淺論計算機網絡數據交換技術的發展

淺論計算機網絡數據交換技術的發展

摘要：本論文討論計算機網絡數據交換技術的發展歷程，闡述數據交換每個發展階段的技術特點。著重對分組交換技術進行分析論述。

關鍵詞：數據交換　電路交換　報文交換、分組交換　綜合業務數字交換

　　交換設備是人類信息交互中的重要實施，在相互通信中起著立交橋的作用。交換技術的發展總是依賴于人類的信息需求、傳送信息的格式和技術，以及控制技術的發展而螺旋型發展。從電話交換一直到當今數據交換、綜合業務數字交換，交換技術經歷了人工交換到自動交換的過程。人們對可視電話、可視圖文、圖象通信和多媒體等寬帶業務的需求，也將大大地推動異步傳輸技術（ATM）和同步數字系列技術（SDH）及寬帶用戶接入網技術的不斷進步和廣泛應用。
　　從交換技術的發展歷史看，數據交換經歷了電路交換、報文交換、分組交換和綜合業務數字交換的發展過程。
　　一、電路交換
　　自1876年美國貝爾發明電話以來，隨著社會需求的增長和通信技術水平的不斷發展，電路交換技術從最初的人工接續方式，經歷了機電與電子式自動交換、存儲程序控制的模擬和數字交換、第三方可編程交換等技術的變革，當前正在發展中的融合多媒體格式相互通信的軟交換技術。
　　隨著電子技術，尤其是半導體技術的迅速發展，人們在交換機內引入電子技術，這類交換機稱作電子交換機。最初是在交換機的控制部分引入電子技術，話路部分仍采用機械接點，出現了“半電子交換機”、“準電子交換機”。只有在微電子技術和數字技術的進一步發展以后，才開始了全電子交換機的迅速發展。
　　1 9 4 6年第一臺電子計算機的誕生，對交換技術的發展起了巨大的影響。在20世紀60年代后期，脈沖編碼調制(PCM)技術成功地應用在通信傳輸系統中，對通話質量和節約線路設備成本都產生了很大好處。隨著數字通信與P C M技術的迅速發展和廣泛應用，于是產生了將P C M信息直接交換的思想，各國開始研制程控數字交換機。1970年法國首先在拉尼翁(Lanion)成功地開通了世界上第一臺程控數字交換系統，標志著交換技術從傳統的模擬交換進入到了數字交換時代。程控數字交換技術采用PCM數字傳輸和數字交換，非常適合信息數字化應用，除應用于普通電話通信以外，并且為開通用戶電報、數據傳送等非話業務提供了有利條件。目前在電信網中使用的電路交換機全部為程控數字交換機，可向用戶提供電路方式的固定電話業務、移動電話業務和窄帶ISDN業務。
　　二、報文交換
　　報文交換方式的數據傳輸單位是報文，報文就是站點一次性要發送的數據塊，其長度不限且可變。當一個站要發送報文時，它將一個目的地址附加到報文上，網絡節點根據報文上的目的地址信息，把報文發送到下一個節點，一直逐個節點地轉送到目的節點。
　　每個節點在收到整個報文并檢查無誤后，就暫存這個報文，然后利用路由信息找出下一個節點的地址，再把整個報文傳送給下一個節點。因此，端與端之間無需先通過呼叫建立連接。報文在每個節點的延遲時間，等于接收報文所需的時間加上向下一個節點轉發所需的排隊延遲時間之和。
　　三、分組交換
　　分組交換是交換技術發展的重要成果，代表著網絡未來演進的方向。分組交換方式兼有報文交換和線路交換的優點。分組交換技術使用統計復用，與電路交換相比大大提高了帶寬利用率。這要求在交換節點使用存儲轉發，從而導致掉隊現象的發生。因此，分組交換全引入不固定的延遲的概念。分組交換網絡主要有面向連接和無連接兩種方式．分組網絡包含3個功能面，分別是數據面、控制面和管理面。數據面負責分組轉發，因此需要高性能的實現。目前主要的分組交換網包括面向連接的X．25、幀中繼、ATM、MPLS以及無連接的以太網、CP／IP網絡。
　　分組交換網有兩種主要的形式：面向連接和無連接。對于分組交換技術來說，面向連接的網絡與電路交換類似，也需要通過連接建立過程在交換機中分配資源；但由于它采用統計復用，所分配的資源是用邏輯標號來表示的。自分組交換技術出現以來，已經有多種分組交換網投人運行。電信領域最早提出的是X．2 5網絡，但由于它協議復雜，速度有限，逐漸被性能更好的網絡如幀中繼代替。幀中繼網絡可以認為是X．2 5的改進版本，它簡化了協議以提高處理效率。
　　計算機領域的一個側重點是局域網，即小范圍、小規模的網絡，用于互連辦公室內的計算機。目前以太網已成為占統治地位的局域網技術。
　　在2 0世紀9 0年代中后期，因特網獲得較大發展，規模持續擴大，對核心路由器吞吐量的要求也越來越高。由于路由器對I P分組進行轉發時路由表的查找比較復雜，轉發速度受到很大限制。前面指出，面向連接網絡使用邏輯子信道標號進行轉發表查找，速度是很快的。人們結合ATM技術在這方面的優點，提出將核心網絡改為使用類似于A T M的交換機，而只在邊緣網絡使用路由器的I P交換技術，最終發展為多協議標記交換(MPlS)。然而，在隨后的幾年中，提出了多種實用的高速路由查找方法，使其不再成為瓶頸。此時，MPLS最大的優點就是流量工程(Tramc En小needng)能力，即人為控制分組流向。但是由于目前高速路由器還能夠很好地工作，MPLS技術并沒有被廣泛使用。
　　四、綜合業務數字交換
　　綜合業務數字網是集語音、數據、圖文傳真、可視電話等各種業務為一體的網絡，適用于不同的帶寬要求和多樣的業務要求。異步傳輸模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)就是用于寬帶綜合業務數字網的一種交換技術。A T M是在分組交換基礎上發展起來的。它使用固定長度分組，并使用空閑信元來填充信道，從而使信道被等長的時間小段。由于光纖通信提供了低誤碼率的傳輸通道，因而流量控制和差錯控制便可移到用戶終端，網絡只負責信息的交換和傳送，從而使傳輸時延減小。所以A T M適用于高速數據交換業務。
　　隨著通信技術和通信業務需求的發展，迫使電信網絡必須向寬帶綜合業務數字網(B—ISDN)方向發展。這要求通信網絡和交換設備既要容納非實時的數據業務，又要容納實時性的電話和電視信號業務，還要考慮到滿足突發性強、瞬時業務量大的要求，提高通信效率和經濟性。在這樣的通信業務條件下，傳統的電路交換和分組交換都不能夠勝任。電路交換的主要缺點是信道帶寬(速率)分配缺乏靈活性，以及在處理突發業務情況下效率低。而分組交換則由于處理操作帶來的時延而不適宜于實時通信。因此，在研究新的傳送模式時需要找出兩全的辦法，既能達到網絡資源的充分利用，又能使各種通信業務獲得高質量的傳送水平。這種新的傳送模式就是后來出現的“異步轉移模式”(ATM)。
　A T M是在光纖大容量傳輸媒體的環境中分組交換技術的新發展。在大量使用光纜之前，數字通信網中的中繼線路是最緊張也是質量最差的資源，提高線路利用率和減少誤碼是最著重考慮的事情。光纜的大量使用不僅大大增加了通信能力，而且也大大提高了傳輸質量。這使得人們逐漸傾向于寧可犧牲部分線路利用率來減少節點的處理負擔。
　　

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