数据交换方式

2.7 数据交换方式

根据网络拓扑结构，通信子网又可分广播通信网和交换通信网。在广播通信网中，通信 是广播式的，无中间结点进行数据交换，所有网络结点共享传输媒体，如总线网、卫星通信网。图2.31所示的通信子网即为交换通信网，其由若干网络结点按任意拓扑结构互连 而成，以交换和传输数据为目的。通常将一个进网的数据流到达的第一个结点称源结点，离开子网前到达的最后一个结点称宿结点。图2.31中，若H1与H5通信，则A与E分别称源结点与宿结点。通信子网必须能为所有进网的数据流提供从源结点到宿结点的通路，而实现这种数据通路的技术就称为数据交换技术，或数据交换方式。

图2.31  交换通信子网

对于交换网，数据交换方式按照网络结点对途径的数据流所转接的方法不同来分类。目前广泛采用的交换方式有两大类：

① 线路交换（Circuit Switching）：网络结点内部完成对通信线路（在空间上或时间上）的连通，为数据流提供专用的传输通路。线路交换也称电路交换。

② 存储转发交换（Store-and-forward Exchanging）：网络结点运用程序先将途径的数据流按传输单元接收并存储下来，然后选择一条合适的链路将它转发出去，在逻辑上为数据流提供了传输通路。

2.7.1线路交换

线路交换方式是把发送方和接收方用一系列链路直接连通。电话交换系统就是采用这种 交换方式。当交换机收到一个呼叫后，就在网络中寻找一条临时通路供两端的用户通话，这 条临时通路可能要经过若干个交换局的转接，并且一旦建立就成为这一对用户之间的临时专用通路，别的用户不能打断，直到通话结束才拆除连接。可见，经由线路交换而实现的通信 包括三个阶段：

（1）线路建立阶段：通过呼叫完成逐个结点的接续过程，建立起一条端到端的直通线路。

（2）数据传输阶段：在端到端的直通线路上建立数据链路连接并传输数据。

（3）线路拆除阶段：数据传输完成后，拆除线路连接，释放结点和信道资源。

线路交换最重要的特点是在一对用户之间建立起一条专用的数据通路。为此，在数据传输之前需要花费一段时间来建立这条通路，称这段时间为呼叫建立时间。在传统的公用电话 网中，它约几秒至几十秒，而现在的计算机程控交换网中，它可减少到几十毫秒量级。

我们可以利用图2.31来说明线路交换方式下通信三阶段的工作过程。假设用户H1要求连接到H5进行一次数据通信。为此,H1向结点A发出一个“连接请求”信令，要求连到H5。通常从H1到交换网结点的进网线路是专用的，不存在入网连接过程。结点A于路由信息和线路可用性及费用等的衡量，选择出一条可通往结点E去的空闲链路，例如选择了连接到结点C的一条链路。结点C也根据同样的原则作出连到结点E去的链路选择。结点E也有专线连到H5,由结点E向H5发送“连接请求”信令。若H5已准备好，即通过这条通路向H1回送一个“连接确认”信令,H1据此确认H1到H5之间的数据通路已经建立，即H1-A-C-E-H5的专用物理通路。

于是,H1与H5随即在此数据通路上进行数据传输。在传输期间，交换网的各有关结点始终保持连接，不对数据流的速率和形式作任何解释、变换和存储等处理，完全是直通的透明传输。

数据传输完后，由任一用户向交换网发出“拆除请求”信令。该信令沿通路各结点传输，指示这些结点拆除各段链路，以释放信道资源。

线路交换的优点是通信实时性强；通路一旦建立，便不会发生冲突，数据传输可靠、迅 速，不丢失且保持传输的顺序；线路传输时延小，唯一的时延是电磁信号的传播时间。其主要缺点是线路利用率低，特别是对于计算机的突发性数据通信不适应；通路建立之前有一段 较长的呼叫建立时延；系统无数据存储及差错控制能力，不能平滑通信量。因此，线路交换适于连接时间长、批量大的实时数据传输，例如数字话音、传真等业务。对于需要经常性长期连接的用户之间豆可以使用永久型连接线路或租用线路，进行固定连接，即不存在日子叫建立和拆除线路这两个阶段，避免了相应的时延。

2.7.2 报文交换

报文交换属存储转发交换方式，不要求交换网为通信双方预先建立一条专用数据通路，也就不存在建立线路和拆除线路的过程。在这种交换网中，配有大容量存储设备的计算机。 通信用的主机把需要传输的数据组成一定大小的报文，并附有目的地址，以报文为单位经过 公共交换网传输。交换网中的结点计算机再接收和存储各个结点发来的报文，待该报文的目的地址线路有空闲时，再将报文转发出去。一个报文可能要通过多个中间结点（交换分局）存储转发后才能达到目的站。交换网络有路径选择功能。现仍用图2.31来说明。如Hl欲发 一份报文给H5,即在报文上附上H5的地址，发给交换网的结点A, 结点A将报文完整地接收并存储下来，然后选择合适的链路转发到下一个结点，例如结点C。每个结点都对报文进行类似的存储转发，最后到达目的站H5。可见，报文在交换网中完全是按接力方式传输的。通信双方事先并不确知报文所要经过的传输通路，但每个报文确实经过了一条逻辑上存在的通路。如上述H1的一份报文经过了H1-C-E-H5的一条通路。

在报文传输上，任何时刻一份报文只在一条结点到结点间的点到点链路上传输，每一条 链路传输过程都对报文的可靠性负责。这样比起线路交换来有许多优点：不必要求每条链路 的数据速率相同，因而也就不必要求收、发两端工作于相同的速率；传输中的差错控制可在 多条链路上进行，不必由收、发两端介入，简化了端设备；由于接力式工作，任何时刻一份 报文只占用一条链路的资源，不必占有通路上的所有链路资源，而且许多报文可以分时共享一条链路，这就提高了网络资源的共享性及线路的利用率；一个报文可以同时向多个目的站 发送，而线路交换网络难于做到；在线路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受某 些呼叫。而在报文交换网中仍可以接收报文，但是传输延迟会增加。

报文交换的主要缺点是，每一个结点对报文数据的存储转发时间较长，传输一份报文的 总时间并不比采用线路交换方式短，或许会更长。因此，报文交换不适于传输实时的或交互式业务，例如话音、传真飞终端与主机之间的会话业务等。事实上，报文交换只是主要应用 于非计算机数据业务 ( 如民用电报业务 ) 的通信网中，以及公共数据网发展的初期。只有到出现了分组交换方式之后，公共数据网才真正进入到成熟阶段。

2.7.3 分组交换

1. 数据报传输分组交换

假定图2.31中，若H1站将报文划分为3个分组（P1, P2 ,P3）,每个分组都附上地址及其他信息，按序连串地发送给结点A。结点A每接收到一个分组都先存储下来，由于每一个分组都含有完整的国的站的地址信息，因而每一个分组都可以独立地选择路由。分别对它们进行单独的路径选择和其他处理过程。例如，它可能将P1送往结点C, 将P2,P3送往结点B。这种选择主要取决于结点A在处理那一个分组时刻的各链路负荷情况以及路径选择的原则和策略。这样可使各个结点处于并行操作状态，可大大缩短报文的传输时间。由于每个分组都带有终点地址，所以它们不一定经过同一路径，但最终都能到达同一个目的结点E。这些分组到达目的结点的顺序也可能被打乱，这就要求目的结点E负责分组排序和重装成报文，也可由目的地H5站来完成这种排序和重装工作。由上可知，交换网把对进网的任一个分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它是属于哪个报文的分组，就像在报文交换方式中把一份报文进行单独处理一样。这种单独处理和传输单元的“小报文”或“分组”,即称为数据报（Datagram）。这种分组交换方式称为数据报传输分组交换方式。

2. 虚线路传输分组交换

类似前述的线路交换方式，报文的源发站在发送报文之前，通范类似于呼叫的过程使交、换网建立一条通往目的站的逻辑通路。然后，一个报文的所有分组都沿着这条通路进行存储转发，不允许结点对任一个分组做单独的处理和另选路径。在图 2.32中，假设H1站有3个分组（P1, P2 ,P3）要送往H5站去。H1站首先发一个“呼叫请求”,即发送一个特定格式的分组给结点A,要求连到H5站进行通信，同时也寻找一条合适的路径。结点A根据路选原则将呼叫请求分组转发到结点B, 结点B又将该分组转发到结点C,C结点再将该分组转发到结点E, 最后结点E通知H5站，这样就初步建立起一条H1-A-B-C-E-H5的逻辑通路。若H5站准备好接收报文，可发一个“呼叫接收”分组给结点E,沿着同一条通路传输到H1站，从而H1站确认这条通路已经建立，并分配一个“逻辑通道”标识号，记为VCl。此后 P1,P2,P3 各分组都附上这一标识号，交换网的结点都将它们转发到同一条通路的各链路上传输，这就保证了这些分组一定能沿着同一条通路传输到目的地H5站。全部分组到达H5站并经装配确认无误后，任一站都可以采取主动发送一个“消除请求”分组来终止这条逻辑通路，具体过程由交换网内部完成。

图2.32 虚电路传输分组交换

上述这种分组交换方式称为虚线路传输分组交换方式。为建立虚线路的呼叫过程称为虚呼叫（Virtual Calling）, 通过虚呼叫建立起来的逻辑通路称为虚拟线路（Virtual Circuit）,简称虚线路或虚通路。

要注意的是，虚线路与存储转发这一概念有关。当我们在线路交换的电话网上打电话 时，我们在遇话期间的确是自始至终地占用一条端到端的物理信道。当我们占用一条虚线路 进行计算机通信时，由于采用的是存储转发的分组交换，所以只是断续地占用一段又一段的 链路，分组在每个结点仍然需要存储，并在线路上进行输出排队，但不需要为每个分组作路 径判定。虽然我们感觉好像（而并没有真正地）占用了一条端到端的物理线路，但这与线路 交换有本质的区别。虚线路的标识号只是对逻辑信道的一种编号，并不指某一条物理线路本身。一条物理线路可能被标识为许多逻辑信道编号，这点正体现了信道资源的共享性。我们 假定主机H1还有另一个进程在运行，此进程还想和主机H4通信。这时,H1可再进行一次日子叫，并建立一个虚线路，在图2.32中标记为VC2,它经过A-B-D三个结点。由图可见，链路A-B既是VC1的链路，也是VC2的链踪。数据报方式和虚线路方式的主要区别列表于2-3。要指出的是，数据报方式没有呼叫建立过程，每个分组（或称数据报）均带有完整的目的站的地址信息，独立地选择传输路径，到达目的站的顺序与发送时的顺序可能不一致。而虚线路方式必须通过虚呼叫建立一条虚线路，每个分组不需要携带完整的地址信息，只需带上虚线路的号码标志，不需要选择路径，均沿虚线路传输，这些分组到达目的站 的顺序与发送时的顺序完全一致。

表2-3  数据报与虚线路的比较

2.7.4 高速交换

1. 帧中继交换

帧中继是一种减少结点处理时间的技术。帧中继是以帧为单位进行的交换，一般认为帧的传输基本上不会出错，因此只要一读出帧的目的地址就立即开始转发该帧。一结点在收到一帧时，大约只需执行6个检错步骤，一个帧的处理时间可以减少一个数量级，因此帧中继 网络的吞吐量比X.25网络要提高一个数量级以上。当还在接收一个帧时就转发此帧，通常 称其为快速分组交换。分布队列双总线DQDB、交换多兆比数据服务SMDS以及ATM、B-ISDN等，均属快速分组交换。http://www.woaidiannao.com

可以将帧中继与X.25分组交换网进行比较，如表2-4所示。

表2-4  X.25分组交换与帧中继交换的比较

2. 异步传输模式 ATM

CCITT在I.113建议中给异步传输模式ATM下了这样的定义：ATM是一种转换模式（即传输模式），在这一模式中信息被组织成信元（Cell），包含一段信息的信元并不需要周期性的出现在信道上。从这个定义中我们可以清楚看出，异步传输模式ATM是以信元为基本传输单位，采用异步传输模式，即主要采用了信元交换和异步时分多路复用技术。

ATM技术可兼顾各种数据类型，将数据分成一个个的数据分组，这个分组称为一个信元。每个信元固定长53字节，其中5个字节为信头，48个字节为净荷（Payload），净荷即有用信息。5个字节的信头中包含了流量控制信息、虚通道标识符、虚信道标识符、信元丢失的优先级以及信头的误码控制等有用信息。

ATM采用的第二个主要技术是统计时分复用多路技术，这个问题我们已在2.4节中详细讨论过，这里我们仅回顾一下它的传输过程。首先我们看一下同步传输过程。如图2.33所示，在输入端第三个时隙的信息道来，存入缓冲器中，输出时，它占用第五个时隙，以后每帧信息进来，第三个时隙的信息经过交换后都送到第五个时隙输出。这种通信方式下若某个时隙没有数据传输，但依然会占用这个时隙，这就会带来很大的浪费，而异步传输模式可以克服这个缺点。

图2.33 固定时隙交换

异步时分多路复用技术，不固定时隙传输，每个时隙的信息中都带有地址信息，将数据分成定长53字节的信元，一个信源占用一个时隙，时隙分配不固定，包的大小进一步减小，更充分的利用了线路的通信容量和带宽。如图2.34所示，图中表示某用户占用每帧中的二个时隙，时隙位置亦不固定，在他的数据准备好后，即可占用空闲时隙。当输入信元进入缓存器中等待后，一旦输出端有空闲时隙，缓冲器中的信元就可以占用。由于ATM可以动态分配带宽，因此非常适合于输出突发性数据。

图2.34   ATM的传输与交换