计算机网络 第一章（4）网络核心（2）

二、电路交换

通过网络链路和交换机移动数据有两种基本的方法：电路交换（circuit switching）和分组交换（packet switching）。下面我们介绍电路交换。

在电路交换网络中，在端系统间通信会话期间，预留了端系统间通信沿路径所需要的资源（缓存，链路传输效率）。在分组交换网络中，这些资源则不是预留的；会话的报文按需使用这些资源，其后果可能是不得不等待接入通信线路。

传统的电话网络是电路交换的例子。考虑当一个人通过电话网向另一个人发送信息时所发生的情况。在发送方能够发送消息之前，该网络必须在发送方和接收方之间建立一条连接。这是一个名副其实的连接，因为此时沿着发送方和接收方之间路径上的交换机都将为该连接维护连接状态。用电话的术语来说，该连接被称为一条电路（circuit）。当网络创建这种电路时，它也在连接期间在该网络链路上预留了恒定的传输速率（表示为每条链路传输容量的一部分）。既然已经为该发送方-接收方连接预留了带宽，则发送方能够以确保的恒定速率向接收方传送数据。

1.电路交换网络中的复用

链路中的电路是通过频分复用（Frequency-Division Multiplexing，FDM）或时分复用（Time-Division Multiplexing，TDM）来实现的。对于FDM，链路的频谱由跨越链路创建的所有连接共享。特别是，在连接期间链路为每条连接专用一个频段。在电话网络中，这个频段通常具有4kHz的宽度（即400赫兹或每秒400周）。毫无疑问，该频段的宽度称为带宽（bandwith）。调频无线电台也使用FDM来共享88-108Mhz的频谱，其中每个电台被分配一个特定的频段。

对于一条TDM链路，时间被划分为固定区间的帧，并且每帧又被划分为固定数量的时隙。当网络跨越一条链路创建一条连接时，网络在每个帧中为该连接指定一个时隙。这些时隙专门由该连接单独使用，一个时隙可用于传输该连接的数据。一条电路的传输效率等于帧速率乘以一个时隙中的比特数量。例如，如果链路每秒传输8000个帧，每个时隙由8个比特组成，则每条电路的传输速率是64kps。

分组交换的支持者说，电路交换因为在静默期（silent period）专用电路空闲而效率较低。并且，创建端到端电路和预留端到端带宽是复杂的，需要复杂的信令软件以协调沿端到端路径的交换机的操作。

接下来我们讨论一个用数字表示的例子，它更能说明问题的实质。考虑从主机A到主机B经过一个电路交换网需要多长时间发送640000比特的文件。假如在该网络中所有链路使用24时隙的TDM，具有1.536Mbps的比特速率。同时假定主机A能够开始传输该文件之前，需要500ms创建一条端到端电路。它需要多长时间才能发送该文件？每条链路的传输速率为1.536Mbps/24=64Kbps，因此传输该文件需要640kb/64kbps=10s。对于这个10s，再加上电路创建时间，这样就需要10.5s发送该文件，值得注意的是，该传输时间与链路数量没有关系：端到端电路不管是通过1条链路还是100条链路，传输时间都将是10s。（实际端到端时延还包括传播时延）。

2.分组交换与电路交换的对比

分组交换为什么更有效呢？我们看一个简单的例子。假定多个用户共享一条1Mbps链路，再假定每个用户活跃周期是变化的，某用户时而以100kbps恒定速率产生数据，时而静止——这时用户不产生数据。进一步假定该用户仅有10%的时间活跃。对于电路交换，在所有的时间必须为每个用户预留100kbps。例如，对于电路交换的TDM，如果一个1s的帧被划分为10个时隙，每个时隙为100ms，则每帧将为每个用户分配一个时隙。

因此电路交换链路仅能支持10个（1Mbps/100kbps）并发的用户。对于分组交换，一个特定用户活跃的概率是0.1.如果有35个用户，有11个或者更多并发活跃用户的概率大约是0.0004。当有10个或更少并发用户时，到达的聚合数据率小于或等于该链路的输出速率1Mbps。因此，当有10个或更少个活跃用户时，通过该链路的分组流基本上没有时延，这与电路交换的情况一样。当同时活跃用户超过10个时，则分组聚合到达率超过该链路的输出容量，则输出队列开始变长。因为在本例中活跃用户超过10个的概率极小，分组交换总是差不多提供了与电路交换相同的性能。

我们现在考虑第二个简单的例子。假定有10个用户，某用户突然产生1000个1000比特的分组，而其他用户保持静默，不产生分组。在每帧具有10个时隙并且每个时隙包含1000比特的TDM电路交换情况下，活跃用户仅能使用每帧中的一个时隙来传输数据，而一个帧中有9个时隙保持空闲。该活跃用户传输完所有1000 000比特数据需要10s的时间。在分组交换的情况下，活跃用户能够以1Mbps的全部链路速率发送其分组，因为没有其他用户产生分组与该活跃用户的分组复用。在此情况下，该活跃用户的所有数据将在1s内发送完毕。

上面例子从两个方面表明了分组交换的性能能够优于电路交换的性能。这些例子也强调两种形式在多个数据流之间共享链路传输速率的关键差异。电路交换不考虑需求，预先分配了传输链路的使用，使得已分配而并不需要的链路时间未被利用。另一方面，分组交换是按需分配链路使用。链路传输能力将在所有用户之间逐分组地被共享，这些用户有分组需要在链路上传输。