第二节　数据交换技术

在两个远距离终端间建立专用的点到点的通信线路时传输线路的利用率不高，特别是当终端数目增加时，要在所有终端之间建立固定的点到点的通信线路则更是不切合实际。因此，在广域网中网络节点都是部分连接的，终端间的通信必须通过中转节点的转换才能实现，这种由中转节点参与的通信就称为交换，它是网络实现数据传输的一种手段。

实现数据交换的3种基本技术是线路交换、报文交换和分组交换。

一、线路交换

线路交换是一种直接的交换方式，它为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，这条通道是由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。公用电话交换网使用的就是线路交换。

1．线路交换过程

线路交换过程包括3个阶段，即建立连接、数据传送和断开连接，如图2.2.1所示。

图2.2.1　线路交换

（1）建立连接。在进行任何信号传送之前，参与通信的两个站点间必须建立连接。其过程为：由主叫用户发出呼叫请求，在交换节点建立一条物理线路，然后接收方发出应答信号，这样就建立一条通信线路的连接。

（2）数据传送。建立好通信线路后，数据通信的双方便可以沿着已经建立好的线路传输数据了。

（3）断开连接。在经过一段时间的数据传送后，通常由通信双方中的一方来发出拆线的请求，另外一方同意后，原来的线路就可以被释放了。

2．线路交换的特点

线路交换的优点是数据可以直接传输，传输延迟短，数据按照顺序传输；其缺点是线路交换的效率低，即使线路中没有数据传输，通道传输能力在连接期间也是专用的。

二、报文交换

报文交换的过程是发送方将用户的数据及目的地址等信息以一定格式的报文发往中间节点。中间节点收到报文后，先将其存储到本地硬盘，等到输出线路空闲时，再将其转发到下一节点，直至到达目的节点，如图2.2.2所示。

报文交换的优点是不需要事先建立电路且在中间节点可以进行差错校验和代码转换；缺点是中间节点需要有大容量的存储器，且当报文很大时，会明显增加时延。

图2.2.2　报文交换

三、分组交换

分组交换不是以报文为单位进行交换，它是以更短的、标准的“报文分组”为单位进行交换的。分组是一组包含数据和呼叫控制信号的二进制数。

分组交换包括两种，即数据报分组交换和虚电路分组交换。

1．数据报分组交换

在数据报分组交换中，每个报文分组都独立处理，而不管它属于哪个报文的分组。这种分组交换方式简称为数据报传输方式，其工作方式如图2.2.3所示。

数据报的特点：同一个报文的不同分组可以由不同的传输路径来传输；不同分组到达目标节点时可能会出现乱序、重复或丢失现象；数据报传输的延迟较大，只适用于突发性通信。

图2.2.3　数据报分组交换

2．虚电路分组交换

在虚电路分组交换中，任何报文分组在发送前，都必须事先计划好发送路由，即虚电路。因此分组在传输过程中存在一个呼叫建立阶段和拆除阶段，如图2.2.4所示。

图2.2.4　虚电路分组交换

虚电路分组交换的特点如下：

（1）虚电路在每次报文分组发送前必须在源节点和目标节点之间建立一条逻辑连接。

（2）网络中的虚拟线路可以提供与报文分组排序和误差控制有关的服务。

（3）报文分组在虚拟线路上传递迅速。

四、帧中继交换(www.daowen.com)

随着高速数据传输应用对网络带宽和实时性传输要求的提高，传统的线路交换和分组交换已不能满足要求，高速交换技术的出现推动了高速数据传输、多媒体应用及宽带综合业务服务网的发展。下面将要介绍的帧中继交换就是一种比较高速的交换技术。

1．帧中继的概念

帧中继是一种快速分组交换技术，它是在X.25的基础上，简化了差错控制、流量控制和路由选择功能而形成的一种新型的交换技术。帧中继适用于处理突发性信息和可变长度帧的信息，特别适用于局域网的互联。

2．帧中继的结构

帧中继把用户数据流分成许多分组，其分组结构由5部分组成，分别为帧定界开始、帧中继帧头、数据区域、帧校验序列和帧定界结束。帧定界开始由8个比特序列构成；帧中继帧头包含寻址信息和流量控制信息；数据区域一般在4000B以内，帧校验序列部分用于确定在传输过程中分组是否被损坏或丢失。

和分组网络相比，当需要传送信息时，分组网络采用的是确认方式，网络中的每个中间节点都必须有确认操作。而在帧中继网络中，帧中继业务能够减少网络中间节点的系统存储和处理过程，帧从发送端经过一系列中间节点一直被传送到终点后，再由终点返回响应帧，从而大大地简化了中间节点协议，如图2.2.5所示为帧中继网络中数据的传输过程。

图2.2.5　帧中继网络数据传输过程

3．帧中继交换的特点

帧中继交换技术有如下特点：

（1）高效性。帧中继采用统计复用技术，使网络中的每一条线路都可以由多个终端按照信息流量共享，这就极大地提高了网络资源的利用率，特别是对于有大量突发性业务的用户更加适用。

提示：统计复用技术即是排队分配信道的方法。

（2）经济性。由于帧中继技术可以有效地利用网络资源，因此，网络运营商可以将网络带宽分配给更多的用户使用，和专线相比，帧中继可发展的用户远远多于专线方式。

（3）可靠性。虽然帧中继无纠错和流量控制，但由于帧中继的开发基于传输媒介是相对可靠和无误码的，因此，帧中继具有较高的可靠性。

（4）灵活性。帧中继协议非常简单，而且操作方便，因此实现起来也比较灵活简便。

提示：当帧在传送过程中出现错误时，处理的方法很简单。即检测到错误的节点立即中止这次传输，当中止传输的指示到达下一个节点后，下一个节点立即中止该帧的传输，这个过程不断重复进行，直到该帧从网络中消除。

五、ATM交换

ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）是一种面向连接的高速交换和多路复用技术。

异步传输方式又称为信元交换，它是以信元为单位，在数据链路层上进行传输的。ATM技术构成的网络系统是一种综合了分组交换和线路交换的优点而形成的网络，它建立在大容量光纤传输介质的基础上，比帧中继具有更高的传输速率。

1．ATM信元

ATM以信元为基本传输单位，信元由信头和信息段组成，信头有5个字节，信息段有48个字节。信头中包含有信元的逻辑地址、信元维持信息、优先级以及信头的纠错码等控制信息；信息段包含的是用户信息。ATM通过信头来识别通路，只要信道空闲，便将信元投入信道。也正是由于信元的这种传送方式无固定周期，因而将这种传输模式称为异步传输模式。

2．ATM的结构

ATM在逻辑上分为3个主要层次，分别为物理层、ATM层和ATM自适应层。其中在每个层次上都包括有一些子层，ATM层及其子层的逻辑模型如图2.2.6所示。

图2.2.6　ATM层及其子层的逻辑模型

（1）物理层。物理层位于ATM的最低层，它又由两个子层组成，分别为TC层和PMD层。PMD子层是与物理介质直接相连的一层，用来确定物理接口的速度；TC子层用于接收ATM层的信元流，并将其变换成能够在PMD层上传输的比特流，或者从PMD层接收比特流，取出其中的信元流交给ATM层。

（2）ATM层。ATM层在物理层之上，为各种业务提供信元传输功能。其主要功能包括构造ATM信头、实现信元包多路复用和信元包的多路分路、信元包的接收、路由选择、进行流量控制、阻塞控制等。

（3）ATM自适应层。ATM自适应层位于ATM层和高层应用之间，其主要功能是为应用程序提供所需的服务。

3．ATM的特点

ATM技术具有如下特点：

（1）ATM是一种面向连接的技术，采用固定长度的信元为传输单元，易于用硬件实现高速交换，数据传输速率在155Mb/s～2.4Gb/s之间。

（2）ATM以统计时分多路复用动态分配网络带宽，适应实时通信要求，网络时延小。

（3）可支持各种类型的数据传输服务。