2、数据交换技术详解

第一章引论1.1计算机网络发展简史A)名词解释：（1）计算机网络：地理上分散的多台独立自主的计算机遵循规定的通讯协议，通过软、硬件互连以实现交互通信、资源共享、信息交换、协同工作以及在线处理等功能的系统。

（注解：此条信息分为系统构成+5个系统功能）。

（2）计算机网络发展的3个时代-----第一个时代：1946年美国第一台计算机诞生；第二个时代：20世纪80年代，微机的出现；第三个时代：计算机网络的诞生以及应用。

（3）Internet的前身：即1969年美国国防部的高级计划局(DARPA)建立的全世界第一个分组交换网Arparnet。

（4）分组交换：是一种存储转发交换方式，它将要传送的报文分割成许多具有同一格式的分组，并以此为传输的基本单元一一进行存储转发。

（5）分组交换方式与传统电信网采用的电路交换方式的长处所在：线路利用率高、可进行数据速率的转换、不易引起堵塞以及具有优先权使用等优点。

（6）以太网：1976年美国Xerox公司开发的机遇载波监听多路访问\冲突检测（CSMA/CD）原理的、用同轴电缆连接多台计算机的局域网络。

（7）INTERNET发展的三个阶段：第一阶段----1969年INTERNET的前身ARPANET 的诞生到1983年，这是研究试验阶段，主要进行网络技术的研究和试验；从1983年到1994年是INTERNET的实用阶段，主要作为教学、科研和通信的学术网络；1994年之后，开始进入INTERNET的商业化阶段。

（8）ICCC：国际计算机通信会议（9）CCITT：国际电报电话咨询委员会（10）ISO：国际标准化组织（11）OSI网络体系结构：开放系统互连参考模型1.2计算机网络分类（1）网络分类方式：a. 按地域范围：可分为局域网、城域网、广域网b. 按拓补结构：可分为总线、星型、环状、网状c. 按交换方式：电路交换网、分组交换网、帧中继交换网、信元交换网d. 按网络协议：可分为采用TCP/IP,SNA,SPX/IPX,AppleTALK等协议1.3网络体系结构以及协议（1）实体：包括用户应用程序、文件传输包、数据库管理系统、电子邮件设备以及终端等一切能够发送、接收信息的任何东西。

2.2数据互换技术教学目的:规定理解电路互换、报文互换和分组互换技术的概念，工作原理和各自的特点。

教学重难点：1、电路互换技术的工作原理和特点。

2、报文互换技术的工作原理和特点。

3、分组互换技术（虚电路分组互换和数据报分组互换）的工作原理和特点。

4、各种数据互换技术的性能比较。

课题导入：前面我们学习了信号的编码，知道了数字数据的数字信号编码和模拟信号编码以及模拟数据的数字信号编码，那么数据通过编码后在通信线路上进行传输的最简朴形式，是在两个互连的设备之间直接进行数据通信。

但网络中所有的设备并不是两两相连的，而是通过中间节间，而中间结点并不关心所传数据的内容，而是提供一种互换技术，这就是我们今天要学习的新内容。

一、电路互换(Circuit Switching)电路互换(Circuit Switching)是在两个站点之间通过通信子网的结点建立一条专用的通信线路，这些结点通常是一台采用机电与电子技术的互换设备(例如程控互换机)。

也就是说，在两个通信站点之间需要建立实际的物理连接，其典型实例是两台电话之间通过公共电话网络的互连实现通话。

电路互换实现数据通信需通过下列三个环节：一方面是建立连接，即建立端到端(站点到站点)的线路连接；另一方面是数据传送，所传输数据可以是数字数据(如远程终端到计算机)，也可以是模拟数据(如声音)；最后是拆除连接，通常在数据传送完毕后由两个站点之一终止连接。

电路互换的优点是实时性好，但将电话采用的电路互换技术用于传送计算机或远程终端的数据时，会出现下列问题：①用于建立连接的呼喊时间大大长于数据传送时间(这是由于在建立连接的过程中，会涉及一系列硬件开关动作，时间延迟较长，如某段线路被其他站点占用或物理断路，将导致连接失败，并需重新呼喊)；②通信带宽不能充足运用，效率低(这是由于两个站点之间一旦建立起连接，就独自占用实际连通的通信线路，而计算机通信时真正用来传送数据的时间一般不到10%，甚至可低到1%)；③由于不同计算机和远程终端的传输速率不同，因此必须采用一些措施才干实现通信，如不直接连通终端和计算机，而设立数据缓存器等。

数据交换系统技术方案1. 总体方案在数据交换系统中，我们需要实现数据的收集、传输、处理和存储，因此需要设计一个完整的技术方案。

整个系统分为三个部分：数据采集、数据传输和数据处理。

2. 数据采集数据采集是数据交换系统的第一步，需要将各种数据从不同来源收集起来。

数据来源可以是传感器、监控摄像头、网络服务器或文件存储等。

采集到的数据可能是结构化、半结构化或非结构化的。

处理这些数据需要一系列工具和技术，包括：（1）传感器和控制设备：需要选择适合的传感器，如温度、压力、光强传感器等，同时需要控制设备来进行数据采集。

（2）网络协议和接口：为了从网络设备和服务器收集数据，需要掌握各种网络协议和接口，如HTTP、FTP和SNMP等。

（3）数据库和文件系统：需要使用数据库和文件系统来存储收集到的数据，同时还需要知道如何读写数据。

（4）网络拓扑结构：需要了解各种网络拓扑结构，以便选择最适合的数据采集方法。

3. 数据传输数据传输是数据交换系统的第二步，需要将数据从采集设备传输到后续处理设备。

为了实现高效的数据传输，我们需要做以下几点：（1）选择最佳传输协议：传输协议决定了如何将数据从一台设备传输到另一台设备。

不同的协议具有不同的优缺点，需要根据实际需求进行选择。

（2）数据加密和压缩：为了保证数据传输的安全性和效率，需要使用数据加密和压缩技术对数据进行处理。

（3）网络设备配置：网络设备的配置决定了数据传输的速度和质量。

需要对路由器、交换机、网卡等设备进行合理配置。

（4）防火墙和IP地址：防火墙可以防止未经授权的访问，而IP地址则是数据在网络中的唯一标识，需要根据实际需求进行设置。

4. 数据处理数据处理是数据交换系统的最后一步，需要将处理好的数据提供给用户或其他应用使用。

为了实现高效的数据处理，我们需要使用各种技术和工具：（1）数据清洗和转换：数据清洗和转换是将原始数据转换为可用格式的重要步骤。

需要使用ETL技术将数据从不同源头提取、转换和加载到目标数据仓库中。

《数据交换技术》教学设计开课人：涂雨露【教学目标】知识与技能：掌握三种数据交换技术的工作原理、工作特点及用途。

过程与方法：通过学习数据交换技术的过程，能进一步理解数据的传输。

情感态度与价值观：培养学生类比案例、分析问题的能力。

【教学重点】：三种数据交换技术的工作原理。

【教学难点】：比较三种数据交换技术的优缺点。

【教学方法】：讲授法、讨论法、类比法【教学过程】一、创设情境，引入问题1、问题提出假设有一火箭需通过铁路从制造厂运到发射场，现有三种方案：专列专线、专列非专线、非专列非专线，现要求大家一起讨论这三种方案的优劣。

前提条件：假设使用每一线路所需费用均相等。

2、问题分析甲线：专门使用一列火车来运输火箭，并使用专线，其他车次不得占用。

乙线：专门使用一列火车来运输火箭，但不使用专线，该火车按照正常的火车时刻表，服从铁路部门的调度。

如：现按照正常的车次进入第一个站点停靠，听候调度，有合适的火车头和线路才能继续往下一站点，如此循环，直至将火箭运到目的地。

丙线：不使用专门的火车来运输，而是将火箭进行拆分，拆分之后火箭与普通货物一样进行运输。

由于火箭拆分之后可看成与普通货物同等对待，对火车头的依赖较小，可挂靠在任一火车头上。

特点优点缺点甲线速度最快费用最高乙线费用较低速度最慢、对火车头要求较高丙线费用最低、速度较快，对火车头要求低。

运输前后需对火箭进行拆分、复原工作。

（小结：在这三种方案中是通过提高线路的利用率来有效地降低费用的。

）在现实生活中要运输货物，同样，在网络中要传输大量的数据。

网络中的数据是通过什么样的方式来进行传输的呢？下面我们来学习三种网络中数据的传输方式，他们的工作原理和我们刚才讨论的三种运输方案有许多相似的地方，大家在学习的时候可以用来做类比。

二、三种数据交换技术1、电路交换技术（1）介绍工作原理：电路交换技术即为已对需要进行通信的装置之间提供一条临时的专用传输通道。

（引导学生让其与甲线的运输方式进行类比）播放《电路交换技术》动画。

数据交换技术一、数据交换概述在多个数据终端设备（DTE）之间，为任意两个终端设备建立数据通信临时互连通路的过程称为数据交换。

交换技术是在欲进行通信的双方之间建立物理的和逻辑的连接，实现通信双方的信息传输和交换的一种技术。

数据通信网中任一用户与其他用户通信时，在交换中心局进行的接转操作方式。

采用数据交换可有效地利用数据通信网中的通信设备和电路。

需要交换的数据一般可以分为实时数据和允许等待的非实时数据。

这两种数据的流通特性不同，因而可采用不同的数据交换方式。

数据交换方式可分为电路交换和存储转发交换两类。

前者适合传输实时数据，后者适合传输非实时数据或实时性要求不高的数据。

二、数据交换的必要性点对点的通信：两端用户通过信道直接连接起来所构成的通信方式是点对点的通信。

数据交换的必要性：多个用户之间要进行数据通信，如果任意两个用户之间都有直达线路连接的话，虽然简单方便，但线路利用率低。

为此，一般将各个用户终端通过一个具有交换功能的网络连接起来，使得任何接入该网络的两个终端由网络来实现适当的交换操作。

下图为DTE用户接入交换网：三、路由交换设备的概述1、交换机的基本工作原理交换机是工作在OSI参考模型第二层数据链路层的网络连接设备，它的基本功能是在多个计算机或网段之间交换数据，用来解决带宽不足和网络瓶颈问题。

交换机可以工作在全双工模式下，可以同时发送和接受数据。

交换机在进行数据转发时，根据数据包的MAC地址决定数据转发的端口，而不是简单地向所有端口进行转发。

当交换机需转发数据帧时它会检查该帧的目的MAC地址，然后在MAC 地址表中查找该地址位于哪个端口，从而确定数据包发送给相应的目的端口。

若数据包的目的MAC地址不在交换表中，则将包广播到每个端口。

2、路由器的基本工作原理路由器是工作在OSI参考模型第三层网络层负责转发数据的设备。

它的基本功能是在多个网络之间进行路径选择和数据转发。

一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。

二层交换技术二层交换想信大家都已经非常熟悉了，可以简单的解释成以IP与MAC共同确认数据包地址，然后传输数据包，交换机与PC当中都存有一个MAC表，通过广播的形式来建立和更新MAC地址表，众所周知，第二层交换机，是根据第二层数据链路层的MAC地址和通过站表选择路由来完成端到端的数据交换的。

因为站表的建立与维护是由交换机自动完成，而路由器又是属于第三层设备，其寻址过程是根据IP地址寻址和通过路由表与路由协议产生的。

所以，第二层交换机的最大好处是数据传输速度快，因为它只须识别数据帧中的MAC地址，而直接根据MAC地址产生选择转发端口的算法又十分简单，非常便于采用ASIC专用芯片实现。

显然，第二层交换机的解决方案，实际上是一个“处处交换”的廉价方案，虽然该方案也能划分子网、限制广播、建立VLAN，但它的控制能力较小、灵活性不够，也无法控制各信息点的流量，缺泛方便实用的路由功能。

网吧应有二层交换最普遍，而组网和处理网络故障也最简单，当然其问题也是显而易见的，例如现在流行的ARP欺骗就是通过篡改MAC表来实现局域网木马传播和攻击的。

三层交换技术近年来听过许多关于三层技术的宣传，耳朵都能起茧子，到处都在喊三层技术，有人说这是个非常新的技术，也有人说，三层交换嘛，不就是路由器和二层交换机的堆叠，也没有什么新的玩意，事实果真如此吗？下面先来通过一个简单的网络来看看三层交换机的工作过程。

假定有两台电脑分别是使用IP的设备A与使用IP的设备B比，现在A要给B发送数据，已知目的IP，那么A就用子网掩码取得网络地址，判断目的IP是否与自己在同一网段。

如果在同一网段，但不知道转发数据所需的MAC地址，A就发送一个ARP请求，B返回其MAC地址，A用此MAC封装数据包并发送给交换机，交换机起用二层交换模块，查找MAC地址表，将数据包转发到相应的端口。

如果目的IP地址显示不是同一网段的，那么A要实现和B的通讯，在流缓存条目中没有对应MAC地址条目，就将第一个正常数据包发送向一个缺省网关，这个缺省网关一般在操作系统中已经设好，对应第三层路由模块，所以可见对于不是同一子网的数据，最先在MAC表中放的是缺省网关的MAC地址；然后就由三层模块接收到此数据包，查询路由表以确定到达B的路由，将构造一个新的帧头，其中以缺省网关的MAC地址为源MAC地址，以主机B的MAC地址为目的MAC地址。

数据交换系统技术方案摘要：随着互联网的迅速发展，数据交换变得越来越重要。

本文介绍了一个简化版的数据交换系统技术方案，该方案可以帮助组织和企业高效地共享信息，并确保数据的安全性。

该方案包括网络架构设计、数据交换协议选择、数据加密和认证、数据传输优化等关键技术要点。

1.引言数据交换在组织和企业间的信息共享和沟通中起着关键的作用。

一个高效的数据交换系统可以帮助组织快速传输数据，提高工作效率，并确保数据的安全性。

在本文中，我们将介绍一个简化版的数据交换系统技术方案，帮助读者初步了解数据交换的相关技术和方法。

2.系统架构设计数据交换系统的网络架构设计是系统的基础。

一个好的网络架构设计可以提高数据交换的速度和效率。

在本方案中，我们采用了分布式系统架构。

该架构将组织和企业的网络划分成多个子网，通过互联网进行数据交换。

每个子网内的设备可以高速传输数据，而跨子网的数据交换则通过专用的网关设备进行。

这种网络架构可以提高数据交换的速度和安全性，并且具有良好的可扩展性。

3.数据交换协议选择数据交换协议是指在数据传输过程中，发送端和接收端之间约定的数据格式和传输规则。

在本方案中，我们选择了HTTP协议作为数据交换的协议。

HTTP协议是互联网中广泛使用的协议，具有简单、灵活、可扩展等特点。

通过使用HTTP协议，我们可以实现跨平台和跨系统的数据交换，并且可以方便地与现有的系统集成。

4.数据加密和认证数据交换过程中的数据安全性是非常重要的。

为了确保数据的安全性，我们可以通过数据加密和认证来防止非法访问和数据泄露。

在数据交换开始前，发送端和接收端可以通过使用SSL/TLS等加密协议对数据进行加密，并使用数字签名等方式进行身份认证。

这样可以保证数据在传输过程中的机密性和完整性，从而防止数据被窃取或篡改。

5.数据传输优化为了提高数据交换的速度和效率，我们还可以采取一些数据传输优化的措施。

例如，可以使用压缩算法对数据进行压缩，减小数据传输的体积；可以使用分块传输机制对大型数据进行分段传输，提高传输效率；可以采用数据缓存机制，减少重复传输的数据量。