數據交換技術

通信子網是由若干網絡節點和鏈路按照一定的拓撲結構互連起來的網絡。中間的這些交換節點有時又稱為交換設備，這些交換設備並不處理流經的數據，而只是簡單地把數據從一個交換設備傳送到另一個交換設備，直至到達目的地。子網是為所有進入子網的數據提供一條完整的傳輸路徑的通路，實現這種數據通路的技術就稱為“數據交換技術”。 ^[2] 

一般按照通信子網中的網絡節點對進入子網的數據所實施的轉發方式的不同，可以將數據交換方式分為電路交換和存儲轉發交換兩大類。常用的交換技術有電路交換、報文交換和分組交換3種。 ^[2] 

電路交換（Circuit Switching）方式與電話交換方式的工作過程很類似。兩台計算機通過通信子網交換數據之前，首先要在通信子網中通過交換設備間的線路連接，建立一條實際的專用物理通路。 ^[2] 

用此方式的交換網能為任意一個入網數據提供一條臨時的專用物理通路，由通路上各節點在空間上或時間上完成信道轉接而構成，為源主機（輸出端）和宿主機（接收端）之間建立起一條直通的、獨佔的物理線路。因此，在通路連接期間，不論這條線路有多長，交換網為一對主機提供的都是點到點鏈路上的數據通信，即建立連接的兩端設備獨佔這條線路進行數據傳輸，直至該連接被釋放。公用電話網的交換方式採用的就是電路交換，通話雙方一旦建立通話，則可以一直獨佔這條線路，直至通話結束，釋放連接，這時其他用户才能使用這條線路。 ^[2] 

網絡中的站點在傳輸數據之前，要先經過呼叫過程建立一條源站點到目標站點的線路。在如圖1所示的網絡拓撲結構中，1～7為網絡交換結點，A～F為網絡通信站點，若A站要與D站傳輸數據，就需要在A～D之間建立一條物理連接。具體步驟：A站向結點1發出欲與D站建立連接的請求，由於從結點1到結點4的通路有多條，如1-2-7-4、1-6-5-4和1-2-3-4等，此時需要根據路由選擇算法從中選擇一條，結點4再利用與D站的直接連接最終完成A站與D站之間的電路建立。 ^[3] 



圖　網絡拓撲結構 ^[3] 

電路建立以後，信息就可以在兩個站點之間進行傳送，在整個信息傳送過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態。 ^[3] 

信息傳送結束後，由源站點或目標站點發出拆除請求，然後逐結點進行拆除，最終釋放由該電路佔用的結點和信道資源。 ^[3] 

電路交換技術的優點是數據傳輸可靠、迅速，數據不會丟失且保持原來的序列；其缺點是信道利用率低，即使在兩個站點之間數據傳輸的間歇期，電路也不讓其他站點使用。電路交換適用於實時大量連續的數據傳輸。 ^[3] 

電路交換方式最重要的特點是在一對主機之間建立起一條專用的數據通路。通信過程包括線路建立、數據傳輸和線路釋放3個過程。通路建立時需要一定的呼叫建立時間。一旦通路建立，在各個節點上幾乎沒有延時，因此適用於實時或交互式會話類通信，如數字語音、傳真等通信業務。但由於通路建立時，線路是專用的，即使是空閒的，其他用户也不能使用，因此線路利用率不高。由於通信子網中的各個節點（交換設備）不能存儲數據，也不能改變數據內容，並且不具備差錯控制能力，因而整個系統不具備存儲數據的能力，無法發現與糾正傳輸過程中發生的數據差錯，系統效率較低。在電路交換方式的基礎上，人們提出了存儲轉發交換方式。 ^[2] 

存儲轉發交換（Store-and-Forward Switching）是指網絡節點（交換設備）先將途經的數據按傳輸單元接收並存儲下來，然後選擇一條適當的鏈路轉發出去。根據轉發的數據單元的不同，存儲轉發交換又分為報文交換和分組交換。 ^[2] 

報文交換（Message Switching）是指網絡的每一個節點（交換設備）先將整個報文（Message）完整地接收並存儲下來，然後選擇合適的鏈路轉發到下一個節點。每個節點都對報文進行存儲轉發，最終到達目的地。 ^[2] 

在報文交換中，中間設備必須有足夠的內存，以便將接收到的整個報文完整地存儲下來，然後根據報文的頭部控制信息，找出報文轉發的下一個交換節點。若一時沒有空閒的鏈路，報文就只好暫時存儲，並等待發送。因此，一個節點對於一個報文造成的時延往往不確定。 ^[2] 

報文數據在交換網中完全是按接力式傳送的。通信的雙方事先並不知道報文所要經過的傳輸通路，但每個報文確實經過了一條邏輯上存在的通路。由於按接力方式工作，任何時刻一份報文只佔用一條鏈路的資源，不必佔用通路上的所有鏈路資源，提高了網絡資源的共享性。報文交換方式雖然不要求呼叫建立線路和釋放線路的過程，但每一個節點對報文數據的存儲轉發時間比較長。報文交換方式適合於非實時的通信業務，如電報；而不適合於傳輸實時的或交互式的業務，如話音、傳真等。另外，由於報文交換是以整個報文作為存儲轉發單位的，因此，當報文傳輸出現錯誤需要重傳時，必須重傳整個報文。 ^[2] 

分組交換又稱包交換（Packet Switching），與報文交換同屬於存儲轉發式交換。兩者之間的差別在於參與交換的數據單元長度不同。在分組交換網絡中，計算機之間要交換的數據不是作為一個整體進行傳輸，而是劃分為大小相同的許多數據分組來進行傳輸，這些數據分組稱為“包”（Packet）。每個分組除含有一定長度需要傳輸的數據外，還包括一些控制信息，其中包括分組將被髮送的目的地址。一個分組的最大長度通常被限制在1 000～2 000 bit。這些數據分組可以通過不同的路由器先後到達同一目的地址，數據分組到達目的地後進行合併還原，以確保收到的數據在整體上與發送的數據完全一致。 ^[2] 

這種通信方式類似於“單頁郵局”的模式。假設單頁郵局規定每封信只能用一頁紙，寫長信的人就必須給每頁信紙編號，放在不同的信封中；收信人在收到信件後，必須按信紙的順序整理合併，才能讀到完整的信件。 ^[2] 

在分組交換中，根據網絡中傳輸控制協議和傳輸路徑的不同，可分為兩種方式：數據報（Datagram）分組交換和虛電路（Virtual Circuit）分組交換。 ^[2] 

（1）數據報分組交換。在數據報方式中，每個報文分組又稱為數據報。每個數據報在傳輸的過程中都要選擇路徑，各個數據報可以按照不同的路徑到達目的地。在發送方，每個數據報的分組順序與每個數據報到達目的地的順序是不同的。在接收方，再按分組的順序將這些數據報組合成一個完整的報文。 ^[2] 

（2）虛電路分組交換。虛電路方式試圖將數據報方式與電路交換方式結合起來，發揮兩種方式的優點，達到最佳的數據交換效果。數據報在分組發送之前，發送方和接收方之間不需要預先建立連接；而在虛電路方式中，發送分組之前，首先必須在發送方和接收方建立一條通路。在這一點上，虛電路方式和電路交換方式相同。整個通信過程分為3個階段：虛電路建立、數據傳輸、虛電路拆除。但與電路交換不同的是，虛電路建立階段建立的通路不是一條專用的物理線路，而只是一條路徑，在每個分組沿此路徑轉發的過程中，經過每個節點時仍然需要存儲，並且等待隊列輸出。通路建立後，每個分組都由此路徑都達目的地。因此在虛電路交換中，各個分組是按照發送方的分組順序依次到達目的地的，這一點又和數據報分組交換不同。 ^[2] 

與報文交換相比，分組交換把整個要傳輸的數據分成了若干分組，而每一個分組又包含有大量的傳輸控制信息，因此分組交換的通信方式會明顯降低數據通信的效率。但分組交換卻有以下3個優點。 ^[2] 

① 通信線路是公用的，每個分組都不會佔用太長的通信線路時間，有利於合理分配通信線路，兼顧網絡上各個主機的通信要求。 ^[2] 

② 數據傳輸難免會出錯，若某些分組出現傳輸錯誤，只需重傳該分組即可，而不需要重傳整個數據，有利於迅速進行數據糾錯。 ^[2] 

③ 能夠有效地改善報文傳輸時的時延現象，網絡信道利用率較高。 ^[2]