《論述分組交換網的存儲轉發(fā)技術》

1、畢業(yè)論文院系：機械與電子工程學院題目：論述分組交換網的存儲轉發(fā)技術班別：14通信1班姓名：吳錦輝指導教師：柳金峰廣東科學技術職業(yè)學院二O一七年三月十一日論述分組交換網的存儲轉發(fā)技術班別：14通信1班姓名：吳錦輝摘要：本論文論述了分組交換網和存儲轉發(fā)技術，通過各種網絡和分組交換網的對比，各種和存儲轉發(fā)同層次的技術和存儲轉發(fā)技術的對比，還有存儲轉發(fā)技術的發(fā)展來歷和展望，不同層次的，立體的論述了什么是分組交換網，什么是存儲轉發(fā)技術，什么是分組交換網的存儲轉發(fā)技術。關鍵詞：分組交換網，存儲轉發(fā)TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 第一章：緒論1 HYPERLINK

2、l bookmark12 1.1研究的意義1 HYPERLINK l bookmark14 1.2論文的主要工作1 HYPERLINK l bookmark16 第二章：存儲轉發(fā)技術在哪里1 HYPERLINK l bookmark18 2.1分組交換網1 HYPERLINK l bookmark20 2.2分組交換技術3 HYPERLINK l bookmark22 第三章：存儲轉發(fā)技術4 HYPERLINK l bookmark24 3.1概述4 HYPERLINK l bookmark26 3.1.1原理43.1.2存儲轉發(fā)特征4 HYPERLINK l bookmark28 3.2過程

3、5 HYPERLINK l bookmark30 3.3交換方式5 HYPERLINK l bookmark32 3.4和直通轉發(fā)的比較6 HYPERLINK l bookmark34 3.5存儲轉發(fā)機制涉及的兩個方面。7 HYPERLINK l bookmark36 第四章：發(fā)展趨勢8 HYPERLINK l bookmark38 參考文獻8 第一章：緒論1.1研究的意義分組交換技術就是適應數據通信要求而發(fā)展起來的一種先進的通信技術，它能夠最充分地利用網絡資源，降低通信成本，提供高質量的數據通信服務，所以一問世就獲得了成功，并很快發(fā)展起來。分組交換網時至今日在以當今網絡中仍然占據著極其重要的

4、地位。分組交換實質上又是在“存儲轉發(fā)”基礎上發(fā)展起來的。所以在了解和學習網絡的過程中，必不可免的要去知道分組交換網的存儲轉發(fā)技術。1.2論文的主要工作本文從大家都熟知的網絡說到分組交換網，又從分組交換網說到分組交換技術，從分組交換技術的基本原理說到存儲轉發(fā)。從網絡一層又一層的剝開存儲轉發(fā)技術的外殼，讓讀者可以直擊存儲轉發(fā)技術到底從哪來。本文通過存儲轉發(fā)和直通轉發(fā)的對比來述明存儲轉發(fā)，還從淺的存儲轉發(fā)原理、特征、過程、交換方式，到深的存儲轉發(fā)涉及的兩個方面論述了什么是存儲轉發(fā)。最后還對存儲轉發(fā)進行了粗簡的展望，既存儲轉發(fā)要到哪里去。本文由淺到深的論述了什么是存儲轉發(fā)，存儲轉發(fā)的原理、交換方式、過

5、程，存儲轉發(fā)機制涉及的方面。并且粗略的介紹了分組交換網。第二章：存儲轉發(fā)技術在哪里2.1分組交換網在計算機領域中，網絡是信息傳輸、接收、共享的虛擬平臺，通過它把各個點、面、體的信息聯系到一起，從而實現這些資源的共享。網絡是人類發(fā)展史來最重要的發(fā)明，提高了科技和人類社會的發(fā)展。網絡有很多種類型，從不同的角度對網絡有不同的分類方法，每種網絡名稱都有特殊的含意。了解網絡的分類方法和類型特征，是熟悉網絡技術的重要基礎之一。按地理位置可以分為局域網，城域網，廣域網。按傳輸介質可以分為有線網，光纖網，無線網。還可以按交換方式又可分為電路交換網絡、報文交換網絡和分組交換網絡。由于分組交換優(yōu)于線路交換和報文交

6、換，具有許多優(yōu)點，因此它已成為計算機網絡的主流。那么什么是分組交換網呢？能夠進行分組交換的通信網被稱為分組交換網。它具有（1）差錯檢測和糾正的能力，誤碼率極??；（2）傳輸質量高。（3）可實現分組交換網上的不同碼型、速率和規(guī)程之間的終端互通等特點。下面通過分組交換網和電路交換網絡，報文交換網絡簡單的對比，進一步的了解分組交換網。使用電路交換的通信網被稱為電路交換網。它具有（1）獨占性：在建立電路之后、釋放線路之前，即使站點之間無任何數據可以傳輸，整個線路仍不允許其他站點共享，（2）實時性好，（3）可靠性高的特點。優(yōu)點是：（1）延遲低，（2）數據傳輸可靠、迅速，數據不會丟失，且保持原來的序列，基本

7、不會出現抖動現象等。但缺點也同樣的明顯，電路利用率低，存在呼損等。所以若傳輸的數據量很大，而且傳送時間遠大于呼叫時間，則采用電路交換較為合適；當端到端的通路有很多段的鏈路組成時，采用分組交換較為合適。從提高整個網絡的信道利用率上看，分組交換優(yōu)于電路交換。使用報文交換的通信網被稱為報文交換網。報文交換的機制和分組交換的一樣，也是采用存儲轉發(fā)的機制，不過報文交換是以報文為數據交換的單位，所以報文交換網和分組交換網最大的差別就是時延大。分組交換的思想來源于報文交換，報文交換也稱為存儲轉發(fā)交換，它們交換過程的本質都是存儲轉發(fā)，所不同的是分組交換的最小信息單位是分組，而報文交換則是一個個報文。所以分組交

8、換網與電路交換網相比有許多優(yōu)點（1）利用率高：利用率高較之電路交換對鏈路的獨占性而言，不同的數據分組可以在同一條鏈路上以動態(tài)共享和復用方式進行傳輸,通信資源利用率高，從而使得信道的容量和吞吐量有了很大的提升。因為結點到結點的單個鏈路可以由很多分組動態(tài)共享。分組被排隊，并被盡可能快速地在鏈路上傳輸。（2）一個分組交換網絡可以實行數據率的轉換：兩個不同數據率的站之間能夠交換分組，因為每一個站以它的自己的數據率連接到這個結點上。（3）排隊機制：在同一個鏈路上可以同時傳輸不同類型和規(guī)格的數據，當分組網絡上有大量的分組時，可以根據設定數據傳輸的排隊機制，保證優(yōu)先級高的分組優(yōu)先傳輸。當電路交換網絡上負載很

9、大時，一些呼叫就被阻塞了。在分組交換網絡上，分組仍然被接受，只是其交付時延會增加。由于以較小的分組為單位進行傳輸和交換，所以分組交換比報文交換快。報文交換主要應用于公用電報網中?？偟膩碚f分組交換結合了兩種交換方式的優(yōu)點，比電路交換的電路利用率高比報文交換的傳輸時延小，交互性好。從提高整個網絡的信道利用率上看,報文交換和分組交換優(yōu)于電路交換，其中分組交換比報文交換的時延小，尤其適合于計算機之間的突發(fā)式的數據通信。2.2分組交換技術在通信過程中，通信雙方以分組為單位、使用存儲-轉發(fā)機制實現數據交互的通信方式，被稱為分組交換。分組交換也稱為包交換，它將用戶通信的數據劃分成多個更小的等長數據段，在每個

10、數據段的前面加上必要的控制信息作為數據段的首部，每個帶有首部的數據段就構成了一個分組。首部指明了該分組發(fā)送的地址，當交換機收到分組之后，將根據首部中的地址信息將分組轉發(fā)到目的地，這個過程就是分組交換。分組交換的本質就是存儲轉發(fā)，分組交換的思想來源于報文交換，報文交換也稱為存儲轉發(fā)交換，它們交換過程的本質都是存儲轉發(fā)，所不同的是分組交換的最小信息單位是分組，而報文交換則是一個個報文。分組交換技術是在計算機技術發(fā)展到一定程度，人們除了打電話直接溝通，通過計算機和終端實現計算機與計算機之間的通信，在傳輸線路質量不高、網絡技術手段還較單一的情況下，應運而生的一種交換技術。分組交換的實質就是將要傳輸的數

11、據按一定長度分成很多組，為了準確的傳送到對方每個組都打上標識，許多不同的數據分組在物理線路上以動態(tài)共享和復用方式進行傳輸，為了能夠充分利用資源，當數據分組傳送到交換機時，會暫存在交換機的存儲器中，然后根據當前線路的忙閑程度，交換機會動態(tài)分配合適的物理線路，繼續(xù)數據分組的傳輸，直到傳送到目的地。到達目地之后的數據分組再重新組合起來，形成一條完整的數據。圈3好俎冼怏實現方式口轅鴉井蛆O書點奩換機c擬據誕丸Lzi蝕扯弊鵡O囤回因回分組交換的本質就是存儲轉發(fā)，它將所接受的分組暫時存儲下來，在目的方向路由上排隊，當它可以發(fā)送信息時，再將信息發(fā)送到相應的路由上，完成轉發(fā)。其存儲轉發(fā)的過程就是分組交換的過程

12、。按照實現方式，分組交換可以分為數據報分組交換和虛電路分組交換。第三章會詳細的說明兩者的關系和區(qū)別。分組交換特點有（1）信息傳送的最小單位是分組（2）信息傳送為有差錯控制：分組交換是專門為數據通信網設計的交換方式，數據業(yè)務的特點是可靠性要求高，對實時性要求沒有電話通信高，因而在分組交換中為保證數據信息的可靠性，設有CRC校驗、重發(fā)等差錯控制機制，以滿足數據業(yè)務特性的需求。（3）面向連接（邏輯連接）和無連接兩種工作方式：分組交換分為數據報分組交換和虛電路分組交換，數據報分組交換無連接，虛電路分組交換面向連接（4）基于呼叫延遲制的流量控制。分組交換的基本原理是采用“存儲一一轉發(fā)”技術。第三章：存儲

13、轉發(fā)技術3.1概述3.1.1原理存儲轉發(fā)交換技術在交換機各個端口的輸入和輸出通道都有可利用的緩存空間。在端口的接收通道，接收的幀信號首先存入緩存器之中，待全幀存入后，進行幀識別和幀處理，包括對幀的合法性的識別及循環(huán)冗余誤碼的校驗（CRC）、散列出目的節(jié)點MAC地址和源節(jié)點MAC地址、修改MAC地址表和作出過濾與轉發(fā)決策等處理。在處理的過程中將非法的幀丟棄。在對數據幀識別和處理之后，被轉發(fā)到目的節(jié)點MAC地址對應的端口，首先存入相關的緩存器，再經排隊，按先后次序發(fā)送出去。3.1.2存儲轉發(fā)特征（1）錯誤檢驗功能CRC的作用是對前面的數據進行校驗，防止出錯。由于存儲轉發(fā)只有當收取了整個幀之后才開始

14、轉發(fā)進程，所以當收取到CRC字段的時候，可以進行錯誤的校驗，交換機把已經收到的數據進行CRC計算，把計算出來的值同接收到的CRC字段的值進行比較，如果兩者相同則說明數據沒有被破壞，如果不同則說明已經破壞。（2）自動緩存(3)策略功能也即ACL訪問控制列表的功能，訪問控制列表主要是通過策略來對數據進行控制,ACL所涉及的控制層面從OSI的第二層到第七層都有，既然存儲轉發(fā)把整個幀都存儲下來了，那么可以想像如果交換機擁有了處理多層數據的能力就可以執(zhí)行ACL了，畢竟ACL所參照的目標在接收的幀中都已經存在了。3.2過程存儲轉發(fā)在二層交換機中，二層交換機屬數據鏈路層設備，所以存儲轉發(fā)的對象是數據幀。所謂

15、數據幀(Dataframe)，就是數據鏈路層的協議數據單元，它包括三部分：幀頭，數據部分，幀尾。其中，幀頭和幀尾包含一些必要的控制信息，比如同步信息、地址信息、差錯控制信息等；數據部分則包含網絡層傳下來的數據，比如IP數據包。數據幀的幀頭包括四個字段。第一個字段是長度為8個字節(jié)的序，中間兩個字段分別為6字節(jié)長的目的地址字段和源地址字段，目的地址字段包含目的MAC地址信息，源地址字段包含源MAC地址信息。最后的字段為2字節(jié)的類型字段，里面包含的信息用來標志上一層使用的是什么協議，以便接收端把收到的MAC幀的數據部分上交給上一層的這個協議。數據部分只有一個字段，包含的信息是網絡層傳下來的數據。幀尾

16、也只有一個字段，為4字節(jié)長，為CRC。Data86ChecksumBasedcnCRCFrameNetworkTransportHeaderHeaderDestinationMACAddressSourceMACAddressEtherType數據進入交換機是從圖中的左向右進入的，也就是先從”Preamble這個起始字段進入。首先交換機啟動接收進程，開始收取幀，從Preamble字段開始，一直到最后的CRC,當這個完整的幀收取完成，把收到的分組放入緩存，之后交換機開始啟動轉發(fā)進程，根據接收幀所示的DMAC，也就是目標MAC地址來決定轉發(fā)策略，如果在MAC地址表中存在那么轉發(fā)到相對應的端口，如果

17、不存在則發(fā)送到所有端口。3.3交換方式上面說到報文交換網采用的是存儲轉發(fā)技術，分主交換網采用的也是存儲交換技術，雖然機制一樣，但兩種網絡采用的存儲交換技術的有區(qū)別的。因為存儲轉發(fā)技術按交換的方式又分為報文交換技術和分組交換技術。報文交換技術是信源直接將報文投遞給信宿，而分組交換方式的存儲轉發(fā)技術是分割一個報文中有效載荷數據，并加上一定的控制信息后及報文號，組建出一個個分組后，以分組為單位進行傳輸的一種數據交換模式。分組交換技術根據實現機制的不同又分為：數據報交換技術和虛電路交換技術。（1）數據報交換技術：數據報交換技術和報文交換技術相似，不同的是前者每次傳輸的數據包時分組，而后者傳輸的是整個報

18、文。這是一種“無連接”的數據交換技術，它在數據傳輸的過程中具一定的路由算法動態(tài)選擇數據報的傳輸路徑，且這是一種無序傳輸。（2）虛電路交換技術：虛電路交換技術與數據報交換技術不同，它是一種面向連接的交換技術。其之所以稱之為“虛電路”是因為在數據交換的過程中，通信雙方間會建立專門的動態(tài)邏輯電路。在傳輸數據時先確定路徑在轉發(fā)，每一個成功的虛電路需要分配一個識別號碼，編碼到分組里去，以免造成混亂，分組通過建立的這一專用通道進行有序傳輸，因此每個分組中不再包含控制數據，降低了輔助開銷，傳輸完畢又會把虛電路拆除。虛電路交換技術是一種可靠性較強，系統效率高的交換技術。其是在工作過程中建立專用的邏輯連接，每個

19、節(jié)點可以和任何節(jié)點建立多條虛電路連接。數據報交換技術和虛電路交換技術中的分組都需根據一定的路由算法選擇通信路徑，但前者的每一個分組都要單獨尋找路由，而虛電路交換技術中一次通信過程的所有分組只需進行一次路由選擇即可。顯然，按數據報方式工作的路由計算要比按虛電路方式頻繁。3.4和直通轉發(fā)的比較在理論上最快只需要等收到目標MAC之后就可以開啟轉發(fā)進程，這就是直通轉發(fā)的基本原理。同時也給它帶來了一些特點：（1）失去了錯誤檢查的能力由于直通轉發(fā)過程根本就沒有接收到完整的數據包就進行轉發(fā)了,所以無法進行CRC校驗，也就無法進行錯誤檢查，這個工作只能落在HOST上了。（2）加快了轉發(fā)速度，減少了延遲。對比兩

20、種交換原理，不難看出在速度上是有很大提高的。（3）存儲轉發(fā)可以啟用ACL,那么在直通轉發(fā)可以嗎？這個也是可以的。我們要把握這一條：直通轉發(fā)是靈活的，這才是直通轉發(fā)的精髓，直通轉發(fā)最少要檢測到DMAC之后才可以開啟轉發(fā)進程，但是也可以多等一段時間，多收取一些數據（IP層，傳輸層）再開始轉發(fā)，它是十分靈活的。如果我們要啟用ACL或者是QoS就可以在直通轉發(fā)的策略上進行設置。舉例來說，如果交換機從F0/1接收數據，在這個接口上啟用了基于IP的ACL，這樣直通轉發(fā)就會當接收到IP包頭之后才基于ACL啟動轉發(fā)進程，決定是否轉發(fā)。當然，如果啟動了基于UDP的ACL，這樣直通轉發(fā)就會等到接收到UDP頭的時候

21、才啟動轉發(fā)進程，決定是否轉發(fā)。如果在接口上沒有設置ACL，直通轉發(fā)進程也一般會讀取IP包頭之后才啟動轉發(fā)進程。還有一種轉發(fā)方式叫做“無碎片轉發(fā)”這種轉發(fā)方式其實是和直通轉發(fā)一樣的，只是比直通轉發(fā)收取了更多的信息之后再進行轉發(fā)，無碎片轉發(fā)就是收取64字節(jié)才開始轉發(fā)的，減少了轉發(fā)出錯的幾率。1存儲轉發(fā)技術要求交換機在接收到全部數據包后再決定如何轉發(fā)，而直通轉發(fā)則是在交換機收到整個幀之前就已經開始轉發(fā)數據了，這樣可以有效地降低交換延遲。但是，如果交換機在沒有完全接收并檢查數據包的正確性之前就已經開始了數據轉發(fā)，這樣在通訊質量不高的環(huán)境下，交換機會轉發(fā)所有的完整數據包和錯誤數據包，這實際上是給整個交換

22、網絡帶來了許多垃圾通訊包。因此，直通轉發(fā)技術適用于網絡鏈路質量較好、錯誤數據包較少的網絡環(huán)境。存儲轉發(fā)優(yōu)點在于：可靠性很好：幾乎可以把所有的殘幀、差錯幀等非法幀檢出，而不把它們轉發(fā)到其它端口。由于轉發(fā)到同一端口的數據幀被排隊緩存，而大大減少了端口產生擁塞和碰撞的概率。支持不同的速度的端口間的轉換。例如，一些端口可在10Mbit/s的速率下工作，而另一些端口則可在100Mbit/s的速率下工作，甚至可在工作于千兆1000Mbit/s)以太網中工作。主要缺點是：存儲轉發(fā)交換方式的數據處理時延時較大，轉發(fā)等待的時間最長，超過了1518個字節(jié)(12144比特)占用的時長。比較復雜，需要有足夠的存儲器容

23、量和相關的控制硬件或軟件。3.5存儲轉發(fā)機制涉及的兩個方面。存儲轉發(fā)機制涉及到兩個方面，隊列管理機制和數據包的緩存方式。(1)隊列管理機制隊列管理算法的核心思想是在必要時通過丟包來管理隊列長度。對隊列進行管理直接影響路由器性能、擁塞管理能力以及服務質量能力。由于因特網數據具有突發(fā)的特點，因此必須允許傳輸突發(fā)的數據包，那么路由器中隊列的一個重要的責任就是接收來自網絡中的突發(fā)的數據包。較大的隊列能夠吸收較多的突發(fā)數據，提高吞吐量。但實際網絡中往往會保持較高的隊列占用這一點是由現有的TCP協議決定的，從而增加了數據包的排隊等待延遲，降低了吞吐量。而較小的隊列長度具有如下的優(yōu)點：降低排隊延遲、提高吞吐

24、量外、保持較大的隊列空間來吸收突發(fā)數據包。因此需要路由器對隊列采用適當的管理機制，以此來維持較小的隊列長度。當前的隊列管理算法可以分為兩大類：被動式隊列管理和主動式隊列管理被動式隊列管理是對每個隊列設置一個最大值和一個回復值，然后接收網絡中的數據包進入隊列中，直到隊列長度達到最大值，接下來就要啟動隊列的相應管理機制，直到隊列長度下降到回復值。所采取的隊列管理機制有去尾機制、隨機丟棄機制和從前丟棄機制。去尾機制是將尾部的數據包丟棄；隨機丟棄是從隊列中隨機找出一個包丟棄；從前丟棄是從隊列頭部丟棄。根據因特網中數據包的突發(fā)本質是不可避免的特性被動式隊列管理存在以下幾個缺點1.由于使用共享的隊列和被動

25、式隊列管理會不可避免地產生全局同步，導致很低平均帶寬利用率，即吞吐量很低；2.TCP從突發(fā)包的丟棄中恢復要比從單個包丟棄中恢復更復雜；3.如果一個數據包在到達目的端之前被丟棄，則其在傳輸過程中所消耗的資源都被浪費，降低了網絡帶寬的利用率。因此，不必要的包丟棄也就意味著帶寬的浪費。為了降低丟包的概率，必須在路由器滿之前就開始丟包，這樣端節(jié)點便能在隊列溢出前對擁塞做出反應。這種在隊列滿之前就開始丟包的方法稱為主動式隊列管理。主動式隊列管理”是一種基于先入先出隊列(先進入的指令先完成并引退，跟著才執(zhí)行第二條指令。)調度策略的隊列管理機制，通過保持較小的平均隊列長度來提供更大的容量用以吸收來自網絡中突

26、發(fā)的數據包，進而大大減少了丟包數。(2)數據包的緩存方式在存儲中數據包的緩存形式，按照端口分可以分為基于輸入端口的排隊和基于輸出端口的排隊?；谳斎攵丝诘呐抨犑前凑詹煌妮斎攵丝谶M行入隊操作，同一個輸入端口排成一個隊列；基于輸出端口的排隊是按照不同的輸出端口進行入隊操作，同樣的，同一個輸出端口排成一個隊列。按照隊列的實現方式分可分為先入先出隊列結構和鏈表結構。先入先出隊列結構是每個隊列即為一個固定長度的先入先出隊列，每到一個數據包則排在先入先出隊列的隊尾，先入先出隊列結構的缺點是每個隊列只能存固定個數的數據包，不利用擴展，并且當某一個隊列滿時，即使其他隊列仍有可用的資源，也不能夠被利用，所以容

27、易造成資源浪費；鏈表結構是采用軟件中鏈表的思想，每個隊列的管理通過鏈表的隊列頭/隊列尾指針來實現，例如，當接收到一個數據包時，分配一個可用地址，并將該數據包存儲在當前分配的地址中，同時更新隊列的隊尾指針，當需要輸出一個數據包時，將該隊頭指針中的數據包輸出，并將指針中的下一地址指針更新為新的頭指針。鏈表結構易于擴展并且充分的利用了存儲資源。第四章：發(fā)展趨勢隨著互連網的高速發(fā)展及多種新業(yè)務的出現，存儲轉發(fā)面臨著提高轉發(fā)速率、擴大吞吐量和提供有保證的服務等壓力。在宏觀計算機網絡中，數據交換量的進一步增加，使得存儲轉發(fā)技術成為了限制網絡發(fā)展的瓶頸問題。同時，在片上網絡中，互連IP核數目的增加以及不同IP核之間進行通信，要求提供不同優(yōu)先級別的服務，對片上網絡中的存儲轉發(fā)也提出了更高