湖科大教书匠计算机网络笔记——1.3三种交换方式：电路交换、分组交换和报文交换

三种交换方式：电路交换、分组交换和报文交换

一、电路交换（Circuit Switching）

二、分组交换（Packet Switching）

三、报文交换（Message Switching）

四、电路交换、报文交换、分组交换的对比

五、电路交换、报文交换、分组交换的优缺点

一、电路交换（Circuit Switching）

1. 背景：传统电话两两相连通信的方式，在电话数量非常多的时候行不通，因为电话线太多不方便。

   • 因此，要使每一部电话能够很方便地和另一部通信，应当使用一个中间设备将电话连接起来，这个中间设备就是电话交换机。

   • 电话交换机彼此相连，进而完成全网的交换任务，用这样的方法，就构成了覆盖全世界的电信网。

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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；

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   • 用户线电话用户专用，电话交换机之间拥有的大量话路的中继线则是许多用户共享的。

3. 电路交换的三个步骤

   • (1). 建立连接（分配通信资源）

     • 电路交换打电话之前必须先拨号请求建立连接，当被叫用户接通后，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。

     • 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）（数据传送）

     • 主叫和被叫双方互相通电话。

     • 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，也就是把刚才占用的所有通信资源归还给电信网。

那么如果使用电路交换来传送计算机数据可行吗？

  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。

  因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的。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。

二、分组交换（Packet Switching）

1. 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。

2. 通常我们把表示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，加上一些有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”，相应的，首部也可称为“包头”。

     • 首部作用：包含了分组的目的地址，否则分组传输路径各分组交换机（各路由器）就不知道如何转发分组了。

     • 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。

3. 例：用户H6向H2发送消息

   • H6将所构造出的各分组依次发送出去，各分组经过途中各分组交换机的存储转发，最终到达主机H2。

   • 主机H2收到这些分组后，去掉它们的首部，将各数据段组合还原出原始报文。

   • 本例只演示了分组传输过程中的两种情况：

     • 一种是各分组从源站到达目的站可以走不同的路径（也就是不同的路由）；

     • 另一种是分组乱序：分组到达目的站的顺序不一定与分组在源站的发送顺序相同。

     • 没有演示可能出现的分组丢失、误码、重复等问题并没有演示。

4. 分组交换过程中：

   • 发送方：构造分组、发送分组。

   • 路由器（分组交换机）：缓存分组、转发分组，简称“存储转发”。

   • 接收方：接收分组，还原报文。

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三、报文交换（Message Switching）

1. 报文交换中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，因此要求交换结点需要有较大的缓存空间。

2. 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。

四、电路交换、报文交换、分组交换的对比

1. 电路交换：

   • 通信之前首先要建立连接。

   • 连接建立好后，可以使用已建立好的连接进行数据传送。

   • 数据传送结束后，需要释放连接，归还之前建立连接所占用的通信线路资源。

   • 中间的各结点交换机是直通形式的，比特流可以直达终点。

2. 报文交换：

   • 可以随时发送报文，不需要事先建立连接。

   • 整个报文先传送到相邻结点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发到下一个结点交换机。

   • 需要各结点交换机都具有较大的缓存空间。

3. 分组交换：

   • 可以随时发送分组，不需要事先建立连接。

   • 构成原始报文的一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发。

   • 各结点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。

   • 相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。

4. 

五、电路交换、报文交换、分组交换的优缺点

1. 电路交换：

   • 优点

     • 通信时延小：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。连续传输大量数据时非常明显。

     • 有序传输：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，不存在失序问题。

     • 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。

     • 适用范围广：既适用于传输模拟信号（连续），也适用于传输数字信号（离散）。

     • 实时性强：得益于其通信时延小。

     • 控制简单：电路交换的结点交换机及其控制都比较简单。

   • 缺点

     • 建立连接时间长：电路交换的平均建立时间对计算机通信来说太长；

     • 线路独占，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，也不能供其他用户使用，因而信道利用率很低。

     • 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。

     • 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。

2. 报文交换：

   • 优点：

     • 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。

     • 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。

     • 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。

     • 提高线路利用率：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占用物理线路，因而大大提高了通信线路的利用率。

     • 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。

   • 缺点：

     • 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。

     • 需要较大的存储缓存空间：因为报文交换对报文的大小没有限制。

     • 需要传输额外的信息量：因为报文需要携带目标地址、源地址等信息。

3. 分组交换：

   • 优点

     • 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，用户可以随时发送分组。

     • 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，因而大大提高了通信线路的利用率。

     • 简化了存储管理：相对于报文交换而言，因为分组的长度固定固定，相应的缓冲区的大小也固定，管理起来相对容易。

     • 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执行。

     • 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。

   • 缺点

     • 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。

     • 需要传输额外的信息量：将原始报文分割成等长的数据块，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，因此使得传送的信息量增大了。

     • 对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；分组到达目的节点是，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。