第2章數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)

數(shù)據(jù)交換也稱數(shù)據(jù)通信，是現(xiàn)代信息技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是把通信技術(shù)中的信息傳輸、交換同計(jì)算機(jī)技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理、加工及存儲(chǔ)有機(jī)結(jié)合而形成的一種通信方式。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的建立與應(yīng)用，極大地推動(dòng)了數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，也為更大規(guī)模的生產(chǎn)活動(dòng)、更大范圍的信息資源共享提供了必要的條件。2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)的輸入和輸出都是數(shù)據(jù)信號(hào)，因此數(shù)據(jù)通信是計(jì)算機(jī)和通信相結(jié)合而產(chǎn)生的一種通信方式。數(shù)據(jù)通信可定義為“用通信線路將遠(yuǎn)地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備與主計(jì)算機(jī)連接起來(lái)進(jìn)行信息處理”，以實(shí)現(xiàn)硬件、軟件和信息資源共享。通信對(duì)象不同對(duì)可靠性的要求不同通信的持續(xù)時(shí)間不同通信中的信息特性不同對(duì)實(shí)時(shí)性要求不同

2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

電路交換

報(bào)文交換分組交換分組交換

分組交換是將用戶發(fā)送的一整份報(bào)文分割成若干個(gè)固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊（也叫“分組”），讓這些分組以“存儲(chǔ)——轉(zhuǎn)發(fā)”方式在網(wǎng)內(nèi)傳輸。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成

1.數(shù)據(jù)終端設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備簡(jiǎn)稱DTE，是數(shù)據(jù)的生成者和使用者。根據(jù)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的不同，有多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)終端設(shè)備，從簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備到復(fù)雜的中心計(jì)算機(jī)均可稱為DTE。典型數(shù)據(jù)終端設(shè)備有電腦、電傳機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)和顯示器等。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成

分組交換

2.數(shù)據(jù)鏈路

數(shù)據(jù)鏈路的功能是把多臺(tái)數(shù)據(jù)終端設(shè)備與中央處理機(jī)連接起來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其組成包括傳輸信道和數(shù)據(jù)終接設(shè)備(DCE)兩部分。

傳輸信道是信息傳輸?shù)耐ǖ溃珉娫捑€路等模擬信道、寬帶電纜和光纖等數(shù)字信道。如果傳輸信道屬于模擬信道，DCE的作用就是把DTE送來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)變換為模擬信號(hào)再送往信道，或者反過(guò)來(lái)把信道送來(lái)的模擬信號(hào)變換成數(shù)據(jù)信號(hào)再送到DTE。如果傳輸信道屬于數(shù)字信道，則DCE的作用就是實(shí)現(xiàn)信號(hào)碼型與電平的變換、信道特性的均衡、定時(shí)的產(chǎn)生與提取等。分組交換

3.中央處理機(jī)

中央處理機(jī)的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與處理，其內(nèi)部包括3部分。第一部分是通信控制器，其首要任務(wù)是使數(shù)據(jù)終端計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的速率與通信鏈路傳輸數(shù)據(jù)的速率相匹配，同時(shí)完成數(shù)據(jù)信號(hào)的串并或并串轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)中常見(jiàn)的異步通信適配器（UART）或網(wǎng)卡就屬此種。第二部分是中央處理器，主要用于收集和處理由數(shù)據(jù)終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)。第三部分是存儲(chǔ)器，用于存放處理數(shù)據(jù)所需要的程序。2.2分組交換分組交換方式首先把來(lái)自發(fā)信終端的數(shù)據(jù)暫存在交換機(jī)的存儲(chǔ)器里，接著在網(wǎng)內(nèi)高速存儲(chǔ)和傳送，最后傳遞到收信終端。分組是將整個(gè)報(bào)文劃分成一定大小的塊（也叫小包），再加上接收地址和控制信息（也叫標(biāo)簽）所構(gòu)成的信息傳送單位。分組的形成分組交換的過(guò)程

數(shù)據(jù)報(bào)方式在數(shù)據(jù)報(bào)方式中，分組頭部裝載有關(guān)目的地址的完整信息，以便分組交換機(jī)選擇路徑。這種方式不需要經(jīng)歷呼叫建立和呼叫清除階段，對(duì)短報(bào)文通信傳輸效率比較高，這一點(diǎn)類(lèi)似數(shù)據(jù)的報(bào)文交換方式。這種方式的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延較大，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的適應(yīng)性強(qiáng)，一旦某個(gè)經(jīng)由的分組交換機(jī)出現(xiàn)故障，可以另外選擇傳輸路徑。虛電路方式兩個(gè)用戶終端設(shè)備在開(kāi)始互相傳輸數(shù)據(jù)之前必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立邏輯上的連接，每個(gè)分組頭部指明的只是虛電路標(biāo)識(shí)號(hào)，而不必直接是目的地址信息。數(shù)據(jù)分組按已建立的路徑順序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)終點(diǎn)不需要對(duì)數(shù)據(jù)重新排序，分組傳輸時(shí)延小。虛電路方式的特點(diǎn)是：一次通信具有呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸和呼叫釋放三個(gè)階段；數(shù)據(jù)分組中不需要包含終點(diǎn)地址，對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的通信傳輸效率高。虛電路分組方式的通信過(guò)程類(lèi)似于電路交換過(guò)程。虛電路的連接

虛電路可以是永久連接,也可以是臨時(shí)連接。永久連接的稱為“永久虛電路”,用戶在向網(wǎng)絡(luò)預(yù)約了該項(xiàng)服務(wù)之后,就在兩個(gè)用戶之間建立起永久的虛連接,用戶之間的通信直接進(jìn)入數(shù)據(jù)的傳輸階段,就好象具有一條專線一樣,可隨時(shí)傳送數(shù)據(jù)。臨時(shí)連接的稱為“交換虛電路”,用戶終端在通信之前建立虛電路，通信結(jié)束后就拆除虛電路。

交換虛電路的建立數(shù)據(jù)傳輸

在虛電路建立后，便進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段，DTE1與DTE2之間傳送一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)分組。在分組交換方式中，普遍采用逐段轉(zhuǎn)發(fā)、出錯(cuò)重發(fā)的控制措施，以便保證數(shù)據(jù)傳送正確無(wú)誤。所謂逐段轉(zhuǎn)發(fā)、出錯(cuò)重發(fā)是指數(shù)據(jù)分組經(jīng)過(guò)各段線路并抵達(dá)每個(gè)轉(zhuǎn)送節(jié)點(diǎn)時(shí)，都需對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行檢錯(cuò)，并在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后要求對(duì)方重新發(fā)送并進(jìn)行確認(rèn)。虛電路的釋放

虛電路的釋放過(guò)程與建立過(guò)程相似，只是主動(dòng)要求釋放方必須首先發(fā)出“釋放請(qǐng)求”，在獲得交換機(jī)發(fā)來(lái)的確認(rèn)信號(hào)后便算釋放了。此時(shí)，呼叫所占用的所有邏輯信道都恢復(fù)為“準(zhǔn)備”狀態(tài)。X.25協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

公共數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)是在整個(gè)國(guó)家或全世界提供公共電信服務(wù)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，它是一個(gè)以數(shù)據(jù)通信為主要業(yè)務(wù)的公共數(shù)據(jù)網(wǎng)。在PDN內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)交換機(jī)間用存儲(chǔ)～轉(zhuǎn)發(fā)的方式交換分組。為了使用戶設(shè)備經(jīng)PDN的連接能標(biāo)準(zhǔn)化，原CCITT在1976年制定了X.25協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，所以習(xí)慣上稱PDN為X.25網(wǎng)。X.25建議的含義是：在公共數(shù)據(jù)網(wǎng)上，以分組方式進(jìn)行操作的DTE和DCE之間接口的規(guī)約。X.25協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不涉及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通常所說(shuō)的X.25網(wǎng)僅指該網(wǎng)絡(luò)DCE與DTE的接口遵循X.25標(biāo)準(zhǔn)而已。X.25協(xié)議特點(diǎn)X.25提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的虛電路服務(wù)，不支持廣播業(yè)務(wù)。便于不同類(lèi)型用戶設(shè)備的接入：X.25網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)向用戶設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口，使得不同速率、碼型和傳輸控制規(guī)程的用戶設(shè)備都能接入X.25網(wǎng)，并能相互通信。具有復(fù)用功能：當(dāng)用戶設(shè)備以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式接入X.25網(wǎng)時(shí)，能在單一物理鏈路上同時(shí)復(fù)用多條虛電路，使每個(gè)用戶設(shè)備能同時(shí)與多個(gè)用戶設(shè)備進(jìn)行通信。可靠性高：X.25在分組層提供了可靠的面向連接的虛電路服務(wù)；X.25每個(gè)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)至少與另外兩個(gè)交換機(jī)相連，當(dāng)一個(gè)中間交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，能通過(guò)迂回路由維持通信。流量控制和擁塞控制功能：X.25采用滑動(dòng)窗口技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制，并有擁塞控制機(jī)制防止信息丟失。分組交換的管理功能流量控制是指通過(guò)一定的手段使得在網(wǎng)中各個(gè)鏈路上的信息流量都保持在一定的上限之下；路由選擇是指為網(wǎng)中的分組在多個(gè)可能的路由中選擇一個(gè)合適的路由進(jìn)行傳輸；差錯(cuò)控制是指使用反饋重發(fā)方法來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量保證措施。流量控制的起因(1)電路交換中，一對(duì)終端在通信時(shí)得到的一條信道是供該通信專用的，并可以滿足其最大的通信能力要求，因此不需要排隊(duì)。但在分組交換中，由于中繼線路是多用戶交叉復(fù)用的，所以必須用流量控制的方法來(lái)防止線路過(guò)分擁擠，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組排隊(duì)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。(2)由于用戶終端的傳輸速率可能不一致，所以必須用流量控制的方法來(lái)調(diào)整終端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以防止向慢速終端發(fā)送的數(shù)據(jù)分組太多，超出其接收能力。在電路交換中，所有終端的通信速率都是一樣的，所以不存在這個(gè)問(wèn)題。(3)由于用戶終端和交換機(jī)處理數(shù)據(jù)分組的能力限制，必須使用流量控制方法在其不能處理更多數(shù)據(jù)時(shí)抑制對(duì)方的數(shù)據(jù)發(fā)送。流量控制的方法

實(shí)現(xiàn)流量控制的方法是在接收端給發(fā)送端發(fā)送特殊的數(shù)據(jù)分組，用該數(shù)據(jù)分組來(lái)控制發(fā)送端停止發(fā)送數(shù)據(jù)或重新開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。具體的流量控制方法有多種，一種常用的流量控制方法叫做“窗口法”。它把已經(jīng)發(fā)送出去但尚未收到應(yīng)答的數(shù)據(jù)分組數(shù)記為N，并令N不可大于某一常值W，W被稱做窗口尺寸。使用這種流量控制方法，只要控制應(yīng)答的發(fā)送，就可控制對(duì)方發(fā)送信息的速率。這里窗口尺寸的選擇很重要，如果W很大，則對(duì)流量控制的響應(yīng)可能不夠及時(shí)；同時(shí)W也不能太小，如果終端從發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組到收到它的響應(yīng)的時(shí)間是T，在這段時(shí)間內(nèi)終端共可發(fā)送M個(gè)數(shù)據(jù)分組，而W＜M的話，則終端在任何時(shí)候都不能以全速發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就造成傳輸效率不高。路由選擇的起因

路由選擇功能并非是分組交換系統(tǒng)必須具有的，但是，在分組交換系統(tǒng)中增加一點(diǎn)簡(jiǎn)單的路由選擇功能，就可以在很大程度上改善系統(tǒng)的性能。這是因?yàn)?，在一個(gè)固定路由結(jié)構(gòu)的網(wǎng)上，各條路徑上的信息量往往是極不均勻的，有的路徑空閑，有的路徑則可能已經(jīng)發(fā)生擁塞。而路由選擇功能則可以在一定程度“勻化”各個(gè)路徑上的業(yè)務(wù)量。

由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有高度突發(fā)性，因此在運(yùn)行中，網(wǎng)絡(luò)各部分的負(fù)荷分布會(huì)有很大的波動(dòng)，合理選擇分組的路由，不但可以迅速而可靠地把分組傳輸?shù)侥康牡兀铱梢员ＷC現(xiàn)有其他數(shù)據(jù)呼叫的性能不受影響。路由選擇的方法按路由選擇準(zhǔn)則劃分，有最短路徑法、最小時(shí)延法和最低費(fèi)用法。這里，路徑的定義比較清晰；各網(wǎng)時(shí)延的測(cè)量有其不同的定義，比較復(fù)雜；費(fèi)用則是由鏈路長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)率、是否要保密、傳輸時(shí)延、鏈路差錯(cuò)率情況等一個(gè)或多個(gè)因素綜合確定，定義并不統(tǒng)一。按路由選擇對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化的適應(yīng)性劃分，有靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。前者或者不需要路由表，或者采用固定的路由表，因此不需要考慮傳送網(wǎng)絡(luò)變化信息的協(xié)議；后者的路由表將隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的變化和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘎?dòng)態(tài)調(diào)整。按路由表調(diào)整的方式劃分，有分布式和集中式兩種方式。前者由各個(gè)交換結(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的網(wǎng)絡(luò)變化信息自行調(diào)整其路由表；后者是各個(gè)節(jié)點(diǎn)將變化信息集中傳送到網(wǎng)管中心，由網(wǎng)管中心統(tǒng)一調(diào)整路由表后下載到各個(gè)節(jié)點(diǎn)。差錯(cuò)控制的起因信號(hào)在物理信道中傳輸時(shí)，線路本身電器特性造成的隨機(jī)噪聲、信號(hào)幅度的衰減、頻率和相位的畸變、電器信號(hào)在線路上產(chǎn)生反射造成的回音效應(yīng)、相鄰線路間的串?dāng)_以及各種外界因素（如大氣中的閃電、開(kāi)關(guān)的跳火、外界強(qiáng)電流磁場(chǎng)的變化、電源的波動(dòng)等）都會(huì)造成信號(hào)的失真。在數(shù)據(jù)通信中，將會(huì)使接受端收到的二進(jìn)制數(shù)碼和發(fā)送端實(shí)際發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)碼不一致，從而造成由“0”變成“1”或由“1”變成“0”的差錯(cuò)。差錯(cuò)控制的方法在分組交換系統(tǒng)中，使用反饋重發(fā)方法來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e(cuò)控制。基本做法有以下兩種。第一種做法是：如果接收端發(fā)現(xiàn)接收的數(shù)據(jù)分組是有差錯(cuò)的，就向發(fā)送端發(fā)出“重發(fā)請(qǐng)求”，發(fā)送端收到“重發(fā)請(qǐng)求”后，重發(fā)數(shù)據(jù)分組，如此循環(huán)交替，直到收到正確的數(shù)據(jù)分組為止。第二種做法是：接收端只對(duì)接收的正確數(shù)據(jù)分組向發(fā)送端發(fā)出確認(rèn)應(yīng)答，如果發(fā)送端在一定時(shí)間內(nèi)收不到確認(rèn)應(yīng)答，或發(fā)現(xiàn)確認(rèn)和數(shù)據(jù)分組序號(hào)不連續(xù)，就重發(fā)沒(méi)有確認(rèn)的數(shù)據(jù)分組。2.3幀中繼

幀中繼又叫快速分組交換。它是在分組交換原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，而對(duì)原來(lái)的分組交換協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)化。通常，在第3層傳送的數(shù)據(jù)單元稱為分組，在第2層傳送的數(shù)據(jù)單元稱為幀。所以幀交換是將用戶信息流以幀為單位在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳送的一種交換方式。

幀中繼技術(shù)概述

早期的分組交換網(wǎng)采用模擬信道，傳輸質(zhì)量差，誤碼率高。到二十世紀(jì)80年代后期，數(shù)字光纖傳輸線路逐漸替代已有的模擬線路，使線路容量、傳輸速率、傳輸質(zhì)量大大提高。這些，使得沒(méi)有必要再像X.25那樣，每經(jīng)過(guò)一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)就進(jìn)行一次差錯(cuò)檢測(cè)和流量控制。用戶終端日益智能化，使終端具有糾錯(cuò)、流量控制等功能，許多交換節(jié)點(diǎn)的功能可以由終端來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，通信協(xié)議可以簡(jiǎn)化。幀中繼原理幀中繼協(xié)議X.25協(xié)議的分組交換功能復(fù)雜，包括第2層的全部功能和第3層的邏輯信道復(fù)用功能。幀交換網(wǎng)絡(luò)不但不參與第3層處理，連第2層的差錯(cuò)控制和流量控制都不過(guò)問(wèn)，網(wǎng)絡(luò)只進(jìn)行CRC校驗(yàn)，丟棄出錯(cuò)的幀，完全的差錯(cuò)控制和重發(fā)留給終端去解決。

幀中繼的協(xié)議結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)操作平面：控制平面(C)和用戶平面(U)。C平面使用ITU-T建議的Q.931和Q.921兩個(gè)協(xié)議，用于建立和釋放邏輯連接，傳輸與處理控制信息；U平面用于傳送用戶數(shù)據(jù)和管理信息，使用的建議為Q.922。幀交換的幀結(jié)構(gòu)F:標(biāo)志位A:地址字段C:控制字段I:信息字段FCS:幀校驗(yàn)序列字段

幀中繼網(wǎng)絡(luò)擁塞通知機(jī)制

當(dāng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量大于可用帶寬和網(wǎng)絡(luò)的處理能力時(shí)，網(wǎng)絡(luò)就出現(xiàn)擁塞。根據(jù)擁塞程度的不同，幀交換通過(guò)預(yù)防和緩解措施對(duì)擁塞進(jìn)行控制和管理。幀交換設(shè)置兩種擁塞通知機(jī)制：前向擁塞通知(FECN)、后向擁塞通知(BECN)。將擁塞情況告知幀交換用戶，用戶收到擁塞通知后，DTE設(shè)備向其高層協(xié)議提交這一信息，以做進(jìn)一步處理。在幀交換的幀頭設(shè)置了DE位，該位標(biāo)明幀丟棄許可指示。當(dāng)DTE設(shè)備將一個(gè)幀的DE位置l時(shí)，說(shuō)明該幀不如其他幀重要。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，DTE首先丟棄這樣的幀，從而降低因網(wǎng)絡(luò)擁塞而丟棄重要數(shù)據(jù)的可能性。

2.4

DDN轉(zhuǎn)接系統(tǒng)

DDN的全稱是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)，是利用數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)字傳輸網(wǎng)，它主要向用戶提供端到端的數(shù)字型數(shù)據(jù)傳輸信道，既可用于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通信，也可傳送數(shù)字傳真、數(shù)字話音、圖象等各種數(shù)字化業(yè)務(wù)，這與在普通電話用戶線（即模擬信道）上通過(guò)MODEM來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸有很大區(qū)別。利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)需要使用MODEM，在發(fā)、收端分別做A/D、D/A變換，不僅信號(hào)受到損傷，而且使用的速率較低。DDN提供半永久性