通信方式和交换方式

本节主要包括两部分：

1. 数据传输方式
   1. 异步传输
   2. 同步传输
2. 数据交换方式
   1. 电路交换
   2. 报文交换
   3. 分组交换
      1. 数据报
      2. 虚电路

通信方式和交换方式
│
├─ 数据传输方式
│  ├─ 异步传输
│  └─ 同步传输
│
└─ 数据交换方式
   ├─ 电路交换
   ├─ 报文交换
   └─ 分组交换
      ├─ 数据报
      └─ 虚电路

在数据通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持协调，接收方才能正确判断每一位数据以及一组数据的起止位置。

通信同步主要包括：

• 码元同步：识别每一个码元或比特的边界。
• 字符同步：识别一个字符的开始和结束。
• 帧同步或数据块同步：识别一个数据帧或数据块的开始和结束。

按照字符或数据块同步方式的不同，数据传输可以分为：

• Asynchronous Transmission（异步传输）
• Synchronous Transmission（同步传输）

Asynchronous Transmission（异步传输）以字符为独立单位进行传输。

各个字符之间不要求保持固定的时间间隔。为了使接收方能够识别字符边界，需要在每个字符前后加入同步信息：

• 字符前加入起始位。
• 字符后加入停止位。
• 根据需要加入校验位。

异步传输也称为：

Start-Stop Transmission（起止式传输）

教材给出的异步传输字符结构为：

其结构可以表示为：

| 起始位 |       数据位       | 校验位 | 停止位 |
|   1位  |        7位         |  1位   |  1位   |
|    0   |  b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 |  P  |    1   |

其中：

• P表示Parity Bit，即校验位。
• 教材示例采用7位数据、1位校验和1位停止位。
• 实际系统也可能采用5、6、7或8位数据。
• 停止位可能采用1位、1.5位或2位。

线路空闲时通常保持停止位状态，即逻辑1。

发送字符时，发送方先将线路从逻辑1变为逻辑0。接收方检测到这一变化后，将其视为起始位，并开始对后续数据位进行定时采样。

起始位的主要作用：

• 通知接收方字符即将开始。
• 使接收方重新调整字符接收时钟。
• 确定后续数据位的采样位置。

数据位用于传输字符的实际内容。

教材示例采用7位数据。接收方识别起始位后，在后续规定的时间位置依次读取各个数据位。

校验位用于发现数据传输过程中可能发生的比特错误。

教材指出异步传输一般采用奇偶校验：

Parity Check（奇偶校验）

常见方式包括：

• Even Parity（偶校验）：使整个字符中1的总数为偶数。
• Odd Parity（奇校验）：使整个字符中1的总数为奇数。

奇偶校验通常只能提供简单的错误检测，不能纠正错误，也不能可靠发现所有多位错误。

停止位通常为逻辑1，表示当前字符已经传输完毕。

停止位之后：

• 如果没有新字符，线路继续保持逻辑1。
• 如果有新字符，发送方再次发送逻辑0起始位。
• 接收方检测新的起始位后，开始接收下一个字符。

异步传输并不表示完全不需要时钟同步，而是表示发送方和接收方不需要在整个通信期间保持严格的连续同步。

每个字符的起始位都会重新校准接收时钟。因此，双方时钟只需在一个字符的传输期间保持足够准确。

教材指出，接收时钟在大约8～11位的传输时间内保持准确，通常就能正确接收一个字符。

异步传输需要为每个字符添加起始位、校验位和停止位，因此会产生额外开销。

教材指出，其附加开销通常约为：

''20%～30%''

若每个字符包含：

• 7位数据；
• 1位起始位；
• 1位校验位；
• 1位停止位；

则总长度为：

''1＋7＋1＋1＝10 bit''

有效数据传输效率为：

''η＝有效数据位数÷传输总位数''

''η＝7÷10＝70%''

附加开销为：

''1－70%＝30%''

异步传输常见于：

• 字符终端通信；
• 串行接口；
• 键盘输入；
• 低速设备通信；
• 数据量较小、发送间隔不固定的场景。

Synchronous Transmission（同步传输）以连续的数据块或数据帧为单位进行传输。

发送方和接收方在数据块传输期间按照相同的时钟频率工作，不需要在每个字符前后都加入起始位和停止位。

同步传输通常只在数据块的开始和结束位置加入同步字符或控制信息。

数据传输前，发送方首先发送一个或多个：

SYNC（Synchronous Character，同步字符）

接收方检测到规定数量的SYNC字符后，确认已经进入同步状态，随后开始接收数据。

教材描述的过程为：

1. 发送方连续发送SYNC字符。
2. 接收方检测同步字符。
3. 接收方检测到连续两个或以上的SYNC字符后进入同步状态。
4. 双方按照相同的时钟频率传输数据。
5. 发送方发送表示数据结束的控制字符。
6. 当前数据块传输完成。

同步传输可以概括为：

| SYNC | SYNC | 数据块 | 结束控制字符 |

同步传输需要保证接收方能够获得发送端的时钟信息。常见方法包括：

• 使用独立的时钟线路。
• 从接收到的信号中提取时钟。
• 利用线路编码中的电平跳变保持同步。
• 在数据块前发送同步字符或同步序列。

同步传输只在整个数据块的前后添加控制信息，不需要为每个字符分别添加起始位和停止位。

如果数据块较大：

• 同步控制信息所占比例较小；
• 有效数据传输效率较高；
• 比异步传输更适合连续数据和大文件传输。

同步传输常用于：

• 大文件传输；
• 数据块传输；
• 短距离高速通信；
• 局域网通信；
• 高速串行通信；
• 对传输效率要求较高的场景。

通信网络通常由多个交换节点互连而成。

信息从源节点发送到目的节点时，可能需要经过多个交换节点。每个交换节点根据采用的交换机制，把信息从一条线路转发到另一条线路。

教材将交换方式分为：

1. Circuit Switching（电路交换）
2. Message Switching（报文交换）
3. Packet Switching（分组交换）

分组交换又可分为：

• Datagram（数据报）
• Virtual Circuit，VC（虚电路）

Circuit Switching（电路交换）是在通信双方之间建立一条临时专用通信通路的交换方式。

典型应用是传统电话交换系统。

交换机收到呼叫请求后，会在网络中寻找一条可以连接发送方和接收方的路径。这条路径可能经过多个交换节点。

连接一旦建立：

• 通信双方独占这条通路。
• 其他用户不能使用已经分配的相关资源。
• 连接一直保持到通信结束。
• 通信结束后拆除连接并释放资源。

电路交换分为三个阶段：

1. 连接建立
2. 数据传输
3. 连接释放

其过程可以表示为：

发送方                    交换网络                    接收方
   │                         │                          │
   │────── 建立连接请求 ────→│─────────────────────────→│
   │←────── 连接确认 ────────│←─────────────────────────│
   │                         │                          │
   │════════ 专用通路上的连续数据传输 ═══════════════════│
   │                         │                          │
   │────── 释放连接请求 ────→│─────────────────────────→│
   │                         │                          │

• 通信前必须建立连接。
• 建立连接需要一定时间。
• 连接建立后形成专用通路。
• 数据传输期间不需要逐段存储转发。
• 连接建立后传输延迟较稳定。
• 通路资源会被通信双方持续占用。
• 即使暂时没有数据传输，资源通常也不能供其他用户使用。

• 连接建立后不再产生排队等待。
• 数据传输延迟较小且比较稳定。
• 数据通常按发送顺序到达。
• 不需要为每个数据单元携带完整目的地址。
• 适合连续、实时和大批量数据传输。

• 建立连接需要较长时间。
• 专用线路可能长时间处于空闲状态。
• 对突发性数据而言，线路利用率较低。
• 某段链路发生故障时，原连接可能中断。
• 不同速率和不同类型终端之间的适配能力较弱。

电路交换适合：

• 传统电话通信；
• 持续时间较长的会话；
• 实时性要求较高的连续通信；
• 数据量较大的稳定传输。

Message Switching（报文交换）不需要在通信双方之间预先建立专用通路。

发送节点把需要传输的完整信息组织成一个报文。报文中通常包括：

• 源地址；
• 目的地址；
• 控制信息；
• 完整的用户数据。

每个交换节点先接收并保存整个报文，再根据目的地址和当前网络状态将报文转发到下一节点。

这种工作方式称为：

Store-and-Forward（存储转发）

源节点
   │
   ▼
形成完整报文
   │
   ▼
交换节点A：接收整个报文 → 存储 → 选择下一跳
   │
   ▼
交换节点B：接收整个报文 → 存储 → 选择下一跳
   │
   ▼
目的节点

每个中间节点都必须先完整接收报文，才能继续转发。

• 不需要预先建立专用连接。
• 使用完整报文作为存储和转发单位。
• 每个报文携带目的地址。
• 中间节点需要存储整个报文。
• 可根据网络状态选择转发路径。
• 不同报文可以经过不同路径。
• 链路资源可以由多个用户共享。

• 不独占物理线路，链路利用率较高。
• 可以根据网络状态灵活选择路径。
• 可以进行优先级处理。
• 可在不同速率的线路和终端之间进行缓冲。
• 接收方暂时不可用时，可以在节点中暂存报文。

• 节点必须具有较大的存储空间。
• 大报文需要较长的接收和转发时间。
• 每个节点都会引入存储转发延迟。
• 网络繁忙时排队延迟可能很大。
• 不适合实时交互和实时语音通信。

Packet Switching（分组交换）是在报文交换基础上发展起来的交换方式。

发送方先把完整报文划分成若干长度较小的数据块，每个数据块称为：

Packet（分组或数据包）

分组通常包含：

• 分组编号；
• 源地址；
• 目的地址；
• 控制信息；
• 用户数据；
• 差错检测信息。

把报文划分成分组并添加首部的过程称为：

Packet Assembly（分组装配）

接收端删除分组首部并恢复原报文的过程称为：

Packet Disassembly（分组拆卸）

原始报文
   │
   ▼
划分为多个较小分组
   │
   ├─ 分组1：首部＋数据
   ├─ 分组2：首部＋数据
   ├─ 分组3：首部＋数据
   └─ 分组4：首部＋数据
   │
   ▼
各交换节点存储并转发分组
   │
   ▼
接收端重新排序和组装
   │
   ▼
恢复原始报文

报文交换以完整报文作为存储转发单位，分组交换则把报文拆分为多个较短的分组。

分组长度较短带来的优点：

• 节点只需设置较小的缓冲区。
• 一个分组接收完成后即可开始转发。
• 多个用户的分组可以交替使用同一链路。
• 减少大报文长时间独占输出链路的问题。
• 某个分组出错时，只需重传出错分组。
• 更适合突发性计算机数据通信。

• 不需要为每次通信建立物理专用线路。
• 采用统计复用共享通信链路。
• 以较小的数据分组为处理单位。
• 各交换节点采用存储转发方式。
• 每个分组可能产生排队延迟。
• 分组首部会带来一定传输开销。
• 网络资源利用率通常较高。

• 线路利用率高。
• 适合突发性数据传输。
• 多个用户可以共享链路。
• 出错时只需重传相关分组。
• 对网络故障具有较强的适应能力。
• 交换节点需要的单次缓冲空间较小。

• 分组首部会产生额外开销。
• 分组可能在节点中排队。
• 端到端延迟可能发生变化。
• 数据报方式中分组可能乱序。
• 接收端可能需要排序和重组。
• 网络拥塞时可能发生丢包。

Datagram（数据报）是一种无连接的分组交换方式。

它与报文交换类似，每个分组都被当作独立的数据单元进行传输。

每个数据报都携带完整的目的地址，各交换节点根据：

• 分组中的目的地址；
• 当前网络拓扑；
• 当前链路状态；
• 当前网络拥塞情况；

独立决定下一跳路径。

• 通信前不需要建立连接。
• 每个分组独立选择路径。
• 同一次通信的分组可能经过不同路径。
• 各分组可能以不同顺序到达。
• 某些分组可能丢失、重复或延迟。
• 接收端需要根据分组编号重新排序。
• 每个分组需要携带完整目的地址。

发送顺序：

''分组1 → 分组2 → 分组3 → 分组4''

由于各分组经过的路径和排队时间不同，到达顺序可能变成：

''分组1 → 分组3 → 分组4 → 分组2''

接收端需要根据分组编号重新排序：

''分组1 → 分组2 → 分组3 → 分组4''

然后恢复原始报文。

负责对信息进行分组、编号以及在接收端完成拆头、去尾和重新排序的设备称为：

PAD（Packet Assembly/Disassembly，分组装拆设备）

PAD通常需要完成：

• 将用户数据划分成分组；
• 给分组添加首部和控制信息；
• 给分组编号；
• 接收并检查分组；
• 删除分组首部和尾部；
• 对乱序分组重新排序；
• 恢复原始用户数据。

VC（Virtual Circuit，虚电路）是一种面向连接的分组交换方式。

通信开始前，发送方与接收方之间需要先建立一条逻辑连接。逻辑连接建立后，同一次通信中的所有分组通常沿同一条路径传输。

虚电路不是一条物理专用线路，而是多个通信会话共享物理链路时建立的逻辑通道。

虚电路通信通常包括：

1. 虚电路建立；
2. 分组传输；
3. 虚电路释放。

其过程可以表示为：

发送端                       分组交换网络                      接收端
   │                              │                              │
   │──── 建立虚电路请求 ─────────→│─────────────────────────────→│
   │←──── 建立确认 ───────────────│←─────────────────────────────│
   │                              │                              │
   │════ 所有分组沿同一逻辑路径传输 ═════════════════════════════│
   │                              │                              │
   │──── 释放虚电路请求 ─────────→│─────────────────────────────→│

通信开始时：

1. 发送端发出连接建立请求。
2. 请求分组在网络中逐节点传输。
3. 各交换节点根据当前网络状态选择路径。
4. 交换节点建立相应的转发表项。
5. 请求到达目的端。
6. 目的端返回肯定应答。
7. 虚电路建立完成。

此后，该次通信的分组沿已建立的逻辑路径传输，直到会话结束并释放连接。

• 传输数据前必须建立逻辑连接。
• 同一会话的分组通常经过相同路径。
• 分组一般按发送顺序到达。
• 分组首部可使用较短的虚电路标识。
• 交换节点需要保存虚电路状态。
• 通信结束后需要释放虚电路。
• 物理线路仍然可以被多个虚电路共享。

虚电路具有类似电路交换的连接建立过程，但并不独占物理线路。

报文交换和分组交换都采用存储转发，但存储单位不同。

交换节点必须先接收完整报文：

''接收整个报文 → 保存整个报文 → 检查地址 → 选择线路 → 转发''

如果报文长度很大：

• 接收整个报文需要较长时间。
• 节点需要较大存储空间。
• 后续节点必须继续等待完整报文。
• 端到端时延较大。

交换节点接收到一个完整分组后即可转发：

''接收分组1 → 转发分组1''

与此同时：

''继续接收分组2''

因此，不同链路可以形成流水线式传输：

时刻1：源节点发送分组1
时刻2：节点A转发分组1，源节点发送分组2
时刻3：节点B转发分组1，节点A转发分组2，源节点发送分组3

这种机制减少了大报文逐站完整等待的时间。

异步传输效率的计算公式为：

''传输效率η＝有效数据位数÷字符总位数''

字符总位数为：

''字符总位数＝起始位＋数据位＋校验位＋停止位''

一个异步字符包含：

• 1位起始位；
• 7位数据；
• 1位校验位；
• 1位停止位。

则：

''字符总位数＝1＋7＋1＋1＝10 bit''

''η＝7÷10＝70%''

附加开销为：

''30%''

一个异步字符包含：

• 1位起始位；
• 8位数据；
• 无校验位；
• 1位停止位。

则：

''字符总位数＝1＋8＋0＋1＝10 bit''

''η＝8÷10＝80%''

如果线路速率为9600 b/s，采用1位起始位、7位数据、1位校验位和1位停止位，则有效数据速率为：

''有效数据速率＝线路速率×传输效率''

''有效数据速率＝9600×70%''

''有效数据速率＝6720 b/s''

必须掌握：

• 异步传输以字符为单位，每个字符具有独立的同步信息。
• 异步传输又称起止式传输。
• 起始位通常为0，停止位通常为1。
• 异步传输常使用奇偶校验检测简单错误。
• 异步传输实现简单，但起止位等会带来20%～30%的开销。
• 同步传输以数据块或帧为单位。
• 同步传输只在数据块前后加入同步或控制信息，效率较高。
• 电路交换需要建立专用通路，典型应用是传统电话系统。
• 报文交换以完整报文为存储转发单位。
• 分组交换将报文划分为固定或受限长度的较小分组。
• 数据报是无连接的分组交换方式。
• 数据报中的每个分组独立选择路径，因此可能乱序。
• 虚电路是面向连接的分组交换方式。
• 虚电路是逻辑连接，不是独占的物理线路。
• PAD是Packet Assembly/Disassembly的缩写，表示分组装拆设备。

容易混淆的内容：

• 异步传输并非完全不需要同步，而是每个字符利用起始位重新同步。
• 同步传输并非不需要同步信息，而是不需要为每个字符单独加入起始位和停止位。
• 奇偶校验主要用于检错，不能纠正错误，也不能发现所有错误。
• 电路交换建立连接后独占相关通路资源。
• 虚电路虽然需要建立连接，但并不独占物理链路。
• 报文交换和分组交换都采用存储转发。
• 报文交换存储完整报文，分组交换只需存储较短的分组。
• 数据报不需要建立连接，虚电路需要建立逻辑连接。
• 数据报分组可能乱序，虚电路分组通常按顺序到达。
• 分组交换不等于数据报，分组交换包括数据报和虚电路两种方式。
• 同步传输和虚电路中的“同步”“连接”属于不同维度，不能混为一谈。

1.3.5 通信方式和交换方式
│
├─ 传输同步方式
│  │
│  ├─ 异步传输
│  │  ├─ 以字符为单位
│  │  ├─ 起始位通常为0
│  │  ├─ 可包含奇偶校验位
│  │  ├─ 停止位通常为1
│  │  └─ 简单但开销较大
│  │
│  └─ 同步传输
│     ├─ 以数据块或帧为单位
│     ├─ 使用SYNC等同步信息
│     ├─ 数据连续传输
│     └─ 效率较高
│
└─ 数据交换方式
   │
   ├─ 电路交换
   │  ├─ 先建立专用通路
   │  ├─ 再传输数据
   │  └─ 通信结束后释放连接
   │
   ├─ 报文交换
   │  ├─ 不预先建立专用通路
   │  ├─ 以完整报文为单位
   │  └─ 完整报文存储转发
   │
   └─ 分组交换
      ├─ 报文划分成较小分组
      ├─ 采用存储转发
      │
      ├─ 数据报
      │  ├─ 无连接
      │  ├─ 每个分组独立选路
      │  └─ 分组可能乱序
      │
      └─ 虚电路
         ├─ 面向连接
         ├─ 先建立逻辑路径
         ├─ 分组通常沿相同路径
         └─ 物理链路仍可共享

• 1.3.3 数字调制技术
• 1.3.4 脉冲编码调制
• 1.3.6 多路复用技术
• 返回第1章首页

软考 网络规划设计师 计算机网络 数据通信 异步传输 同步传输 电路交换 报文交换 分组交换 数据报 虚电路 PAD