数据通信的交换方式

第二章数据通信的交换方式

两个异地终端之间若要进行数据通信时，我们可以建立专用线路把两终端连接起来即可。如果一个终端要与多个终端进行通信，终端间都照此办理，那末进出一个终端的线路将会太多。如图2-1所示的六个终端间进行数据通信，就需要15条线路（全连方式）。这样的结果，一是线路利用率太低。因为终端之间通信的业务量总是不均匀的，一天内只有部分时间较忙，其余时间将会闲着不用；二是不经济，终端与终端都需线路直接连接，线路数量多，投资大。

图2-1 六个终端之间的连接（全连接方式）

图2-2 信息交换示意图

解决的办法是将各地的终端连至一个交换设备上，该交换设备能按用户的要求将需要进行数据通信的终端连接起来完成信息的交换任务，如图2-2所示。

在信息传输方面，由于数据通信网与电话通信网相比，有它自己的特点（实

时性要求不如电话通信网那样高），因而，在数据通信网中引入一些特殊的交

换方式。

目前，数据通信网中可采用的信息的交换方式有以下三类：

●分组交换方式(Packet Switching)

●电路交换方式( Circuit Switching)

●报文交换方式(Message Switching)

2.1 电路交换

电路交换方式能为任一个入网的数据通信用户提供一条临时的专用的物理信

道（又称电路），这条物理信道是由通路上各节点内部在空间(布线接续)或时

间上(时隙互换)完成信道接续而构成的，这为信源的DTE与信宿的DTE之间

建立一条信道。在信息传输期间，该信道为一对DTE用户所占用，通信结束

才释放该信道。

实现电路交换的主要设备是具有电路交换功能的交换机，它由电路交换部分

和控制部分组成。电路交换部分实现主、被叫用户的连接，构成数据传输信

道；控制部分的主要功能是根据主叫用户的选线信号控制交换网络完成接续。

具有电路交换功能的交换机可采用布线逻辑控制和存储程序控制两种方式完

成接续功能。存储程序控制方式采用计算机技术，把完成控制功能的逻辑操

作，以“程序”的形式预先存储在存储装置的。计算机的中央处理装置根据

储存的程序，执行加减、比较、转移、逻辑变换等基本运算来实现控制功能。

由于在这种方式中，规定控制功能是程序而不是硬件，所以，可以用改写程

序的方法来变更或扩充功能。可以看出，这种方式具有很大的灵活性。布线

逻辑控制方式是把开关接点和电子元器件等通过布线连接起来，完成要求的

逻辑动作。采用这种方式，要变更功能必须变更布线，因而灵活性较差。

图2-3是存储程序控制交换机的构成示意图。其中，固定存储器存放规定交换

机动作的程序和各种数据；随机存储器存储交换网络的忙闲状态、外部各装

置的动作状态、逻辑运算的中间结果等；扫描电路则监视用户线和中继线的

状态，并将其变化通知中央处理器；中央处理器根据固定存储器中的程序及

状态信息而动作，完成控制功能。

图2-3 存储程序控制交换机示意图

数据的电路交换过程与目前公用电话交换网的电话交换的过程是相类似的。

当用户要求发送数据时，向本交换局呼叫，在得到应答信号后，主叫用户发

送被叫用户号码或地址；本地交换局根据被叫用户号码确定被叫用户属于哪

一个局的管辖范围，并随之确定传输路由；如果被叫用户属于其它交换局，

则将有关号码经局间中继线传送给被叫用户所在局，并呼叫被叫用户，从而

在主、被叫用户间建立起一条固定的通信链路。通信结束时，当其中一用户

表示通信完毕需要拆线时，则该链路上的各交换机将本次通信所占用的设备

和通信链路（电路）释放，以供后续的用户呼叫用。

2.2 报文交换

为了克服电路交换方式中电路利用率低等方面的缺点，人们发展了报文交换

方式，也称为信息交换方式。在这种交换方式中，收、发用户之间不存在直

接的物理信道。因此用户之间不需要先建立呼叫，也不存在拆线过程。它是

将用户报文存储在交换机的存储器中(内存或外存)，当所需要输出的电路空闲

时，再将该报文发向接收交换机和用户终端。因此，报文交换系统又称“存

储－转发”系统。它的原理框图如图2-4所示。

图2-4 报文交换方式原理框图

报文交换方式虽然克服了电路交换的某些缺点，但也存在着一些问题，这主

要是：

●一般情况下要求报文交换机要有高速处理能力和大的存储器容量，因此

设备费用高；

●报文传输的延迟时间较长，不适用于立即交互型的通信方式。

报文交换常用于公众电报和电子信箱业务。

2.3 分组交换

随着计算机的广泛应用，对数据交换提出了更高的要求，这就是：

●能适应不同速率的数据交换，以满足不同用户的需要；

●接续速度尽量快；

●网络时延要小，能适应用户交互通信的要求；

●具有适应数据用户特性变化的能力，如多样化的数据终端和多样化的数

据业务。

前面介绍的电路交换和报文交换是不能满足上述要求的。因为电路交换不利

于实现不同类型的、不同速率的数据终端设备之间的相互通信，而报文交换

信息传输时延又太大，不满足许多数据通信系统的交互性的要求。而分组交

换技术较好地解决了这些矛盾。

2.3.1 分组交换原理

分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据分成一定长度的包（分组）。在

每个包（分组）的前面加一个分组头(标题)，其中的地址标志指明该分组发往

何处，然后由分组交换机根据每个分组的地址标志，将它们转发至目的地，

这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。

分组交换是用分组来传输和交换信息的。每个分组最前面约有3－10个字节

（8比特组）作为填写接收地址和控制信息的分组头。分组头后面是用户数据，

其长度一般是固定的。当发送长报文时，需将该报文划分成多个分组。分组

交换原理如图2-6所示。

图2-6 分组交换示意图

图2-7表示一份长报的分组过程，这里的报文被分成三个分组，每个分组中的

FCS表示用于分组差错控制的检验序列。分组是交换处理和传送处理的对象。

接入分组交换网的用户终端设备有两类：一类是分组型终端，它能按照分组

格式收、发信息；一类是一般终端，它只能按照传统的报文格式收、发数据

信息。由于在分组网内配备有分组装拆功能的分组装拆设备(PAD)，从而可使

不同类型的用户终端互通。

图2-7 分组的组合与分解

分组交换网的工作原理如图2-8所示。图中假设有三个交换中心(又称为交换节点)，分设有分组交换机1、2、3；A、B、C、D为四个数据通信用户，A、D为一般终端，B、C为分组型终端。A、B分别向C、D传送数据。A的数据C经交换机1的PAD组装成二个分组C1和C2，然后经由分组交换机1、2之间的传输通路以及分组交换机1、3和3、2之间的传输通路分别将C1、C2数据传送到终端C。由于C为分组型终端，C1、C2分组可由终端C直接接收。B的分组数据3、2、1经由分组交换机3、2之间的传输通路传送到终端D。D终端为一般终端，它不能直接接收分组数据，因而数据到交换机之后，要经分组装拆设备恢复成一般报文，然后再传送到终端D。

图2-8 分组交换网工作原理

由图2-8可以看出，在两个用户之间存在多个路由的情况下，一份报文的多个

分组可各在不同的路由上传输。所以，分组交换网可以并行传输报文，而电

路交换网和报文交换网只能串行传输报文。

分组交换方式的分组长度短，具有统一的格式，因而便于交换机存储(可以只

用内存储器)和处理。所以，与报文交换方式相比，其信息传输延迟时间大大

缩短。

2.3.2 分组交换网提供的业务

分组交换网能为用户提供可交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)两种基本业

务功能。虚电路是指在数据交换前，根据全网运行情况选择当时最佳传输路

由，将传送数据的各段逻辑信道连接起来，组成一条完整的逻辑电路。这条

逻辑电路只有在有数据传送时才被占用，因而叫虚电路。SVC是两个数据终

端用户之间建立的临时逻辑连接，它是通过数据终端拨号建立，通信结束拆

除虚电路。PVC是两个数据终端用户虚电路的永久连接，不需要拨号建立及

拆线释放电路的过程，用户可以随时使用该逻辑信道。

分组交换方式非常适合于具有中等数据量而且数据通信用户比较分散的场

合。