計算機網絡數(shù)據(jù)交換技術及其應用探析

馬彩霞

摘要：文章主要探究計算機網絡數(shù)據(jù)交換技術及其應用，分析其基本原理、基本類型、注意事項及主要應用方式。研究結果顯示，數(shù)據(jù)交換技術基于劃分數(shù)據(jù)傳輸單位并利用網絡設備進行交換和路由選擇，實現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和交換。常見的數(shù)據(jù)交換技術包括電路交換、報文交換、分組交換和幀中繼。在應用數(shù)據(jù)交換技術時，需注意數(shù)據(jù)包大小和分片、路由選擇和擁塞控制、錯誤檢測和糾正、網絡安全以及時延和帶寬要求。數(shù)據(jù)交換技術廣泛應用于數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網、無線通信、傳感器網絡和物聯(lián)網等領域。研究為實際應用場景中的網絡設計和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

關鍵詞：計算機網絡；數(shù)據(jù)交換；技術探究

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0070-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

計算機網絡已經成為現(xiàn)代社會中不可或缺的一部分，其發(fā)展對于現(xiàn)代社會的各個領域來說具有十分重要的意義。本文旨在通過對計算機網絡中的數(shù)據(jù)交換技術進行深入研究，探討其應用方式，以期幫助讀者更好地了解數(shù)據(jù)交換技術的基本原理、基本類型和基本應用路徑。其中，通過分析通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交換協(xié)議的功能和特點，理解數(shù)據(jù)交換技術的基本原理。通過對這兩種基本類型的數(shù)據(jù)交換技術的特點，把握數(shù)據(jù)交換技術的基本類型。并強調數(shù)據(jù)交換技術的注意事項。最后，通過對技術應用場景的分析，更好掌握數(shù)據(jù)交換技術在現(xiàn)代社會中的重要地位和作用。

1 計算機網絡中的數(shù)據(jù)交換技術基本原理

數(shù)據(jù)交換技術是指在計算機網絡中，通過一些具體的技術手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網絡中的傳輸、整合和加工，從而實現(xiàn)信息的有效交換。信息傳輸依靠多條線路的轉折與配合，在單一通信線路的幫助下不能實現(xiàn)復雜的信息交換。而數(shù)據(jù)交換技術的出現(xiàn)，使任意一條信息在龐大的計算機網絡中的傳遞都可能通過無數(shù)信息節(jié)點的幫助，被分解為可理解的原型數(shù)據(jù)，再通過不同節(jié)點的傳輸而形成信息傳輸鏈，最終呈現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的樣式[1]。計算機網絡中的數(shù)據(jù)交換技術涉及以下幾個方面。

一是數(shù)據(jù)交換協(xié)議，數(shù)據(jù)交換協(xié)議是指各種計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)交換的標準化定義。不同的計算機系統(tǒng)或應用程序之間，在采用同一種協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換的情況下，可以避免因為數(shù)據(jù)格式不兼容而導致的信息傳輸問題。二是數(shù)據(jù)交換方式，數(shù)據(jù)交換方式是指不同計算機之間數(shù)據(jù)交換的方式，目前主要有電路交換技術、報文交換技術、分組交換技術等方式（如圖1所示）。三是數(shù)據(jù)交換設備，數(shù)據(jù)交換設備包括路由器、交換機、網橋等。這些設備能夠幫助數(shù)據(jù)進行分組、路由、交換等操作，使傳輸效率更高。四是數(shù)據(jù)交換協(xié)議棧，數(shù)據(jù)交換協(xié)議棧可以理解為計算機網絡中協(xié)議的層次化結構，其中每一層都對應著不同的協(xié)議。每一層協(xié)議都負責不同的任務，從物理層到應用層，逐層處理數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換。在計算機網絡中，不同的數(shù)據(jù)交換技術可以互相協(xié)作，共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交換。

2 計算機網絡中的數(shù)據(jù)交換技術基本類型

2.1電路交換技術

電路交換基于電路交換節(jié)點和電路交換控制器的組合工作原理，用于在通信實體之間建立一條可靠的點對點通信鏈路。其中，傳輸速率=鏈路速率或比特率/數(shù)，時隙數(shù) = R/h bps，傳輸時間 = 文件大小/傳輸速率 = x / （R/h） = （x×h）/R，總時間 = 傳輸時間 + 電路建立時間 = （x×h）/R secs + k secs。當通信實體A要與實體B進行通信時，首先要建立一條專用的物理通路，該通路被A和B獨占使用。建立通路的過程通常包括握手、撥號等操作。一旦通路建立完成，A和B之間的數(shù)據(jù)可以按照一定的順序進行傳輸。數(shù)據(jù)傳輸過程中，通路是持續(xù)連接的，直到通信結束或手動斷開連接。數(shù)據(jù)傳輸完成后，通路可以被釋放，以便其他實體使用。電路交換技術在傳統(tǒng)的電話通信中得到廣泛應用，電話交換機就是一個典型的電路交換設備。在電話通信中，用戶撥號建立通路后進行通話，直到掛斷電話時通路才被釋放，其間的通話內容被傳輸。電路交換技術適用于需要實時連接和連續(xù)傳輸?shù)膽脠鼍埃珉娫捦ㄐ?、視頻會議等[2]。其缺點也很明顯，一是低效性，通信雙方并沒有在通信中傳輸數(shù)據(jù)，通路也會一直被占用，導致資源浪費。二是不夠靈活，電路交換技術只能用于點對點通信，不能同時與多個實體進行通信。三是安全性差，容易被竊聽。

2.2報文交換技術

在報文交換技術中，數(shù)據(jù)被劃分成較大的報文單元，每個報文單元包含目標地址、源地址和報文內容等信息。報文被整體傳輸，而不需要分割和重新組裝。報文交換技術的工作原理是，當通信實體A要向實體B發(fā)送數(shù)據(jù)時，A將數(shù)據(jù)劃分為報文，并給每個報文添加目的地址和源地址等信息。然后，A將報文發(fā)送到網絡中的報文交換節(jié)點，該節(jié)點負責接收、存儲和轉發(fā)報文。報文交換節(jié)點根據(jù)目標地址將報文轉發(fā)給相應的接收實體，接收實體收到報文后根據(jù)源地址進行處理。在整個傳輸過程中，報文需要經過多個中間節(jié)點的存儲和轉發(fā)，以到達目的地。這種存儲轉發(fā)的方式保證了報文的完整性和順序性，即報文在傳輸過程中不需要分段和重新組裝。報文交換技術更注重報文的整體性，相對于分組交換而言，通常需要更多的存儲和處理開銷。然而，報文交換技術也存在一些局限和缺點。首先，由于整個報文需要存儲在節(jié)點中，因此報文交換需要較大的存儲資源。其次，報文交換的傳輸延遲較高，因為整個報文需要傳輸完成后才能進行處理。另外，報文交換技術不適用于實時交互和流式傳輸?shù)膽肹3]。

2.3分組交換技術

計算機網絡中的分組交換技術是一種數(shù)據(jù)交換方式，它將數(shù)據(jù)劃分成較小的數(shù)據(jù)包（分組），每個分組獨立傳輸和交換。在分組交換技術中，數(shù)據(jù)被分割成固定大小的數(shù)據(jù)包，并在網絡中根據(jù)目標地址進行獨立的傳輸（如圖2所示）。當通信實體A需要向實體B發(fā)送數(shù)據(jù)時，A將數(shù)據(jù)劃分為一系列大小固定的數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包都被賦予目的地址和源地址等信息，以便在網絡中進行正確的路由。然后，A將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網絡中，數(shù)據(jù)包通過不同的網絡節(jié)點進行傳輸和交換，直到到達目標實體B。在分組交換過程中，數(shù)據(jù)包可以獨立傳輸和交換，不需要像報文交換那樣保持整體性。每個數(shù)據(jù)包獨立選擇最佳路徑進行傳輸，網絡節(jié)點根據(jù)目標地址進行路由和轉發(fā)[4]。用公式表示為：T = M/R+（h-1）L/R = M/R+nL/R，其中，M表示報文，R表示數(shù)據(jù)傳輸速率，L表示分組大小，h表示跳步數(shù)，n表示路由器數(shù)。這種存儲轉發(fā)的方式可以靈活地分配網絡資源，提高網絡的利用率和傳輸效率。但是，分組交換需要在每個數(shù)據(jù)包中添加一些額外的控制信息，增加了傳輸開銷。其次，分組交換的傳輸過程中可能會發(fā)生丟包、延時等問題，需要使用一些技術手段來處理。另外，分組交換技術對網絡的擁塞控制和流量管理要求較高。

2.4幀中繼技術

在幀中繼技術中，數(shù)據(jù)被劃分為固定大小的幀，每個幀包含目標地址、源地址和幀內容等信息。幀中繼網絡提供了一種虛擬的點對點連接，用戶可以通過這種連接向遠程站點傳輸數(shù)據(jù)。幀中繼網絡使用虛擬通道來標識和區(qū)分不同的通信流量（如圖3所示）。當用戶A要向用戶B發(fā)送數(shù)據(jù)時，A將數(shù)據(jù)劃分為一系列幀，并給每個幀添加目的地址和源地址等信息。然后，A的數(shù)據(jù)被封裝成幀并發(fā)送到幀中繼網絡。網絡中的幀中繼交換機根據(jù)目標地址將幀轉發(fā)給相應的接收用戶B。幀中繼技術提供了高帶寬和低延遲的傳輸性能，適合于傳輸大量實時數(shù)據(jù)和多媒體內容。其次，幀中繼技術采用虛擬通道來管理網絡資源，提高了網絡的可靠性和利用率。此外，幀中繼網絡可以支持不同速率和協(xié)議的接入，適應不同用戶的需求。但是，幀中繼技術也存在一些限制和缺點。首先，幀中繼網絡是基于物理線路和專用交換設備構建的，部署和維護成本較高。其次，幀中繼技術對網絡拓撲和鏈路質量要求較高，不適用于大規(guī)模和分布式的網絡環(huán)境。另外，幀中繼技術對于實時交互和流式傳輸?shù)男枨笾С窒鄬^弱。

3 計算機網絡中的數(shù)據(jù)交換技術注意事項

3.1數(shù)據(jù)包大小和分片

數(shù)據(jù)交換技術中的數(shù)據(jù)包大小對傳輸效率和延遲具有重要影響。過大的數(shù)據(jù)包可能會導致網絡擁塞和傳輸延遲增加，而過小的數(shù)據(jù)包會增加包頭開銷。因此，在選擇數(shù)據(jù)包大小時需要平衡各方面的需求，并根據(jù)網絡環(huán)境進行調整。另外，當數(shù)據(jù)包過大時，需要進行分片處理，將數(shù)據(jù)包劃分為更小的片段以適應網絡傳輸[5]。

3.2路由選擇和擁塞控制

數(shù)據(jù)交換技術中，路由選擇對網絡性能和傳輸質量至關重要。采用適當?shù)穆酚伤惴梢詫崿F(xiàn)最佳路徑選擇，減少延遲和丟包。此外，擁塞控制也是保證網絡穩(wěn)定性的關鍵因素，通過對網絡流量進行調整，避免擁塞情況的發(fā)生。

3.3錯誤檢測和糾正

在數(shù)據(jù)交換過程中，數(shù)據(jù)包可能會受到噪聲、干擾或傳輸錯誤等因素的影響，導致數(shù)據(jù)包損壞。因此，需要在數(shù)據(jù)包中添加差錯檢測和糾正的機制，例如使用循環(huán)冗余校驗（CRC）或前向糾錯碼（FEC）等技術來保證數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。

3.4網絡安全

數(shù)據(jù)交換技術中，網絡安全和隔離是非常重要的方面。通過使用加密、認證、訪問控制等安全機制，可以保護數(shù)據(jù)的機密性和完整性，防止未經授權的訪問和信息泄露。此外，還需要注意隔離不同用戶或應用之間的數(shù)據(jù)和流量，以確保網絡資源的合理分配和保持網絡的穩(wěn)定性。

3.5時延和帶寬要求

不同應用和服務對時延和帶寬的要求各不相同。在應用數(shù)據(jù)交換技術時，需要根據(jù)具體的應用需求和網絡環(huán)境來評估和調整時延和帶寬要求。同時，還需要根據(jù)實際情況考慮網絡的擴展性和容量規(guī)劃，以滿足未來的增長需求。另外，數(shù)據(jù)交換技術需要提供一定的服務質量保證，以滿足不同應用和用戶對服務質量的需求。通過配置和管理網絡設備、使用流量調度算法和進行帶寬管理等方式，可以實現(xiàn)對不同應用流量的優(yōu)先級、帶寬和延遲的控制。

4 計算機網絡中的數(shù)據(jù)交換技術主要應用

數(shù)據(jù)中心是承載云計算、大數(shù)據(jù)處理和在線服務等重要任務的核心。數(shù)據(jù)中心需要高效、可靠的數(shù)據(jù)交換技術來連接服務器、存儲設備和網絡交換機等設備。以太網交換、InfiniBand和光纖通道等技術廣泛應用于數(shù)據(jù)中心，以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和處理的需求。其次，互聯(lián)網是連接全球各個計算機網絡的網絡，需要可靠、高效的數(shù)據(jù)交換技術來實現(xiàn)全球范圍內的數(shù)據(jù)傳輸?；ヂ?lián)網的核心數(shù)據(jù)交換技術是分組交換，其中IP協(xié)議是互聯(lián)網中常用的網絡層協(xié)議。通過路由選擇和擁塞控制等技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在互聯(lián)網中的有效傳輸和交換。無線通信網絡包括移動通信網絡和無線局域網等，需要數(shù)據(jù)交換技術來支持移動設備之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。無線通信網絡使用的主要數(shù)據(jù)交換技術包括無線局域網、蜂窩網絡和衛(wèi)星通信等。這些技術通過分配無線信道、實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的轉發(fā)和路由選擇，支持無線設備之間的數(shù)據(jù)交換。傳感器網絡是由大量低功耗傳感器節(jié)點組成的網絡，用于收集環(huán)境中各種物理量的數(shù)據(jù)。傳感器網絡中的數(shù)據(jù)交換技術需要滿足低功耗、低帶寬和低成本等特點。常用的技術包括低功耗無線通信協(xié)議（如Zigbee、LoRa）、無線多跳網絡和自組織網絡等。另外，物聯(lián)網是將各種物理設備和傳感器連接到互聯(lián)網的網絡，實現(xiàn)設備之間的數(shù)據(jù)交換和通信。物聯(lián)網使用的數(shù)據(jù)交換技術需要滿足大規(guī)模連接、智能化和安全性等需求。包括IPv6、低功耗廣域網（LPWAN）和物聯(lián)網協(xié)議等技術，用于實現(xiàn)設備的互聯(lián)和數(shù)據(jù)的交換[6]。

5 結束語

綜上所述，數(shù)據(jù)交換技術作為計算機網絡中的核心技術之一，不僅在數(shù)據(jù)中心建設、無線通信、傳感器網絡等領域發(fā)揮著關鍵作用，也在社交媒體、移動通信和智能家居等領域中具有重要地位。但是，也應該意識到數(shù)據(jù)交換技術所面臨的挑戰(zhàn)和問題。隨著互聯(lián)網的普及和數(shù)據(jù)的快速增長，網絡安全、數(shù)據(jù)隱私和資源管理等方面的挑戰(zhàn)也隨之增加。因此，研究人員要進一步加強對數(shù)據(jù)交換技術的研究和創(chuàng)新，提高網絡安全性和數(shù)據(jù)隱私保護的能力。

參考文獻：

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[6] 程發(fā)友.基于計算機網絡數(shù)據(jù)交換技術研究[J].山東農業(yè)工程學院學報，2016，33（10）：140-141.

【通聯(lián)編輯：光文玲】