计算机网络数据交换技术及其应用探析

马彩霞

摘要：文章主要探究计算机网络数据交换技术及其应用，分析其基本原理、基本类型、注意事项及主要应用方式。研究结果显示，数据交换技术基于划分数据传输单位并利用网络设备进行交换和路由选择，实现高效、可靠的数据传输和交换。常见的数据交换技术包括电路交换、报文交换、分组交换和帧中继。在应用数据交换技术时，需注意数据包大小和分片、路由选择和拥塞控制、错误检测和纠正、网络安全以及时延和带宽要求。数据交换技术广泛应用于数据中心、互联网、无线通信、传感器网络和物联网等领域。研究为实际应用场景中的网络设计和优化提供了重要依据。

关键词：计算机网络；数据交换；技术探究

中图分类号：TP393      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）36-0070-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

计算机网络已经成为现代社会中不可或缺的一部分，其发展对于现代社会的各个领域来说具有十分重要的意义。本文旨在通过对计算机网络中的数据交换技术进行深入研究，探讨其应用方式，以期帮助读者更好地了解数据交换技术的基本原理、基本类型和基本应用路径。其中，通过分析通信协议和数据交换协议的功能和特点，理解数据交换技术的基本原理。通过对这两种基本类型的数据交换技术的特点，把握数据交换技术的基本类型。并强调数据交换技术的注意事项。最后，通过对技术应用场景的分析，更好掌握数据交换技术在现代社会中的重要地位和作用。

1 计算机网络中的数据交换技术基本原理

数据交换技术是指在计算机网络中，通过一些具体的技术手段，实现数据在网络中的传输、整合和加工，从而实现信息的有效交换。信息传输依靠多条线路的转折与配合，在单一通信线路的帮助下不能实现复杂的信息交换。而数据交换技术的出现，使任意一条信息在庞大的计算机网络中的传递都可能通过无数信息节点的帮助，被分解为可理解的原型数据，再通过不同节点的传输而形成信息传输链，最终呈现数据交换的样式[1]。计算机网络中的数据交换技术涉及以下几个方面。

一是数据交换协议，数据交换协议是指各种计算机系统对数据交换的标准化定义。不同的计算机系统或应用程序之间，在采用同一种协议进行数据交换的情况下，可以避免因为数据格式不兼容而导致的信息传输问题。二是数据交换方式，数据交换方式是指不同计算机之间数据交换的方式，目前主要有电路交换技术、报文交换技术、分组交换技术等方式（如图1所示）。三是数据交换设备，数据交换设备包括路由器、交换机、网桥等。这些设备能够帮助数据进行分组、路由、交换等操作，使传输效率更高。四是数据交换协议栈，数据交换协议栈可以理解为计算机网络中协议的层次化结构，其中每一层都对应着不同的协议。每一层协议都负责不同的任务，从物理层到应用层，逐层处理数据，最终实现数据的传输和交换。在计算机网络中，不同的数据交换技术可以互相协作，共同实现数据的传输和交换。

2 计算机网络中的数据交换技术基本类型

2.1电路交换技术

电路交换基于电路交换节点和电路交换控制器的组合工作原理，用于在通信实体之间建立一条可靠的点对点通信链路。其中，传输速率=链路速率或比特率/数，时隙数 = R/h bps，传输时间 = 文件大小/传输速率 = x / （R/h） = （x×h）/R，总时间 = 传输时间 + 电路建立时间 = （x×h）/R secs + k secs。当通信实体A要与实体B进行通信时，首先要建立一条专用的物理通路，该通路被A和B独占使用。建立通路的过程通常包括握手、拨号等操作。一旦通路建立完成，A和B之间的数据可以按照一定的顺序进行传输。数据传输过程中，通路是持续连接的，直到通信结束或手动断开连接。数据传输完成后，通路可以被释放，以便其他实体使用。电路交换技术在传统的电话通信中得到广泛应用，电话交换机就是一个典型的电路交换设备。在电话通信中，用户拨号建立通路后进行通话，直到挂断电话时通路才被释放，其间的通话内容被传输。电路交换技术适用于需要实时连接和连续传输的应用场景，如电话通信、视频会议等[2]。其缺点也很明显，一是低效性，通信双方并没有在通信中传输数据，通路也会一直被占用，导致资源浪费。二是不够灵活，电路交换技术只能用于点对点通信，不能同时与多个实体进行通信。三是安全性差，容易被窃听。

2.2报文交换技术

在报文交换技术中，数据被划分成较大的报文单元，每个报文单元包含目标地址、源地址和报文内容等信息。报文被整体传输，而不需要分割和重新组装。报文交换技术的工作原理是，当通信实体A要向实体B发送数据时，A将数据划分为报文，并给每个报文添加目的地址和源地址等信息。然后，A将报文发送到网络中的报文交换节点，该节点负责接收、存储和转发报文。报文交换节点根据目标地址将报文转发给相应的接收实体，接收实体收到报文后根据源地址进行处理。在整个传输过程中，报文需要经过多个中间节点的存储和转发，以到达目的地。这种存储转发的方式保证了报文的完整性和顺序性，即报文在传输过程中不需要分段和重新组装。报文交换技术更注重报文的整体性，相对于分组交换而言，通常需要更多的存储和处理开销。然而，报文交换技术也存在一些局限和缺点。首先，由于整个报文需要存储在节点中，因此报文交换需要较大的存储资源。其次，报文交换的传输延迟较高，因为整个报文需要传输完成后才能进行处理。另外，报文交换技术不适用于实时交互和流式传输的应用[3]。

2.3分组交换技术

计算机网络中的分组交换技术是一种数据交换方式，它将数据划分成较小的数据包（分组），每个分组独立传输和交换。在分组交换技术中，数据被分割成固定大小的数据包，并在网络中根据目标地址进行独立的传输（如图2所示）。当通信实体A需要向实体B发送数据时，A将数据划分为一系列大小固定的数据包。每个数据包都被赋予目的地址和源地址等信息，以便在网络中进行正确的路由。然后，A将数据包发送到网络中，数据包通过不同的网络节点进行传输和交换，直到到达目标实体B。在分组交换过程中，数据包可以独立传输和交换，不需要像报文交换那样保持整体性。每个数据包独立选择最佳路径进行传输，网络节点根据目标地址进行路由和转发[4]。用公式表示为：T = M/R+（h-1）L/R = M/R+nL/R，其中，M表示报文，R表示数据传输速率，L表示分组大小，h表示跳步数，n表示路由器数。这种存储转发的方式可以灵活地分配网络资源，提高网络的利用率和传输效率。但是，分组交换需要在每个数据包中添加一些額外的控制信息，增加了传输开销。其次，分组交换的传输过程中可能会发生丢包、延时等问题，需要使用一些技术手段来处理。另外，分组交换技术对网络的拥塞控制和流量管理要求较高。

2.4帧中继技术

在帧中继技术中，数据被划分为固定大小的帧，每个帧包含目标地址、源地址和帧内容等信息。帧中继网络提供了一种虚拟的点对点连接，用户可以通过这种连接向远程站点传输数据。帧中继网络使用虚拟通道来标识和区分不同的通信流量（如图3所示）。当用户A要向用户B发送数据时，A将数据划分为一系列帧，并给每个帧添加目的地址和源地址等信息。然后，A的数据被封装成帧并发送到帧中继网络。网络中的帧中继交换机根据目标地址将帧转发给相应的接收用户B。帧中继技术提供了高带宽和低延迟的传输性能，适合于传输大量实时数据和多媒体内容。其次，帧中继技术采用虚拟通道来管理网络资源，提高了网络的可靠性和利用率。此外，帧中继网络可以支持不同速率和协议的接入，适应不同用户的需求。但是，帧中继技术也存在一些限制和缺点。首先，帧中继网络是基于物理线路和专用交换设备构建的，部署和维护成本较高。其次，帧中继技术对网络拓扑和链路质量要求较高，不适用于大规模和分布式的网络环境。另外，帧中继技术对于实时交互和流式传输的需求支持相对较弱。

3 计算机网络中的数据交换技术注意事项

3.1数据包大小和分片

数据交换技术中的数据包大小对传输效率和延迟具有重要影响。过大的数据包可能会导致网络拥塞和传输延迟增加，而过小的数据包会增加包头开销。因此，在选择数据包大小时需要平衡各方面的需求，并根据网络环境进行调整。另外，当数据包过大时，需要进行分片处理，将数据包划分为更小的片段以适应网络传输[5]。

3.2路由选择和拥塞控制

数据交换技术中，路由选择对网络性能和传输质量至关重要。采用适当的路由算法可以实现最佳路径选择，减少延迟和丢包。此外，拥塞控制也是保证网络稳定性的关键因素，通过对网络流量进行调整，避免拥塞情况的发生。

3.3错误检测和纠正

在数据交换过程中，数据包可能会受到噪声、干扰或传输错误等因素的影响，导致数据包损坏。因此，需要在数据包中添加差错检测和纠正的机制，例如使用循环冗余校验（CRC）或前向纠错码（FEC）等技术来保证数据包的可靠传输。

3.4网络安全

数据交换技术中，网络安全和隔离是非常重要的方面。通过使用加密、认证、访问控制等安全机制，可以保护数据的机密性和完整性，防止未经授权的访问和信息泄露。此外，还需要注意隔离不同用户或应用之间的数据和流量，以确保网络资源的合理分配和保持网络的稳定性。

3.5时延和带宽要求

不同应用和服务对时延和带宽的要求各不相同。在应用数据交换技术时，需要根据具体的应用需求和网络环境来评估和调整时延和带宽要求。同时，还需要根据实际情况考虑网络的扩展性和容量规划，以满足未来的增长需求。另外，数据交换技术需要提供一定的服务质量保证，以满足不同应用和用户对服务质量的需求。通过配置和管理网络设备、使用流量调度算法和进行带宽管理等方式，可以实现对不同应用流量的优先级、带宽和延迟的控制。

4 计算机网络中的数据交换技术主要应用

数据中心是承载云计算、大数据处理和在线服务等重要任务的核心。数据中心需要高效、可靠的数据交换技术来连接服务器、存储设备和网络交换机等设备。以太网交换、InfiniBand和光纤通道等技术广泛应用于数据中心，以满足大规模数据传输和处理的需求。其次，互联网是连接全球各个计算机网络的网络，需要可靠、高效的数据交换技术来实现全球范围内的数据传输。互联网的核心数据交换技术是分组交换，其中IP协议是互联网中常用的网络层协议。通过路由选择和拥塞控制等技术，实现数据在互联网中的有效传输和交换。无线通信网络包括移动通信网络和无线局域网等，需要数据交换技术来支持移动设备之间的无线数据传输。无线通信网络使用的主要数据交换技术包括无线局域网、蜂窝网络和卫星通信等。这些技术通过分配无线信道、实现数据包的转发和路由选择，支持无线设备之间的数据交换。传感器网络是由大量低功耗传感器节点组成的网络，用于收集环境中各种物理量的数据。传感器网络中的数据交换技术需要满足低功耗、低带宽和低成本等特点。常用的技术包括低功耗无线通信协议（如Zigbee、LoRa）、无线多跳网络和自组织网络等。另外，物联网是将各种物理设备和传感器连接到互联网的网络，实现设备之间的数据交换和通信。物联网使用的数据交换技术需要满足大规模连接、智能化和安全性等需求。包括IPv6、低功耗广域网（LPWAN）和物联网协议等技术，用于实现设备的互联和数据的交换[6]。

5 结束语

综上所述，数据交换技术作为计算机网络中的核心技术之一，不仅在数据中心建设、无线通信、传感器网络等领域发挥着关键作用，也在社交媒体、移动通信和智能家居等领域中具有重要地位。但是，也应该意识到数据交换技术所面临的挑战和问题。随着互联网的普及和数据的快速增长，网络安全、数据隐私和资源管理等方面的挑战也随之增加。因此，研究人员要进一步加强对数据交换技术的研究和创新，提高网络安全性和数据隐私保护的能力。

参考文献：

[1] 刘文杰，金欢.计算机网络中的数据通信交换技术核心思路[J].科技创新与应用，2020（31）：146-147.

[2] 于磊，王银玲.计算机网络数据交换技术[J].信息与电脑（理论版），2017（4）：175-176.

[3] 顾勤丰.计算机网络中的通信数据交换技术探讨[J].信息与电脑（理论版），2022，34（7）：225-227.

[4] 孙远远.计算机网络数据通信交换技术分析[J].电子技术，2023，52（7）：374-375.

[5] 郭嘉童.计算机网络中的数据交换技术研究[J].科技风，2023（27）：1-3.

[6] 程發友.基于计算机网络数据交换技术研究[J].山东农业工程学院学报，2016，33（10）：140-141.

【通联编辑：光文玲】