馬彩霞

摘要：文章主要探究計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換技術(shù)及其應(yīng)用，分析其基本原理、基本類型、注意事項(xiàng)及主要應(yīng)用方式。研究結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)交換技術(shù)基于劃分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸單位并利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行交換和路由選擇，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和交換。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)交換技術(shù)包括電路交換、報(bào)文交換、分組交換和幀中繼。在應(yīng)用數(shù)據(jù)交換技術(shù)時(shí)，需注意數(shù)據(jù)包大小和分片、路由選擇和擁塞控制、錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正、網(wǎng)絡(luò)安全以及時(shí)延和帶寬要求。數(shù)據(jù)交換技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。研究為實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)交換；技術(shù)探究

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）36-0070-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的一部分，其發(fā)展對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)具有十分重要的意義。本文旨在通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)進(jìn)行深入研究，探討其應(yīng)用方式，以期幫助讀者更好地了解數(shù)據(jù)交換技術(shù)的基本原理、基本類型和基本應(yīng)用路徑。其中，通過(guò)分析通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交換協(xié)議的功能和特點(diǎn)，理解數(shù)據(jù)交換技術(shù)的基本原理。通過(guò)對(duì)這兩種基本類型的數(shù)據(jù)交換技術(shù)的特點(diǎn)，把握數(shù)據(jù)交換技術(shù)的基本類型。并強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)交換技術(shù)的注意事項(xiàng)。最后，通過(guò)對(duì)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的分析，更好掌握數(shù)據(jù)交換技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中的重要地位和作用。

1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)基本原理

數(shù)據(jù)交換技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)一些具體的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸、整合和加工，從而實(shí)現(xiàn)信息的有效交換。信息傳輸依靠多條線路的轉(zhuǎn)折與配合，在單一通信線路的幫助下不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信息交換。而數(shù)據(jù)交換技術(shù)的出現(xiàn)，使任意一條信息在龐大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的傳遞都可能通過(guò)無(wú)數(shù)信息節(jié)點(diǎn)的幫助，被分解為可理解的原型數(shù)據(jù)，再通過(guò)不同節(jié)點(diǎn)的傳輸而形成信息傳輸鏈，最終呈現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的樣式[1]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)涉及以下幾個(gè)方面。

一是數(shù)據(jù)交換協(xié)議，數(shù)據(jù)交換協(xié)議是指各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化定義。不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或應(yīng)用程序之間，在采用同一種協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的情況下，可以避免因?yàn)閿?shù)據(jù)格式不兼容而導(dǎo)致的信息傳輸問(wèn)題。二是數(shù)據(jù)交換方式，數(shù)據(jù)交換方式是指不同計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的方式，目前主要有電路交換技術(shù)、報(bào)文交換技術(shù)、分組交換技術(shù)等方式（如圖1所示）。三是數(shù)據(jù)交換設(shè)備，數(shù)據(jù)交換設(shè)備包括路由器、交換機(jī)、網(wǎng)橋等。這些設(shè)備能夠幫助數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、路由、交換等操作，使傳輸效率更高。四是數(shù)據(jù)交換協(xié)議棧，數(shù)據(jù)交換協(xié)議?？梢岳斫鉃橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議的層次化結(jié)構(gòu)，其中每一層都對(duì)應(yīng)著不同的協(xié)議。每一層協(xié)議都負(fù)責(zé)不同的任務(wù)，從物理層到應(yīng)用層，逐層處理數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，不同的數(shù)據(jù)交換技術(shù)可以互相協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換。

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)基本類型

2.1電路交換技術(shù)

電路交換基于電路交換節(jié)點(diǎn)和電路交換控制器的組合工作原理，用于在通信實(shí)體之間建立一條可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路。其中，傳輸速率=鏈路速率或比特率/數(shù)，時(shí)隙數(shù) = R/h bps，傳輸時(shí)間 = 文件大小/傳輸速率 = x / （R/h） = （x×h）/R，總時(shí)間 = 傳輸時(shí)間 + 電路建立時(shí)間 = （x×h）/R secs + k secs。當(dāng)通信實(shí)體A要與實(shí)體B進(jìn)行通信時(shí)，首先要建立一條專用的物理通路，該通路被A和B獨(dú)占使用。建立通路的過(guò)程通常包括握手、撥號(hào)等操作。一旦通路建立完成，A和B之間的數(shù)據(jù)可以按照一定的順序進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通路是持續(xù)連接的，直到通信結(jié)束或手動(dòng)斷開(kāi)連接。數(shù)據(jù)傳輸完成后，通路可以被釋放，以便其他實(shí)體使用。電路交換技術(shù)在傳統(tǒng)的電話通信中得到廣泛應(yīng)用，電話交換機(jī)就是一個(gè)典型的電路交換設(shè)備。在電話通信中，用戶撥號(hào)建立通路后進(jìn)行通話，直到掛斷電話時(shí)通路才被釋放，其間的通話內(nèi)容被傳輸。電路交換技術(shù)適用于需要實(shí)時(shí)連接和連續(xù)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景，如電話通信、視頻會(huì)議等[2]。其缺點(diǎn)也很明顯，一是低效性，通信雙方并沒(méi)有在通信中傳輸數(shù)據(jù)，通路也會(huì)一直被占用，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。二是不夠靈活，電路交換技術(shù)只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，不能同時(shí)與多個(gè)實(shí)體進(jìn)行通信。三是安全性差，容易被竊聽(tīng)。

2.2報(bào)文交換技術(shù)

在報(bào)文交換技術(shù)中，數(shù)據(jù)被劃分成較大的報(bào)文單元，每個(gè)報(bào)文單元包含目標(biāo)地址、源地址和報(bào)文內(nèi)容等信息。報(bào)文被整體傳輸，而不需要分割和重新組裝。報(bào)文交換技術(shù)的工作原理是，當(dāng)通信實(shí)體A要向?qū)嶓wB發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，A將數(shù)據(jù)劃分為報(bào)文，并給每個(gè)報(bào)文添加目的地址和源地址等信息。然后，A將報(bào)文發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文交換節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。報(bào)文交換節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)地址將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的接收實(shí)體，接收實(shí)體收到報(bào)文后根據(jù)源地址進(jìn)行處理。在整個(gè)傳輸過(guò)程中，報(bào)文需要經(jīng)過(guò)多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，以到達(dá)目的地。這種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式保證了報(bào)文的完整性和順序性，即報(bào)文在傳輸過(guò)程中不需要分段和重新組裝。報(bào)文交換技術(shù)更注重報(bào)文的整體性，相對(duì)于分組交換而言，通常需要更多的存儲(chǔ)和處理開(kāi)銷。然而，報(bào)文交換技術(shù)也存在一些局限和缺點(diǎn)。首先，由于整個(gè)報(bào)文需要存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)中，因此報(bào)文交換需要較大的存儲(chǔ)資源。其次，報(bào)文交換的傳輸延遲較高，因?yàn)檎麄€(gè)報(bào)文需要傳輸完成后才能進(jìn)行處理。另外，報(bào)文交換技術(shù)不適用于實(shí)時(shí)交互和流式傳輸?shù)膽?yīng)用[3]。

2.3分組交換技術(shù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分組交換技術(shù)是一種數(shù)據(jù)交換方式，它將數(shù)據(jù)劃分成較小的數(shù)據(jù)包（分組），每個(gè)分組獨(dú)立傳輸和交換。在分組交換技術(shù)中，數(shù)據(jù)被分割成固定大小的數(shù)據(jù)包，并在網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)目標(biāo)地址進(jìn)行獨(dú)立的傳輸（如圖2所示）。當(dāng)通信實(shí)體A需要向?qū)嶓wB發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，A將數(shù)據(jù)劃分為一系列大小固定的數(shù)據(jù)包。每個(gè)數(shù)據(jù)包都被賦予目的地址和源地址等信息，以便在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行正確的路由。然后，A將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸和交換，直到到達(dá)目標(biāo)實(shí)體B。在分組交換過(guò)程中，數(shù)據(jù)包可以獨(dú)立傳輸和交換，不需要像報(bào)文交換那樣保持整體性。每個(gè)數(shù)據(jù)包獨(dú)立選擇最佳路徑進(jìn)行傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)地址進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)[4]。用公式表示為：T = M/R+（h-1）L/R = M/R+nL/R，其中，M表示報(bào)文，R表示數(shù)據(jù)傳輸速率，L表示分組大小，h表示跳步數(shù)，n表示路由器數(shù)。這種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式可以靈活地分配網(wǎng)絡(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率和傳輸效率。但是，分組交換需要在每個(gè)數(shù)據(jù)包中添加一些額外的控制信息，增加了傳輸開(kāi)銷。其次，分組交換的傳輸過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生丟包、延時(shí)等問(wèn)題，需要使用一些技術(shù)手段來(lái)處理。另外，分組交換技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制和流量管理要求較高。

2.4幀中繼技術(shù)

在幀中繼技術(shù)中，數(shù)據(jù)被劃分為固定大小的幀，每個(gè)幀包含目標(biāo)地址、源地址和幀內(nèi)容等信息。幀中繼網(wǎng)絡(luò)提供了一種虛擬的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，用戶可以通過(guò)這種連接向遠(yuǎn)程站點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。幀中繼網(wǎng)絡(luò)使用虛擬通道來(lái)標(biāo)識(shí)和區(qū)分不同的通信流量（如圖3所示）。當(dāng)用戶A要向用戶B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，A將數(shù)據(jù)劃分為一系列幀，并給每個(gè)幀添加目的地址和源地址等信息。然后，A的數(shù)據(jù)被封裝成幀并發(fā)送到幀中繼網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的幀中繼交換機(jī)根據(jù)目標(biāo)地址將幀轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的接收用戶B。幀中繼技術(shù)提供了高帶寬和低延遲的傳輸性能，適合于傳輸大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和多媒體內(nèi)容。其次，幀中繼技術(shù)采用虛擬通道來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)資源，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和利用率。此外，幀中繼網(wǎng)絡(luò)可以支持不同速率和協(xié)議的接入，適應(yīng)不同用戶的需求。但是，幀中繼技術(shù)也存在一些限制和缺點(diǎn)。首先，幀中繼網(wǎng)絡(luò)是基于物理線路和專用交換設(shè)備構(gòu)建的，部署和維護(hù)成本較高。其次，幀中繼技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌焚|(zhì)量要求較高，不適用于大規(guī)模和分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。另外，幀中繼技術(shù)對(duì)于實(shí)時(shí)交互和流式傳輸?shù)男枨笾С窒鄬?duì)較弱。

3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)注意事項(xiàng)

3.1數(shù)據(jù)包大小和分片

數(shù)據(jù)交換技術(shù)中的數(shù)據(jù)包大小對(duì)傳輸效率和延遲具有重要影響。過(guò)大的數(shù)據(jù)包可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞和傳輸延遲增加，而過(guò)小的數(shù)據(jù)包會(huì)增加包頭開(kāi)銷。因此，在選擇數(shù)據(jù)包大小時(shí)需要平衡各方面的需求，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。另外，當(dāng)數(shù)據(jù)包過(guò)大時(shí)，需要進(jìn)行分片處理，將數(shù)據(jù)包劃分為更小的片段以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸[5]。

3.2路由選擇和擁塞控制

數(shù)據(jù)交換技術(shù)中，路由選擇對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和傳輸質(zhì)量至關(guān)重要。采用適當(dāng)?shù)穆酚伤惴梢詫?shí)現(xiàn)最佳路徑選擇，減少延遲和丟包。此外，擁塞控制也是保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行調(diào)整，避免擁塞情況的發(fā)生。

3.3錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正

在數(shù)據(jù)交換過(guò)程中，數(shù)據(jù)包可能會(huì)受到噪聲、干擾或傳輸錯(cuò)誤等因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包損壞。因此，需要在數(shù)據(jù)包中添加差錯(cuò)檢測(cè)和糾正的機(jī)制，例如使用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）或前向糾錯(cuò)碼（FEC）等技術(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。

3.4網(wǎng)絡(luò)安全

數(shù)據(jù)交換技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)安全和隔離是非常重要的方面。通過(guò)使用加密、認(rèn)證、訪問(wèn)控制等安全機(jī)制，可以保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和信息泄露。此外，還需要注意隔離不同用戶或應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)和流量，以確保網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配和保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3.5時(shí)延和帶寬要求

不同應(yīng)用和服務(wù)對(duì)時(shí)延和帶寬的要求各不相同。在應(yīng)用數(shù)據(jù)交換技術(shù)時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)評(píng)估和調(diào)整時(shí)延和帶寬要求。同時(shí)，還需要根據(jù)實(shí)際情況考慮網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和容量規(guī)劃，以滿足未來(lái)的增長(zhǎng)需求。另外，數(shù)據(jù)交換技術(shù)需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證，以滿足不同應(yīng)用和用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量的需求。通過(guò)配置和管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、使用流量調(diào)度算法和進(jìn)行帶寬管理等方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同應(yīng)用流量的優(yōu)先級(jí)、帶寬和延遲的控制。

4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)主要應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心是承載云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理和在線服務(wù)等重要任務(wù)的核心。數(shù)據(jù)中心需要高效、可靠的數(shù)據(jù)交換技術(shù)來(lái)連接服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備。以太網(wǎng)交換、InfiniBand和光纖通道等技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和處理的需求。其次，互聯(lián)網(wǎng)是連接全球各個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，需要可靠、高效的數(shù)據(jù)交換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?；ヂ?lián)網(wǎng)的核心數(shù)據(jù)交換技術(shù)是分組交換，其中IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)中常用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。通過(guò)路由選擇和擁塞控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)中的有效傳輸和交換。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線局域網(wǎng)等，需要數(shù)據(jù)交換技術(shù)來(lái)支持移動(dòng)設(shè)備之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)使用的主要數(shù)據(jù)交換技術(shù)包括無(wú)線局域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信等。這些技術(shù)通過(guò)分配無(wú)線信道、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇，支持無(wú)線設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，用于收集環(huán)境中各種物理量的數(shù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)需要滿足低功耗、低帶寬和低成本等特點(diǎn)。常用的技術(shù)包括低功耗無(wú)線通信協(xié)議（如Zigbee、LoRa）、無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)和自組織網(wǎng)絡(luò)等。另外，物聯(lián)網(wǎng)是將各種物理設(shè)備和傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)使用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)需要滿足大規(guī)模連接、智能化和安全性等需求。包括IPv6、低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)和數(shù)據(jù)的交換[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，數(shù)據(jù)交換技術(shù)作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的核心技術(shù)之一，不僅在數(shù)據(jù)中心建設(shè)、無(wú)線通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，也在社交媒體、移動(dòng)通信和智能家居等領(lǐng)域中具有重要地位。但是，也應(yīng)該意識(shí)到數(shù)據(jù)交換技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)和問(wèn)題。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)隱私和資源管理等方面的挑戰(zhàn)也隨之增加。因此，研究人員要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)交換技術(shù)的研究和創(chuàng)新，提高網(wǎng)絡(luò)安全性和數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的能力。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】