1.3 数据交换

1.3.1 数据通信和话音通信的区别

虽然话音通信使得人们之间信息交流变得非常方便，但是话音交流毕竟只是信息交流的一种方式。从20世纪60年代开始，计算机的使用日益普及，人们迫切需要进行共享计算机的计算能力和计算机中存储的信息，计算机的联网成为现实的需要。1969年美国军方建立的高级研究计划局（ARPA）网络，标志以资源共享为特点的计算机网络诞生。ARPA网络的有关民用科技研究部分进一步演化成目前的国际互联网Internet。计算机通信可视为数据通信。尽管数据通信和话音通信都是以传送信息为通信目的，但是两者仍具有不同之处。

（1）通信对象不同

数据通信实现的是计算机和计算机之间，以及人和计算机之间的通信，而话音通信实现的是人和人之间的通信。计算机不具有人脑的思维和应变能力，计算机的智能来自人的智能，计算机完成的每件工作都需要人预先编好程序，计算机之间的通信过程需要定义严格的通信协议和标准，而话音通信则无需这么复杂。

（2）传输可靠性要求不同

数据信号使用二进制数“0”和“1”的组合编码表示，如果一个码组中的一个比特在传输中发生错误，则在接收端可能会被理解成为完全不同的含义。特别对于银行、军事、医学等关键事务处理，发生的毫厘之差都会造成巨大的损失，一般而言数据通信的比特差错率必须控制在10-8以下，而话音通信比特差错率可高到10-3。

（3）通信的平均持续时间和通信建立请求响应不同

根据美国国防部对27000个数据用户进行统计，大约25%的数据通信持续时间在1s以下，50%的用户数据通信持续时间在5s以下，90%的用户数据通信时间在50s以下。而相应话音通信的持续平均时间在5min左右，统计资料显示99.5%以上的数据通信持续时间短于电话平均通话时间。由此决定数据通信的信道建立时间要求也要短，通常应该在1.5s左右。而相应的话音通信过程的建立一般在15s左右。

（4）通信过程中信息业务量特性不同

统计资料表明，电话通信双方讲话的时间平均各占一半，即对于数字PCM话音信号平均速率大约在32Kb/s，一般不会出现长时间信道中没有信息传输。而计算机通信双方处于不同的工作状态传输数据速率是不同的。例如，系统进行远程遥测和遥控，传输速率一般只在30b/s以下；用户以远程终端方式登录远端主机，信道上传输的数据是用户用键盘输入的，输入速率为20～300b/s，而计算机对终端响应的速率则在600～10000b/s；如果用户希望获取大量文件，则一般传输速率在100Kb/s～1Mb/s是让人满意的。

由上述分析我们可以看到为了满足数据通信的要求，必须构造数据通信网络以满足高速传输数据的要求。但是在20世纪60年代人们开始进行数据通信时利用的却是电话网络，只满足了当时对数据通信的要求。

1.3.2 利用电话网络进行数据传输

由于人们设计电话网络的目的是用于传输0.3～3.4kHz模拟话音信号，所以如果使用这样的通道传输数据信息，在发送端必须有相应的设备将数字数据信号变换成为与信道相适应的信号格式（这个过程称为调制），在接收端必须将收到的模拟信号恢复成数字数据信息（这个过程称为解调）。由于通信一般是双向的，所以通常一个设备必须完成调制和解调的功能，完成上述功能的设备合称为调制解调器（MODEM）。

我们知道虽然在中继线上已经采用PCM数字信号传输话音信息，但是由于用户环路上仍旧是模拟信号，所以在实际中即使采用数字交换设备，允许网络中直接进行数字交换和传输，但是在发送端仍然必须将数字信号变成模拟信号（调制），经过发送端的用户线传输给发送交换机，在发送局端再将模拟信号变成数字信号。网络传输可以直接使用数字方法，但是在接收局端必须将数字信号变换成模拟信号，然后通过接收端的用户线传输给调制解调器再将模拟信号转变成数字信号交给计算机系统处理。由此可见，在电话网络中进行数字信号传输至少需经过A/D和D/A两次变换，增加了信号传输的开销。虽然网络内部对于每一路数字话音提供的是64Kb/s传输速率，但是因为用户环路传输的是模拟信号，从而限制了网络中可以传输的数字信息速率。

使用电话网络进行数字数据通信的低效率的原因不仅只是用户环路上只能进行模拟话音信息的传输，而且还和电话网络采用的交换方式有关。前面已介绍，电话网络进行通信之前必须建立传输通道，在主叫用户和被叫用户之间建立一条实际的物理通道，即网络分配给用户固定的电路资源。在通信过程中无论是否有信息进行传输，电路都被用户占用。利用无处不在的电话网络进行数据传输，只需通信的双方附加调制解调设备就可以进行低速数据传输，这就是目前访问Internet只要求用户拥有计算机、调制解调器和电话线就可以的原因。但是因为数据通信过程中传输的数据量波动较之于话音方式要大得多，所以这种利用电路交换分配固定电路资源的方式缺点也是显然的：一方面在数据量很大时信道无法满足传输要求，另一方面在数据量很小时会浪费网络传输资源。

1.3.3 电路交换

为了突破用户线上传输比特率的限制和当时空分交换的缺陷，人们在20世纪70年代提出了基于电路交换的数据网络，改造用户线允许直接进行数字信号的传输，这样整个网络数据传输为全数字化，即数字接入、数字传输和数字交换，这就是所谓的电路交换数据网络（CSDN），其中数字传输即PCM传输，数字交换即程控交换，而数字接入可以提供64Kb/s和128Kb/s速率的数字信号的直接接入，不必附加相应的调制设备再进行模拟信号和数字信号的转换工作。但是电路交换数据网络由于采用了类似于电话网络的电路交换，网络无法根据链路上传输的数据量合理分配资源，同样造成网络传输效率比较低。

电路交换的主要优点：

（1）信息的传输时延小，对一次接续而言，传输时延固定不变。

（2）信息以数字信号形式在数据通路中“透明”传输，交换机对用户的数据信息不存储、分析和处理，交换机在处理方面的开销比较小，对用户的数据信息也不需要附加许多用于控制的信息，信息的传输效率比较高。

（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。

电路交换的主要缺点：

（1）电路的接续时间较长。当传输较短信息时，通信通道建立的时间可能大于通信时间，网络利用率低。

（2）电路资源被通信双方独占，电路利用率低。

（3）通信双方在信息传输、编码格式、同步方式、通信协议等方面要完全兼容，这就限制了各种不同速率、不同代码格式、不同通信协议的用户终端直接的互通。

（4）有呼损，即可能出现由于对方用户终端设备忙或交换网负载过重而呼叫不通。

1.3.4 报文交换

为了克服电路交换中各种不同类型和特性的用户终端之间不能互通，通信电路利用率低，以及有呼损等方面的缺点，提出了报文交换的思想，它的基本原理是“存储—转发”，即如果A用户要向B用户发送信息，A用户不需要先叫通与B用户之间的电路，而只需与交换机接通，由交换机暂时把A用户要发送的报文接收和存储起来，交换机根据报文中提供的B用户的地址确定交换网内路由，并将报文送到输出队列上排队，等到该输出线空闲时立即将该报文送到下一个交换机，最后送到终点用户B。图1.6给出报文交换网络传输进行数据通信的一般过程。

在报文交换中信息的格式是以报文为基本单位。一份报文包括三部分：报头或标题（发信站地址、终点收信站地址及其他辅助信息组成）、正文（传输用户信息）和报尾（报文的结束标志，若报文长度有规定，则可省去此标志）。

报文交换的特征是交换机要对用户的信息进行存储和处理。

报文交换的主要优点：

（1）报文以“存储—转发”方式通过交换机，输入、输出电路的速率、电码格式等可以不同，很容易实现各种不同类型终端之间的相互通信。

（2）在报文交换（从用户A到用户B）的过程中没有电路接续过程，来自不同用户的报文可以在一条线路上以报文为单位进行多路复用，线路可以以它的最高传输能力工作，大大提高了线路的利用率。

（3）用户不需要叫通对方就可发送报文，无呼损，并可以节省通信终端操作人员的时间。如果需要，同一报文可以由交换机转发到许多不同的收信地点，即实现同报文通信。

报文交换的主要缺点：

（1）信息通过交换机时产生的时延大，而且时延的变化也大，不利于实时通信。

（2）交换机要有能力存储用户发送的报文，其中有的报文可能很长，要求交换机具有高速处理能力和大的存储容量，一般要配备磁盘和磁带存储器。

（3）报文交换不适用于即时交互式数据通信。

报文交换适用于公众电报和电子信箱业务。

1.3.5 分组交换

前面介绍的电路交换不利于实现不同类型的数据终端设备之间的相互通信，而报文交换信息传输时延又太长，不满足许多数据通信系统的实时性要求（注意数据通信的实时要求是指利用计算机通信的用户可以交互传输信息，相比于话音延迟要求，数据实时传输延迟要求要宽松得多），分组交换技术较好地解决了这些矛盾。

分组交换采用了报文交换的“存储—转发”方式，但不像报文交换那样以报文为单位交换，而是把报文截成许多比较短的、被规格化了的“分组”（Packet）进行交换和传输。由于分组长度较短，具有统一的格式，便于在交换机中存储和处理，“分组”进入交换机后只在主存储器中停留很短的时间，进行排队处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机或用户终端。“分组”穿过交换机或网络的时间很短（“分组”穿过一个交换机的时延为毫秒级），能满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性要求。

根据交换机对分组的不同的处理方式，分组交换可以分成两种工作模式：数据报（Datagram）和虚电路（Virtual Circuit）。数据报方式类似于报文传输方式，将每个分组作为一份报文来对待，每个数据分组中都包含终点地址信息，分组交换机为每一个数据分组独立地寻找路径，因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，在网络终点需要重新排序。

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逻辑上的连接，一旦这种连接建立以后，用户发送的数据（以分组为单位）将通过该路径顺序经网络传送到达终点。当通信完成之后用户发出拆链请求，网络清除连接。可以看到这种方式非常类似电路交换中的通信过程。只不过此时网络中建立的是虚电路而非实际电路，在数据通信过程中不像电路交换方式是透明传输的，而会受到网络负载的影响，分组可能在分组交换机中等待输出线路为空后进行信息传输。有关分组交换技术将在第5章详细说明。

分组交换的主要优点：

（1）向用户提供了不同速率、不同代码、不同同步方式、不同通信控制协议的数据终端之间能够相互通信的灵活的通信环境。

（2）在网络轻负载情况下，信息的传输时延较小，而且变化范围不大，能够较好地满足计算机交互业务的要求。

（3）实现线路动态统计复用，通信线路（包括中继线路和用户环路）的利用率很高，在一条物理线路上可以同时提供多条信息通路。

（4）可靠性高。每个分组在网络中传输时可以在中继线和用户线上分段进行差错校验，使信息在分组交换网络中传输的比特差错率大大降低，一般可以达到10-10以下。由于“分组”在分组交换网中传输的路由是可变的，当网中的线路或设备发生故障时，“分组”可以自动地避开故障点选择一条新的路由，而通信不会中断。

（5）经济性好。信息以“分组”为单位在交换机中存储和处理，不要求交换机具有很大的存储容量，降低了网内设备的费用。对线路的动态统计时分复用也大大降低了用户的通信费用。分组交换网通过网络控制和管理中心（NMC）对网内设备实行比较集中的控制和维护管理，节省维护管理费用。

分组交换的主要缺点：

（1）由网络附加的传输信息较多，对长报文通信的传输效率比较低。我们把一份报文划分成许多分组在交换网内传输，为了保证这些分组能够按照正确的路径安全准确地到达终点，要给每个数据分组加上控制信息（分组头）。除此之外，我们还要设计许多不包含数据信息的控制分组，用它们来实现数据通路的建立、保持和拆除，并进行差错控制以及数据流量控制等。可见，在交换网内除了有用户数据传输外，还有许多辅助信息在网内流动，对于较长的报文来说，分组交换的传输效率就不如电路交换和报文交换的高。

（2）技术实现复杂。分组交换机要对各种类型的“分组”进行分析处理，为“分组”在网中的传输提供路由，并且在必要时自动进行路由调整，为用户提供速率、代码和规程的变换，为网络的维护管理提供必要的报告信息等，要求交换机要有较高的处理能力。