【计算机网络】第 1 课 - 数据的三种交换方式
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目录
1、缘起
2、电路交换
3、分组交换
4、三种交换方式的对比
4.1、电路交换优点
4.2、电路交换缺点
4.3、报文交换优点
4.4、报文交换缺点
4.5、分组交换优点
4.6、分组交换缺点
5、总结
1、缘起
数据的交换就是数据从一个设备到另外一个设备，或者是从一个地方到另外一个地方。不同的实际需求情况，有不同的数据交换方式，常用的交换方式有 电路交换（Circuit Switching）、分组交换（Packet Switching）和 报文交换（Message Switching）。
2、电路交换
电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源
电路交换的三个步骤：
① 建立连接（分配通信资源）
在使用电路交换打电话之前，必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到电话交换机送来的 拨号音 并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路。这条连接保证了双方通话时所需的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。
② 通话（一直占用通信资源）
在整个通话期间，第一步建立连接所分配的通信资源始终被占用。
③ 释放连接（归还通信资源）
通话完毕挂机后，电话交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路。
如果使用电路交换来传送计算机数据，是否可行？
尽管采用电路交换可以实现计算机之间的数据传送，但是，线路的传输效率往往很低，这是因为计算机数据是 突发式地出现在传输线路上的。
试想一下这种情况，当用户正在输入和编辑一份待传输的文件时，用户所占用的通信资源暂时未被利用，该通信资源也不能被其他用户利用，宝贵的通信线路资源就白白被浪费了。因此，计算机网络通常采用分组交换，而不是电路交换。
3、分组交换
在因特网中，最重要的分组交换机就是路由器。它负责将各种网络互连起来，并对接收到的分组进行转发，也就是进行 分组交换 。
假如主机 H6 的用户要给主机 H2 的用户发送一条消息，通常我们把表示该消息的整块数据称为一个 报文。在发送报文之前，先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段。在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，也可简称为“包”，相应地，首部也可称为“包头”。
分组交换机收到一个分组后，先将分组暂时存储下来，再检查其首部，按照首部中的目的地址进行 查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机。
与分组交换类似，报文交换中的交换结点也采用存储转发方式，但报文交换对报文的大小没有限制，这就要求交换结点需要有较大的缓存空间。需要注意的是，报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。因此，我们不再详细介绍报文交换了。
4、三种交换方式的对比
4.1、电路交换优点
① 通信时延小
这是因为通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此通信时延非常小。当连续传输大量数据时，这一优点非常明显。
② 有序传输
这是因为通信双方之间只有一条专用的通信线路，数据只在这一条线路上传输，因此不存在失序问题。
③ 没有冲突
不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。
④ 适用范围广
电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
⑤ 实时性强
这主要得益于通信时延小的优点。
⑥ 控制简单
电路交换的结点交换机及其控制都比较简单。
4.2、电路交换缺点
① 建立连接时间长
电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。
② 电路独占，使用效率低
电路交换一旦建立连接，物理通路就被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能够被其他用户使用，因而信道利用率很低。
③ 灵活性差
只要连接所建立的物理通路中的任何一点出现了故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对十分紧急和重要的通信是很不利的。
④ 难以规格化
电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。
4.3、报文交换优点
① 无需建立连接
报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接的时延，用户可以随时发送报文。
② 动态分配线路
当发送方把报文传送给结点交换机时，结点交换机先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去。
③ 提高线路可靠性
如果某条传输路径发生故障，会重新选择另一条路径传输数据，因此提高了传输的可靠性。
④ 线路利用率高
通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间分段部分占用物理线路，因而提高了通信线路的利用率。
⑤ 提供多目标服务
一个报文可以同时发送给多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的。
4.4、报文交换缺点
① 引起了转发时延
这是因为报文在结点交换机上要经历存储转发的过程。
② 需要较大存储缓存空间
这是因为报文交换对报文的大小没有限制。
③ 需要传输额外的信息量
这是因为报文需要携带目标地址、源地址等信息。
4.5、分组交换优点
① 无需建立连接
分组交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接的时延，用户可以随时的发送分组。
② 线路利用率高
通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间分段部分占用物理线路，因而提高了通信线路的利用率。
③ 简化了存储管理
这是相对于报文交换而言的，因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，管理起来相对容易。
④ 加速传输
由于分组是逐个传输的，这就使得后一个分组的存储操作,与前一个分组的转发操作可以同时进行。
⑤ 减少出错概率和重发数据量
因为分组比报文小，因此出错概率必然减小，即便分组出错，也只需要重传出错的分组，这比重传整个报文的数据量小很多，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。
4.6、分组交换缺点
① 引起了转发时延
这是因为分组在结点交换机上要经历存储转发的过程。
② 需要传输额外的信息量
将原始的报文分成等长的数据块，每个数据块都要加上源地址、目的地址等控制信息，从而构成分组。因此，整个传输的信息量就增大了。
③ 对于数据报服务，存在失序，丢失或重复分组的问题；对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。
分组到达目的结点时，需要重新还原成原始报文，比较麻烦。若分组交换采用虚电路服务，虽然没有分组失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。
5、总结
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