交換功能

交換功能是指數據經過交換機等設備從一個局域網傳輸到另一個局域網或是指從一個系統傳輸到另一個系統。機器或系統具有交換功能使不同系統或區域的數據可以相互交換，加快了信息傳遞的速度。交換速率和交換端口選擇對於一個機器和系統來説是十分重要，這直接影響交換功能實現的好壞。

兩端用户通過信道直接連接起來所構成的通信方式是點對點的通信。多個用户之間要進行數據通信，如果任意兩個用户之間都有直達線路連接的話，雖然簡單方便，但線路利用率低。為此，一般將各個用户終端通過一個具有交換功能的網絡連接起來，使得任何接入該網絡的兩個用户終端由網絡來實現適當的交換操作 ^[2]  。

交換機（Switch）意為“開關”是一種用於電（光）信號轉發的網絡設備。它可以為接入交換機的任意兩個網絡節點提供獨享的電信號通路。最常見的交換機是以太網交換機。其他常見的還有電話語音交換機、光纖交換機等。交換（switching）是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設備自動完成的方法，把要傳輸的信息送到符合要求的相應路由上的技術的統稱。交換機根據工作位置的不同，可以分為廣域網交換機和局域網交換機。廣域的交換機（switch）就是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備，它應用在數據鏈路層。交換機有多個端口，每個端口都具有橋接功能，可以連接一個局域網或一台高性能服務器或工作站。實際上，交換機有時被稱為多端口網橋。

在電腦網絡中，通信端口（port），又稱為連接端口、接口、端口、協議端口（protocol port），是一種經由軟件創建的服務，在一個電腦操作系統中扮演通信的端點（endpoint）。每個通信端口都會與主機的IP地址及通信協議關聯。通信端口以16比特數字來表示，這被稱為通信端口編號（port number）。位於傳輸層的通信協議通常需要指定端口號，例如在TCP/IP協議族之下的TCP與UDP協議。在應用層中，使用主從式架構的通信協議，在每個通信端口上提供多路複用服務（multiplexing service）。經由公認連接端口號（well-known port numbers），通常可以辨認出這個連接使用的通信協議，其中具代表性的是最基礎的1024個公認連接端口號（well-known port numbers），例如telnet協議默認使用23端口來連接，HTTP連接默認使用80端口。端口號有兩種用途：標識服務器上提供特定網絡服務的進程。客户機可以按照服務器IP與端口號與相應的服務器進程創建網絡連接，獲得相應的網絡服務。例如，通常使用80端口號提供http服務，使用23端口號telnet服務。服務器的這種功能叫做listening。客户機通常使用動態指定的端口號與服務器創建連接。由本機地址、本機端口號、目標機地址、目標機端口號、通信協議組成的五元組，用於唯一確定正在使用的網絡連結。因此，對於不同的協議、不同的目標機地址，本機的不同地址（如果本機使用多個網卡）等多種情形，同一個端口號可以複用。因此對於1對1通信，且本機與目標機之間只能創建一個通信連接，則不需要使用端口號。網絡防火牆或者網關還可提供端口轉發（port forwarding），即NAT。

數據傳輸速率(Data transfer rate)簡稱傳輸速率，在電信領域是指在單位時間內在數據傳輸系統設備之間傳送比特，字符，或者塊的平均值。傳輸速率可以應用於不同功能。反應時間可以幫助網絡管理員查明網絡裏面什麼位置速率下降和潛在的阻斷。通過分析數據傳輸速率來相應做調整，作為一個保護性措施，系統可以運行得更加有效，並可以在高負荷的時候預防處理特別的帶寬限制。測試裝置比如光纖迴路測試可以幫助測量和管理數據傳輸速率。傳輸速率是衡量系統傳輸能力的主要指標。它有以下幾種不同的定義：

攜帶數據信息的信號的單元叫做碼元，每秒鐘通過信道傳輸的碼元數稱為碼元傳輸速率，記作rs，單位是波特（Bd），簡稱波特率。碼元傳輸速率又稱調製速率。

每秒鐘通過信道傳輸的信息量稱為比特傳輸速率，記作rb。單位是比特/秒（b/s），簡稱比特率。

每秒鐘從信息源發出的數據比特數（或字節數）稱為消息傳輸速率，單位是比特/秒（或字節/秒），簡稱消息率，記作rm。

碼元傳輸速率與比特傳輸速率具有不同的定義，不應混淆，但是它們之間有確定的關係。對二進制來説，每個碼元的信息含量為一比特。因此，二進制的碼元傳輸速率與比特傳輸速率在數值上是相等的。對於M進制來説，每一碼元的信息含量為log2M比特，因此，如果碼元傳輸速率為rs波特，則相應的比特傳輸速率為：

rb=rslog2M（b/s）

式中M為大於等於2的整數。

消息傳輸速率與比特傳輸速率的關係是

rm=ηrb（b/s）

式中η是傳輸效率

通常在傳輸數據的過程，總要加入一些多餘度，這些多餘的比特攜帶的不是數據信息，而是為數據可靠傳輸服務的信息，因此，傳輸效率η總是小於1的。

需要傳輸的比特率有高有低，範圍非常寬。低的每秒幾比特，高的達到每秒幾百兆比特，甚至上千。通常把300b/s以下的比特率稱為低速，300-2400b/s的稱為中速。

2400b/s以上的稱為高速。

線路交換通過網絡中的節點在兩個站之問建立一條專用的通信線路。從通信資源的分配角度來看，交換就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。如果主叫端撥號成功，則在兩個站之間就建立了一條物理通道。具體過程如下。

1)建立電路。如果站點1發送一個請求到節點2，請求與站點2建立一個連接，那麼站點1到節點1是一條專用線路。在交換機上分配一個專用的通道連接到節點2冉到站點2，至此就建立了一條從站點1經過節點1再到站點2的通信物理通道。

2)傳輸數據。電路建立成功以後就可以在兩個站點之問進行數據傳輸，將話音從站點l傳送到站點2。這種連接是全雙工的，可以在兩個方向傳輸信息。

3)拆除通道。在數據傳送完成後，就要對建立好的通道進行拆除，可以由這兩個站中的任何一個來完成，以便釋放專用資源。

線路交換數據的優點是數據傳輸迅速可靠，並能保持原有序列；缺點是一旦通信雙方佔有通道後，即使不傳送數據，其他用户也不能使用，造成資源浪費。這種方式適用於時間要求高、且連續的批量數據傳輸。

報文交換方式的傳輸對象是報文，長度不限且可變。報文中包括要發送的正文信息、收發站的地址及其他控制信息。數據傳送過程採用存儲/轉發的方式，不需要在兩個站之間提前建立一條專用通路。在交換裝置控制下報文先存入緩衝存儲器中並進行一些必要的處理，當指定的輸出線路空閒時，再將數據轉發出去。報文交換方式的典型應用是電報的發送。

報文交換數據的優點是效率高，信道可以複用且需要時才分配信道；可以方便地把報文發送到多個目的節點；建立報文優先權，讓優先級高的報文優先傳送。缺點是延時長，不能滿足實時交互式的通信要求；有時節點收到的報文太多以至於不得不丟棄或阻止某些報文；對中繼節點存儲容量要求較高 ^[3]  。

分組交換與報文交換類似，只是交換的單位為報文分組，且限制了每個分組的長度，即將長的報文分成若干個報文組。每個分組的前面都加上一個分組頭，用以指明該分組發往何地址，然後由交換機根據每個分組的地址標誌將他們轉發至目的地。這些分組不一定按順序抵達。這樣處理可以減輕節點的負擔，改善網絡傳輸性能。分組交換方式的典型應用是因特網。

分組交換的優點是轉發延時短，數據傳輸靈活。由於分組是較小的傳輸單位，只有出錯的分組而不是整個報文會被重發，因而大大降低了重發比例，提高了交換速度。而且每個分組可按不同路徑不同順序到達。缺點是在目的節點要對分組進行重組，增加了系統的複雜性。