数据通信原理(第三版)第四章

数据交换
图4-1 DTE用户接入交换网
为了克服上述缺点，适合数据通信业务的公用 数据网则应运而生。 2．利用公用数据网进行数据交换 利用公用数据网进行数据交换有两种交换方式： 电路交换方式和存储-转发交换方式。电路交换方 式又分为空分交换方式和时分交换方式：
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存储-转发交换方式又分为报文交换方式、分组交 换方式及帧方式。
4.2 电路交换方式
4.2.1 电路交换方式的原理
1．电路交换的概念 数据通信中的电路交换方式是指两台计算机或 终端在相互通信之前，需预先建立起一条物理链路， 在通信中自始至终使用该条链路进行数据信息传输， 并且不允许其他计算机或终端同时共享该链路，通 信结束后再拆除这条物理链路。 电路交换方式分为空分交换方式和时分交换方 式。
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(2)要求交换机有较高的处理能力，故大型分组交 换网的投资较大。
4.4.3 分组的传输方式
1．数据报方式 (1)数据报方式的概念 数据报方式将每个分组单独当作一份报一样对 待，分组交换机为每一个数据分组独立地寻找路径， 同一终端送出的不同分组(分组型终端送出的不同 分组或一般终端送出的一份报文拆成的不同分组) 可以沿着不同的路径到达终点。在网络终点，分组 的顺序可能不同于发端，需要重新排序。 分组型终端有排序功能，而一般终端没有排序功能。
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4.5.1 帧中继的概念
帧中继是一种快速分组交换技术。帧中继是在 开放系统互连(OSI)参考模型第二层,即数据链路层 上使用简化的方式传送和交换数据单元的一种方式。 帧中继不执行差控和流量控制，简化了帧的处理， 可缩短延时。 帧中继简介： 帧中继不提供纠错机制。 帧中继节点在检测到错误时只是丢弃数据包， 而不发出任何通知。 帧中继在单个物理电路上提供多个逻辑连接， 允许网络通过这些连接将数据发送到目的地。
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（3）虚电路的重连接 虚电路的重连接是有意虚电路方式工作的 网络提供的一种功能，如图4-9所示。
新连接的虚电路
原始虚电路 图4-9 虚电路重连接
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4.4.4 分组长度的选取
1．分组长度与延迟时间 设分组长度为L(bit)，其中h(bit)为分组头长， 数据长度为x(bit)，即有 （4-1） 分组交换机发送一个分组的时间为 （4-2） 式中，L为分组长度(bit)；c为输出线路的传输能 力，也是交换机的吞吐量(bit／s)；n为分组到达 率，即每秒到达的分组数。
本章主要介绍常见的几种数据交换方式，即电 路交换、报文交换、分组交换及帧方式的基本原理、 优缺点及适用场合，并对这几种交换方式的主要性 能加以比较。
数据交换 4.1 概述
4.1.1 数据交换的必要性
两端用户通过信道直接连接起来所构成的通信 方式是点对点的通信。多个用户之间要进行数据通 信，如果任意两个用户之间都有直达线路连接的话， 虽然简单方便，但线路利用率低。为此，一般将各 个用户终端通过一个具有交换功能的网络连接起来， 使得任何接入该网络的两个用户终端由网络来实现 适当的交换操作。
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由于用户终端的智能化（例如，计算机的使 用），使终端的处理能力大大增强，从而可以把 分组交换网中由交换机完成的一些功能，如流量 控制、纠错等能够交给终端去完成。 正由于帧中继的发展具备这两个必要条件， 使得帧中继交换机可以省去纠错控制等功能，从 而使其操作简单，既降低了费用，又减少了时延， 提高了信息传输效率，同时又能够保证传输质量。
1.报文交换的概念 报文交换属于存储-转发交换方式，当用户的 报文到达交换机时，先将报文存储在交换机的存储 器中(内存或外存)，当所需要的输出电路有空闲时， 再将该报文发向接收交换机或用户终端。 报文应包括3个部分： (1) 报头或标题。它包括发信站地址、终点收 信地址和其他辅助控制信息等。
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4.5.2 帧中继发展的必要条件
帧中继技术是在分组交换技术充分发展，数字 与光钎传输线路逐渐替代已有的模拟线路，用户终 端日益智能化的条件下诞生并发展起来的。帧中继 的发展有以下两个必要条件。 1.光纤传输线路的使用 随着光纤传输线路的大量使用，数据传输质量 大大提高，光纤传输线路的误码率一般低于 10 11 。 也就是说在通信链路上很少出现误码，即使偶尔出 现的误码也可由终端处理和纠正。 2.用户终端的智能化
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(2)数据报方式的特点 ①用户之间的通信不需要经历呼叫建立和呼叫 清除阶段，对于数据量小的通信，传输效率比较高。 ②数据分组的传输时延较大，且离散度大。 ③同一终端送出的若干分组到达终端的顺序可 能不同于发端，需重新排序。 ④对网络拥塞或故障的适应能力较强。 2．虚电路方式 (1)虚电路方式的概念 虚电路方式是两个用户终端设备在开始互相传 输数据之前必须通过网络建立一条逻辑上的连接 (称为虚电路)，一旦这种连接建立以后，用户发送
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数据通信原理 第4章 数据交换
计算机学院 研1304 通信与信息系统 张璇予
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目录
4.1 概述 4.5 帧中继 4.1.1 数据交换的必要性 4.5.1 帧中继的概念 4.1.2 数据交换方式 4.5.2 帧中继发展的必要条件 4.2 电路交换方式 4.5.3 帧中继技术的功能 4.2.1 电路交换方式的原理 4.5.4 帧中继的特点 4.2.2 电路交换的优缺点 4.6 ATM交换 4.3 报文交换方式 4.6.1 ATM的定义 4.3.1 报文交换方式的原理 4.6.2 ATM信元 4.3.2 报文交换的优缺点 4.6.3 ATM的特点 4.4 分组交换方式 4.6.4 ATM的虚连接 4.4.1 分组交换方式的原理 4.6.5 ATM交换 4.4.2 分组交换的优缺点 4.7 几种交换方式的比较 4.4.3 分组的传输方式 4.4.4 分组长度的选取
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2.电路交换的缺点 （1）电路接续时间较长。 （2）电路资源被通信双方独占，电路利用率 低。 （3）不同类型的终端不能相互通信。 （4）有呼损。 （5）传输质量较差。 正因为电路交换自身的特点，使其适合于传 输信息量较大、通信对象比较确定的用户。
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4.3 报文交换方式
4.3.1 报文交换方式的概念
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分组交换的工作原理如图4-5所示。
图4-5 分组交换工作原理
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有几个问题需要说明一下： 来自不同终端的不同分组可以去往分组交换 机的同一出线，这就需要分组在交换机中排队等 待。 一般终端需经分组装拆设备(PAD)才能接入分 组交换网。 分组交换最基本的思想就是实现通信资源的 共享，具体采用统计时分复用(STDM)。
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帧方式的类型 帧方式包括帧交换和帧中继两种类型。 分组交换机具有差错检测和纠错、流量控制、 分组级逻辑信道复用等功能，帧中继交换机只进行 差错检测，但不纠错(检测出错误帧便将其丢掉)， 而且省去了流量控制、分组级的逻辑信道复用等功 能。纠错、流量控制等功能由终端去完成。 帧交换和帧中继的区别在于帧交换保留了差错 控制和流量控制功能，但不支持分组级的复用，这 一点与分组交换不同。 帧中继比帧交换的功能更加简化，传输效率也 就更高，所以目前广泛应用的是帧中继。
(2) 报文正文。传输用户信息。 (3) 报尾。表示报文的结束标志，若报文 长度有规定，则可省去此标志。 2.报文交换方式的原理 报文交换方式原理如图4-3所示。 报文交换机主要由通信控制器、中央处理 机和外存储器等组成，如图4-4所示。
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图4-3 报文交换方式原理示意图
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图4-4 报文交换机
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的数据将通过该路径按顺序通过网络传送到达 终点。当通信完成之后用户发出拆链请求，网 络清除连接。 为了区分一条线路上不同终端的分组，对 分组进行编号(即分组头中的逻辑信道号)，逻 辑信道号相同的分组就认为占的是同一个逻辑 信道。 经过交换机逻辑信道号要改变，即逻辑信 道号只有局部意义。 多段逻辑信道链接起来构成一条端到端的 虚电路。 在一条物理线路上可以同时有多条虚电路。
图4-11 分组长度与交换机费用的关系
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最佳分组长度与误码率成反比，其关系曲线如 图4-12所示。
图4-12 最佳分组长度与信道误码率关系
数据交换 4.5 帧中继
帧方式的概念 帧方式是一种快速分组交换，是分组交换的升 级技术。具体地说，帧方式是在开放系统互连(OSI) 参考模型第二层，即数据链路层上使用简化的方式 传送和交换数据单元的一种方式。由于在数据链路 层的数据单元一般称作帧，故称为帧方式。 帧方式的重要特点之一是简化了分组交换网中 分组交换机的功能，从而降低了传输时延，节省了 开销，提高了信息传输效率。
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可见，报文交换不利于实时通信，它适用于 公众电报和电子信箱业务。
4.4 分组交换方式
4.4.1 分组交换方式的原理
1.分组交换的概念 分组交换是以分组为单位存储-转发，当用户 的分组到达交换机时，先将分组存储在交换机的 存储器中，当所需要的输出电路有空闲时，再将 该分组发向接收交换机或用户终端。 2.分组交换的原理
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2．电路交换方式的原理 采用电路交换方式，数据通信需经历呼叫建立 (即建立一条实际的物理链路)、传输和呼叫拆除三 个阶段。
图4-2 电路交换方式原理
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4.2.2 电路交换的优缺点
1.电路交换的优点 （1）信息的传输时延小，且对一次接续而言， 传输时延固定不变。 （2）信息传输的效率比较高。 （3）信息的编码方法和信息格式由通信双方 协调，不受网络的限制。
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4.1.2 数据交换方式
1．利用公用电话网进行数据交换 利用公用电话网进行数据传输和交换，其优点 是投资少，实现简易和使用方便。 然而，由于电话网是专为电话通信设计的，所 以对于数据通信来说存在一定限制和缺陷，主要体 现在： (1)传输速率低。 (2)传输差错率高。 (3)线路接续时间长。 (4)传输距离受限制。 (5)接通率低、不易增加新功能。
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虚电路可以分为两种：交换虚电路（பைடு நூலகம்VC）和 永久虚电路（PVC）。虚电路方式如图4-7所示。
图4-7 虚电路方式原理
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虚电路的建立过程如图4-8所示。
图4-8 虚电路的建立过程
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(2)虚电路方式的特点 虚电路方式有以下几个特点： ① 一次通信具有呼叫建立、数据传输和呼叫清除3 个阶段。对于数据量较大的通信传输效率高。 ② 终端之间的路由在数据传送前已被决定。 ③ 数据分组按已建立的路径顺序通过网络，在网络 终点不需要对分组重新排序，分组传输时延较小， 而且不容易产生数据分组的丢失。 ④ 虚电路方式的缺点是对网络拥塞或故障的适应能 力不如数据报方式灵活。
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当用户有数据要传输时才给他分配资源，当 用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源，线 路的传输能力可用于为其他用户传输更多的数据。
图4-6 统计时分复用示意图
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4.4.2 分组交换的优缺点
1．分组交换的优点 （1）传输质量高 （2）可靠性高 （3）为不同种类的终端相互通信提供方便 （4）能满足通信实时性要求 （5）可实现分组多路通信。 （6）经济性好 2．分组交换的缺点 （1）由于传输分组时需要交换机有一定的开销， 使网络附加的传输信息较多，对长报文通信的传输 效率比较低。
4.3.2 报文交换的优缺点
1.报文交换的优点 （1）可使不同类型的终端设备之间相互进行 通信。
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（2）在报文交换的过程中没有电路接续过程， 来自不同用户的报文可以在同一条线路上以报文 为单位实现统计时分多路复用，线路利用率高。 （3）无呼损。 （4）可实现同文报通信。 2.报文交换方式的缺点 （1）信息的传输时延大，而且时延的变化也 大。 （2）要求报文交换机有高速处理能力，且缓 冲存储器容量大，因此交换机的设备费用高。
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图4-10给出了不同n，c情况下，分组长度与交 换过程中延迟时间的关系。可见，分组长度越长， 交换过程中的延迟时间越大。
图4-10 分组长度与交换过程中延迟时间的关系
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可见，分组长度与交换过程中的延迟时间成 正比。 2．分组长度与交换机费用 分组交换机费用主要包括两部分：存储器费 用和分组处理费用。