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數據通信基本知識 

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  所有計算機之間之間通過計算機網絡的通信都涉及由傳輸介質傳輸某種形式的數據編碼信號。 傳輸介質在計算機、計算機網絡設備間起互連和通信作用,為數據信號提供從一個節點傳送到另一個節點的物理通路。 計算機與計算機網絡中采用的傳輸介質可分為有線和無線傳輸介質兩大類。
  一、有線傳輸介質(Wired Transmission Media)
  有線傳輸介質在數據傳輸中只作為傳輸介質,而非信號載體。 計算機網絡中流行使用的有線傳輸介質(Wired Transmission Media)為:銅線和玻璃纖維。

  1. 銅線
  銅線(Copper Wire)由于具有較低的電阻率、價廉和容易安裝等優點因而成為最早用于計算機網絡中的傳輸介質,它以介質中傳輸的電流作為數據信號的載體。為了盡可能減小銅線所傳輸信號之間的相互干涉(Interference),我們使用兩種基本的銅線類型:雙絞線和同軸電纜。
  (1)雙絞線
  雙絞線(Twisted Pair)是把兩條互相絕緣的銅導線紐絞起來組成一條通信線路,它既可減小流過電流所輻射的能量,也可防止來自其他通信線路上信號的干涉。雙絞線分屏蔽和無屏蔽兩種,其形狀結構如圖1.1所示。雙絞線的線路損耗較大,傳輸速率低,但價格便宜,容易安裝,常用于對通信速率要求不高的網絡連接中。
  (2)同軸電纜
  同軸電纜(Coaxial Cable)由一對同軸導線組成。同軸電纜頻帶寬,損耗小,具有比雙絞線更強的抗干擾能力和更好的傳輸性能。按特性阻抗值不同,同軸電纜可分為基帶(用于傳輸單路信號)和寬帶(用于同時傳輸多路信號)兩種。同軸電纜是目前LAN局域網與有線電視網中普遍采用的比較理想的傳輸介質。

  2.玻璃纖維
  目前,在計算機網絡中十分流行使用易彎曲的石英玻璃纖維來作為傳輸介質,它以介質中傳輸的光波(光脈沖信號)作為信息載體,因此我們又將之稱為光導纖維,簡稱光纖(Optical Fiber)或光纜(Optical Cable)。
  光纜由能傳導光波的石英玻璃纖維(纖芯),外加包層(硅橡膠)和?;げ愎鉤?。在光纜一頭的發射器使用LED光發射二極管(Light Emitting Diode)或激光(Laser)來發射光脈沖,在光纜另一頭的接收器使用光敏半導體管探測光脈沖。

  模擬數據通信與數字數據通信

一、通信信道與信道容量(Communication Channel & Channel Capacity)
  通信信道(Communication Channel)是數據傳輸的通路,在計算機網絡中信道分為物理信道和邏輯信道。物理信道指用于傳輸數據信號的物理通路,它由傳輸介質與有關通信設備組成;邏輯信道指在物理信道的基礎上,發送與接收數據信號的雙方通過中間結點所實現的邏?quot;聯系",由此為傳輸數據信號形成的邏輯通路。邏輯信道可以是有連接的,也可以是無連接的。 物理信道還可根據傳輸介質的不同而分為有線信道和無線信道,也可按傳輸數據類型的不同分為數字信道和模擬信道。 信道容量(Channel Capacity)指信道傳輸信息的最大能力:對于數字信道一般用單位時間可以傳輸的最大二進制位(比特bit)數來表示,對于模擬信道則由信道的帶寬表示。信道容量的大小還受信道質量和可使用時間的影響,當信道質量較差時,實際傳輸速率將降低。

二、模擬數據通信和數字數據通信 (Analog Data Communication & Digital Data Communication)
1.模擬數據與數字數據
  我們一般將數據分為模擬數據和數字數據兩大類。
  模擬數據(Analog Data)是由傳感器采集得到的連續變化的值,例如溫度、壓力,以及目前在電話、無線電和電視廣播中的聲音和圖像。 數字數據(Digital Data)則是模擬數據經量化后得到的離散的值,例如在計算機中用二進制代碼表示的字符、圖形、音頻與視頻數據。目前,ASCII美國信息交換標準碼(American Standard Code for Information Interchange)已為ISO國際標準化組織和CCITT國際電報電話咨詢委員會所采納,成為國際通用的信息交換標準代碼,使用7位二進制數來表示一個英文字母、數字、標點或控制符號;圖形、音頻與視頻數據則可分別采用多種編碼格式。

2.模擬信號與數字信號
  (1)模擬信號與數字信號
  不同的數據必須轉換為相應的信號才能進行傳輸:模擬數據一般采用模擬信號(Analog Signal),例如用一系列連續變化的電磁波(如無線電與電視廣播中的電磁波),或電壓信號(如電話傳輸中的音頻電壓信號)來表示;數字數據則采用數字信號(Digital Signal),例如用一系列斷續變化的電壓脈沖(如我們可用恒定的正電壓表示二進制數1,用恒定的負電壓表示二進制數0),或光脈沖來表示。 當模擬信號采用連續變化的電磁波來表示時,電磁波本身既是信號載體,同時作為傳輸介質;而當模擬信號采用連續變化的信號電壓來表示時,它一般通過傳統的模擬信號傳輸線路(例如電話網、有線電視網)來傳輸。 當數字信號采用斷續變化的電壓或光脈沖來表示時,一般則需要用雙絞線、電纜或光纖介質將通信雙方連接起來,才能將信號從一個節點傳到另一個節點。
  (2)模擬信號與數字信號之間的相互轉換
  模擬信號和數字信號之間可以相互轉換:模擬信號一般通過PCM脈碼調制(Pulse Code Modulation)方法量化為數字信號,即讓模擬信號的不同幅度分別對應不同的二進制值,例如采用8位編碼可將模擬信號量化為2^8=256個量級,實用中常采取24位或30位編碼;數字信號一般通過對載波進行移相(Phase Shift)的方法轉換為模擬信號。 計算機、計算機局域網與城域網中均使用二進制數字信號,目前在計算機廣域網中實際傳送的則既有二進制數字信號,也有由數字信號轉換而得的模擬信號。但是更具應用發展前景的是數字信號。

3.模擬數據通信與數字數據通信
(1)模擬數據通信
  路來傳輸模擬數據或數字數據對應的模擬信號。例如目前我們廣泛使用公用電話線路來傳輸語音或計算機數字數據對應的模擬信號,我們也可以使用公共有線電視網來傳輸視頻和計算機數字數據對應的模擬信號;而微波與衛星通信傳輸的也可以是模擬數據或數字數據對應的模擬信號。
為了用模擬數據通信的方法實現模擬數據和數字數據的遠距離傳輸,我們一般不直接傳輸模擬信號(包括由數字信號轉換而來的模擬信號),而是在發送方使用某一頻率的電磁波作為載波(Carrier),然后用模擬信號或數字信號對其進行調制(Modulation),調制后的載波信號(為模擬信號)占有以該載波頻率為中心的一段頻譜,并能在適于該載波頻率的介質上傳輸;而在接收方則通過解調制(Demodulation)還原疊加于載波上的模擬信號或數字信號。我們將可同時完成調制和解調的裝置稱為調制解調器(MODEM)。
(2)數字數據通信
  數字數據通信(Digital Data Communication)指直接利用數字傳輸技術在數字設備之間傳輸數字數據,或模擬數據對應的數字信號。由于計算機使用二進制數字信號,因而計算機與其外部設備之間,以及計算機局域網、城域網大多直接采用數字數據通信。此外,目前北美采用的24路PCM脈碼調制(速率為1.544Mpbs),以及歐洲和我國采用的30路PCM脈碼調制(速率為2.048Mbps)電話系統均是數字數據通信系統。
由于數字數據通信傳送的是離散的數字信號,即逐位傳送二進制數字代碼,因此要求系統應能確知傳輸線上正在傳送的數位是0還是1。
(3)數字數據通信的優點
  與模擬數據通信相比較,數字數據通信具有下列優點:
  a. 來自聲音、視頻和其他數據源的各類數據均可統一為數字信號的形式,并通過數字通信系統傳輸
  b. 以數據幀為單位傳輸數據,并通過檢錯編碼和重發數據幀來發現與糾正通信錯誤,從而有效保證通信的可靠性
  c. 在長距離數字通信中可通過中繼器放大和整形來保證數字信號的完整及不累積噪音
  d. 使用加密技術可有效增強通信的安全性
  e. 數字技術比模擬技術發展更快,數字設備很容易通過集成電路來實現,并與計算機相結合,而由于超大規模集成電路技術的迅速發展,數字設備的體積與成本的下降速度大大超過模擬設備,性能/價格比高
  f. 多路光纖技術的發展大大提高了數字通信的效率。
  需要指出,鑒于傳統公用電話網已在世界范圍普及,目前家庭個人計算機用戶大都通過電話線路與計算機網絡相連;此外,隨著衛星通信的發展,高容量、高寬帶的多路復用傳輸也大大提高了模擬通信的傳輸效率。但是,如果在兩臺計算機的通信線路之間,只有部分電路采用數字通信,則數字通信的優點并不能充分地得到發揮。因此,為了提高通信效率,有條件的用戶應安裝數字數據通信專線,或直接接入局域網;此外,應大力發展陸上和海底的洲際光纜。 近20年來,數字數據通信技術已開始發展并得到廣泛應用。目前,數字通信已開始在長距離話音和數字數據領域逐漸替代傳統的模擬通信。計算機網絡技術的應用發展,則大大推動了數字通信技術的迅速發展??梢栽ぱ?,數字數據通信最終將取代模擬數據通信。


數據通信的主要技術指標

  在數字通信中,我們一般使用比特率和誤碼率來分別描述數據信號傳輸速率的大小和傳輸質量的好壞等;在模擬通信中,我們常使用帶寬和波特率來描述通信信道傳輸能力和數據信號對載波的調制速率。 1.帶寬
  在模擬信道中,我們常用帶寬表示信道傳輸信息的能力,帶寬即傳輸信號的最高頻率與最低頻率之差。理論分析表明,模擬信道的帶寬或信噪比越大,信道的極限傳輸速率也越高。這也是為什么我們總是努力提高通信信道帶寬的原因。

2.比特率
  在數字信道中,比特率是數字信號的傳輸速率,它用單位時間內傳輸的二進制代碼的有效位(bit)數來表示,其單位為每秒比特數bit/s(bps)、每秒千比特數(Kbps)或每秒兆比特數(Mbps)來表示(此處K和M分別為1000和1000000,而不是涉及計算機存儲器容量時的1024和1048576)。

3.波特率
  波特率指數據信號對載波的調制速率,它用單位時間內載波調制狀態改變次數來表示,其單位為波特(Baud)。 波特率與比特率的關系為:比特率=波特率X單個調制狀態對應的二進制位數。
顯然,兩相調制(單個調制狀態對應1個二進制位)的比特率等于波特率;四相調制(單個調制狀態對應2個二進制位)的比特率為波特率的兩倍;八相調制(單個調制狀態對應3個二進制位)的比特率為波特率的三倍;依次類推。

4.誤碼率
  誤碼率指在數據傳輸中的錯誤率。在計算機網絡中一般要求數字信號誤碼率低于10^(-6)。


數據傳輸方式(Data Transmission Mode)

一、基帶信號與寬帶信號以及它們的傳輸
1.基帶信號與基帶傳輸
  基帶信號(Baseband Signal)直接用兩種不同的電壓來表示數字信號1和0,因此我們將對應矩形電脈沖信號的固有頻率稱為"基帶",相應的信號稱為基帶信號。
基帶傳輸(Baseband Transmission)指通過有線信道直接傳輸基帶信號,一般用于傳輸距離較近的數字通信系統,如基帶局域網系統。

2.寬帶信號
  寬帶信號(Wideband Signal)用多組基帶信號1和0分別調制不同頻率的載波,并由這些分別占用不同頻段的調制載波組成。 3.多路復用
  為了充分利用通信干線的通信能力,人們廣泛使用多路復用(Multiplex)技術,即讓多路通信信道同時共用一條線路。多路復用可分為頻分多路復用和時分多路復用。
·頻分多路復用
  當我們采用寬帶信號時,由于同一線路上不同頻率的各路信道互不干擾地同時傳輸各自的信號,我們稱之為頻分多路復用(Frequency -Division Multiplexing)。頻分多路復用常用于寬帶網絡中。
·時分多路復用
  當我們采用基帶信號時,如讓各路通信按時間順序瞬時地分別占有線路的整個頻帶,并周期性地重復此過程,該線路就按時間分隔成了多個邏輯信道,我們稱之為時分多路復用(Time Multiplexing)。其中,同步分時多路通信可以確定每個信道何時使用線路;反之則稱為異步分時多路通信。時分多路復用常用于基帶網絡中。

二、并行與串行方式(Parallel & Serial Mode)
  根據一次傳輸數位的多少可將基帶傳輸分為并行(Parallel)方式和串行(Serial)方式,前者是通過一組傳輸線多位同時傳輸數字數據,后者是通過一對傳輸線逐位傳輸數字代碼。通常,計算機內部以及計算機與并行打印機之間采用并行方式,而傳輸距離較遠的數字通信系統多采用串行方式。
  并行傳輸方式要求并行的各條線路同步,因此需要傳輸定時和控制信號,而并行的各路信號在經過轉發與放大處理時,將引起不同的延遲與畸變,故較難實現并行同步。若采用更復雜的技術、設備與線路,其成本會顯著上升。故在遠距離數字通信中一般不使用并行方式。 串行通信雙方常以數據幀為單位傳輸信息,但由于串行方式只能逐位傳輸數據,因此,在發送方需要進行信號的并/串轉換,而接收方則需要進行信號的串/并轉換。

三、單工、半雙工和全雙工方式(Simplex, Half Duplex & Full Duplex)
  根據通信雙方的分工和信號傳輸方向可將通信分為三種方式:單工、半雙工與全雙工。在計算機網絡中主要采用雙工方式,其中:局域網采用半雙工方式,城域網和廣域網采用全雙年方式。
  1. 單工(Simplex)方式:通信雙方設備中發送器與接收器分工明確,只能在由發送器向接收器的單一固定方向上傳送數據。采用單工通信的典型發送設備如早期計算機的讀卡器,典型的接收設備如打印機。
  2. 半雙工(Half Duplex)方式:通信雙方設備既是發送器,也是接收器,兩臺設備可以相互傳送數據,但某一時刻則只能向一個方向傳送數據。例如,步話機是半雙工設備,因為在一個時刻只能有一方說話。
  3. 全雙工(Full Duplex)方式:通信雙方設備既是發送器,也是接收器,兩臺設備可以同時在兩個方向上傳送數據。例如,電話是全雙工設備,因為雙方可同時說話。

四、異步傳輸與同步傳輸(Asynchronous & Synchronous Transmission)
1.同步問題的重要性
  在數字通信中,同步(Synchronous)是十分重要的。當發送器通過傳輸介質向接收器傳輸數據信息時,如每次發出一個字符(或一個數據幀)的數據信號,接收器必須識別出該字符(或該幀)數據信號的開始位和結束位,以便在適當的時刻正確地讀取該字符(或該幀)數據信號的每一位信息,這就是接收器與發送器之間的基本同步問題。
  當以數據幀傳輸數據信號時,為了保證傳輸信號的完整性和準確性,除了要求接收器應能識別每個字符(或數據幀)對應信號的起止,以保證在正確的時刻開始和結束讀取信號,也即保持傳輸信號的完整性外;還要求使其時鐘與發送器保持相同的頻率,以保證單位時間讀取的信號單元數相同,也即保證傳輸信號的準確性。
  因此當以數據幀傳輸數據信號時,要求發送器應對所發送的信號采取以下兩個措施:①在每幀數據對應信號的前面和后面分別添加有別于數據信號的開始信號和停止信號;②在每幀數據信號的前面添加時鐘同步信號,以控制接收器的時鐘同步。

2.異步傳輸與同步傳輸
  異步傳輸與同步傳輸均存在上述基本同步問題:一般采用字符同步或幀同步信號來識別傳輸字符信號或數據幀信號的開始和結束。兩者之間的主要區別在于發送器或接收器之一是否向對方發送時鐘同步信號。
異步傳輸(Asynchronous Transmission)以字符為單位傳輸數據,采用位形式的字符同步信號,發送器和接收器具有相互獨立的時鐘(頻率相差不能太多),并且兩者中任一方都不向對方提供時鐘同步信號。異步傳輸的發送器與接收器雙方在數據可以傳送之前不需要協調:發送器可以在任何時刻發送數據,而接收器必須隨時都處于準備接收數據的狀態。計算機主機與輸入、輸出設備之間一般采用異步傳輸方式,如鍵盤、典型的RS-232串口(用于計算機與調制解調器或ASCII碼終端設備之間):發送方可以在任何時刻發送一個字符(由一個開始位引導,然后連續發完該字符的各位,后跟一個位長以上的啞位)。
  同步傳輸(Synchronous Transmission)以數據幀為單位傳輸數據,可采用字符形式或位組合形式的幀同步信號(后者的傳輸效率和可靠性高),由發送器或接收器提供專用于同步的時鐘信號。在短距離的高速傳輸中,該時鐘信號可由專門的時鐘線路傳輸;計算機網絡采用同步傳輸方式時,常將時鐘同步信號植入數據信號幀中,以實現接收器與發送器的時鐘同步。


錯誤檢測與修正(Error Check & Correct)

  在數字數據通信中,由發送器發送的數據信號禎(Frame)在經由網絡傳到接收器后,由于多種原因可能導致錯誤位(bit errors)的出現,因此必須由接收器采取一定的措施探測出所有的錯誤位,并進而采取一定的措施予以修正。

一、錯誤檢測的基本原理(Principle of Error Check)
  發送器向所發送的數據信號禎添加錯誤檢驗碼(Check Bits),并取該錯誤檢測碼作為該被傳輸數據信號的函數;接收器根據該函數的定義進行同樣的計算,然后將兩個結果進行比較:如果結果相同,則認為無錯誤位;否則認為該數據禎存在有錯誤位。
一般說來,錯誤檢測可能出現三種結果:
  1. 在所傳輸的數據禎中未探測到,也不存在錯誤位
  2. 所傳輸的數據禎中有一個或多個被探測到的錯誤位,但不存在未探測到的錯誤位
  3. 被傳輸的數據禎中有一個或多個沒有被探測到的錯誤位。
  顯然我們希望盡可能好地選擇該檢測函數,使檢測結果可靠,即:所有的錯誤最好都能被檢測出來;如檢測出現無錯結果,則應不再存在任何未被檢測出來的錯誤。
  實際采用的錯誤檢測方法主要有兩類:奇偶校驗(Parity)和CRC循環冗余校驗(Cyclic Redundancy Check)。

二、奇偶校驗(Parity)
1.單向奇偶校驗
  單向奇偶校驗(Row Parity)由于一次只采用單個校驗位,因此又稱為單個位奇偶校驗(Single Bit Parity)。發送器在數據禎每個字符的信號位后添一個奇偶校驗位,接收器對該奇偶校驗位進行檢查。典型的例子是面向ASCII碼的數據信號禎的傳輸,由于ASCII碼是七位碼,因此用第八個位碼作為奇偶校驗位。
單向奇偶校驗又分為奇校驗(Odd Parity)和偶校驗(Even Parity),發送器通過校驗位對所傳輸信號值的校驗方法如下:奇校驗保證所傳輸每個字符的8個位中1的總數為奇數;偶校驗則保證每個字符的8個位中1的總數為偶數。
  顯然,如果被傳輸字符的7個信號位中同時有奇數個(例如1、3、5、7)位出現錯誤,均可以被檢測出來;但如果同時有偶數個(例如2、4、6)位出現錯誤,單向奇偶校驗是檢查不出來的。
  一般在同步傳輸方式中常采用奇校驗,而在異步傳輸方式中常采用偶校驗。

2.雙向奇偶校驗
  為了提高奇偶校驗的檢錯能力,可采用雙向奇偶校驗(Row and Column Parity),也可稱為雙向冗余校驗(Vertical and Longitudinal Redundancy Checks)。

三、CRC循環冗余校驗(Cyclic Redundancy Check)
1.CRC循環冗余校驗的基本原理
  發送器和接收器約定選擇同一個由n+1個位組成的二進制位列P作為校驗列,發送器在數據禎的K個位信號后添加n個位(n < K)組成的FCS禎檢驗列(Frame Check Sequence),以保證新組成的全部信號列值可以被預定的校驗二進制位列P的值對二取模整除;接收器檢驗所接收到數據信號列值(含有數據信號禎和FCS禎檢驗列)是否能被校驗列P對二取模整除,如果不能,則存在傳輸錯誤位。P被稱為CRC循環冗余校驗列,正確選擇P可以提高CRC冗余校驗的能力。(注:對二取模的四則運算指參與運算的兩個二進制數各位之間凡涉及加減運算時均進行XOR異或運算,即:1 XOR 1=0,0 XOR 0=0,1 XOR 0=1)??梢災っ?,只要數據禎信號列M和校驗列P是確定的,則可以唯一確定FCS禎檢驗列(也稱為CRC冗余檢驗值)的各個位。
  FCS幀檢驗列可由下列方法求得:在M后添加n個零后對二取模整除以P所得的余數。
  例如:如要傳輸的M=7位列為1011101,選定的P校驗二進制位列為10101(共有n+1=5位),對應的FCS幀校驗列即為用1011101 0000(共有M+n=7+4=11位)對二取模整除以10101后的余數0111(共有n=4位)。因此,發送方應發送的全部數據列為10111010111。接收方將收到的11位數據對二取模整除以P校驗二進制位列10101,如余數非0,則認為有傳輸錯誤位。
2.CRC循環冗余校驗標準多項式P(X)
  為了表示方便,實用時發送器和接收器共同約定選擇的校驗二進制位列P常被表示為具有二進制系數(1或0)的CRC標準校驗多項式P(X)。
  (1)CRC循環冗余校驗常用的標準多項式P(X)
  常用的CRC循環冗余校驗標準多項式如下:
  CRC(16位) = X^16+X^15+X^2+1
  CRC(CCITT) = X^16+X^12+X^5+1
  CRC(32位) =X^32+X^26+X^23+X^16+X^12+X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1
  以CRC(16位)多項式為例,其對應校驗二進制位列為1 1000 0000 0000 0101。
  注意:這兒列出的標準校驗多項式P(X)都含有(X+1)的多項式因子;各多項式的系數均為二進制數,所涉及的四則運算仍遵循對二取模的運算規則。
  (2)CRC循環冗余校驗標準多項式P(X)的檢錯能力
  CRC循環冗余校驗具有比奇偶校驗強得多的檢錯能力??梢災っ鰨核梢約觳獬鏊械牡ジ鑫淮?、幾乎所有的雙個位錯、低于P(X)對應二進制校驗列位數的所有連續位錯、大于或等于P(X)對應二進制校驗列位數的絕大多數連續位錯。
但是,當傳輸中發生的錯誤多項式E(X)能被校驗多項式P(X)對二取模整除時,它就不可能被P(X)探測出來,例如當E(X)=P(X)時。

四、錯誤修正(Error Correction)
  對數據信號禎傳輸過程中的位錯進行修正的方法主要有兩種:
  1. 由發送器提供錯誤修正碼,然后由接收器自己修正錯誤
  2. 在接收器發現接收到的錯誤禎中有位錯誤時,通知發送器重新發送數據信號禎。
  前一種方法中的錯誤修正碼需要發送器由被傳送數據信號禎計算得到,然后添加到數據禎的后面,其長度幾乎等于數據位數,導致效率降低50%,實際采用不多;一般采用后一種較為有效的重發送方法。


數據交換技術(Data Switching Technology)

  在數據通信線路中,最簡單的形式是在由某種傳輸介質直接連接的兩臺設備之間進行通信。但在長距離通信中,從源站發出的數據一般還需要經過網絡中一個或多個用作交換設備的中間結點,由相應結點的交換設備把數據從一個結點傳送到另一個結點,直至到達目的站。通常我們將交換網絡中所有通信的發送方與接收方的主機均簡稱為站,而將通信交換設備簡稱為結點。這些結點以不規則的網狀結構用傳輸線路互相連接起來,而每個站點都連接到某個結點上。
  在交換網絡中,站點之間需要通過有關結點之間的數據交換才能實現數據通信,基本的交換技術有兩類:電路交換與存儲轉發,存儲轉發又可以分為報文交換和分組交換,分組交換則可分為面向連接的虛電路傳輸和無連接的數據報傳輸。目前,最具有發展前景的是高速分組交換技術。

一、電路交換(Circuit Switching)
  電路交換(Circuit Switching)是在兩個站點之間通過通信子網的結點建立一條專用的通信線路,這些結點通常是一臺采用機電與電子技術的交換設備(例如程控交換機)。也就是說,在兩個通信站點之間需要建立實際的物理連接,其典型實例是兩臺電話之間通過公共電話網絡的互連實現通話。
  電路交換實現數據通信需經過下列三個步驟:首先是建立連接,即建立端到端(站點到站點)的線路連接;其次是數據傳送,所傳輸數據可以是數字數據(如遠程終端到計算機),也可以是模擬數據(如聲音);最后是拆除連接,通常在數據傳送完畢后由兩個站點之一終止連接。 電路交換的優點是實時性好,但將電話采用的電路交換技術用于傳送計算機或遠程終端的數據時,會出現下列問題:①用于建立連接的呼叫時間大大長于數據傳送時間(這是因為在建立連接的過程中,會涉及一系列硬件開關動作,時間延遲較長,如某段線路被其他站點占用或物理斷路,將導致連接失敗,并需重新呼叫);②通信帶寬不能充分利用,效率低(這是因為兩個站點之間一旦建立起連接,就獨自占用實際連通的通信線路,而計算機通信時真正用來傳送數據的時間一般不到10%,甚至可低到1%);③由于不同計算機和遠程終端的傳輸速率不同,因此必須采取一些措施才能實現通信,如不直接連通終端和計算機,而設置數據緩存器等。

二、報文交換(Message Switching)
  報文交換(Message Switching)是通過通信子網上的結點采用存儲轉發的方式來傳輸數據,它不需要在兩個站點之間建立一條專用的通信線路。報文交換中傳輸數據的邏輯單元稱為報文,其長度一般不受限制,可隨數據不同而改變。一般它將接收報文站點的地址附加于報文一起發出,每個中間結點接收報文后暫存報文,然后根據其中的地址選擇線路再把它傳到下一個結點,直至到達目的站點。
  實現報文交換的結點通常是一臺計算機,它具有足夠的存儲容量來緩存所接收的報文。一個報文在每個結點的延遲時間等于接收報文的全部位碼所需時間、等待時間,以及傳到下一個結點的排隊延遲時間之和。
報文交換的主要優點是線路利用率較高,多個報文可以分時共享結點間的同一條通道;此外,該系統很容易把一個報文送到多個目的站點。報文交換的主要缺點是報文傳輸延遲較長(特別是在發生傳輸錯誤后),而且隨報文長度變化,因而不能滿足實時或交互式通信的要求,不能用于聲音連接,也不適于遠程終端與計算機之間的交互通信。

三、分組交換(Packet Switching)
  分組交換(Packet Switching)的基本思想包括:數據分組、路由選擇與存儲轉發。它類似于報文交換,但它限制每次所傳輸數據單位的長度(典型的最大長度為數千位),對于超過規定長度的數據必須分成若干個等長的小單位,稱為分組(Packets)。從通信站點的角度來看,每次只能發送其中一個分組。
  各站點將要傳送的大塊數據信號分成若干等長而較小的數據分組,然后順序發送;通信子網中的各個結點按照一定的算法建立路由表(各目標站點各自對應的下一個應發往的結點),同時負責將收到的分組存儲于緩存區中(而不使用速度較慢的外存儲器),再根據路由表確定各分組下一步應發向哪個結點,在線路空閑時再轉發;依次類推,直到各分組傳到目標站點。由于分組交換在各個通信路段上傳送的分組不大,故只需很短的傳輸時間(通常僅為ms數量級),傳輸延遲小,故非常適合遠程終端與計算機之間的交互通信,也有利于多對時分復用通信線路;此外由于采取了錯誤檢測措施,故可保證非常高的可靠性;而在線路誤碼率一定的情況下,小的分組還可減少重新傳輸出錯分組的開銷;與電路交換相比,分組交換帶給用戶的優點則是費用低。 根據通信子網的不同內部機制,分組交換子網又可分為面向連接(Connect-Oriented)和無連接(Connectless)兩類。前者要求建立稱為虛電路(Virtual Circuit)的連接,一對主機之間一旦建立虛電路,分組即可按虛電路號傳輸,而不必給出每個分組的顯式目標站點地址,在傳輸過程中也無須為之單獨尋址,虛電路在關閉連接時撤銷。后者不建立連接,數據報(Datagram,即分組)帶有目標站點地址,在傳輸過程中需要為之單獨尋址。
  分組交換的靈活性高,可以根據需要實現面向連接或無連接的通信,并能充分利用通信線路,因此現有的公共數據交換網都采用分組交換技術。LAN局域網也采用分組交換技術,但在局域網中,從源站到目的站只有一條單一的通信線路,因此,不需要公用數據網中的路由選擇和交換功能。 四、高速分組交換技術(High Speed Packet Switching Technology)
  由于網絡的應用越來越廣泛,人們對通信線路帶寬的需求越來越高,現有的交換技術,已經不能滿足日益增長的網絡應用的要求,如交互式的會話對實時性要求很高,延遲要很??;高清晰度電視圖像及多媒體實時數據的傳送都要求高速寬帶的通信網。
1.幀中繼
  幀中繼(Frame Relay)是目前開始流行的一種高速分組技術。典型的幀中繼通信系統以幀中繼交換機作為結點組成高速幀中繼網,再將各個計算機網絡通過路由器與幀中繼網絡中的某一結點相連;與一般分組交換在每個結點均要對組成分組的各個數據幀進行檢錯等處理不同的是:幀中繼交換結點在接收到一個幀時就轉發該幀,并大大減少(并不完全取消)接收該幀過程中的檢錯步驟,從而將結點對幀的處理時間縮短一個數量級,因此稱為高速分組交換。當某結點發現錯誤則立即中止該幀的傳輸,并由源站申請重發該幀。顯然,只有當幀中繼網絡中的錯誤率非常低時,幀中繼技術才是可行的。
幀中繼的幀長是可變的,可按需要分配帶寬,幀中繼網絡的傳輸速率可達64Kbps~45Mbps,適用于局域網、城域網和廣域網。
2.ATM異步傳輸模式
  最有發展前途的高速分組交換技術是ATM異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode),它是建立在電路交換與分組交換基礎上的一種新的交換技術,并由基于光纖網絡的B-ISDN寬帶綜合業務數字網所采用:用戶主機所在網絡通過ATM交換結點再與光纖數字網絡相連。
ATM異步傳輸模式的主要特點如下:
  1). 模式中的分組稱為信元(Cell),其長度是固定的,由5個字節首部和48個字節的信息字組成,因此在各結點可采用硬件對信元進行處理,而縮短信元處理時間
  2). 交換設備可按網絡最大速度設置,而不同類型的服務可復用在一起,各通信信道對應信元根據業務量的大小按先到先服務的原則占用各分時段,速率高的信源占用較多時段,因而可支持各種業務的不同速率
  3). 保留電路交換以滿足傳輸從語音到高清晰度電視圖像等各種實時性很強的業務需要
利用光纖通信誤碼率低的優點將差錯控制由數據鏈路層改到高層,而提高信元在網絡中的傳輸速率。