数据通信系统与信息交换

一、数据通信

1. 数据通信系统

数据通信系统是指通过数据传输系统，把计算机和分布在远地的数据终端设备连接起来，以实现数据通信的系统。基本的数据通信系统由计算机、终端设备、信息变换器和通信线路所组成。

为了提高传输效率，多个终端设备共有一条通信线路，需有多路复用器对信号进行变换。当许多终端设备相互通信时，需有交换器，用以建立、保持和拆除链路的连接。因此数据传输系统可包括通信线路、信号变换器、多路复用器和交换器等。

2. 信号变换

计算机及其外围设备产生和交换的信息都是二进制的代码信息，表现为一系列脉冲信号，远距离传输中一般采用模拟的交流信号。因此通信线路的两端都应有调制器和解调器，总称调制解调器。

3. 通信线路

通信线路也称为物理信道，是传输信息所经过的路径，包括传输介质和传输设备。

传输介质是传送信息的载体。按传输介质的性质不同，网络通信可分为有线通信、光纤通信、无线通信和卫星通信4种。有线通信中常用的传输介质包括架空明线、双绞线、电缆等。

4. 数据通信方式

根据在通信线路上所允许的数据信息传送方向的不同，数据通信方式分为以下3种:

(1) 单向通信 (即单工通信方式): 只允许数据沿着一个固定的方向传输，即只能在一个方向上进行通信，而不能反方向进行通信。

(2) 双向交替通信 (即半双工通信方式): 允许数据沿两个方向传输，但在每一时刻信息只能沿一个方向传输，即通信的双方都可以发送或接收信息，但一方发送时另一方为接收，或相反方向进行发送、接收。

(3) 双向同时通信 (即全双工通信方式): 允许两个方向上同时传输数据，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

二、信息交换

一台计算机和另一台计算机进行通信时，需要在它们之间建立一条通信线路。

实现交换的方式很多，按其性质可分为如下形式:

1. 线路交换

线路交换方式就像有线电话通过交换台建立通话双方的物理通道一样，利用交换装置在多个输入线和输出线之间直接切换传输信息的物理链路，从而形成传输信息的信道进行交换。线路交换又分为空分交换和时分交换两种方式。

空分交换是传统电话系统模拟式交换机中最常见的交换方式，采用1级或多级矩阵开关群接续进行交换; 时分交换是数字式交换机中常见的交换方式，采用时分多路复用方式接续进行交换，接通速度较快。

2. 存储交换

存储交换是利用计算机存储信息的功能，采用存储——转发交换方式，信息从源地出发，以一定的方式，通过节点逐个传输，到达目的地。报文交换、分组交换均为存储交换方式。

(1) 报文交换。

报文交换以报文为传输信息的单位。报文包括指明目的地址、源地址及其他辅助信息的报头和需要发送的信息正文两部分。每当进行通信时，将形成的报文发送给节点交换机(一般是通信处理机或微型机)，节点交换机把收到的报文存储并送输入队列等待处理 (第一次排队)。节点交换机再依次对输入队列中的报文做适当处理，然后根据报头中的目的地址选择适当的输出链路。若该链路空闲，便将报文发送下一个节点交换机; 若该输出链路正忙，则将报文送该链路的输出队列等待发送 (第二次排队)。这样，通过多次转发直至报文到达指定目标。由此可见，报文交换是基于存储——转发的传输方式，且在传输过程中每经过一个节点交换机可能要经过两次排队，从而给报文的传输造成一定的时延。

(2) 分组交换。

报文交换方式产生较大时延的原因，除了报文在交换节点机要进行两次排队外，还由于报文传输是按串行方式进行的。通常，报文本身就可能很长，在其传输过程中要先将报文存储起来，仅当报文的全部信息都存储后，才能对它进行处理，再把它转发给下一节点交换机或指定目标。为了加速报文的传输，可先将报文分割成若干个固定长度的短分组，再按照类似流水线的方式进行传输，从而使各个节点处于并行操作状态，这样可大大缩短报文的传输时间。这就是分组交换的基本思想。

分组交换方式的优点归纳如下:

①加速了信息在网络中的传输。

在分组交换方式中，节点交换机每当接收到一个分组时，便可立即对它进行处理，并转发至下一个节点，而不必等全部分组都收到后再处理转发。这样，在传输过程中，对下一个分组的操作与上一个分组的操作可以并行，因而可大大缩短分组的传输时间。

②简化了存储分组的处理过程。

因分组是定长的，又较短 (信息量较少)，不必存储在磁盘上而是暂存在内存中，相应内存缓冲区也较小且大小固定，节点交换机的存储过程简化为缓冲区中存储分组过程，这就保证了较高的交换速率。

③减少了出错率和重发信息量。

通常报文都较长，出错率也必然较高，重发的可能性就大，而且重发的信息量也大。报文分割成若干分组，无论是出错率，还是每次重发的信息量将大大减少。

④适于采用优先权策略。

虽然报文交换和分组交换都可采用优先权策略，但因报文较长，在某报文发送期间有更高优先权的报文收到时，仍需等待该报文发送完毕，除非在报文传输方式中再引入剥夺发送机制。而一般的分组较短，对于后到的、优先权更高的分组，也只需等待短时间便可获得发送的机会，无须引入剥夺发送机制。

存储交换中，不需预分配整个传输链路，而是逐段传输，提高了全网的传输效率。分组交换中，传输过程可以并行操作，简化了存储信息的处理过程，加快了信息传输速度。

存储交换方式的引入，特别是分组交换方式的形成和发展，使计算机网络的概念发生重大变化。早期的面向终端的计算机网络是以主机为中心的网络，各终端是通过通信线路共享主机的硬软件资源。但分组交换网 (即计算机通信网) 是以通信子网为中心，主机、终端都处在网络的外围。这些主机和终端构成了用户资源子网，用户不仅共享通信子网的资源，而且共享用户资源子网的硬软件资源。

为提高通信子网的可靠性，常采用复杂的拓扑结构，当少数节点或链路出现故障时，不致引起全网的瘫痪。通信网络的主干线路往往由一些高速链路构成，以便加快传输速度。

分组交换网之所以能得到迅速发展的另一个重要原则是，分组交换网给用户带来了经济上的好处，其收费比使用线路交换网更为低廉。

(3) 帧中继交换。

采用光缆、光纤通信传输干线不仅大幅度地提高了传输速率，而且使传输误码率降低了几个数量级。此外，网络中所用通信设备的可靠性也显著提高，使信息在传输过程中发生差错的概率减少，从而简化了差错控制、流量控制和路由选择功能，由此形成帧中继交换技术。

帧中继 (FR) 就是以传输帧为单位的交换技术，认为帧的传送基本上不会出错，因此只要一读出帧的目的地址就立即开始转发该帧，一节点在收到一帧时，仅需很少的检错步骤，一个帧的处理时间可以减少一个数量级，因而提高了信息传输速率。

分组交换子网分为物理层、数据链路层和网络层3层，而帧中继的通信子网只有物理层和数据链路层。分组交换协议中，既要在通信子网的源端和目标端设置差错控制 (检测和重发)，也要在途经的相邻节点间进行差错控制，而帧中继只要在通信子网的源和目标两端进行差错控制。分组交换网在数据链路层和网络层都设置了显式的流量控制机制，而在帧中继网中无显式流量控制机制。分组交换网是在网络层中设置了路由选择功能，而帧中继网则是在数据链路层中进行永久虚电路的映射。分组交换网是在网络层中实现多路复用，而帧中继网则是在数据链路层实现多路复用。

(4) 异步传输方式 (ATM)。

异步传输方式又称信元交换，这是建立在线路交换和分组交换基础上的一种新的交换技术。ATM用在大容量光纤传输网络上，比帧中继有更高的传输速率。

帧中继交换与信元交换均属快速交换技术，根据网络中传送的帧长是可变的还是固定的来划分，当帧长为可变时就是帧中继，当帧长为固定时就是信元中继。还有，两者的侧重点也不一样，帧中继主要考虑如何接入到一个网络，即考虑网络边界的问题，而信元中继是考虑如何用一个综合的交换设备对各种不同类型的信息进行交换。

ATM以固定长度的信元 (cell) 为信息传输单位，信元长度为53字节，信元由信头和信息段组成，ATM通过信头来识别通路。其中信头 (即首部) 为5个字节，信息段为48字节。这样，每个信元都花费同样的传输时间，因而可以把信道的时间划分为一个时间片序列，每个时间片用来传输一个信元。当交换器有信元发送时，便逐个时间片把信元投入信道; 接收时，若信道不空，也将逐个时间片地取得信元，时间片和信元一一对应。这种对应关系，可大大简化对信元的传输控制，可采用高速硬件对信头进行识别和交换处理，因而缩短了信元的处理时间。在这种方式下，只要信道空闲，便将信元投入信道，有利于提高信道利用率。由于信元的发送无固定周期，所以将这种传输模式称为异步传输方式。

ATM支持不同速率的各种业务，允许终端有足够多的、可利用的信道，从而取得灵活的带宽共享。来自各终端的数字流在链路控制器中形成完整的信元后，按先来先服务的规则，经复用器，使得不同类型的服务都可复用在一起。声音、图像和数据等能同时在ATM信道中传输，但它们的信元发送频率各不相同，语音信元的发送频率低、视频信元的发送频率高，ATM通过采用不同的信元发送频率来实现各种信息的多路复用。