数据交换的三种方法详解

　　在数据通信系统中，当终端与计算机之间，或者计算机与计算机之间不是直通专线连接，而是要经过通信网的接续过程来建立连接的时候，那么两端系统之间的传输通路就是通过通信网络中若干节点转接而成的所谓“交换线路”。在一种任意拓扑的数据通信网络中，通过网络节点的某种转接方式来实现从任一端系统到另一端系统之间接通数据通路的技术，就称为数据交换技术。

　　一、线路交换

　　所谓线路交换是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通讯线路。如图1的电话系统，这种线路交换系统，在两个站之间有一个实际的物理连接，这种连接是节点之间的连接序列。在传输任何数据之间都必须建立点到点的线路。如站1发送一个请求到节点2，请求与站点2建立一个连接，那么站点1到节点1是一条专用线路。在交换机上分配一个专用的通道连接到节点2再到站点2的通讯。至此就建立了一条从站点1经过节点2再到站点2的通讯物理通道。这样就可以将话音从站点1传送到站点2了，一般来说这种连接是全双工的，可以在两个方向传输话音(数据)。

　　在数据传送完成后，就要进行对建立的通道进行拆除，一般情况下由这两个站中的其中一个来完成，以便释放专用资源。

　　二、报文交换

　　这种交换方式不需要在两个站点之间建立一条专用通路，如果一个站想要向站点2发送一个报文(信息的一个逻辑单位)，它把站点2的地址(编码方式，叫做地址码)附加在要发送的报文上。然后把报文通过网络从节点到节点进行发送，在每个节点中(如要通过多个节点才能发送到站点2)完整地接收整个报文且暂存这个报文，然后再发送到下一个节点。在交换网中，每个节点是一个电子或机电结合的交换设备，每个节点通常是一台通用的小型计算机。它具有足够的存储容量来缓存进入的报文。一个报文在每个节点的延迟时间等于接收报文的所有位所需要的时间，加上等待时间和重传到下一节点所需要的排队延时时间。

　　报文交换有以下优点

　　1、线路效率较高，这是因为许多报文可以用分时方式共享一条节点到节点的通道。

　　2、不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前暂时存储这个报文。

　　3、在线路交换网上，当通讯量变得很大时，就不能接受某些呼叫。而在报文交换上却仍然可以接收报文，只是传送延迟会增加。

　　4、报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。

　　5、能够建立报文的优先权。

　　6、报文交换网可以进行速度和代码的转换，因为每个站都可以用它特有的数据传输率连接到其他点，所以两个不同传输率的站也可以连接，另外还可以转换传输数据的格式。

　　三、分组交换

　　分组交换方式兼有报文交换和线路交换的优点。其形式上非常像报文交换。主要差别在于分组交换网中要限制传输的数据单位长度，一般在报文交换系统中可传送的报文数据位数可做得很长，而在分组交换中，传送报文的最大长度是有限制的，如超出某一长度，报文必须要分割成较少的单位，然后依次发送，我们通常称这些较少的数据单位为分组。这就是报文交换与分组交换所不同之处。

　　在数据通信系统中，当终端与计算机之间，或者计算机与计算机之间不是直通专线连接，而是要经过通信网的接续过程来建立连接的时候，那么两端系统之间的传输通路就是通过通信网络中若干节点转接而成的所谓“交换线路”。

　　在一种任意拓扑的数据通信网络中，通过网络节点的某种转接方式来实现从任一端系统到另一端系统之间接通数据通路的技术，就称为数据交换技术。[1]

　　数据交换技术主要是电路交换、分组交换和报文交换。

　　这三种交换方式各有优缺点，因而各有适用场合，并且可以互相补充。与电路交换相比，分组交换电路利用率高，可实现变速、变码、差错控制和流量控制等功能。与报文交换相比，分组交换时延小，具备实时通信特点。分组交换还具有多逻辑信道通信的能力。但分组交换获得的优点是有代价的。把报文划分成若干个分组，每个分组前要加一个有关控制与监督信息的分组头，增加了网路开销。所以，分组交换适用于报文不是很长的数据通信，电路交换适用于报文长且通信量大的数据通信。

　　数据交换的方法

　　DTE之间要进行通信，最简单的方法是在两者之间一一用直达线路连接，称全连通。当DTE个数为时，全连通线路条数为。这种方法通信质量较好，但所需互连线路数多，线路利用率低，通常不可取。如果个DTE之间经交换机进行转接，则仅需条用户线，线路利用率高。

　　数据交换的基本要求

　　数据交换的基本要求有：①能适应从很低到很高范围内的不同速率，以满足不同用户的需要；②有尽量快的接续速度；③为适应实时性要求，网路时延要小；④有高的传输准确性具有适应数据用户特性变化（多样化的DTE和多样化的数据业务）的能力。

　　电路交换

　　其原理与一般电话交换原理相同。根据主叫DTE的拨号信号所指定的被叫DTE地址，在收发DTE之间建立一条临时的物理电路，这条电路一直保持到通信结束才拆除。在通信过程中，不论进行什么样的数据传输，交换机完全不干预地提供透明传输，但通信双方必须采用相同速率和相同的字符代码，不能实现不兼容DTE间的通信。

　　由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），因而有以下优缺点。

　　①由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。

　　②通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。

　　③双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。

　　④电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。

　　⑤电路交换的交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。

　　缺点：

　　①电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长。

　　②电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用低。

　　③电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

　　分组交换

　　电路交换的缺点是电路利用率低，即使双方在通信过程中有很多空闲时间，其他用户也不能利用。针对电路交换的缺点，产生了另一种利用计算机进行存储-转发的报文交换。它的基本原理是当DTE信息到达作为报文交换用的计算机时，先存放在外存储器中，然后中央处理机分析报头，确定转发路由，并选到与此路由相应的输出中继电路上进行排队，等待输出。一旦中继电路空闲，立即将报文从外存储器取出后发往下一交换机。由于输出中继电路上传送不同用户发来的报文，不是专门传送某一用户的报文，提高了这条中继电路的利用率。

　　分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去，因此分组交换除了具有报文的优点外，与报文交换相比有以下优缺点：

　　①加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。

　　②简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。

　　③减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。

　　④由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。

　　缺点：

　　①尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。

　　②分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。

　　③当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

　　报文交换

　　报文交换虽然提高了电路利用率，但报文经存储转发后会产生较大的时延。报文愈长、转接的次数愈多，时延就愈大。为了减少数据传输的时延，提高数据传输的实时性，产生了分组交换。分组交换也是一种存储转发交换方式，但它是将报文划分为一定长度的分组，以分组为单位进行存储转发；，这样既继承了报文交换方式电路利用率高的优点，又克服了其时延较大的缺点。分组交换利用统计时分复用原理，将一条数据链路复用成多个逻辑信道，在建立呼叫时，通过逐段选择逻辑信道，最终构成一条主叫、被叫用户之间的信息传送通路，即虚电路，从而实现数据分组的传送。虚电路是分组交换提供的一种业务类型，它属于连接型业务，即通信双方在开始通信前必须首先建立起逻辑上的连接。由于存在这一连接，在源节点分组交换机与目的节点分组交换机之间发送与接收分组的次序将保持不变。分组交换提供的另一种业务类型是数据报，它属于无连接型业务，在这类业务中将每一分组作为一个独立的报文进行传送，通信双方在开始通信前无需建立虚电路连接，因而在一次通信过程中，源节点分组交换机与目的节点分组交换机之间发送与接收分组的次序不一定相同，接收方分组的重新排序将由终端来完成。同时，分组在网内传输过程中可能出现的丢失与重复差错，网路本身也不作处理，均由双方终端的协议来解决。一般说来，数据报业务对节点交换机要求的处理开销小，传送时延短，但对终端的要求较高；而虚电路业务则相反。

　　优点：①报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。②由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信；c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。③通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。

　　缺点：①由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。②报文交换只适用于数字信号。③由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。

　　总之，若要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则采用电路交换较为合适；当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

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