1.4 数据通信寻址和交换方式
数据通信的实质就是将要传输的数据按一定长度分成很多组，为了准确地传送到对方，每个分组都打上标识，许多不同的数据分组在物理线路上以动态共享和复用方式进行传输。为了能够充分利用资源，当数据分组传送到网络交换设备时，会暂存在交换机的存储器中，然后根据当前线路的忙闲程度，交换机会动态分配合适的物理线路，继续数据分组的传输，直到传送到目的地。到达目的地之后的数据分组再重新组合起来，形成一条完整的数据。数据传输链路的建立取决于网络设备的交换方式及数据分组的寻址方式。
1.4.1 面向连接与面向无连接
通信协议要么是面向连接的，要么是面向无连接的。这依赖于信息发送方是否需要与接收方联系，并通过联系来维持一个对话（面向连接的），还是没有任何预先联系就发送消息（无连接的）且希望接收方能顺序接收所有内容。这些方法揭示了网络上实现通信的两种途径。
1. 面向连接
网络负责顺序发送报文分组，并且以一种可靠的方法检测丢失和冲突。这种方法被“可靠的”传输服务使用。在面向连接方法中，在两个端点之间建立了一条数据通信信道（电路）。这条信道提供了一条在网络上顺序发送报文分组的预定义路径，这个连接类似于语音电话。发送方与接收方保持联系以协调会话和报文分组接收或失败的信号。但这并不意味着面向连接的信道比面向无连接的信道使用了更多的带宽，两种方法都只在报文分组传输时才使用带宽。
在面向连接的会话建立的通信信道自然是逻辑的，常被称作虚电路（virtual circuit），它关心的是端点。与在网络上寻求一条实际的物理路径相比，这条信道更关心的是保持两个端点的联系。在有多条到达目的地路径的网络中，物理路径在会话期间随着数据模式的改变而改变，但是端点（和中间节点）一直保持对路径进行跟踪。
面向连接的协议大部分位于与OSI协议模型相当的运输层协议中。通用的面向连接的协议包括Internet和UNIX环境下的TCP（传输控制协议）、Novell的顺序分组交换（SPX）、IBM/Microsoft的NetBIOS和OSI的连接模型网络协议（CMNP）。另外，ATM、X.25是面向连接协议。
2. 面向无连接
网络只需要将报文分组发送到接收点，检错与流控由发送方和接收方处理。这种方法被称作“尽力而为（best-effort）”或“无应答（unacknowledged）”的传输协议所使用。在无连接方法中，网络除了把分组传送到目的地以外不需做任何事情，如果分组丢失了，接收方必须检测出错误并请求重发；如果分组因采用不同的路径而没有按序到达，接收方必须将它们重新排序。无连接的协议有TCP/IP协议组的IP部分，NetWare的SPX/IPX协议的IPX部分。这些协议在与OSI协议模型相当的网络层中。在无连接的通信会话中，每个数据分组是一个在网络上传输的独立单元，称作数据报。发送方和接收方之间没有初始协商，发送方仅仅向网络上发送数据报，每个分组含有源地址和目的地址。
1.4.2 通信寻址
不管通信双方采用哪种连接方式，能够实现通信的基础是通信路由的选择和建立（即寻址），通信路由选择和建立的基础是通信地址。常见寻址编码如下。
1. E.164
根据CCITT的E.164标准的规定，标准的电话号码格式是由国家码（Country code）、区域码及一般电话号码3部分所组成：国家码（1～3位数字）+区位码（M个数字）+一般电话（最多为15减M个数字）。如电话号码+（86）-10-62553604就是指“中国（国家码86）北京（地区码10）中国互联网络信息中心（一般号码62553604）”。国际电联将国家码授权给国家实体来进行管理，国家码之后的数字号码由这个国家进行管理和分配，但是基本的分配原则仍是遵循一定的分级授权管理策略。
2. X.121
X.121，公用数据网的国际编号方案，指的是描述用于X.25网络编址方案的ITU-T标准。X.121地址有时亦称作IDNS（国际数据码）。
X.121地址最大为14位十进制数，即4位十进制数数据网标识码（DNIC）加上多达10位十进制数网络终端号（NIN）；或者3位十进制数数据国家代码（DCC）加上多达11位十进制数网络号（NN）。
3. IP地址
IP地址及其分类如下。
在Internet上连接的所有计算机，从大型机到微型计算机都是以独立的身份出现，我们称它为主机。为了实现各主机间的通信，每台主机都必须有一个唯一的网络地址。就好像每一个住宅都有唯一的门牌一样，才不至于在传输数据时出现混乱。
Internet的网络地址是指连入Internet网络的计算机的地址编号。所以，在Internet网络中，网络地址唯一地标识一台计算机。
我们都已经知道，Internet是由几千万台计算机互相连接而成的。而我们要确认网络上的每一台计算机，靠的就是能唯一标识该计算机的网络地址，这个地址就叫作IP（Internet Protocol）地址，即用Internet协议语言表示的地址。
目前，在Internet里，IP地址是一个32位的二进制地址，为了便于记忆，将它们分为4组，每组8位，由小数点分开，用4字节来表示，而且，用点分开的每个字节的数值范围是0～255，如202.116.0.1，这种书写方法叫作点数表示法。
IP地址可确认网络中的任何一个网络和计算机，而要识别其他网络或其中的计算机，则是根据这些IP地址的分类来确定的。一般将IP地址按节点计算机所在网络规模的大小分为A、B、C 3类。
（1）A类地址
A类地址的表示范围为0.0.0.0～126.255.255.255，默认网络掩码为255.0.0.0。A类地址分配给规模特别大的网络使用。A类网络用第一组数字表示网络本身的地址，后面3组数字作为连接于网络上的主机的地址。分配给具有大量主机（直接个人用户）而局域网络个数较少的大型网络。例如，IBM公司的网络。
（2）B类地址
B类地址的表示范围为128.0.0.0～191.255.255.255，默认网络掩码为255.255.0.0。B类地址分配给一般的中型网络。B类网络用第一、二组数字表示网络的地址，后面两组数字代表网络上的主机地址。
（3）C类地址
C类地址的表示范围为192.0.0.0～223.255.255.255，默认网络掩码为255.255.255.0。C类地址分配给小型网络，如一般的局域网和校园网，它可连接的主机数量是最少的，采用把所属的用户分为若干的网段进行管理。C类网络用前3组数字表示网络的地址，最后一组数字作为网络上的主机地址。
实际上，还存在着D类地址和E类地址。但这两类地址用途比较特殊，在这里只是简单介绍一下：D类地址称为广播地址，供特殊协议向选定的节点发送信息时用；E类地址保留给将来使用。
连接到Internet上的每台计算机，不论其IP地址属于哪类，都与网络中的其他计算机处于平等地位，因为只有IP地址才是区别计算机的唯一标识。所以，以上IP地址的分类只适用于网络分类。
在Internet中，一台计算机可以有一个或多个IP地址，就像一个人可以有多个通信地址一样，但两台或多台计算机却不能共用一个IP地址。如果有两台计算机的IP地址相同，则会引起异常现象，无论哪台计算机都将无法正常工作。
4. ATM寻址
需要ATM地址来支持通过ATM网络使用交换式虚拟连接（SVC）。在最简单的层中，ATM地址的长度是20字节并分为3个不同的部分。
（1）网络前缀
前面的13字节标识网络中特定交换机所在的位置。这部分地址的使用情况根据其地址格式的不同会有很大变化。3个标准ATM寻址方案中的每一个都提供不同的ATM交换机位置的信息。这些方案包括数据国家（地区）代码（DCC）格式、国际代码标识符（ICD）格式，以及ITU-T对于在宽带 ISDN 网络中使用国际电话编码而建议的E.164格式。
（2）适配器媒体访问控制地址
接下来的6字节标识一个物理端点，例如，特定的ATM网卡，它使用制造商为ATM硬件物理指派的介质访问控制层地址。ATM硬件介质访问控制地址的使用和指派，与以太网、令牌环及其他IEEE 802.x技术中的该寻址方法相同。
（3）选择器（SEL）
最后一个字节用来在物理ATM适配器上选择一个逻辑连接端点。尽管所有ATM地址都是这种基本的3段结构，但是前面13字节的格式有很大差别，这种差别取决于寻址格式或该ATM网络是用于公用还是专用的。
1.4.3 数据通信交换方式
两个异地终端之间若要进行数据通信时，我们可以建立专用线路把两终端连接起来即可。如果一个终端要与多个终端进行通信，终端间都照此办理，那么进出一个终端的线路将会太多。如图1-27所示的6个终端间进行数据通信，就需要15条线路（全连方式）。这样的结果，一是线路利用率太低，因为终端之间通信的业务量总是不均匀的，一天内只有部分时间较忙，其余时间将会闲着不用；二是不经济，终端与终端都需线路直接连接，线路数量多，投资大。
图1-27 6个终端之间的连接（全连接方式）
解决的办法是将各地的终端连至一个交换设备上，该交换设备能按用户的要求将需要进行数据通信的终端连接起来完成信息的交换任务，如图1-28所示。
图1-28 信息交换示意图
在信息传输方面，由于数据通信网与电话通信网相比，有它自己的特点（实时性要求不如电话通信网那样高），因而，在数据通信网中引入一些特殊的交换方式。
目前，数据通信网中可采用的信息的交换方式有以下3类：
• 分组交换方式（Packet Switching）；
• 电路交换方式（Circuit Switching）；
• 报文交换方式（Message Switching）。
1. 电路交换
电路交换方式能为任一个入网的数据通信用户提供一条临时的专用的物理信道（又称电路），这条物理信道是由通路上各节点内部在空间（布线接续）或时间上（时隙互换）完成信道接续而构成的，这为信源的DTE与信宿的DTE之间建立一条信道。在信息传输期间，该信道为一对DTE用户所占用，通信结束才释放该信道。
实现电路交换的主要设备是具有电路交换功能的交换机，它由电路交换部分和控制部分组成。电路交换部分实现主、被叫用户的连接，构成数据传输信道；控制部分的主要功能是根据主叫用户的选线信号控制交换网络完成接续。
数据的电路交换过程与目前公用电话交换网的电话交换的过程是相类似的。当用户要求发送数据时，向本交换局呼叫，在得到应答信号后，主叫用户发送被叫用户号码或地址；本地交换局根据被叫用户号码确定被叫用户属于哪一个局的管辖范围，并随之确定传输路由；如果被叫用户属于其他交换局，则将有关号码经局间中继线传送给被叫用户所在局，并呼叫被叫用户，从而在主、被叫用户间建立起一条固定的通信链路。通信结束时，当其中一用户表示通信完毕需要拆线时，则该链路上的各交换机将本次通信所占用的设备和通信链路（电路）释放，以供后续的用户呼叫用。
电路交换技术的优缺点及其特点如下。
（1）优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。
（2）缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费：在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。
（3）特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于突发式的通信，电路交换效率不高。
2. 报文交换
为了克服电路交换方式中电路利用率低等方面的缺点，人们发展了报文交换方式，也称为信息交换方式。在这种交换方式中，收、发用户之间不存在直接的物理信道，因此用户之间不需要先建立呼叫，也不存在拆线过程。它是将用户报文存储在交换机的存储器中（内存或外存），当所需要输出的电路空闲时，再将该报文发向接收交换机和用户终端。因此，报文交换系统又称“存储－转发”系统。它的原理框图如图1-29所示。
图1-29 报文交换方式原理框图
报文交换的特点、优点和缺点如下。
特点：
（1）报文从源点传送到目的地采用“存储-转发”方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道；
（2）在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。
优点：
（1）电路利用率高，由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低；
（2）在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫，而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加；
（3）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点；
（4）报文交换网络可以进行速度和代码的转换。
缺点：
（1）不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定；
（2）有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。
3. 分组交换
随着计算机的广泛应用，对数据交换提出了更高的要求。首先，能够适应不同速率的数据交换，以满足不同用户的需要；其次，接续速度应该能尽量快；再次，网络时延要小，能适应用户交互通信的要求；最后，具有适应数据用户特性变化的能力，如多样化的数据终端和多样化的数据业务。
电路交换接续快、网络时延小、线路利用率低，不利于实现不同类型的、不同速率的数据终端设备之间的相互通信，而报文交换信息传输时延又太大，不满足许多数据通信系统的交互性的要求。而分组交换技术较好地解决了这些矛盾。
分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据分成一定长度的包（分组）。在每个包（分组）的前面加一个分组头（标题），其中的地址标志指明该分组发往何处，然后由分组交换机根据每个分组的地址标志，将它们转发至目的地，这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。
分组交换是用分组来传输和交换信息的。每个分组最前面有3～10字节（八比特组）作为填写接收地址和控制信息的分组头。分组头后面是用户数据，其长度一般是固定的。当发送长报文时，需将该报文划分成多个分组。
图1-30表示一份长报文的分组过程，这里的报文被分成3个分组，每个分组中的FCS表示用于分组差错控制的检验序列。其中，F表示帧标志序列，A表示地址字段，C表示控制字段。分组是交换处理和传送处理的对象。
接入分组交换网的用户终端设备有两类：一类是分组型终端，它能按照分组格式收、发信息；另一类是一般终端，它只能按照传统的报文格式收、发数据信息。
由于在分组网内配备有分组装拆功能的分组装拆设备（PAD），从而可使不同类型的用户终端互通。
图1-30 分组的组合与分解
分组交换网的工作原理如图1-31所示。图中假设有3个交换中心（又称为交换节点），分设有分组交换机1、2、3；A、B、C、D为4个数据通信用户，A、D为一般终端，B、C为分组型终端。A、B分别向C、D传送数据。A的数据C经交换机1的PAD组装成两个分组C1和C2，然后经由分组交换机1、2之间的传输通路及分组交换机1、3和3、2之间的传输通路分别将C1、C2数据传送到终端C。由于C为分组型终端，C1、C2分组可由终端C直接接收。B的分组数据3、2、1经由分组交换机3、2之间的传输通路传送到终端D。D终端为一般终端，它不能直接接收分组数据，因而数据到交换机之后，要经分组装拆设备恢复成一般报文，然后再传送到终端D。
图1-31 分组交换网工作原理
由图1-31可以看出，在两个用户之间存在多个路由的情况下，一份报文的多个分组可各自在不同的路由上传输。所以，分组交换网可以并行传输报文，而电路交换网和报文交换网只能串行传输报文。
分组交换方式的分组长度短，具有统一的格式，因而便于交换机存储（可以只用内存储器）和处理。所以，与报文交换方式相比，其信息传输延迟时间大大缩短。
分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。
（1）虚电路分组交换原理与特点
在虚电路分组交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。每个分组除了包含数据之外，还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。最后，由某一个站用清除请求分组来结束这次连接。它之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的。
虚电路分组交换的主要特点是：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。
（2）数据报分组交换原理与特点
在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一节点。由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢失。整个过程中，没有虚电路建立，但要为每个数据报做路由选择。
分组交换方式适合于具有中等数据量而且数据通信用户比较分散的场合。
习题
1. 数据通信网有哪些拓扑结构？
2. 数据通信网基本组成有什么，有哪些数据通信网络？
3. 数据传输方式有哪些？有哪些传输介质？
4. 有哪些数据同步方式？
5. 什么是多路复用？有哪几类复用技术？
6. 请描述OSI参考模型和数据封装过程。
7. IGP有哪些基本协议？
8. 什么是面向连接和面向无连接？
9. IPv4地址有几类？
10. 数据通信有哪些交换方式？