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数据交换

交换是在用户之间有目的地相互传递信息。

数据通信最简单的形式就是两个站点用线路直接通信，但当站点之间距离遥远或多站点之间需要通信时，采用直接连接并不合算。

例如：有n个站点，若全连通，则任意站点同其他站点均有n-1条专线相连，一共需要n*（n-1）/2条专线。

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解决这个问题的方法是设置交换节点，各通信站点和交换结点相连，再把交换结点用通信线路相连，从而组成通信网络。

通信双方的两个站点之间的线路就是通过通信网络中的若干交换结点转接而成，这样的网络通常称为交换网络。

交换结点有时称为中继节点，通过网络节点的某种转接方式来实现从一端系统到另一端系统之间数据通路接续的技术，称为数据交换技术，即指中继节点转发数据的过程。

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交换节点

中继节点通常为交换设备，具有多个端口，分别连接不同的传输线路。 它泛指通信网中的各类交换机，由交换网络、通信接口（用户接口、中继接口等）、控制单元以及信号单元等部分组成。

交换网络

交换系统的基本功能是提供用户通信接口之间的连接。在不同的交换方式中，其连接可以是物理的，也可以是逻辑的。所谓物理连接，是指用户通信过程中，不论用户有无信息传送，交换网络始终按预先分配的方法保持其专用的接续通路；而逻辑连接则只有在用户有信息传送时，才按需分配提供接续通路。因此，逻辑连接也称之为虚连接（Virtual Connection）。在交换系统中，交换网络部分是与硬件有关的交换机构（Switch Fabric），整个连接过程是受控制单元程序控制的。

通信接口

各类交换系统的通信接口一般分成两种：用户接

口（User Interface）和中继接口（Trunk Interface）。用户使用用户线（Subscriber Line）终接到交换系统的用户接口，而交换局间通过中继线连接到中继接口。不同类型的交换系统具有不同的通信接口，通信接口技术主要由硬件来实现，有部分功能可由软件或固件（Firmware，即将其功能程序化后固化在EPROM或PROM内）来完成。

信号单元

为满足任意用户之间的连接，由信号单元支持相关的呼叫信号（或信令）来实现寻址功能。不同类型的交换系统所采用的信号方式有很大差别。信令处理过程需用加以规范化的一系列协议来实现。

控制单元

交换系统应能在程序控制下有条不紊地完成大量的接续连接，以确保服务质量（QoS）。交换网络、通信接口、信号单元都与控制单元有关联。不同类型的交换系统有不同的控制技术，与通信协议密切相关。控制技术的实现与处理机控制结构有关，直接会影响到交换系统的性能和服务质量。

交换方式

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交换方式基本上分为三种，即电路交换（CS，Circuit Switch）、存储转发交换和快速分组交换。

从交换原理上来看，电路交换是基于电路传送模式（又称同步传送模式）的；而报文交换（MS,Message Switch）、分组交换（PS，Packet Switch）则是采用存储/转发模式（如×.25分组交换）的，又称异步传送模式。ATM交换是在快速分组交换的基础上结合了电路交换的优点而产生的高速异步传送模式，并在1992年由ITU—T确定为BISDN的基本传送模式。

电路交换原理

在计算机通信网中的电路交换源于电话交换系统，但系统设计的对象是不同的：电话交换系统以话音业务通信为目标；而计算机通信网中的电路交换是面向数据业务的，组成电路交换的公用数据网（CSPDN，Circuit Switching Public Data Network）利用现有电话网进行数据和计算机通信或拨号上网，从概念上应理解为电话网上支持的数据传输。对电话网来说，数据传输是它的增值业务。CSPDN在法国、日本已建成，但我国没有采用。

电路交换过程

电路交换（Circuit Switching）是根据电话交换原理发展而成的一种直接交换方式，由交换机负责在两个通信站点之间建立一条物理专用线路，并且在整个传输过程中独占该通路。它是实电路交换，是一种面向连接的直接交换方式。

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电路交换的特点是在开始数据传送之前，由通信发起端发起呼叫，交换网建立连接，直到两端通信站点间建立一条转接式数据通路，然后才开始数据传输。整个数据传输期间，该通路一直被通信双方占用，直到通信结束后释放连接。

连接建立过程是把一条传输线路转接到另一条传输线路，使它们连通起来。计算机在电路交换网上通信采用点到点方式，要求通信双方主机设置一致。

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建立连接

数据传输开始之前，信源与信宿节点间通过呼叫建立一条由各中间节点的分段连接所组成的传输电路。

数据传输

传输链路建立之后，通过这条专用通道进行实时、双向数据传输。

释放连接

数据传输完毕，必须释放占用线路，即拆除连接。

优点：

实时性强，一旦线路接通，数据直通，传输延迟时间短，适用于交互式会话类数据传输。

数据传输可靠、迅速，保证按序传输。

缺点：

中继节点是电子或机电结合的交换设备，仅完成输入线路与输出线路的物理连接（如：电话交换机），不关心数据内容，不能存储数据，无纠错能力。

独占电路和一组用户设备

连接建立时间过长

计算机与各终端传输速率不一致，难以互相通信

连接建立后，一旦故障，必须重新建立连接，对重要与紧急的通信很不利。

存在呼损

存储转发

存储转发交换（Store and Forward Switch）是利用传输链路的中继节点的存储器来转发数据。

存储转发的中继节点由具有存储能力的设备担任，可以暂时存储数据，同时也能对数据进行一些处理。信源与信宿之间无需建立专用通道，信息传输的路径可以是固定的，也可以是在传输过程中动态确定的。

存储转发的过程：

接收上一设备发来的数据，并控制数据进行缓存；

对数据进行处理，查找转发表，确定数据中目的地址对应的转发端口；

等待目的端口与线路空闲，接通输出发送数据

存储转发比电路交换具有均衡负荷、建立电路延迟小，可进行差错控制等优点。但实时性不好，网络传输延迟较大。

根据被交换数据单元长度的不同，存储转发交换主要有两种：报文交换和分组交换。

报文交换（Message Switch）

报文交换中将发送方的信息分为多份报文正文，不管报文长度多少，都当做一个逻辑单元，在正文上附加发、收站点的地址及其他控制信息，就形成一份完整的报文（Message）。

以报文为单位在各节点间传送，中继节点接收整个报文后进行缓存和处理，等到指定输出端口的线路和下一节点空闲时再将报文转发出去，直到目的节点。目的节点将收到的各份报文按原来的顺序进行组合，然后再将完整的信息交付给终端计算机。

报文组成

报文是报文交换的基本单位，由报头（Header）、报文正文（Text）、报尾（Trailer）三部分组成。报文的长短由信息本身确定，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：要传送的信息数据

报尾：包含报文的结束标志和误码检测，有时报尾可省略。

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交换过程：

1. 信息分成报文
2. 缓冲暂存
3. 识别报头、报尾
4. 查找转发表进行路由选择
5. 排队
6. 转发

报文交换节点可以是一个专用计算机，或报文交换机，它能够进行差错控制、完成网络拥塞处理、报文的优先处理等功能。

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优点：

线路利用率高，不同用户的报文在同一条线路上可进行时分多路复用

无需事先呼通对方就可通信，没有呼损

交换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。

不需要收发两端同时处于激活状态

可实现一点多址（群发）传输，同一报文可由交换机转发到多个目的地

可建立报文优先级别

缺点：

非实时性，时延大且变化也大，不利于实时通信和交互式通信，也不利于较高速率的数据通信

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

20世纪六七十年代使用，用于公众电报和电子信箱服务，目前已淘汰。

分组交换

报文分组交换（Packet Switching）简称分组交换或包交换。针对军事通信保密性要求提出的概念，后来在ARPANET中成功应用，后来用于公用数据网，形成分组交换公用数据网PSPDN。

分组交换采用存储转发方式，将一份较长的报文分成若干长度较短的并被规格化的数据段，再加上包含有收发地址标志、分组编号、分组的起始、结束标志和差错校验信息等分组头，形成一个统一格式的交换单位，称为报文分组，简称分组，又叫作包（Packet，数据包、信息包）。

分组交换可以进一步分为数据报交换（Data Gram）和虚电路交换（Virtual Circuit），有时又把数据报称为无连接服务，虚电路称为面向连接的服务。

分组长度

分组交换的实现关键是分组长度的选择。分组越短，冗余信息比例越大，将影响信息传输效率；分组越大，传输中出错的概率也越大，增加重发次数，同样也影响传输效率。分组长度以16_{4096B之间的2*nB为标准分组长度，一般选用的分组长度为128B，不超过256B（不包含组头）。分组头长度为3}10B。因此，对于一般的线路质量和要求较低的传输速率，分组长度在100_{200B较好（如X.25分组交换网中的长度为131B）。对于较好的线路质量和要求较高的传输速率，分组长度可有所增加。例如在以太网中，分组长度定义为1500B，一般情况下长度可选择1000}3000B。

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分组优缺点

分组交换综合了电路交换和报文交换的优点，通过以分组为单位进行暂存、处理和转发。分组交换类似于报文交换，只是规定了分组的长度。如果站点的信息长度超过了限定长度，该信息必须划分为多个分组，信息以分组为单位在中继站点之间转发。分组缩短了网络中传输的信息长度，极大地改善了网络性能。主要体现在两个方面：一方面大大降低了网络中继节点的存储容量的要求，另一方面可以利用节点设备的主存储器进行存储转发处理，不需访问外存，加快了处理速度，降低了传输延迟，节省了部分费用。同时，较短的信息分组导致下一节点和线路的响应时间也较短，从而提高了传输效率。且由于分组较短，传输中出错的概率减小，即使有差错，重发信息也只重发一个分组而非整个报文，因而也提高了效率。

此外，在分组交换过程中多个分组可在网络中的不同链路上并发传送，因此，这又可提高传输效率和线路的利用率。但分组在发送和接收端需要进行划分和重组，以及在中继节点需对每个分组的头部信息进行处理，这增加了信息的处理时间。

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优点：

分组多路通信功能

每个分组都含有控制信息，各分组均可独立传送，可按不同或相同路径进行传输，同时与多个用户终端通信，把同一信息发送到不同用户。

线路利用率高，经济性好

分组交换以虚电路形式采用统计时分多路复用技术，实现资源共享，不同站点的分组可以在同一线路上传输，使传输费用明显下降。

信息传输可靠性高，质量高，可使用优先级别。

传输分组时，结点交换机之间采用差错控制和重发功能，降低了误码率，而且网内发生故障时，路由机制会使分组自动选择一条新的路径，避开故障点，不易造成通信中断。

支持不同类型终端进行通信

中继节点可以处理数据，转换不同速率、不同格式、不同码型、不同的同步方式和不同的通信控制规程的分组，实现不同类型数据终端之间的通信。

转发时间短，速度快

限定最大长度，利于提高节点的存储空间利用率和转发效率。

转发差错少容易进行恢复处理

信息的传输时延小，且变化范围不大，能够满足交互式实时通信的要求。

按数据流量计费，比较合理

缺点：

分组头信息在传输中增大了开销，降低了传输效率

分组交换技术复杂，要求交换设备和终端设备具有较高处理能力。交换节点处理较复杂，转发速率较低，很难满足宽带高速通信的要求，一般分组通过网的时间，可以做到小于0.2秒，目的站点需要重组报文，增加了复杂性。

数据报

数据报交换服务是类似于报文交换的一种无连接的网络服务，只是使用分组（具体称作数据报）做传输单元。网络随时接受主机发送的数据报，并为每个分组独立的进行路由选择，在交换节点也无须进行数据校验和重传，由于每个分组可能选择不同的路径，各分组到达目的终端时可能不会按序到达，甚至出现重复或丢失的现象，目的终端进行排序组合出原信息，由于这种方式不需事先建立一个连接线路，因此数据报方式属于无连接服务方式。

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特点：

无连接建立过程，适应突发性和断续性信息传送

每个分组独立的路由选择，传输效率高，时延小，保密性好，灵活性高。

每个分组必须携带完整的地址信息

每个节点有路由表

每个分组独立转发

尽最大努力交付，数据报服务是不可靠的，不能保证服务质量

数据报到达目的终端时可能会失序、重复、丢失（中继节点发生拥塞时，会丢弃部分分组）或出错（中继节点不进行差错校验，差错校验和流量控制均由两端完成）

可靠性高；分组传送出错，重发即可，若网络故障，后续分组可另选路由，但路由选择算法复杂

实连接与虚连接

实连接：

在电路交换中，双方在通信过程中一直占用一条专用的物理链路，这种连接称为实连接。

虚连接：

在分组交换中，采用统计时分复用方式，双方在通信过程中断续地占用一段又一段链路，即通过非专用的许多链接的逻辑子信道，感觉上好象是一直占用了一条端到端的物理链路，这种连接称为虚连接。

虚电路

虚电路交换服务是类似于电路交换的一种面向连接的网络服务，两个数据终端之间完成一次通信需先发送一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由，若目的主机同意通信就发回响应，然后双方之间建立了一条逻辑连接，即虚电路，之后的数据分组均沿着这条虚电路传输。

虚电路建立步骤：建立连接、数据传输、释放连接

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虚电路路径上的中继节点都会为这个虚连接分配资源，登记这个通信所使用的路由表（虚电路标识和端口对应关系），与数据报相比路由选择工作是在虚电路建立时进行的，一旦建立，不再改变。在网中采用逐段链路进行存储转发处理的，因此每段的处理由分组型终端或分组交换机基于线路传输能力按需动态分配原则来确定一逻辑信道，因此一条虚电路实际上是由多段分配的逻辑信道链接而成。所以虚电路也不会像电路交换独占专用整条信道，分组在每个节点仍需要缓冲，并在线路上进行输出排队，所以同一报文的分组将会按照先进先出的原则顺序到达目的地，因此虚电路服务对服务质量QoS有较好的保证，是可靠的传输方式。

每个分组不需要携带完整的目的地址，仅需有一个虚电路号码的标志，故分组额外开销小，每个节点需要一定的存储空间存放路由表，分组按照路由表转发。

在一条实际的链路上可以存在多条虚电路（分时复用）。

在虚电路上，网络可以进行端到端的差错控制和端到端的流量控制，保证按顺序交付，以及无差错、无丢失、不重复的数据传送。

若某个节点出现故障，则通过该节点的虚电路均会失效

虚电路与数据报

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快速分组交换

分组交换技术具有许多独特的优越性，利用它已建成全球性的公用数据通信网络。但进入20世纪80年代后，用户对通信速率提出了更高的要求，现有的X.25网络的标准已不适合高速交换和服务的需求，快速分组交换（FPS，Fast Packet Switching）技术的研究与开发应运而生。

FPS是分组交换技术的升级技术，快速分组交换的目标是通过简化通信协议来减少中间节点对分组的处理时间，提供高速、高吞吐量、低时延的服务，是核心网络的交换技术。FPS包含两大类：帧中继（Frame Relay）和信元中继（Cell Relay）。现代的FPS往往指ATM交换，适用于骨干网的快速交换。帧中继采用可变长度帧，适用于LAN互联。

帧中继FR

帧中继是在OSI-RM的第二层（即数据链路层）上使用简化的方法传送和交换数据单元的一种方式。

帧中继技术是在OSI第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术。帧交换工作在OSI的1、2层，其特点是极大地简化协议，从而有效地提高数据传送速度。通常的分组交换是基于X.25协议，帧交换（Fs）不涉及X.25的第3层，简化了协议，加快了处理速度，例如HDC就是FS。与帧交换相比，帧中继进一步简化了协议，不涉及第3层，第2层也只保留了链路层的核心功能。

帧中继仅完成OSI物理层和链路层的核心功能，将流量控制、纠错等留给智能终端完成，大大简化了节点机之间的协议。同时，帧中继采用虚电路技术、能充分利用网络资源，因而帧中继具有吞吐量高、时延低、适合突发性业务等点。帧中继技术的前提条件是传输网光纤化和用户终端智能化，其典型应用是LAN互联和X.25网络互联。

帧中继传送的基本单元为帧，帧的长度是可变的，最大允许长度为1600字节，比X.25网的缺省分组128字节长。因此，帧中继特别适合于封装局域网的数据单元，减少了分段与重组的处理开销。

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异步传输模式

所谓ATM（Asynchronous Transfer Mode Soitdhing）是异步传输模式的简称，它是CCITT为B-ISDN制定的信息传送标准。ATM采用是异步时分复用数据传输技术，这种交换方式综合了分组交换和线路交换的优点，使网络的处理工作十分简单。与同步时分交换TDM（如数字程控交换）不同的是，ATM用户信息与时隙的位置在不同的帧，不是固定不变的，这就是“异步”的含义。

ATM的信息传输、复用和交换以固定长度（53B）的信元为统一单位，信元的格式是统一的，信元的种类各不相同。信息流由不同的信元组成，可达155Mbps以上的传输速率。ATM具有高带宽、无速率限制、进网灵活、时延小等优点。ATM可大大提高网络资源利用率。

几种交换方式比较

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