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8.6 网络交换技术
本节主要介绍多路复用技术和网络交换技术。
多路复用技术是网络传输中的一种重要技术，它将多个终端的多路低速或窄带数据加载到一根高速的通信线上进行传输，其实质为：数据发送方将多个用户的数据通过复用器进行汇聚，然后将汇聚后的数据通过一条物理线路传送到接收设备；接收设备通过分用器将数据分离成各个单独的数据，再分发给接收方的多个用户。这种技术解决了网络传输中，如果不合理地利用信道容量，就会因铺设信道费用昂贵带来线路运营成本过高的问题。
多路复用技术一般可以划分为频分多路复用（FDMA）、波分多路复用（WDMA）、时分多路复用（TDMA）和码分多路复用（CDMA）4种。下面具体介绍这4种形式的相关概念。
当物理信道的可用带宽超过单个信号源的信号带宽时，可将信道带宽按频率划分为若干个子信道，各子信道之间要留一个宽度（称为保护带），每个子信道可传输一路信号，即频分多路复用。
电话信号的频分多路复用——载波通信系统是FDMA技术的典型例子。电话信号的频谱能量大部分集中在4kHz以下，主要在0.3kHz～3.4kHz之间。以在一对电话线上传输4路的载波系统为例来说明。首先把4路语音信号的频带各自限制在0.3kHz～3.4kHz内，然后分别用64、68、72、76kHz的载波进行调幅变频，并分别取出他们的下边带。把4个下边带合并在一起，得到频谱限制在60kHz～76kHz的4路基群信号。导频是发送的基准频率，是与4路信号一起发送的载波信号频率。在接收端，利用此导频信号产生用于解调信号的各种定时信号。
波分多路复用技术实际是频分多路复用技术的一个变种，只不过在波分多路复用中使用的衍射光栅是无源的。波分复用采用的是光的频分多路复用。
波分多路复用采用多个波长在单个光纤上传送信号，把输出光纤通道划分成对应每个输入通道的不同的光波长。不同光纤上的光波信号通过无源的棱柱或衍射光栅复用到一根长距离传输的光纤上。无源的设备通常运行得更可靠。由于光波处于频谱的高频段，有很高的带宽，因而可以实现多路的波分复用。
时分多路复用以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用，时分多路复用更适合于数字数据信号的传输。
时分多路复用利用传输媒体的位速率大于单个传输所需要的位速率的机制，采用多路复用器把输出通道的容量划分成 N 个逻辑通道，在 N 个输入通道中的每个通道的数据被放到一个指定的输出逻辑通道。多路复用器的工作原理为：每个输入通道中的数据位被读进一个分开的FIFO（先进先出）缓冲区。多路复用器顺次读每个缓冲区，持续时间等于对应的时隙长度。把缓冲区1读入时隙1，把缓冲区2读入时隙2，依次类推。
北美使用的T1标准就是采用时分复用技术，将24个话路复用在一个物理信道上。每个话路占用8bit，其中7个bit是取样脉冲的编码数据，第8个bit是信令码元。每帧之后另加1bit帧同步码。这样，一帧中共有193bit，每帧用125μs发送，T1一次传的数据率为1.54Mb/s。
FDMA或WDMA是以频道或波道的不同来区分各通信地址的，其特点是独占频道而共享时间。而TDMA是以不同的时间片来区分各通信地址的，其特点是共享频道而独占时间片。
在CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分的，或者说，取信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出使用预定码型的信号。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。由于CDMA与FDMA或TDMA相比具有更大的系统容量、更高的话音质量，以及抗干扰、保密等优点，因而近年来得到各个国家的普遍重视和关注，并作为第三代数字蜂窝移动通信系统的首选方案。
根据不同的网络交换方式，交换可分为电路交换方式、存储转发交换、分组数据报方式、虚电路方式、ATM交换方式。数据报方式和虚电路方式都属于分组交换方式。分组交换的最佳长度是有规定的，如果分组的长度取得太长，分组头相对整个分组长度来说就较短，即所携带的用户信息的比例就越高，但分组出错的可能性增大，要求重发的概率也增大。如果分组的长度过短，虽然信息重发的概率减小，但所携带的用户信息占的比例也减少了，通常最佳的分组长度一般为0.1KB～1KB。
下面分别说明这几种交换方式。
电路交换方式是指两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理链路连接的交换方式。电路交换过程可以分为线路建立、线路传输、线路释放三个阶段。
（1）线路建立阶段。 如果主机A要向主机B传输数据，根据电路交换的定义，首先要通过通信子网在主机A与主机B之间建立线路连接。如图8-5所示，主机A首先向通信子网中结点A发送“呼叫请求包”，其中含需要建立线路连接的源主机地址与目的主机地址。结点A根据目的主机地址，执行路由选择算法，如选择下一个结点为B，则向结点B发送“呼叫请求包”。结点B接到呼叫请求后，同样执行路由选择算法，如选择下一个结点为C，则向C发送“呼叫请求包”。结点C接到呼叫请求后，也要运行路由选择算法，如选择下一个结点为D，则向D发送“呼叫请求包”。结点D接到呼叫请求后，向与其直接连接的主机B发送“呼叫请求包”。主机B如接受主机A的呼叫连接请求，则通过已经建立的物理线路连接B-D-C-A，向主机A发送“呼叫应答包”。至此，从主机A到主机B的专用物理链路连接建立完成，该物理连接为此次主机A与主机B的数据交换服务。
图8-5 电路交换方式原理
（2）线路传输阶段。 主机A与主机B沿已建立的传输通道，进行数据或信号传输，这种传输通常为双工传输方式。
（3）线路释放阶段。 在完成数据或信号的传输后，由主机A或主机B提出终止通信，各结点相应拆除该电路的对应连接，释放由该电路占用的结点和信道资源。
电路交换方式具有如下的特点。
存储转发交换，也叫报文交换，数据传输的单位是报文。报文是需要发送数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定的格式组成的数据单元，其长度不限且可变。存储转发交换方式，不需要在两个站点之间建立一条专用通路，报文就能够进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储和转发功能。对于某些场合，端点之间交换的数据是随机性和突发性的，存储转发方式可以节省信道容量和有效时间。
存储转发方式具有如下优点。
（1）信道的利用率高。这是因为从一个结点到另一个结点的通道可以为许多数据单元分时共享，对于同样的通信量来说，需要的总传输能力较低。
（2）在存储转发过程中，结点可以对数据进行处理，易于实现速度和代码的转换，为速度不同、代码不同的计算机之间的互连和通信提供了条件。同时便于对数据进行差错检查与恢复，提高数据传输的可靠性。
（3）通信子网中通信控制处理机具有路由功能，可以动态选择报文通过通信子网的最佳路径，同时可以平滑通信量，提高系统效率。
数据报方式是报文分组存储转发的一种形式。分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”。源站点所发送的每一个分组都是被单独处理的，可以独立地选择一条传输路径。每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的站点的。
由于数据报方式的特点是具有相同地址的分组不一定沿着同一条路径到达目的地，而且先发送的分组也不一定先到达。因此，分组到达目的结点后需要重新把它们按序排列。另一个特征是通信的双方不需要同时是活跃的（即处于激活状态）。当然，发送端进行发送时，它必须是活跃的，但这时接收端并不一定是活跃的，只有当接收端正在进行接收时，它才必须是活跃的。
数据报方式的实现过程是：源站点A将报文M分成多个分组Pl，P2，……依次发送到与其直接连接的通信子网的通信控制处理机A（即结点A），结点A每接收一个分组均要进行差错检测，以保证站点A与结点A的数据传输的正确性。结点A接收到分组Pl，P2，…P N 后，要为每个分组进入通信子网的下一结点启动路由选择算法。由于网络通信状态是不断变化的，分组Pl的下一个结点可能选择为C，而分组P2的下一个结点可能选择为D，因此同一报文的不同分组通过子网的路径可能是不相同的。结点A向结点C发送分组P1时，结点C要对P2传输的正确性进行检测。如果传输正确，结点C向结点A发送正确传输的确认信息ACK；结点A接收到结点C的ACK信息后，确认Pl已正确传输，则废弃P1的副本。其他结点的工作过程与结点C的工作过程相同。这样，报文分组P1通过通信子网中多个结点存储—转发，最终正确到达目的结点B。
虚电路方式试图将数据报与电路交换结合起来，发挥两种方式的优点。虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路。在每次分组发送之前必须在发送方和接收方之间建立一条逻辑连接。因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方和接收方的物理链路已经存在；又因为一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象。
报文的源发站在发送报文之前，通过类似于呼叫的过程，使交换网建立一条通往目的站的逻辑通路（而不是物理通路）。然后一个报文的所有分组都沿着这条逻辑通路进行存储转发方式传输，不允许结点对报文的分组再做单独的路径选择。
如图8-6所示的网络结构，A站要将 N 个分组Pl，P2，…P N 的报文送到C站，A站首先发一个“呼叫请求”分组给结点④，要求连接到C站，结点④根据路由选择原则将请求分组转发到结点②，结点②又将该分组转发到结点⑤，再由结点③通知C站，这样就初步建立起一条A-④-②-⑤-③-C的逻辑通路。若C站准备好接收报文，可发一个“呼叫接受”分组给结点③，沿同一逻辑通路反向送到A站。从而A站确认这条通路已经建立，并分配到一个“逻辑信道”标志号。此后P1、P2、…、P N 各分组都附上这一标志号，交换网的结点都将它们转发到同一通路的下一结点。这就保证了这些分组一定能沿着同一条通路传输到目的站C。全部分组到达C站，并经装配确认无误后，任一站都可采取主动发送一个“清除请求”分组来终止这条逻辑通路，具体清除工作由交换网内部完成。
图8-6 网络结构示例
ATM（异步传输模式）交换，也称为信元交换，它是分组交换技术在大容量传输媒体的环境中的新发展。ATM中把数字化的语音、数据及图像信息分成固定长度的若干段，称为信元。信元由用户信息字段和信元头组成，如图8-7所示。同一个虚信道上的信元的整体性由ATM层保持，而源信号与信元号之间的完整性则由适配层来控制。
图8-7 ATM信元结构
ATM技术与帧交换之间主要有两大区别。第一，ATM交换由53字节组成固定长度的信元，而帧中继技术交换长度不一。第二，ATM传送速度更高，可在155～622Mb/s之间，适合于B-ISDN的多种业务信号混合传输，而帧中继属于局域网与广域网的通信范围。
可延展性是ATM交换技术的内在特点。当有终站加进ATM交换时，交换机便自动扩张以适应需要，使每个终站都获得一条通道（即专用带宽）。
由于ATM所传送的信元长度固定，ATM交换速度比一般路由器快。因此，ATM技术实现的通信网可支持语音、数据，以及图像传送，提供专用高带宽，并具有可预测性能，适合企业局域网使用，并可直接支持多媒体计算机。
ATM网可分为三大部分：公用ATM网、专用ATM网和ATM接入网。公用ATM网是由电信管理部门经营和管理的ATM网，它通过公用用户网络接口连接各专用ATM网和ATM终端。作为骨干网，公用ATM网应能保证与现有各种网络的互通，能支持包括普通电话在内的各种现有业务，另外还必须有一整套维护、管理和计费功能。目前还没有一个商用的公用ATM网，有关公用ATM网的协议也正在不断地完善之中。专用ATM网是指一个单位或部门范围内的ATM网，由于它的网络规模比公用网要小，而且不需要计费等管理规程，因此专用ATM网是首先进入实用的ATM网络，新的ATM设备和技术也往往先在ATM专用网中使用。目前专用网主要用于局域网互连或直接构成LAN，以在局域网上提供高质量的多媒体业务和高速数据传送。接入ATM网主要指在各种接入网中使用ATM技术，传送ATM信元，如基于ATM的无源光纤网络（APON）、混合光纤同轴（HFC）、非对称数字环路（ADSL），以及利用ATM的无线接入技术等。