数据交换技术的应用与优化

数据交换技术是指数据在传输过程中传输路径和传输格式的变换技术。常用的数据交换方式可以分为两大类: 线路交换(Circuit Switching)方式和存储转发交换(Store and Forward Switching)方式。存储转发交换方式按照被传递信息单位的不同，可以分为报文交换(Message Switching)方式和分组交换(Packet Switching)方式。

1.电路交换方式

交换的概念最早源于公共交换电话网。当多个结点相互之间都有可能构成通信电路时，交换是解决相互通信并节省连接线路的最好方法。交换有多种方法，在电话网中普遍采用的是一种具有中央交换机的电路交换方法。电路交换又分为空分交换、时分交换和波分交换。早期的交换机采用步进式和纵横式，近年来普遍采用的是程控交换机。

电路交换在双方进行通话之前必须进行呼叫，通过各个交换结点建立一条物理通路，通信结束后就断开这条通路，形成“连接→通信→断开”的过程，这一过程说明电路交换是面向连接的一种通信。电路交换的特点是交换机不干预通信过程，只是对通信数据进行处理，两个结点一旦连接成功就独占信道，直至线路断开，但电路交换在连路连接时需要占用较长的时间。在计算机网络中，数据交换是突发性的、断续性的。采用电路交换时，效率非常低，但当花费较长时间建立链路后，数据传输在较短的时间内即可完成。

2.报文交换方式

当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费。采用报文交换方式则不存在这种问题。

在报文交换方式中，当发送方有数据发送时，它把数据加上目的地址、源地址与控制信息作为一个整体，按照一定的格式打包组成报文，交给交换设备。交换设备根据报文中的目的地址，选择一条适合的空闲输出线，将报文传送出去。在传输过程中，报文可能经过若干个交换设备。在每一个交换设备处，报文先被存储起来，并且在待发报文登记表中进行登记，待报文前往的目的地址的路径空闲后，再选择合适的路径进行转发，直到到达目的地，因此这种方式也称为存储转发方式。

1)优点

报文交换方式的优点有:

(1)电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个结点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，报文交换方式对电路的传输能力要求较低。

(2)在电路交换网络上，当通信变得很大时，不能接收新的呼叫；而在报文交换的网络上，通信量大时仍然可以接收报文，但会增加传送延时。

(3)报文交换方式可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换方式很难做到这一点。

(4)报文交换网络可以进行速度和代码的转换。

2)缺点

报文交换方式的缺点有:

(1)不能满足实时(或交互式)通信要求，报文经过网络的延时时间长且不稳定。(https://www.xing528.com)

(2)当结点收到过多数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，且发出的报文将不按顺序到达目的地。

3.分组交换方式

分组交换方式是对报文交换方式的一种改进，它在发送方结点将报文分解成一些较小的报文分组，利用存储转发的原理把分组按顺序发送出去，在各个交换结点对分组进行相应的处理，并进行存储转发。根据自身携带的路由信息，分组可以寻找不同的路径，最终到达目的结点，由目的结点再对分组按分组序号组装成完整的报文。由于分组寻找不同的路径，导致到达分组的序号可能与发出分组的序号不一致，因此需要对目的结点进行排序，再组装成报文。

1)优点

分组交换方式的优点有:

(1)能够实现不同类型的数据终端设备之间的通信。

(2)有分组多路通信功能。由于提供线路的分组采用动态时分多路复用，因此能提高传输介质的利用率。此外，每个分组都有控制信息，因此分组型终端和分组交换机间的一条传输线路上可以同时传输多个不同用户终端的通信。

(3)数据传输质量高、可靠性高。由于每个分组在传输时可以分段独立地进行差错流量控制，所以传输过程中的误码率低。分组交换在传输时具有路由选择、拥塞控制等功能，当传输线路上产生故障时，其可以自动选择一条迂回路由，既可以避开故障点，又不会引起通信中断。

(4)经济性好。一方面，由于分组交换的通信数据是在交换机内存储和处理的，所以有利于降低网络设备的费用、提高交换机的处理能力。由于分组采用动态时分多路复用能大大提高了线路的利用率，因此能相对降低用户的通信费用。另一方面，分组交换方式可以准确地计算用户的通信量，因此通信费用可以按通信量和时间长度相结合的方法来计算，而与通信距离无关。分组交换可以通过网络管理系统对网络实行分散式处理、控制和集中维护的管理模式，从而提高网络运行效率。

2)缺点

分组交换方式的缺点有:

(1)由于采用分组—转发方式处理，所以分组在线路上的平均延时可达几百毫秒。

(2)由于每个分组附加分组标题，都需要交换机分析处理，从而增加了交换机内CPU的开销。因此，分组交换适用于计算机通信的突发性和断续性业务的要求，而不适合在实时性要求高、信息量大的环境中应用。

如图1-6-11 所示，数据从主机A 向主机B 发送，由于数据过大所以将它拆分成两个数据报(P1 和P2)，数据从结点1 出发，P1 数据报从结点1 到结点2，再从结点2 到结点3；P2 数据报从结点1 到结点6，从结点6 到结点7，再从结点7 到结点3。P1 和P2 在结点3 会合，重新排列，还原成原始数据。从图1-6-11 中可以看到，在分组交换中，数据被拆分成小的数据报，在每个数据报中都封装地址，数据报通过不同的路径到达目的地，然后按一定顺序还原成原始数据，这就是分组交换的过程。分组交换技术很好地解决了数据传输中的突发性和断续性，提高了传输的可靠性，同时也提高了数据传输的质量。分组交换技术是因特网的核心技术，因特网的发展也是基于分组交换技术。

图1-6-11　分组交换技术举例示意