梁思勤

摘要：數(shù)據(jù)通信是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)很重要的基礎(chǔ)知識(shí)，其中數(shù)據(jù)交換又是十分常用的技術(shù)。文章結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從基本概念、主要類型及各種類型的優(yōu)劣對(duì)比等三方面逐層深入進(jìn)行探析，旨在幫助學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)交換技術(shù)以及數(shù)據(jù)通信有一個(gè)比較透徹的認(rèn)識(shí)與理解。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)交換技術(shù)；數(shù)據(jù)通信；終端；中間節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

數(shù)據(jù)交換技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)中十分常用的通信技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)量寵大且分布距離遠(yuǎn)近不一，必須要通過若干中間節(jié)點(diǎn)連接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)終端之間的成功通信，這種通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的技術(shù)簡稱為數(shù)據(jù)交換技術(shù)。結(jié)合數(shù)據(jù)交換技術(shù)教學(xué)中的疑點(diǎn)難點(diǎn)，文章主要通過以下三部分對(duì)其進(jìn)行探析。

一、運(yùn)用形象比喻，闡明數(shù)據(jù)交換技術(shù)的基本概念

數(shù)據(jù)交換是數(shù)據(jù)通信中的一項(xiàng)重要傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)通信也叫數(shù)據(jù)傳輸，其實(shí)質(zhì)就是通過網(wǎng)絡(luò)，使兩個(gè)通信終端之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與信息傳遞。網(wǎng)絡(luò)中通常擁有數(shù)以百計(jì)，甚至成千上萬個(gè)通信終端，如果直接用線路連接并不現(xiàn)實(shí)，需要設(shè)置很多中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。這里以一個(gè)形象的比喻來進(jìn)一步闡述。在公交車系統(tǒng)中，公交車站點(diǎn)代表中間節(jié)點(diǎn)，公交車代表終端，乘客代表要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。乘客們從各自的出發(fā)地出發(fā)，選擇搭乘合適的公交車路線，途中務(wù)必經(jīng)過或多或少的站點(diǎn)，或者在中途轉(zhuǎn)乘其他的線路，最后才能成功抵達(dá)目的地。這好比在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)從發(fā)送終端經(jīng)過若干中間節(jié)點(diǎn)、通過不同的線路傳遞，途經(jīng)其他的終端，最終成功發(fā)送到目的終端。這些中間節(jié)點(diǎn)與公交車站點(diǎn)的相似之處在于，它們并不是最終目的地，也不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容（乘客的特點(diǎn)），而是僅僅起到一個(gè)使數(shù)據(jù)到達(dá)目的地的中轉(zhuǎn)站的作用而已。

綜上所述可以得出結(jié)論：數(shù)據(jù)交換技術(shù)就是在數(shù)據(jù)通信時(shí)，數(shù)據(jù)從發(fā)送終端進(jìn)行傳輸，通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，直至到達(dá)目的終端的傳輸技術(shù)。在這個(gè)過程中，中間節(jié)點(diǎn)僅僅起到交換功能，即把數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳向另一節(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目的地。這里講到的中間節(jié)點(diǎn)，一般就是交換機(jī)。

二、結(jié)合實(shí)例對(duì)照，逐層深入探析數(shù)據(jù)交換技術(shù)的主要類型

數(shù)據(jù)交換技術(shù)概括起來主要分為兩大類，一類是線路交換（也稱電路交換），一類是存儲(chǔ)交換。而存儲(chǔ)交換又可以分為兩種：報(bào)文交換與分組交換。

（一）線路交換

線路交換就是在兩個(gè)相互通信的終端之間，通過若干中間節(jié)點(diǎn)建立一條專用的通信通道用來傳輸數(shù)據(jù)。整個(gè)線路交換過程需要經(jīng)歷三個(gè)階段來完成。一是線路建立階段。兩個(gè)終端在傳輸數(shù)據(jù)之前，首先必須發(fā)出在相互之間建立連接的請(qǐng)求。其過程可以概括為：源終端向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)帶有目的終端地址的請(qǐng)求連接信號(hào)，其中一個(gè)較近的中間節(jié)點(diǎn)收到該信號(hào)后，選擇適當(dāng)?shù)木€路將該請(qǐng)求發(fā)送到下一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，下一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后，再選擇適當(dāng)?shù)木€路將其發(fā)送至再下一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，如此傳遞下去，直到最終到達(dá)目的終端，目的終端收到請(qǐng)求后答應(yīng)請(qǐng)求，于是連接就成功建立了。之前的各個(gè)中間節(jié)點(diǎn)互相“記住”了連接中的輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系，等同于在源終端和目的終端之間分配了一條具有記憶能力的直達(dá)通道，并且是專用的，其他終端不能夠使用其來傳輸數(shù)據(jù)。二是數(shù)據(jù)傳輸階段。線路建立之后，兩個(gè)終端之間就可以通過該專用通道直接進(jìn)行信號(hào)傳送。需要注意的是，信號(hào)可以是數(shù)字信號(hào)，也可以是模擬信號(hào)，并且是全雙工傳輸模式（可以同時(shí)往兩個(gè)方向傳輸，即雙向傳輸）。三是線路拆除階段。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，應(yīng)該馬上拆除連接，以釋放該連接所占用的專用資源。需要注意的是，兩個(gè)終端中的任何一個(gè)都可以發(fā)出拆除連接的請(qǐng)求。

下面結(jié)合實(shí)例對(duì)照，做進(jìn)一步的剖析。以電話網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)交換技術(shù)為例，如圖1所示。

1號(hào)話機(jī)準(zhǔn)備與3號(hào)話機(jī)進(jìn)行通話，首先進(jìn)行的是線路建立階段。線路1-A-D-C-3就是1、3號(hào)機(jī)的專用線路，它們中間經(jīng)過三臺(tái)交換機(jī)——A、D、C。通信期間，該通信線路只屬于1、3號(hào)兩臺(tái)話機(jī)，如果2、4號(hào)話機(jī)在此時(shí)也想通話，那它們只能夠建立2-B-C-4這條線路，由此就產(chǎn)生了兩條專用線路，并且互不影響。好比兩人在通話中，不能夠接人第三方的電話，只能夠另辟通話線路，或者等待任何一方掛斷電話之后方能接入。當(dāng)任何一方選擇掛斷電話，通信完畢后，即進(jìn)入線路拆除階段。此時(shí)，線路初始化，等待下一次的隨機(jī)連接，如1-A-D-B-2，3-C-D-4等不同組合，只要相互間建立的線路沒有產(chǎn)生公用部分即可。

（二）存儲(chǔ)交換

存儲(chǔ)交換最大的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)在傳輸過程中有一個(gè)存儲(chǔ)過程，這也是它與線路交換最大的區(qū)別。存儲(chǔ)交換在數(shù)據(jù)傳輸過程中，終端之間無需建立專用通道，通道是公用的，會(huì)按當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇合適的路由進(jìn)行傳遞。當(dāng)同一時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)的終端越多，公用通道中的數(shù)據(jù)量必然增多，勢必會(huì)造成數(shù)據(jù)發(fā)送的等待與延遲，就好比上下班高峰期，道路通常比較擁堵一樣。那些等待發(fā)送的數(shù)據(jù)需要被暫時(shí)存放起來，存放的空間位置是相鄰的中間節(jié)點(diǎn)或終端。當(dāng)通道相對(duì)空閑時(shí)再將信息取出繼續(xù)發(fā)送，如此傳遞下去，直至到達(dá)目的終端。因?yàn)樵摲绞叫枰獙?shù)據(jù)暫時(shí)存放再取出轉(zhuǎn)發(fā)，所以也稱為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式。存儲(chǔ)交換主要分為報(bào)文交換與分組交換兩種。

1.報(bào)文交換

報(bào)文交換是在發(fā)送終端將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割成一定大小的數(shù)據(jù)包，稱為報(bào)文，每個(gè)報(bào)文包含目的終端的地址，以報(bào)文為單位在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，到達(dá)目的終端后，重新組合為原樣的交換模式。報(bào)文在傳輸過程中，會(huì)經(jīng)過很多不同的中間節(jié)點(diǎn)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)通過對(duì)報(bào)文地址的識(shí)別，收到一個(gè)不是傳送給自己的報(bào)文，并且前進(jìn)的通道比較擁擠的情況下，則將該報(bào)文暫存到自己的外存儲(chǔ)器中，等通道空閑時(shí)，再取出轉(zhuǎn)發(fā)。

如圖2所示，以郵件傳送為例進(jìn)行說明。終端1發(fā)送郵件至終端3，終端2發(fā)送郵件至終端4，經(jīng)過的路線為1/2-A-D-B-C-3/4，它們使用了完全相同的公用線路以及中間節(jié)點(diǎn)，A節(jié)點(diǎn)為郵件收發(fā)服務(wù)器，因?yàn)榫€路公用，當(dāng)同一時(shí)間有許多終端（用戶）使用該線路（發(fā)送郵件）時(shí)，節(jié)點(diǎn)A的吞吐量就會(huì)增大，線路中數(shù)據(jù)（郵件）的擁擠度相應(yīng)增加，為了緩解阻塞，部分?jǐn)?shù)據(jù)（郵件）只能暫存在節(jié)點(diǎn)A中等待。當(dāng)線路相對(duì)空閑時(shí)，再從中取出并轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)D。同理，節(jié)點(diǎn)D的吞吐量隨之相應(yīng)增大，與之相連線路的數(shù)據(jù)擁擠度增加，數(shù)據(jù)只能再次暫存在D節(jié)點(diǎn)中等待，直到相對(duì)空閑時(shí)才取出并轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)B。如此傳遞下去，并根據(jù)各自報(bào)文的目的終端地址（郵件地址），最終到達(dá)目的地。

2.分組交換

分組交換與報(bào)文交換相似，主要區(qū)別在于分組交換要將報(bào)文進(jìn)一步分割成長度更小（大概1K到數(shù)K比特）的信息組，稱為分組，然后將分組通過起始節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)，直至傳輸?shù)侥康慕K端后，再將分組重新組裝還原為報(bào)文，報(bào)文再還原為原始數(shù)據(jù)。分組交換分為兩種形式：數(shù)據(jù)報(bào)方式與虛電路方式。

數(shù)據(jù)報(bào)方式中的分組在通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境各自選擇不同的路線傳遞，它們往往不是按發(fā)送的先后順序到達(dá)，可能會(huì)出現(xiàn)先發(fā)的后到、后發(fā)的先到，因此每個(gè)分組除了攜帶目的終端地址之外，還具有所屬信息包的編號(hào)以便能正確地按順序重組，這就是數(shù)據(jù)報(bào)方式與一般報(bào)文交換的重要區(qū)別。

虛電路方式是一種虛擬線路交換，它與數(shù)據(jù)報(bào)方式不同之處在于節(jié)點(diǎn)無需為每個(gè)分組進(jìn)行路由選擇，每個(gè)虛擬連接只進(jìn)行一次路由選擇。

分組交換與線路交換、報(bào)文交換有一定的相似之處，可以理解為分組交換是對(duì)它們的升級(jí)與優(yōu)化。通過以上推導(dǎo)說明，學(xué)生會(huì)對(duì)分組交換有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)。

三、各種數(shù)據(jù)交換技術(shù)優(yōu)劣對(duì)比

綜上所述，如圖3所示，各種數(shù)據(jù)交換技術(shù)各有優(yōu)劣。線路交換建立專用線路進(jìn)行傳輸，傳輸質(zhì)量高，實(shí)時(shí)性好，連接期間沒有延遲，交換設(shè)備簡單，收發(fā)信息速度迅速，適用于語音、視頻等具有高實(shí)時(shí)性要求的傳輸。但由于在線路拆除釋放之前，線路僅被一對(duì)終端占用，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一通信，所以利用率低，效率不高。

報(bào)文交換采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，線路公用，利用率較高，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多通信，廣泛應(yīng)用于電報(bào)、電子郵件以及非緊急的業(yè)務(wù)查詢和應(yīng)答。但報(bào)文長度較長，且采用公用信道，實(shí)時(shí)性較差，延遲時(shí)間比較長，并不能滿足語音、視頻等具有高實(shí)時(shí)性與交互性的通信需要。

分組交換則綜合了線路交換與報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)，加速了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，簡化了存儲(chǔ)管理，減少了出錯(cuò)幾率和重發(fā)數(shù)據(jù)量。但分組交換仍屬于存儲(chǔ)交換方式，所以還是存在一定的延時(shí)問題。另外，由于每個(gè)分組具備地址和分組編號(hào)等信息，使得傳送的總信息量會(huì)有一定的額外增加?？偟膩碚f，分組交換比線路交換的線路利用率高，比報(bào)文交換的傳輸延時(shí)小、實(shí)時(shí)性與交互性好。