计算机网络：分组交换与电路交换的比较

中文摘要

摘要：数据通信主要有两种主要的方式：电路交换（Circuit switching）与分组交换（Packet switching）。电路交换广泛的应用在电话网络而分组交换则是互联网的通讯根基。电路交换要求必须首先在通信双方之间建立连接通道，而分组交换不需要在传输前先建立通信路径。本文将通过几个方面对比分组交换与电路交换。
关键词：电路交换；分组交换；互联网

Abstraction

Abstraction: Circuit switching and Packet switching are the most well-used communications method while Circuit switching always be used in telecommunications networks and Packet switching always be used in digital networking communications. In Circuit switching, two network nodes are required to establish a dedicated communications channel before they may communicate while Packet switching not. This passage is going to make some comparison between Circuit switching and Packet switching.
Keywords：Circuit switching; Packet switching; Internet

1. 概述

互联网的迅速发展得益于分组交换的提出。在分组交换中，一个系统可以将数据组装到报文中使用一条通信链路与多台机器通信。不仅链路是可以共享的，而且每个报文可以独立于其他报文进行传输。这为互联网的用户终端数量激增与覆盖范围迅速扩大提供了技术支持。本文就分组交换与电路交换的一些特点进行对比讨论。

2. 分组交换与电路交换核心思路的比较

分组交换，其思想的核心是自治。以互联网核心的视角来看，不需要给予太多控制，只需要遵循最基本的原则，从理论上便可以达到大规模，高效的数据交互。以每一个数据包的视角来看，数据包最基本的行为是从源到目的。在IP中，该行为是通过路由器的存储转发实现的，数据包需要经过一个一个的路由器，选择下一跳的路由器，接近目的地。

下面以一个城市的车流网络作为例子，体现分组交换的原理。网络的核心在这个例子里面如同城市道路规划。在分组交换中，城市道路规划局无需统计具体有多少个人买了车，也无需为每一个出行者提供从家到目的的专用线路。城市道路规划局只需要为每一条道路编号并绘制出城市的道路图。而每一个分组在路由器中如同汽车经过一个十字路口，根据指示牌选择路径，到达离目标更近的下一个十字路口。

这种自治的状态，决定了其适用范围极广，为互联网的飞速发展提供了基础（很可能是互联网普及的决定性因素）。但是自治往往意味着松散的控制。如同一个城市没有红绿灯和交通管制，很可能寸步难行（即使有了交通管制，还会往往因为管制不佳而导致交通堵塞）。

电路交换，其核心思路是控制。以电路交换的角度来看，其不仅需要对每一个连接的端口进行管理，而且需要处理单独的连接请求，选择合适的线路，维护这个连接。以数据请求的视角来看，申请一个专用的链路是需要一定的时间的，若是线路资源有限，可能需要等待相当一段时间。但是一旦链路建立，就可以利用专享的线路，直接到达目的地。

3. 分组交换与电路交换利用率的比较

分组交换与电路交换在特性对比时强调过以下的场景：当使用电路交换时，可能从一点到另一点的请求非常短，或是分配时间很长，但是只利用了一点点时间便传完了，所以导致电路利用效率不高。而使用分组交换便不存在这样的情况。

但是互联网核心链路的平均链路利用率在3％至20％之间，相比之下，长途电话线路的平均链路利用率为33%[1]。这种情况可能是由以下的原因导致的：

• 由于分组交换实时性不能得到保证，而且互联网的业务流量具有不对称性与突发性的特点，运营商通过增加大量的冗余带宽，换取更高的实时性。这增大了利用率的基数，从而使得利用率变低。

• 当发生拥塞的时候，分组交换的网络性能不佳，变得非常不稳定。而电路交换一旦建立了连接，便有很高的可靠性。运营商同样通过降低网络的利用率来降低拥塞发生的情况。

4. 分组交换与电路交换的可靠性比较

分组交换提出的另一个重要原因是，分组交换拥有良好的鲁棒性。当故障发生时，可以通过更新路由表，绕过发生故障的路由器，从而达到良好的鲁棒性。从理论上来说，这种更新能够动态调整路径，从而避免全局瘫痪。但是如同现实中修路的信息，往往不会短时间内体现在临近的十字路口。实际情况可能数天后才有明显引导的交通指示牌和各个导航仪中更新修路信息。路由状态更新也面临着这种问题。有时候连接丢失很长一段时间之后，路由器才会重新配置它们的表并且融合到一个新的拓扑中[1]。

而鲁棒性差的电路交换在恢复上却又更好的性能表现。通过预先计算备份候选线路，只需要非常短的时间内便可以恢复正常的状态，甚至可以忽略不计。在Labovitz等人的研究中，路由选择算法收敛需要3分钟，而电路交换的SONET/SDH中，只需要50ms便可以恢复[1]。

5. 分组交换与电路交换的硬件实现比较

虽然分组交换的设计原理遵循端到端原则，即为把复杂的操作留给终端进行处理，从而保持互联网中的简易性。但是实际上实现高性能的路由器并不容易。在分组交换的路由器中，需要实现包括存储，对网络层数据报进行分析，建立路由查找表，找出最长匹配，减少TTL等操作。复杂的功能意味着可靠性降低。而事实上，在速率较低时，分组交换可能相较于电路交换更加简单。但是当高速率的数据传输，要考虑到单个路由器的分组处理能力，分组交换便变得十分复杂，其简单性没有得到延伸[1]。

6. 分组交换与电路交换组合实现的可能

以上的特征很容易看出，分组交换适合网络边缘的低密度，突发性，非对称的网络，而电路交换则适合核心网络高速高密度数据传输的特点。实际上，在网络的核心，以SONET，SDH和DWDM交换机形式的电路交换仍在大量的使用。这些电路对于IP来说是静态的，点到点的相邻节点的链路[2]。物理链路和IP属于不同层面，他们完全分离且可以独自操作。逻辑层和物理层分离有很多优点：电路交换物理层的改进将独立于IP；IP层的业务也与物理层无关。但实现有一定的困难，一个网络必须同时发送IP数据包和电路路径管理消息，因为它们各自使用不同的路由协议[2]。

7. 总结

通过上面对分组交换以及电路交换进行对比，可以总结出分组交换与电路交换的以下特点：

1. 分组交换在低密度，突发性，不对称，单次传输数据小的时候比电路交换更有优势。而电路交换有稳定的利用率，而且无需为了所谓实时性而增加带宽。

2. 分组交换具有鲁棒性，可以通过更新路由查找表自动恢复绕开故障线路，但是收敛时间较长。电路交换虽然一处故障会导致整体崩塌。但是通过提前计算备选线路，可以将重启恢复线路的时间降到ms级别。

3. 分组交换在数据交换量小，低速的网络上具有简单性，而在高密度，高速的网络中，会由于路由器负载过大，导致出现拥塞丢包，排队时延等状况。而电路交换在高速的网络中保持不变的复杂度与可靠性。

参考文献

[1]. Pablo Molinero-Fernández, Nick McKeown, and Hui Zhang, “Is IP going to take over the world (of communications)?,” ACM SIGCOMM Computer Communication Review, Volume 33 Issue 1, January 2003, pp.113-118
[2]. 刘飞, 周建林, 吴灏, “基于TCP交换的电路交换与分组交换融合方法,” 微电子学与计算机, Volume 1, 2005, pp82-86

转载于:https://www.cnblogs.com/he11o-liu/p/7503224.html