数据通信与网络基础-交换技术

2.1.4数据通信网的交换技术数据交换概述《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础经编码后的数据在通信线路上进行传输的最简单形式是在两个互连的设备之间直接进行数据通信，但是，直接连接两个设备往往是不现实的；常常是通过有节点的网络来把数据从源地点发送到目的地点，以此实现通信；这些节点并不关心数据内容，而是提供一个交换设备，使数据从一个节点传到另一个节点直至到达目的地为止。下图示意一个交换网络的拓扑结构。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础数据交换概述按照数据传输技术划分，交换网络实现数据交换的方法包括电路交换、报文交换和分组交换。一、电路交换电路交换（CircuitSwitching）是指数据传输过程中，在源站点与目的站点之间建立专用链接，在数据传输结束之前，电路一直被占用，而不能被其他节点使用。即在发端和收端之间建立电路连接，并保持到通信结束的一种交换方式。

电路交换包括以下三个步骤：

1.建立连接

图1所示为一个交换网络的拓扑结构，其中的方框表示要求通信的设备，称为网站或终端系统，一般是计算机或终端；圆表示提供通信交换功能的节点设备。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础一、电路交换1.建立连接图1电路交换示意图《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础电路交换1.建立连接《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础一、电路交换1.建立连接在传输数据之前，首先通过呼叫建立一条端到端（站到站）的电路。例如在图1中，H1站点发送一个连接请求（信令）到节点A，请求与H5建立一个连接。一般地，从H1站点到节点A的电路是一条专用线路，这一连接已经存在。节点A必须在通向节点E的路径上需找下一个路由。根据路径选择协议，节点A选择到节点B的电路，在此电路上分配一个未用的信道，并告诉节点B要与节点E建立连接，由节点B再呼叫节点E，并建立电路BE，节点E建立与H5站点的连接。这样在节点A与节点E之间就建立了一条专用电路ABE，以实现H1与H5站点之间的数据传输。一、电路交换1.建立连接《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础一、电路交换2.保持连接电路ABE建立完毕后，数据可以从节点A发送到节点B，再从节点B发送到节点E，也可以从节点E经过节点B到节点A发送数据。因为是专用线路，因此这种数据传输经过每个中间节点时几乎没有延迟，并且不存在拥塞问题。在整个数据传输过程中所建立的电路必须始终保持连接状态，除非出现意外的线路或节点故障而使电路中断。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础一、电路交换3.拆除连接在数据传输结束后，由通信的某一方发出拆除连接的请求（信令），对方作出响应并释放链路。被拆除的信道空闲后，可被其他连接使用。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础一、电路交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础一、电路交换优点：实时性好。一旦电路建立，通信双方的所有资源（包括线路资源）均用于本次通信，只有少量的传输延迟。电路交换设备简单，无需提供任何缓存装置。用户数据透明传输，要求收发双方自动进行速率匹配。从电路交换的工作原理看出，线路建立后，所有数据直接传输。因此数据传输可靠、迅速、有序（按原来的次序）。电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。对数据信息的格式和编码类型没有限制，只要通信双方类型一致即可。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础一、电路交换缺点：线路接通后即为专用信道，因此线路利用率低。例如，线路空闲时，信道容量被浪费。网络利用率低。线路建立时间较长，造成有效时间的浪费。例如，只有少量数据要传送时，也要花不少时间用于建立和拆除电路。传输质量差。电路交换时，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信。有呼损。当目标接点忙或交换网络负载重时，可能出现无法接通的情况。通信双方必须同时处于激活状态。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础一、电路交换使用场合电路交换适用于传输质量要求高且数据量大的情况。在数据传送之前必须建立一条专用的电路，在该电路释放之前，该电路由一对用户完全占用。对于突发通信，电路交换的效率不高，固定电话网络是电路交换的典型例子。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础二、报文交换当站点之间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换的缺点是信道容量和有效时间的浪费。采用报文交换可以克服上述不足。报文交换（MessageSwitching）不需在两个站点之间建立一条专用电路，数据传输的单位报文，即通过接收，必要时存储并继续传送消息来对其进行路由选择的一种交换方式。如图2所示。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础二、报文交换图2报文交换示意图《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础

报文由三部分组成：报头（或标题）、正文和报尾。报文：指用户拟发送的完整数据。在报文交换中，报文始终以一个整体的结构形式在交换节点处存储，然后根据目的地转发。报头：包含发送源地址、目的地地址及其他辅助信息。正文：要传送的报文数据。报尾：包括报文的结束标志和误码检测。报文的组成二、报文交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础报文交换的过程如下：将信息分成报文，报文的长短由消息本身确定，不受其他限制。如计算机文件、电报、电子邮件等。报文的存储—转发：包括路由选择、报头和报尾的识别。节点处存储确定路由，排队转发二、报文交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础进行差错控制和完成网络拥塞处理、报文的优先处理等功能。注意：报文交换节点可以是一个专用计算机，它有足够的内存，或是报文交换机。在电路交换的网络中，每个节点是一个电子的或是机电结合的交换设备，这类设备发送和接收的速度一样快。二、报文交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础二、报文交换报文交换的基本处理过程《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础主要优点：线路利用率高。不同用户的报文可以在同一条线路上进行分时多路复用。无需事先呼通对方就可通信，没有呼损。节点处可进行速率和码型的转换，实现不同类型终端间的通信。二、报文交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础不需要收、发两端同时处于激活状态。

可实现一点多址传输。同一报文可由交换机转发到多个收信站，即实现所谓的同报文通信。可建立报文优先级别。在报文交换中，以其重要性确定优先级别。信息传输可靠性高。报文交换网中的交换设备可实现差错控制、流量控制。二、报文交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础

主要缺点：非实时性。时延大且变化也大，不利于实时通信，也不利于较高速率的数据通信。报文交换只用于数字信号。设备要求高。要求交换机有高速处理能力和大存储容量，故设备费用高。应用：报文交换适合于电报类数据信息的传输，用于公众电报和电子信箱等业务。二、报文交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础分组交换（PacketSwitching）是报文分组交换的简称，又称包交换，它是对报文交换的一种改进。在分组交换中，将报文分成若干个有限长度的分组，这将降低每个节点所需的存储能力，分组可以存储到内存中以提高交换速度。每个分组中包含数据和目的地址信息，表面上其传输过程与报文相似，但本质上由于限定了每个分组的长度，因此大大改善了网络传输性能。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换报文

在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。

假定这个报文较长不便于传输三、分组交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础数据数据数据报文

每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组

1分组

2分组

3请注意：现在左边是“前面”三、分组交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础

分组交换网以“分组”作为数据传输单元。

依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3三、分组交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础分组交换是以分组为单位进行传输和交换的，它是一种存储-转发交换方式，即将到达交换机的分组先送到存储器暂时存储和处理，等到相应的输出电路有空闲时再送出。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换分组交换与报文交换的区别分组交换将数据传送单位的最大长度限制在较小的范围内，这样每个节点所需要的存储容量降低。分组是较小的传输单位，只有出错的分组才被发现，因此大大降低了重发的可能性和开销，提高了交换速度。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换分组交换的过程：分包：即数据进行分组的过程。报文信息以分组的形式发送。分组的存储—转发：即传送过程。中间节点存储排队等待转发到下一站同一报文的不同分组的传送彼此独立，可经过同一路由（虚电路方式），按顺序到达目的地；也可经过不同的路由、不同的次序传送到目的地（数据报方式）。三、分组交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础重发：即检错、纠错过程。根据差错检测及重发策略，若某节点发现接收的分组有错，即可要求上一节点重发该分组。打包：即数据重组的过程。接收节点（最终目的节点）将收到的一个个分组按其原来的分组顺序重新排队组合，恢复成原来的完整的报文信息形式，送给用户终端。三、分组交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础分组交换包括虚电路和数据报两种。1.虚电路虚电路（VirtualCircuit）的实现过程包括：

1）建立虚电路在虚电路方式中，网络的源节点和目的节点之间需要先建立一条逻辑电路，如图4所示。

《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换虚电路

1）建立虚电路图3虚电路分组交换示意图《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换虚电路《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换虚电路

1）建立虚电路在图3中，假设H1站点有一个或多个报文要发送到H3站点，则首先发送一个呼叫请求分组到节点A请求建立一条到节点B的连接。节点A确定达到节点B的路由后，节点B再确定到达节点C的路由，节点C最终把呼叫请求分组传送到H3站点。若H3站点准备接收，则发送一个呼叫请求分组到节点C，该分组依次通过节点B和节点A返回H1站点，完成了H1站点到H3站点之间虚电路的建立。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换虚电路

2）交换数据在逻辑电路建立后，可以利用虚电路交换数据。每个分组除了包含数据还包含一个虚电路标识符(虚电路号)。根据预先建立好的路由，路由上的每个节点可以知道将这些分组传送到哪里，而不需要重新进行路由选择。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换虚电路

3）拆除虚电路当数据交换结束后，其中任意一个站点均可发送拆除电路的请求。一个站点能够与任意一个站点建立多条虚电路，也可以与多个站点建立虚电路。这种传输数据的逻辑电路是虚的，因为这条电路不是专用的，而是时分复用的。每条虚电路支持特定的两个端点之间的传输，而两个端点之间也可以有多条虚电路为不同的通信进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同也可能不同。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换三、分组交换虚电路《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换虚电路虚电路技术的主要特点是在数据传输之前先建立站点与站点之间的一条路由，需要注意的是，虚电路不像电路交换那样拥有一条专用电路，分组在每个节点上仍需要缓冲，并在输出电路上排队等待输出。这种方式对信息传输频率高、每次传输量小的用户不太适用，但由于每个分组头只需标出虚电路标识符和序号，所以分组头开销小，适用长报文传送。

《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换虚电路与电路交换的联系与区别

虚电路通信与电路交换类似，两者都是面向连接的，即数据按照正确的顺序发送，并且在连接建立阶段都需要额外开销。但是，电路交换提供稳定的比特率和延迟时间，而虚电路服务的比特率和延迟时间要取决于以下因素：网络节点上包队列的长度，应用程序产生数据的比特率，使用统计多路复用技术时，共享同一网络资源的其他用户的负荷。许多虚电路协议通过数据重传，包括检错纠错和自动重传请求（ARQ），提供可靠的通信服务。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础数据报：自带寻址信息的独立处理的分组称为数据报。（Datagram）。这里独立处理是指同一消息的各个分组走不同的路径。数据报的特点：无呼叫建立过程。不需要为整个报文的传送建立一个逻辑连接。每个分组被单独处理。每个分组独立地选择路由，传输效率高，时延小，保密性好。每个分组必须携带完整的地址信息（源、目的地）。每个节点有路由表。每个分组独立发送。三、分组交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础在目的地，根据分组的序号重新排序，组成原来的报文。

数据报不保证顺序交付，不保证无差错、不丢失和不重复。在此模式中，由主机承担端到端的差错控制及端到端的流量控制，即放在运输层协议中完成。可靠性高。若某个分组传送错误，重发该分组即可。若某个节点发生故障，后续分组可另选路由。三、分组交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换2.数据报如图4所示，H1站点有一个由3个分组组成的报文发向H4站点，它首先将整个报文发送到节点A并存入缓冲器重，之后选择空闲的路由向目的站发送。

图6.4数据报分组交换示意图《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础图4数据包分组交换示意图三、分组交换2.数据报《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换2.数据报《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换2.数据报例如分组P1和P2选择了节点B，而分组P3选择了节点F，在分组每经过一个节点时，都按照存储转发的方式，直至将各分组传送至H4站点。因为各分组所经过的路由不同，而且在各节点的排队等待时间不同，为此节点D只能在收到全部分组后，才能将分组P1、P2和P3重新组成与发送端完全相同的完整报文，然后再发送的H4站点，至此一次报文传输完毕。在数据报交换方式中，每个分组在各个节点向前传输时均需要选择路由。另外，在发送端需要将整个报文分割成分组，在接收端重新组装。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换虚电路方式与数据报方式

区别虚电路方式是面向连接的交换方式，常用于两端点之间数据交换最大的情况，能够提供可靠的通信，保证每个分组正确到达目的地，且保持原来的顺序。数据报方式是面向无连接的交换方式，适用于交互式会话等每次传送的数据报很短的情况。该方式无需呼叫建立过程，当传输的分组较少时，这种方式比虚电路方式快速、灵活。而且分组可以动态选择路由而避开故障到达目的地，因此受故障的影响比虚电路方式小得多。但数据报无法保证分组按顺序达到。《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础三、分组交换

数据报虚电路端到端的连接不要必须有目的站地址每个分组均有目的站的全地址仅在连接建立阶段使用分组的顺序到达目的站是可能不按发送顺序总是按发送顺序到达目的站端到端的差错控制由用户端主机负责由通信子网负责端到端的流量控制由用户端主机负责由通信子网负责虚电路方式与数据报方式区别《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础主要优点：通信实时性好，数据传输延时小，且变化范围不大。经济性好。减少了出错几率和重发数据量。三、分组交换《现代铁路信号中的通信技术》第2章数据通信与网络基础主要缺点：交换设