数据交换技术疑难探析

梁思勤

摘要：数据通信是计算机网络专业很重要的基础知识，其中数据交换又是十分常用的技术。文章结合教学实践，从基本概念、主要类型及各种类型的优劣对比等三方面逐层深入进行探析，旨在帮助学生对数据交换技术以及数据通信有一个比较透彻的认识与理解。

关键词：数据交换技术；数据通信；终端；中间节点；数据转发

数据交换技术是网络中十分常用的通信技术。在实际应用中，网络终端数量宠大且分布距离远近不一，必须要通过若干中间节点连接转发数据，从而实现终端之间的成功通信，这种通过中间节点进行数据转发的技术简称为数据交换技术。结合数据交换技术教学中的疑点难点，文章主要通过以下三部分对其进行探析。

一、运用形象比喻，阐明数据交换技术的基本概念

数据交换是数据通信中的一项重要传输技术，数据通信也叫数据传输，其实质就是通过网络，使两个通信终端之间能够进行数据传输与信息传递。网络中通常拥有数以百计，甚至成千上万个通信终端，如果直接用线路连接并不现实，需要设置很多中间节点进行连接。这里以一个形象的比喻来进一步阐述。在公交车系统中，公交车站点代表中间节点，公交车代表终端，乘客代表要传输的数据。乘客们从各自的出发地出发，选择搭乘合适的公交车路线，途中务必经过或多或少的站点，或者在中途转乘其他的线路，最后才能成功抵达目的地。这好比在网络中进行数据传输：数据从发送终端经过若干中间节点、通过不同的线路传递，途经其他的终端，最终成功发送到目的终端。这些中间节点与公交车站点的相似之处在于，它们并不是最终目的地，也不关心数据的内容（乘客的特点），而是仅仅起到一个使数据到达目的地的中转站的作用而已。

综上所述可以得出结论：数据交换技术就是在数据通信时，数据从发送终端进行传输，通过中间节点进行转发，直至到达目的终端的传输技术。在这个过程中，中间节点仅仅起到交换功能，即把数据从一个节点传向另一节点，直至到达目的地。这里讲到的中间节点，一般就是交换机。

二、结合实例对照，逐层深入探析数据交换技术的主要类型

数据交换技术概括起来主要分为两大类，一类是线路交换（也称电路交换），一类是存储交换。而存储交换又可以分为两种：报文交换与分组交换。

（一）线路交换

线路交换就是在两个相互通信的终端之间，通过若干中间节点建立一条专用的通信通道用来传输数据。整个线路交换过程需要经历三个阶段来完成。一是线路建立阶段。两个终端在传输数据之前，首先必须发出在相互之间建立连接的请求。其过程可以概括为：源终端向网络发送一个带有目的终端地址的请求连接信号，其中一个较近的中间节点收到该信号后，选择适当的线路将该请求发送到下一个中间节点，下一个中间节点收到请求后，再选择适当的线路将其发送至再下一个中间节点，如此传递下去，直到最终到达目的终端，目的终端收到请求后答应请求，于是连接就成功建立了。之前的各个中间节点互相“记住”了连接中的输入输出对应关系，等同于在源终端和目的终端之间分配了一条具有记忆能力的直达通道，并且是专用的，其他终端不能够使用其来传输数据。二是数据传输阶段。线路建立之后，两个终端之间就可以通过该专用通道直接进行信号传送。需要注意的是，信号可以是数字信号，也可以是模拟信号，并且是全双工传输模式（可以同时往两个方向传输，即双向传输）。三是线路拆除阶段。当数据传输结束后，应该马上拆除连接，以释放该连接所占用的专用资源。需要注意的是，两个终端中的任何一个都可以发出拆除连接的请求。

下面结合实例对照，做进一步的剖析。以电话网络通信数据交换技术为例，如图1所示。

1号话机准备与3号话机进行通话，首先进行的是线路建立阶段。线路1-A-D-C-3就是1、3号机的专用线路，它们中间经过三台交换机——A、D、C。通信期间，该通信线路只属于1、3号两台话机，如果2、4号话机在此时也想通话，那它们只能够建立2-B-C-4这条线路，由此就产生了两条专用线路，并且互不影响。好比两人在通话中，不能够接人第三方的电话，只能够另辟通话线路，或者等待任何一方挂断电话之后方能接入。当任何一方选择挂断电话，通信完毕后，即进入线路拆除阶段。此时，线路初始化，等待下一次的随机连接，如1-A-D-B-2，3-C-D-4等不同组合，只要相互间建立的线路没有产生公用部分即可。

（二）存储交换

存储交换最大的特点是数据在传输过程中有一个存储过程，这也是它与线路交换最大的区别。存储交换在数据传输过程中，终端之间无需建立专用通道，通道是公用的，会按当前网络环境选择合适的路由进行传递。当同一时间传输数据的终端越多，公用通道中的数据量必然增多，势必会造成数据发送的等待与延迟，就好比上下班高峰期，道路通常比较拥堵一样。那些等待发送的数据需要被暂时存放起来，存放的空间位置是相邻的中间节点或终端。当通道相对空闲时再将信息取出继續发送，如此传递下去，直至到达目的终端。因为该方式需要将数据暂时存放再取出转发，所以也称为存储转发方式。存储交换主要分为报文交换与分组交换两种。

1.报文交换

报文交换是在发送终端将需要传输的数据分割成一定大小的数据包，称为报文，每个报文包含目的终端的地址，以报文为单位在网络中传输，到达目的终端后，重新组合为原样的交换模式。报文在传输过程中，会经过很多不同的中间节点，当某一节点通过对报文地址的识别，收到一个不是传送给自己的报文，并且前进的通道比较拥挤的情况下，则将该报文暂存到自己的外存储器中，等通道空闲时，再取出转发。

如图2所示，以邮件传送为例进行说明。终端1发送邮件至终端3，终端2发送邮件至终端4，经过的路线为1/2-A-D-B-C-3/4，它们使用了完全相同的公用线路以及中间节点，A节点为邮件收发服务器，因为线路公用，当同一时间有许多终端（用户）使用该线路（发送邮件）时，节点A的吞吐量就会增大，线路中数据（邮件）的拥挤度相应增加，为了缓解阻塞，部分数据（邮件）只能暂存在节点A中等待。当线路相对空闲时，再从中取出并转发到下一节点D。同理，节点D的吞吐量随之相应增大，与之相连线路的数据拥挤度增加，数据只能再次暂存在D节点中等待，直到相对空闲时才取出并转发到下一节点B。如此传递下去，并根据各自报文的目的终端地址（邮件地址），最终到达目的地。

2.分组交换

分组交换与报文交换相似，主要区别在于分组交换要将报文进一步分割成长度更小（大概1K到数K比特）的信息组，称为分组，然后将分组通过起始节点存储、转发到下一节点，直至传输到目的终端后，再将分组重新组装还原为报文，报文再还原为原始数据。分组交换分为两种形式：数据报方式与虚电路方式。

数据报方式中的分组在通过网络节点时会根据网络环境各自选择不同的路线传递，它们往往不是按发送的先后顺序到达，可能会出现先发的后到、后发的先到，因此每个分组除了携带目的终端地址之外，还具有所属信息包的编号以便能正确地按顺序重组，这就是数据报方式与一般报文交换的重要区别。

虚电路方式是一种虚拟线路交换，它与数据报方式不同之处在于节点无需为每个分组进行路由选择，每个虚拟连接只进行一次路由选择。

分组交换与线路交换、报文交换有一定的相似之处，可以理解为分组交换是对它们的升级与优化。通过以上推导说明，学生会对分组交换有一个比较清晰的认识。

三、各种数据交换技术优劣对比

综上所述，如图3所示，各种数据交换技术各有优劣。线路交换建立专用线路进行传输，传输质量高，实时性好，连接期间没有延迟，交换设备简单，收发信息速度迅速，适用于语音、视频等具有高实时性要求的传输。但由于在线路拆除释放之前，线路仅被一对终端占用，实现一对一通信，所以利用率低，效率不高。

报文交换采用存储转发方式，线路公用，利用率较高，可以实现一对多通信，广泛应用于电报、电子邮件以及非紧急的业务查询和应答。但报文长度较长，且采用公用信道，实时性较差，延迟时间比较长，并不能满足语音、视频等具有高实时性与交互性的通信需要。

分组交换则综合了线路交换与报文交换的优点，加速了数据在网络中的传输，简化了存储管理，减少了出错几率和重发数据量。但分组交换仍属于存储交换方式，所以还是存在一定的延时问题。另外，由于每个分组具备地址和分组编号等信息，使得传送的总信息量会有一定的额外增加。总的来说，分组交换比线路交换的线路利用率高，比报文交换的传输延时小、实时性与交互性好。