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知识路径： > 计算机网络基础知识 > 数据通信基础知识 > 数据交换技术的基本原理和性能特点 >
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被考次数：9次
被考频率：中频率
总体答错率：41%
知识难度系数： 
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考试要求：掌握
相关知识点：19个
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数据交换技术主要包括电路交换、报文交换、分组交换和信元交换。
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当用户要发送信息时，由源交换机根据信息要到达的目的地址，把线路连接到目的交换机，这个过程称为线路接续。线路接续是由联络信号经存储转发方式完成的，即根据用户号码或地址，经局间中继线传送给被叫交换机并转被叫用户。线路接通后，就形成了一条端对端的信息通路，在这条通路上双方即可进行通信。通信完毕后，由通信双方的某一方，向自己所属的交换机发出撤销线路的请求，交换机收到此信号后就将此线路撤销，以供别的用户呼叫时使用。电路交换工作过程如下图所示。
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由于电路交换的接续路径是采用物理连接的，在传输电路接续后，控制电路就与信息传输无关，所以电路交换方式的主要优点是：数据传输可靠、迅速，不丢失且保持原来的序列。缺点是在有的环境下，电路空闲时的信道容量被浪费，而且数据传输阶段的持续时间不长的话，电路建立和拆除所用的时间也得不偿失。因此，它适合于系统间要求高质量的大量数据传输的情况，其计费方法一般按照预定的带宽、距离和时间来计算。
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目前电路交换方式的数据通信网是利用现有电话网实现的，所以数据终端的接续控制等信号要做到与电话网兼容。
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报文交换采用了存储－转发的交换方式，其基本原理是用户之间进行数据传输时，主叫用户不需要先建立呼叫，而是先进入本地交换机存储器，等到连接该交换机的中继线空闲时，再根据确定的路由转发到目的交换机，如下图所示。由于每份报文的头部都含有被寻址用户的完整地址，所以每条路由不是固定分配给某一个用户，而是由多个用户进行统计复用。
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（1）线路效率较高。这是因为许多报文可以分时共享一条节点的通道。对于同样的通信容量来说，需要较少的传输能力。
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（2）不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前，暂时存储这个报文。
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（3）在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接收某些呼叫，而在报文交换网络上，却仍然可以接收报文，但传送延迟会增加。
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（4）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。
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报文交换的主要缺点是，它不能满足实时或交互式的通信要求，经过网络的延迟相当长，而且有相当大的变化。因此，这种方式不能用于声音连接，也不适合于交互式终端到计算机的连接。有时节点收到过多的数据而不得不丢弃报文，并阻止了其他报文的传送，而且发出的报文不按顺序到达目的地。另外，报文交换中，若报文较长，需要较大容量的存储器，若将报文放到外存储器中去，会造成响应时间过长，增加网络延迟时间。
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分组交换也称为包交换，它也采用存储－转发的交换方式，其工作原理是首先把来自用户的信息电文暂存于存储装置中，并划分为多个一定长度的分组，每个分组前边都加上固定格式的分组标题，用于指明该分组的发端地址、收端地址及分组序号等。
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由于以报文分组作为存储转发的单位，因而分组在各交换节点之间传送比较灵活，交换节点不必等待整个报文的其他分组到齐，一个分组一个分组地转发。这样可以大大压缩节点所需的存储容量，也缩短了网络延时。另外，较短的报文分组比较长的报文可大大减少差错的产生，提高了传输的可靠性。分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信，它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。
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分组交换目前通常有两种方法，即数据报（Datagram）方式和虚电路（Virtual Circuit）方式。
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在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的路由，把数据报按原样发送到下一节点。由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会在中途丢失。以数据报方式进行传送的整个过程中，不需要建立虚电路，但要为每个数据报做路由选择，如下图所示。
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在虚电路分组交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建立一条逻辑通路。每个分组除了包含数据之外，还包含一个虚电路标识符。在预先建立好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不需要进行路由选择。通信完毕后，由某一个站提交清除请求来结束这次连接。它之所以是"虚"的，是因为这条电路不是专用的，如下图所示。
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虚电路分组交换的主要特点是：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路，而不像电路交换那样有一条专用通路。分组在每个节点上仍然需要缓冲，接着在线路上进行排队，等待输出。
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在分组交换方式中，由于能够以分组方式进行数据的暂存交换，经交换机处理后，很容易地实现不同速率、不同规程的终端间通信。分组交换主要具有以下特点。
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（1）线路利用率高。分组交换以虚电路的形式进行信道的多路复用，实现资源共享，可在一条物理线路上提供多条逻辑信道，极大地提高了线路的利用率。
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（2）不同种类的终端可以相互通信。数据以分组为单位在网络内存储转发，使不同速率终端、不同协议的设备经网络提供的协议变换功能后实现互相通信。
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（3）信息传输可靠性高。每个分组在网络中进行传输时，在节点交换机之间采用差错校验与重发的功能，因而在网络中传送的误码率大大降低。而且当网络内发生故障时，网络中的路由机制会使分组自动地选择一条新的路由以避开故障点，不会造成通信中断。
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（4）分组多路通信。由于每个分组都包含有控制信息，所以分组型终端可以同时与多个用户终端进行通信，可把同一信息发送到不同用户。
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信元交换又称为异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode, ATM），它是在分组交换的基础上发展起来的一种传输模式，结合了电路交换和分组交换的优点，是一种面向连接的快速分组交换技术。在这一模式中，信息被组织成信元。因为包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现（这是ATM区别于其他传输模式的一个基本特征），所以把这种传输模式称为异步传输。这里的"异步"不是指数字通信过程中的不同步，而是指不需要对发送方的信号按一定的步调（同步）进行发送。ATM信元是固定长度的分组，并使用空闲信元来填充信道，从而使信道被分为等长的时间小段。每个信元共有53个字节，分为两个部分。前面5个字节为信头，主要完成寻址功能；后面48个字节为信息段，用来装载来自不同用户、不同业务的信息。话音、数据、图像等所有的数字信息都要经过切割，封装成统一格式的信元后在网络中传递，最后在接收端恢复成所需格式。
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信元交换的主要特点是：该技术简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，采用了易于处理的固定信元格式，从而使传输时延减小，交换速率大大高于传统的数据网，适用于高速数据交换业务。
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电路交换、报文交换和分组交换等3种数据交换技术的总结如下。
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（1）电路交换：在数据传送之前需要建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有，适用于连续传送大量数据的场合，如下图所示。
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（2）报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储－转发的方式。在传送报文时，只占用一段通路；在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队。因此，这种方式不能满足实时通信的要求，如下图所示。
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（3）分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需将分组重新组装成报文。这是网络中采用最广泛的一种交换技术，如下图所示。
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3种数据交换方式各有其特点，对于实时性强的交互式传输，电路交换最合适，不宜用报文交换；对于网络中较轻的或间歇式负载，报文交换较合适；对于中等或稍重的负载，分组交换有较好的效果。
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