淺論計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換技術(shù)的發(fā)展

摘要：本論文討論計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換技術(shù)的發(fā)展歷程，闡述數(shù)據(jù)交換每個(gè)發(fā)展階段的技術(shù)特點(diǎn)。著重對(duì)分組交換技術(shù)進(jìn)行分析論述。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)交換　電路交換　報(bào)文交換、分組交換　綜合業(yè)務(wù)數(shù)字交換

　　交換設(shè)備是人類信息交互中的重要實(shí)施，在相互通信中起著立交橋的作用。交換技術(shù)的發(fā)展總是依賴于人類的信息需求、傳送信息的格式和技術(shù)，以及控制技術(shù)的發(fā)展而螺旋型發(fā)展。從電話交換一直到當(dāng)今數(shù)據(jù)交換、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字交換，交換技術(shù)經(jīng)歷了人工交換到自動(dòng)交換的過(guò)程。人們對(duì)可視電話、可視圖文、圖象通信和多媒體等寬帶業(yè)務(wù)的需求，也將大大地推動(dòng)異步傳輸技術(shù)（ATM）和同步數(shù)字系列技術(shù)（SDH）及寬帶用戶接入網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步和廣泛應(yīng)用。
　　從交換技術(shù)的發(fā)展歷史看，數(shù)據(jù)交換經(jīng)歷了電路交換、報(bào)文交換、分組交換和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字交換的發(fā)展過(guò)程。
　　一、電路交換
　　自1876年美國(guó)貝爾發(fā)明電話以來(lái)，隨著社會(huì)需求的增長(zhǎng)和通信技術(shù)水平的不斷發(fā)展，電路交換技術(shù)從最初的人工接續(xù)方式，經(jīng)歷了機(jī)電與電子式自動(dòng)交換、存儲(chǔ)程序控制的模擬和數(shù)字交換、第三方可編程交換等技術(shù)的變革，當(dāng)前正在發(fā)展中的融合多媒體格式相互通信的軟交換技術(shù)。
　　隨著電子技術(shù)，尤其是半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，人們?cè)诮粨Q機(jī)內(nèi)引入電子技術(shù)，這類交換機(jī)稱作電子交換機(jī)。最初是在交換機(jī)的控制部分引入電子技術(shù)，話路部分仍采用機(jī)械接點(diǎn)，出現(xiàn)了“半電子交換機(jī)”、“準(zhǔn)電子交換機(jī)”。只有在微電子技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以后，才開(kāi)始了全電子交換機(jī)的迅速發(fā)展。
　　1 9 4 6年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生，對(duì)交換技術(shù)的發(fā)展起了巨大的影響。在20世紀(jì)60年代后期，脈沖編碼調(diào)制(PCM)技術(shù)成功地應(yīng)用在通信傳輸系統(tǒng)中，對(duì)通話質(zhì)量和節(jié)約線路設(shè)備成本都產(chǎn)生了很大好處。隨著數(shù)字通信與P C M技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，于是產(chǎn)生了將P C M信息直接交換的思想，各國(guó)開(kāi)始研制程控?cái)?shù)字交換機(jī)。1970年法國(guó)首先在拉尼翁(Lanion)成功地開(kāi)通了世界上第一臺(tái)程控?cái)?shù)字交換系統(tǒng)，標(biāo)志著交換技術(shù)從傳統(tǒng)的模擬交換進(jìn)入到了數(shù)字交換時(shí)代。程控?cái)?shù)字交換技術(shù)采用PCM數(shù)字傳輸和數(shù)字交換，非常適合信息數(shù)字化應(yīng)用，除應(yīng)用于普通電話通信以外，并且為開(kāi)通用戶電報(bào)、數(shù)據(jù)傳送等非話業(yè)務(wù)提供了有利條件。目前在電信網(wǎng)中使用的電路交換機(jī)全部為程控?cái)?shù)字交換機(jī)，可向用戶提供電路方式的固定電話業(yè)務(wù)、移動(dòng)電話業(yè)務(wù)和窄帶ISDN業(yè)務(wù)。
　　二、報(bào)文交換
　　報(bào)文交換方式的數(shù)據(jù)傳輸單位是報(bào)文，報(bào)文就是站點(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長(zhǎng)度不限且可變。當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送報(bào)文時(shí)，它將一個(gè)目的地址附加到報(bào)文上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文上的目的地址信息，把報(bào)文發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一直逐個(gè)節(jié)點(diǎn)地轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點(diǎn)。
　　每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到整個(gè)報(bào)文并檢查無(wú)誤后，就暫存這個(gè)報(bào)文，然后利用路由信息找出下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址，再把整個(gè)報(bào)文傳送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，端與端之間無(wú)需先通過(guò)呼叫建立連接。報(bào)文在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)間，等于接收?qǐng)?bào)文所需的時(shí)間加上向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)所需的排隊(duì)延遲時(shí)間之和。
　　三、分組交換
　　分組交換是交換技術(shù)發(fā)展的重要成果，代表著網(wǎng)絡(luò)未來(lái)演進(jìn)的方向。分組交換方式兼有報(bào)文交換和線路交換的優(yōu)點(diǎn)。分組交換技術(shù)使用統(tǒng)計(jì)復(fù)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(jié)點(diǎn)使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，從而導(dǎo)致掉隊(duì)現(xiàn)象的發(fā)生。因此，分組交換全引入不固定的延遲的概念。分組交換網(wǎng)絡(luò)主要有面向連接和無(wú)連接兩種方式．分組網(wǎng)絡(luò)包含3個(gè)功能面，分別是數(shù)據(jù)面、控制面和管理面。數(shù)據(jù)面負(fù)責(zé)分組轉(zhuǎn)發(fā)，因此需要高性能的實(shí)現(xiàn)。目前主要的分組交換網(wǎng)包括面向連接的X．25、幀中繼、ATM、MPLS以及無(wú)連接的以太網(wǎng)、CP／IP網(wǎng)絡(luò)。
　　分組交換網(wǎng)有兩種主要的形式：面向連接和無(wú)連接。對(duì)于分組交換技術(shù)來(lái)說(shuō)，面向連接的網(wǎng)絡(luò)與電路交換類似，也需要通過(guò)連接建立過(guò)程在交換機(jī)中分配資源；但由于它采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用，所分配的資源是用邏輯標(biāo)號(hào)來(lái)表示的。自分組交換技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)有多種分組交換網(wǎng)投人運(yùn)行。電信領(lǐng)域最早提出的是X．2 5網(wǎng)絡(luò)，但由于它協(xié)議復(fù)雜，速度有限，逐漸被性能更好的網(wǎng)絡(luò)如幀中繼代替。幀中繼網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是X．2 5的改進(jìn)版本，它簡(jiǎn)化了協(xié)議以提高處理效率。
　　計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)側(cè)重點(diǎn)是局域網(wǎng)，即小范圍、小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，用于互連辦公室內(nèi)的計(jì)算機(jī)。目前以太網(wǎng)已成為占統(tǒng)治地位的局域網(wǎng)技術(shù)。
　　在2 0世紀(jì)9 0年代中后期，因特網(wǎng)獲得較大發(fā)展，規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，對(duì)核心路由器吞吐量的要求也越來(lái)越高。由于路由器對(duì)I P分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)路由表的查找比較復(fù)雜，轉(zhuǎn)發(fā)速度受到很大限制。前面指出，面向連接網(wǎng)絡(luò)使用邏輯子信道標(biāo)號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)表查找，速度是很快的。人們結(jié)合ATM技術(shù)在這方面的優(yōu)點(diǎn)，提出將核心網(wǎng)絡(luò)改為使用類似于A T M的交換機(jī)，而只在邊緣網(wǎng)絡(luò)使用路由器的I P交換技術(shù)，最終發(fā)展為多協(xié)議標(biāo)記交換(MPlS)。然而，在隨后的幾年中，提出了多種實(shí)用的高速路由查找方法，使其不再成為瓶頸。此時(shí)，MPLS最大的優(yōu)點(diǎn)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(shù)并沒(méi)有被廣泛使用。
　　四、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字交換
　　綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)是集語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖文傳真、可視電話等各種業(yè)務(wù)為一體的網(wǎng)絡(luò)，適用于不同的帶寬要求和多樣的業(yè)務(wù)要求。異步傳輸模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)就是用于寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的一種交換技術(shù)。A T M是在分組交換基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它使用固定長(zhǎng)度分組，并使用空閑信元來(lái)填充信道，從而使信道被等長(zhǎng)的時(shí)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(cuò)控制便可移到用戶終端，網(wǎng)絡(luò)只負(fù)責(zé)信息的交換和傳送，從而使傳輸時(shí)延減小。所以A T M適用于高速數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)。
　　隨著通信技術(shù)和通信業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，迫使電信網(wǎng)絡(luò)必須向?qū)拵ЬC合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B—ISDN)方向發(fā)展。這要求通信網(wǎng)絡(luò)和交換設(shè)備既要容納非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，又要容納實(shí)時(shí)性的電話和電視信號(hào)業(yè)務(wù)，還要考慮到滿足突發(fā)性強(qiáng)、瞬時(shí)業(yè)務(wù)量大的要求，提高通信效率和經(jīng)濟(jì)性。在這樣的通信業(yè)務(wù)條件下，傳統(tǒng)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(diǎn)是信道帶寬(速率)分配缺乏靈活性，以及在處理突發(fā)業(yè)務(wù)情況下效率低。而分組交換則由于處理操作帶來(lái)的時(shí)延而不適宜于實(shí)時(shí)通信。因此，在研究新的傳送模式時(shí)需要找出兩全的辦法，既能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用，又能使各種通信業(yè)務(wù)獲得高質(zhì)量的傳送水平。這種新的傳送模式就是后來(lái)出現(xiàn)的“異步轉(zhuǎn)移模式”(ATM)。
　A T M是在光纖大容量傳輸媒體的環(huán)境中分組交換技術(shù)的新發(fā)展。在大量使用光纜之前，數(shù)字通信網(wǎng)中的中繼線路是最緊張也是質(zhì)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(zhì)量。這使得人們逐漸傾向于寧可犧牲部分線路利用率來(lái)減少節(jié)點(diǎn)的處理負(fù)擔(dān)。
　　

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