1．?dāng)?shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)的特點數(shù)據(jù)切割成分組：數(shù)據(jù)需要分成固定長度或邊長度的分組。長度由所使用的網(wǎng)絡(luò)和規(guī)約決定。網(wǎng)絡(luò)資源按需分配，可能產(chǎn)生時延：數(shù)據(jù)報交換網(wǎng)絡(luò)中，不存在某次連接而建立的專用連接（reservation這么翻譯？），資源按需分配。不為每個分組專門分配資源（帶寬），也沒有專門的分組信息處理時間。資源按需分配，分配原則是先到先得。當(dāng)交換機接到分組后，不管分組的源端是哪個節(jié)點，目的端是哪個節(jié)點。只要交換機正在處理別的分組，剛到達的分組就需要等待。因此會產(chǎn)生延遲。每個分組獨立處理：稱為數(shù)據(jù)報。交換機稱為路由器。在目的端，由于各分組經(jīng)由的路由不同，各路由的負(fù)荷不同，到達目的節(jié)點的順序可能與源端發(fā)出順序不同。（那么怎么處理）分組也可能在傳輸中丟失。網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)數(shù)據(jù)報交換上層規(guī)約完成目的端收到的各數(shù)據(jù)報的排序及丟失報文的重發(fā)圖410 數(shù)據(jù)報分組交換網(wǎng)絡(luò)圖410為簡單示例。分組交換網(wǎng)絡(luò)又稱為無連接網(wǎng)絡(luò)。無連接是與電路交換相比較而言。交換機并沒有關(guān)于連接狀態(tài)的信息。沒有電路建立和拆除階段。2．?dāng)?shù)據(jù)報交換網(wǎng)絡(luò)中的幾個概念目的地址：每一個數(shù)據(jù)報都包含一個報頭，里面包含有數(shù)據(jù)報的目的地址。當(dāng)路由器收到數(shù)據(jù)報時，路由器檢測該地址，在路由表里根據(jù)目的地址找到發(fā)送的端口。這個地址跟虛電路交換網(wǎng)絡(luò)的地址不同，在整個數(shù)據(jù)報傳送的過程中保持不變。效率：數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)的效率高于電路交換網(wǎng)絡(luò)。因為只有需要傳輸數(shù)據(jù)報時才分配信道資源。如果源節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)報，且在另外一個數(shù)據(jù)報發(fā)送之前有幾分鐘的延遲，則剛才數(shù)據(jù)報占用的信道資源可以用于發(fā)送其他源節(jié)點發(fā)送的其他數(shù)據(jù)報。延遲：數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)的延遲可能比虛電路網(wǎng)絡(luò)長。盡管沒有電路建立和拆除階段，數(shù)據(jù)報在發(fā)送之前可能會有一些延遲。由于信息的各個數(shù)據(jù)報并不一定經(jīng)由同一個路徑發(fā)送，因此各數(shù)據(jù)報的延遲并不一定全相同。圖411 報文交換的時間延遲 分組交換網(wǎng)—虛電路交換網(wǎng)絡(luò)virtualcircuit networks圖412 虛電路網(wǎng)絡(luò)虛電路網(wǎng)絡(luò)介于電路交換網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)之間。具有上述兩種交換網(wǎng)絡(luò)的特點。1． 虛電路網(wǎng)的特征：具有鏈路建立和拆除階段鏈路資源可以像在電路交換網(wǎng)絡(luò)中那樣在鏈路建立階段加以分配，或者像在數(shù)據(jù)報交換網(wǎng)絡(luò)中按需分配。數(shù)據(jù)分成組，每組數(shù)據(jù)頭攜帶地址信息。該地址僅標(biāo)明下一個交換和傳輸數(shù)據(jù)所采用的信道，并不表明數(shù)據(jù)的最終目的地址。所有分組報文均經(jīng)由同一路徑傳輸（在鏈路建立階段建立）。目前：虛電路交換在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)，電路交換在物理層實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)報交換在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)。編址：具有全局編址和本地編址全局編址：源和目的端需要有一個全網(wǎng)唯一的地址。虛電路網(wǎng)絡(luò)中的全局地址用于產(chǎn)生虛電路標(biāo)識符。虛電路標(biāo)識符：虛電路標(biāo)識符僅在局部有效。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)到達一個交換節(jié)點時，具有一個VCI，當(dāng)它離開該交換節(jié)點時，具有另外一個VCI。VCI數(shù)字無須很大，因為每一個交換節(jié)點具有其自己專門的VCI系列。圖413 虛電路標(biāo)識符2． 虛電路交換過程：具有建立、數(shù)據(jù)傳輸和拆除階段三個階段。建立階段，源和目的利用其全局地址與交換建立路由表（？還是交換表？）（table entries？）。拆除階段，刪除路由表。虛電路網(wǎng)的路由器及路由表如圖414所示。圖414 虛電路網(wǎng)的路由器和路由表（1）建立階段：在建立階段，交換機為虛電路產(chǎn)生一個entry。建立分兩部進行：虛電路建立請求和確認(rèn)。圖415請求建立虛電路建立請求：建立請求幀從源發(fā)往目的。A． 源A將建立幀發(fā)送至交換機1。B． 交換機1接到請求幀，明確從節(jié)點A發(fā)往節(jié)點B的幀經(jīng)由端口3（以后章節(jié)解釋如何明確這一點）。在建立階段，交換機與報文交換中的路由相同，具有一張路由表。該路由表與交換表（交換表是什么？分組交換中的是路由表？虛電路交換中的是交換表？）不同。交換機在表中建立一條記錄，記錄下收到信息的虛電路的VCI和對應(yīng)端口號。但僅能完成該記錄四個信息中的三個，無法確認(rèn)發(fā)送分組的VCI。該VCI將在確認(rèn)信息中確定。（現(xiàn)在僅僅在講交換，還沒有講路由如何確定。）C． 交換機2接到建立請求幀。與交換機的處理過程相同。D． 交換機3接到建立請求幀。E． 目的端點B收到建立幀，如果B已經(jīng)準(zhǔn)備好從A接受信息，會為從A發(fā)送來的信息分配一個VCI（77），以表明收到的