计算机网络 数据交换技术

计算机网络 数据交换技术经过编码后的数据要在通信线路上进行传输，最简单的数据通信形式是在两个互联的设备之间直接进行数据通信。

但在网络节点较多的情况下，在任意两节点之间建立一条连线几乎是不现实的，并且在广域网中，两个距离非常远的设备之间不可能有直接的连线，它们是通过通信子网建立连接。

通信子网由传输线路和中间节点组成，当数据源点没有直接到目的地点的直线连接时，数据源点发出的数据先到达与它相连的中间节点，再通过中间节点向下一个中间节点转发，直至到达目的地，这个过程称为数据交换。

在计算机网络中，常用的数据交换方式可分为两大类，即电路交换方式（Circuit Switching ）和存储转发交换方式（Store and Forward Switching ）。

存储转发交换方式按照被交换的信息单位不同，又可分为报文交换和报文分组交换两种。

另外，还有帧中继交换和信元交换技术。

1．电路交换电路交换方式多用于电话网络交换，它是在数据传输期间，数据源节点和目的节点之间有一条利用中间节点构成的专用物理连接线路，这条线路被通信双方独占，而不能被其他节点使用，直到数据传输结束。

利用电路交换技术完成的数据传输要经历建立电路、传输数据和拆除电路三个阶段。

● 建立电路 建立电路是指当数据源节点向网络发送带目的节点地址的请求连接信号时，该信号先到达连接数据源节点的第一个中间交换节点，该节点根据请求中的目的节点地址，按路由选择算法，将请求传送到下一个中间交换节点；依次类推，直到目的节点。

目的节点收到请求信号后，接受请求，从刚才的来路返回一个应答信号，此时，数据源节点与目的节点之间的通信电路即已建立。

如果中间交换节点或目的节点没有空闲的物理线路可以使用时，整个线路的连接无法实现。

只有数据源节点和目的节点之间建立起物理线路之后，才能够进行数据传输。

线路一旦被分配，在未释放之前，其他节点都无法使用该线路，即使该线路上没有数据传输。

如图3-19所示，为电路交换示意图。

图3-19 电路交换示意图数据源节点A 需要发送数据到目的节点B ，首先要经过中间交换节点1、2、4发送一个呼叫请求到目的节点B ，从而建立起一个连接。

节点1到节点4的路径是根据路由选择算法及是否可用等条件决定的。

例如节点1选择通向节点2的线路，在这条线路上分配一个空闲信道，并发送一个与B 相连的请求信息，此时，数据源节点A 到节点2之间建立一条专用线路；然后，节点2再选择向节点4的路径，直至完成数据源节点A 到目的节点B 的连接。

如果目的节点B 正在连接别的节点而占用线路，则此次连接不成功，需要重新建立连接。

● 传输数据提 示 在电路交换技术中，如果数据源节点和目的节点之间的通信量很大，这两个节点之间可以同时有多个物理连接线路。

在已经建立的物理线路基础上，两节点之间就可以进行数据传输。

数据既可以从数据源节点向目的节点传送，也可以从目的节点向数据源节点传送。

其中传输的数据可以是数字数据，也可以是模拟数据。

在数据传输过程中，整个物理线路的资源仅用于本次通信。

拆除电路数据源节点数据发送完毕，并且目的节点也接收完毕后，由一方提出拆除电路请求，拆除原来建立的电路，供其他用户使用。

拆除电路信号必须传送到电路所经过的各个中间交换节点，以便重新分配资源。

电路交换方式，在传输数据之前建立连接，有延迟；在电路建立后就成为两节点的专用电路，即使没有数据传输也要占用电路，因此线路利用率低。

另外，一旦建立电路完成，用户可以用固定的速率传输数据，中间交换节点不对数据进行其他缓冲和处理，数据不丢失、不乱序，传输可靠性高。

2．报文交换报文交换（Message Switching）属于存储交换。

该交换方式是指在数据源节点和目的节点之间，任何中间交换节点都会在将数据传送给下一个节点之前先接收并存储数据，并将这种“存储-转发”的过程继续下去，直到数据到达目的节点为止。

报文交换的基本过程是：采用存储-转发交换技术，数据源节点将需要发送的数据划分一份份的数据块，连同目的节点地址等辅助信息形成一份份的报文，首先发往中间节点，中间节点收到报文后，先将报文完整接收下来存于缓冲区中。

然后，为接收到的报文选择一条合适的输出路径，并把报文排在相应的输出队列中，待输出线路空闲时，将接收到的报文转发给下一个中间节点，重复这一过程，直至到达目的节点为止。

如图3-20所示，为报文交换示意图。

图3-20 报文交换示意图报文从数据源节点A出发经过中间节点1，该节点将接收到的报文存放在缓冲区中。

然后选择一条输出路径（节点2），并将其插入到节点1到节点2这条输出线路的队列中，待该输出线路空闲时，就将数据发送给中间节点2，直至到达目的节点B。

报文交换方式以报文为单位发送信息。

单个报文包括三部分内容，即报头、报文和报尾。

报头由数据源节点地址、目的节点地址以及其他辅助信息组成。

有时能够省去报尾，但此情况下的单个报文必须有统一的固定长度。

报文交换方式中没有拨号呼叫，由报文的报头始终控制其到达的目的节点。

由于交换节点有存储能力和信息处理能力，因而在信息传递过程中，能够通过交换设备进行速率调节、符号变换及格式变换等，使得不同类型的终端设备能够相互连接。

同一报文也可以由交换节点按需要转发到多个目的节点，而以报文为单位来占用信道，能够复用线路，使终端用户在思考问题、等待应答的各种无效时间内，不再独占信道，进一步提高线路的利用率。

报文交换的特点是：节点之间通信，不需要建立专用的物理通道，各节点之间传送的报文可以分时共享其他节点之间的通道；可以进行不同速率，不同编码方式的交换；可实现将一个报文送到多个目的节点，但报文交换系统延迟时间较长；报文交换系统对报文的长度没有限制，使得中间交换节点必须具有很大的存储空间；当信道误码率高时，报文会多次重发，影响传输速率。

3．报文分组交换报文分组交换（Packet Switching ）是指将较长的报文分解成一些列报文分组，以分组为单位，采用存储-转发交换方式进行数据通信。

报文分组交换是面向无连接的传输方式，中间节点具有路径选择功能，延迟较小，适合做实时要求高的数据传输。

报文分组交换的工作原理：分组交换技术类似于报文交换，分组交换技术限制信息的长度，将长报文分割成若干个一定长度的短信息，并以分组为单位进行存储转发，在目的节点在将各分组重新组装成一个完整的报文。

报文分组交换技术是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术，它是由数据报分组交换和虚电路分组交换两种数据传输方式来实现的。

● 数据报分组交换在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的。

每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息，包括目的节点的地址和顺序号。

一个节点接收到数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息，选择一个合适的输出路径，将数据报发送到下一节点。

当用户发送一个报文时，先将报文拆分成若干个带有序号和地址信息的分组，将分组传送给网络中的第一个交换节点，该节点保持分组一个很短的时间，并根据分组中的目的节点地址信息，为分组选择最佳的输出路径尽快的传递每一个分组，当分组被另一个节点成功接收后，就删除在内存中的这个分组。

该过程在所需要经过的多个交换节点间重复进行，直到所有的分组都到达目的节点。

分组可以走不同的路由，也可以按不同顺序到达目的节点，然后，目的节点利用分组中的顺序号，再以正确的顺序重组成报文。

如图3-21所示，为数据报分组交换示意图。

图3-21 数据报分组交换示意图数据源节点A 有三段数据报要发送到目的节点B ，它们以a1、a2、a3的顺序发送到交换节点1，再分组a1和a2到来时，节点1判断该数据到节点2比到节点3的时间短，于是，该分组被插入到节点2的队列中，当分组a3到来时，节点1判断到节点3的时间更短，于是把a3插入到节点3的队列中。

由于相同目的地址的分组选择了不同的路径，因此，他们到达目的节点的顺序有可能不同，如到达节点4的顺序为a3、a2、a1，分组到达目的节点B 后需要重新按分组序号排序，以保证报文有序地接收。

数据报分组交换的特点是：没有建立连接的过程，在传输少数分组时速度快而且灵活，每个数据可以根据流量情况，选取合适的线路；传输较为可靠，当某个节点出现故障而导致失效时，报文分组还可以通过其他路径进行数据传输。

● 虚电路分组交换虚电路分组交换是指数据分组传送前需要像电路交换一样建立一条物理连接电路，即报文分组发送前，先在数据源节点与目的节点之间的各个中间节点上建立发送路由，再进行报 提 示 在报文分组交换技术中，通常报文的分组长度上限为1000字节。

若数据源节点发送的报文过长，能够对报文进行分组，并在每个分组包含部分报文信息及控制信息。

文分组的传输，所有报文分组都是按发送顺序到达目的节点，路由在逻辑连接期间都是固定的。

虚电路是面向连接的数据传输，工作过程类似于电路交换，不同之处在于此时的电路是虚拟的。

如图3-22所示，为虚电路分组交换示意图。

图3-22 虚电路分组交换示意图数据源节点A向节点B发送报文，节点A需要先向交换节点1发出一个请求分组，请求与节点B建立连接，然后节点1按照路由选择算法选择适当的路径，将该请求分组经节点2送到节点3，直到送到节点B，若节点B准备接收分组，则按原路径向节点A返回一个接受分组信号，从而建立一条虚电路。

然后可以经过建立起来的虚电路传送分组，在传送过程中，分组不仅要包含分组号、差错控制信息，还要有它前一个节点的虚电路号和下一节点的虚电路号，因此每个节点均知道分组的传送方向，不必再一次路由选择。

最后，通信双方的其中一个节点通过发送拆除请求，从而结束连接。

虚电路分组交换的特点是：数据传送前必须在数据源节点和目的节点之间建立一条虚电路，但不是专用的物理通路；数据传送前仅作一次路由选择，且在数据传送时，分组不需要目的节点地址，减少分组长度，节省通信处理时间，适合于系统之间长时间的数据交换。

此外，它提供了更可靠的通信功能，保证每个分组正确有序地到达目的节点。

4．帧中继交换帧中继（Frame Relay）是以分组交换技术为基础的高速分组交换技术。

它利用数字系统的低误码率和高传输速率的特点，为用户提供质量更高的快速分组交换服务，是一种用于连接计算机系统的面向分组的通信方法。

帧中继是X.25在新的传输条件下的发展，它对X.25协议进行了简化和改进。

帧中继省略了X.25中的分组层，即网络层，以链路层帧为基础，实现多条逻辑链路的统计复用和转换。

由于帧中继省略了网络层，避免了网络层的报文分组和重装的消耗，而且帧中继允许最大帧长在1K字节以上，取消了网络层分组长度的限制，这种灵活性也保证了网络的高吞吐量。

帧中继保留了X.25链路层的HDLC帧格式，但不采用HDLC的平衡链路接入规程LAPB（Link Access Procedure - Balanced），而是按照ISDN标准使用独立于用户数据信道的呼叫控制信令，即LAPD规程。