吉林大学通信工程学院 赵蓉 zhaorong@jlu.edu.cn 数据通信原理 吉林大学通信工程学院 赵蓉 zhaorong@jlu.edu.cn

第4章 数据交换

本章主要内容 1 电路交换方式 2 4 3 5 报文交换方式 分组交换方式 帧方式 数据交换的必要性和交换方式

4.1 概述  4.1.1 数据交换的必要性 两个用户通过信道直接连接构成的通信方式是点对点通信。 若多用户之间进行数据通信，任意两用户间都有直达线路连接。 缺点：线路利用率低。

…         交换机 当用户的数量增多时，使用交换机来完成全网的交换任务。 “交换”(switching)的含义就是转接。

4.1.2 数据交换方式 1．利用公用电话网进行数据交换 2．利用公用数据网进行数据交换 优点：投资少，实现简易和使用方便。 由于电话网是专为电话通信设计的，所以对于数据通信来说存在一定限制和缺陷，主要体现在： (1) 传输速率低。 (2) 传输差错率高。 (3) 线路接续时间长。 (4) 传输距离受限制。 (5) 接通率低，不易增加新功能。 2．利用公用数据网进行数据交换 交换方式：电路交换方式和存储-转发交换方式。 电路交换方式又分为空分交换方式和时分交换方式； 存储-转发交换方式又分为报文交换方式、分组交换方式及帧方式。

4.2 电路交换方式 重点讨论 4.2.1 电路交换方式的原理 1.电路交换的概念 电路交换方式：空分交换方式 时分交换方式 数据通信中的电路交换方式是指两台计算机或终端在相互通信之前，需预先建立起一条物理链路，在通信中自始至终使用该条链路进行数据信息传输，并且不允许其他计算机或终端同时共享该链路，通信结束后再拆除这条物理链路。 电路交换方式：空分交换方式 时分交换方式 重点讨论

2.电路交换方式的原理

即 1）呼叫建立(即建立一条实际的物理链路) 2）数据传输 3）呼叫拆除 1）数据传输前先拨号建立连接。 采用电路交换方式，数据通信需经历3个阶段： 1）呼叫建立(即建立一条实际的物理链路) 2）数据传输 3）呼叫拆除 1）数据传输前先拨号建立连接。 2）传输过程中，通信双方一直占用所建立的连接。 3）传输结束后，挂机释放连接。 即 电路交换属于预分配电路资源，即在一次接续中，电路资源就会分配给一对用户固定使用，不管这条电路上有无数据传输，电路一直被占用着，直到双方通信完毕拆除电路连接为止。

4.2.2 电路交换的优缺点 1. 电路交换的优点 2. 电路交换的缺点 适合于传输信息量较大、通信对象比较确定的用户。 （1）信息的传输时延小，且对一次接续而言，传输时延固定不变。 （2）信息传输的效率比较高。 （3）信息的编码方法和信息格式由通信双方协调，不受网络的限制。 2. 电路交换的缺点 （1）电路接续时间较长。 （2）电路资源被通信双方独占，电路利用率低。 （3）不同类型的终端不能相互通信。 （4）有呼损。 （5）传输质量较差。 适合于传输信息量较大、通信对象比较确定的用户。

4.3 报文交换方式 4.3.1 报文交换方式的原理 1.报文交换的概念 报文交换是以报文为单位接收、存储和转发信息。 报文的构成： 报文交换方式属于存储-转发方式，当用户的报文到达交换机时，先将报文存储在交换机的存储器中（内存或外存），当所需要的输出电路有空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端。 报文交换是以报文为单位接收、存储和转发信息。 报文的构成： （1）报头或标题。发信站地址、终点收信地址和其他辅助控制信息。 （2）报文正文。传输用户数据信息。 （3）报尾。表示报文的结束标志，若报文长度有规定，则可省去此标志。

2.报文交换方式的原理 当用户的报文到达交换机时，先将报文存储在交换机的存储器中（内存或外存），当所需要的输出电路有空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端。

报文交换机的组成： 实现报文交换的过程：交换机中的通信控制器探寻各条输入线路，若某条用户线路有报文输入，则向中央处理机发出中断请求，并逐字把报文送入内存储器。一旦接收到报文结束标志，则表示一份报文已全部接收完毕，中央处理机对报文进行处理，如分析报头、判别和确定路由、登输出排队表等。然后，将报文转存到外部大容量存储器，等待一条空闲的输出线路。一旦线路空闲，再把报文从外存调入内存，经通信控制器向线路发送出去。

4.3.2 报文交换的优缺点 1.报文交换的优点 1）可使不同类型的终端设备之间相互进行通信。 2）在报文交换的过程中没有电路接续过程，来自不同用户的报文可以在同一条线路上以报文为单位实现统计时分多路复用，线路利用率高。 3）无呼损。用户不需要叫通对方就可以发送报文。 4）可实现同文报通信。同一报文可以由交换机转发到不同地点。 2.报文交换方式的缺点 1）信息的传输时延大，而且时延的变化也大。 2）要求报文交换机有高速处理能力，且缓冲存储器容量大，因此交换机的设备费用高。 报文交换不利于实时通信，它适用于公众电报和电子信箱业务。

4.4 分组交换方式 4.4.1 分组交换方式的原理 1.分组交换的概念 分组交换是把报文截成若干比较短的、规格化了的“分组”进行交换或传输。 分组交换是以分组为单位存储-转发，当用户的分组到达交换机时，先将分组存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路有空闲时，再将该分组发向接收交换机或用户终端。 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 报文 1101000110101010110101011100010011010010 假定这个报文较长 不便于传输

每一个数据段前面添加上分组头构成分组。 报文 数 据 数 据 数 据 分组 1 分组头 分组 2 分组头 分组 3 分组头

依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。 数 据 分组头 分组 1 数 据 分组头 分组 2 数 据 分组头 分组 3 每个分组的分组头都含有地址和控制信息，长度为3~10B； 用户数据部分的长度是固定的，平均为128B，不超过256B；

假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 接收端收到分组后剥去分组头还原成报文。 分组 1 分组头 数 据 分组 2 分组头 数 据 分组 3 分组头 数 据 报文 1101000110101010110101011100010011010010 收到的数据 假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

2.分组交换的原理 分组交换网中有3个交换中心（交换节点）； 4个数据用户终端，其中B和C为分组型终端，A和D为一般终端。 分组型终端：以分组的形式发送和接收信息； 一般终端：发送和接收的不是分组而是字符流。

图中存在两个通信过程： 1）非分组型终端A和分组型终端C之间的通信； 2）分组型终端B和非分组型终端D之间的通信。

通信过程： 非分组型终端A发出带有接收端C地址号的报文，分组交换机1的PAD将报文拆成两个分组，存入存储器并进行路由选择，决定将分组1C直接传送给分组交换机2； 将分组2C先传给分组交换机3（再由3传给2），路由选择后，等到相应路由有空闲，分组交换机1将两个分组从存储器中取出送往相应路由。最后由分组交换机2将两个分组送给接收终端C。

通信过程： 分组型终端B发送的数据是分组，在交换机3中不需经过PAD，1D,2D,3D分组经过相同的路由传输，由于接收终端为一般终端，所以在交换机2由PAD将3个分组组装成报文送给一般终端C。

需要说明的问题： 1）来自不同终端的不同分组可以去往分组交换机的同一出线； 2）一般终端需经分组装/拆设备（PAD）才能进入分组交换网； 3）分组交换最基本的思想就是实现通信资源的共享，采用统计时分复用。 统计时分复用：根据用户实际需要动态地分配线路资源（逻辑子信道）。

4.4.2 分组交换的优缺点 1.分组交换的优点 2.分组交换的缺点 1）传输质量高 2）可靠性高 3）为不同种类的终端相互通信提供方便 4）能满足通信实时性要求 5）可实现分组多路通信。 6）经济性好 2.分组交换的缺点 1）由于传输分组时需要交换机有一定的开销，使网络附加的控制信息较多，对长报文通信的传输效率比较低。 2）要求交换机有较高的处理能力，故大型分组交换网的投资较大。

4.4.3 分组的传输方式 1. 数据报方式 (1)数据报方式的概念 数据报方式类似于报文交换方式，将每个分组单独作为一份报文对待，分组交换机为每个数据分组独立的寻找路径，同一终端送出的不同分组可以沿着不同的路径到达终点，分组的顺序可能不同于发送端，需要重新排序。

(2)数据报方式的特点 1）用户之间的通信不需要经历呼叫建立和呼叫清除阶段，对于数据量小的通信，传输效率比较高。 2）数据分组的传输时延较大，且离散度大。因为不同的分组可以沿不同的路径传输，而不同传输路径的延迟时间差别较大。 3）同一终端送出的若干分组到达终端的顺序可能不同于发送端，需重新排序。 4）对网络拥塞或故障的适应能力较强，一旦某个节点出现故障或形成拥塞，数据分组可另外选择传输路径。

2. 虚电路方式 (1)虚电路方式的概念 虚电路方式是两个用户终端设备在开始互相传输数据之前必须通过网络建立一条逻辑上的连接(称为虚电路)，一旦这种连接建立以后，用户发送的数据将通过该路径按顺序通过网络传送到达终点。当通信完成之后用户发出拆链请求，网络清除连接。

呼叫建立 终端A有数据要送往终端C: A发“呼叫请求”到节点1，要求建立到终端C的连接； 节点1进行路由选择后将“呼叫请求”发送到节点2；

虚电路可以分为两种：交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）。 为了区分一条线路上不同终端的分组，对分组进行编号(即分组头中的逻辑信道号)，逻辑信道号相同的分组就认为占的是同一个逻辑信道。 经过交换机逻辑信道号要改变，即逻辑信道号只有局部意义。 多段逻辑信道链接起来构成一条端到端的虚电路。 在一条物理线路上可以同时有多条虚电路。 虚电路可以分为两种：交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）。

(2)虚电路方式的特点 1）一次通信具有呼叫建立、数据传输和呼叫清除3个阶段。对于数据量较大的通信传输效率高。 2）终端之间的路由在数据传送前已被决定。 3）数据分组按已建立的路径顺序通过网络，在网络终点不需要对分组重新排序，分组传输时延较小，而且不容易产生数据分组的丢失。 4）虚电路方式的缺点是对网络拥塞或设备故障使虚电路中断时，需要重新呼叫建立新的连接。 （现在许多采用虚电路的网络已能提供重连接的功能）

（3）虚电路的重连接 说明： 1）终端B到D的虚电路上节点2和节点5之间线路故障， 节点2和节点5都能够检测到故障，沿原来的虚电路发“清除”指示分组，要求重新建立连接。 2）原节点1收到清除指示分组后，重新使用原虚电路的目的地址。发送呼叫请求分组，建立新的虚电路。

4.4.4 分组长度的选取 1. 分组长度与延迟时间 设分组长度为Lbit，其中hbit为分组头长，数据长度为xbit， 分组交换机发送一个分组的时间为 式中，L为分组长度(bit)； c为输出线路的传输能力，也是交换机的吞吐量(bit／s)； n为分组到达率，即每秒到达的分组数。

不同n,c情况下，分组长度与延迟时间的关系 分组长度越长，交换过程中的延迟时间越大。

2. 分组长度与交换机费用 分组交换机费用包括两部分：存储器费用和分组处理费用。 分组越长 存储器越高 分组越长 分组处理费用越低 图4-11 分组长度与交换机费用的关系 交换机费用是存储器费用和分组处理费用之和。考虑交换机费用时的最佳分组长度应是交换机费用曲线最低点所对应的分组长度。

3. 分组长度与误码率 最佳分组长度Lopt与误码率Pe的关系为 最佳分组长度Lopt与误码率Pe成反比。

4. 分组长度与正确传输数据信息的信道利用率 最高信道利用率为 最佳分组长度与最高的正确传输数据信息的信道利用率成正比。 CCITT（ITU-T）规定：分组长度以16-4096字节之间的2n字节为标准分组长度，如32、64、128、256、512和1024个字节。 一般选用128字节，不超过256字节（不包括分组头）。分组头长度为3-10字节。

例：假设有一分组交换网， Pe=10-4，分组最佳长度为256字节，试问分组中的分组头长度为多少字节？ 解 注意单位

4.5 帧方式 4.5.1 帧方式的概念 帧方式是一种快速分组交换，是分组交换的升级技术。具体地说，帧方式是在开放系统互连(OSI)参考模型第二层，即数据链路层上使用简化的方式传送和交换数据单元的一种方式。由于在数据链路层的数据单元一般称作帧，故称为帧方式。 帧方式的重要特点之一是简化了分组交换网中分组交换机的功能，从而降低了传输时延，节省了开销，提高了信息传输效率。

4.5.2 帧方式的类型 帧方式包括帧交换和帧中继两种类型。 分组交换机具有差错检测和纠错、流量控制、分组级逻辑信道复用等功能。 帧中继交换机只进行差错检测，但不纠错(检测出错误帧便将其丢掉)，而且省去了流量控制、分组级的逻辑信道复用等功能。纠错、流量控制等功能由终端去完成。 帧交换和帧中继的区别在于帧交换保留了差错控制和流量控制功能，但不支持分组级的复用，这一点与分组交换不同。 帧中继比帧交换的功能更加简化，传输效率也就更高，所以目前广泛应用的是帧中继。

4.6 几种交换方式的比较 表4-1 4种交换方式的比较 方式 项 性 目 能 电路交换 报文交换 分组交换 帧中继 网络时延 可靠性 表4-1 4种交换方式的比较 方式 项 性 目 能 电路交换 报文交换 分组交换 帧中继 网络时延 可靠性 统计时分复用 突发业务适用性 电路利用率 异种终端相互通信 实时性会话业务 开销 最小 一般 不是 无 低 不可以 适用 大 较高 是 较好 高 可以 不适用 较小 好 最大 小

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