4.1.2 计算机网络之（电路交换、报文交换、分组交换--数据报--虚电路）

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0.思维导图

1.几种传输单元名词解析

• 这里探讨的电路交换、报文交换、分组交换，我们可以把这三种交换方式的交换数据单位看成一个整体去理解，不要过分去细究以上几种传输单元名词与这三种交换方式的关系。

2.电路交换

• 在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用 (双方独占)的物理通信路径(由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成)，该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。

• 因此，电路交换技术分为三个阶段:连接建立、数据传输和连接释放。

• 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换的关键点是，在数据传输的过程中，用户始终占用端到端的固定传输带宽。

• 电路交换技术的优点如下:
  1)通信时延小。由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。当传输的数据量较大时，这-优点非常 明显。
  2)有序传输。双方通信时按发送顺序传送数据，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，又适用于传输数字信号。
  5)实时性强。通信双方之间的物理通路一旦建立， 双方就可以随时通信。
  6)控制简单。电路交换的交换设备(交换机等)及控制均较简单。

• 电路交换技术的缺点如下:
  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)线路独占，使用效率低。电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线
  路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。
  3)灵活性差。只要在通信双方建立的通路中的任何一点出了故障，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。

• 注意，电路建立后，除源结点和目的结点外，电路上的任何结点都采取“直通方式”接收数
  据和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间。

3.报文交换

• 数据交换的单位是报文，报文携带有源地址，目标地址，数据等信息。

• 报文交换的主要特点是：存储接受到的报文，判断其目标地址以选择路由，最后，在下一跳路由空闲时，将数据转发给下一跳路由。 中文名报文交换，外文名Message switching。

• 报文交换技术的优点如下:
  1)无须建立连接。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。当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，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，那么可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)提高线路利用率。通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地
  部分占有这条物理通道，因而大大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。

• 报文交换技术的缺点如下:
  1)由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延(包括接收
  报文、检验正确性、排队、发送时间等)。
  2)报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络结点需要有较大的缓存空间。

注意:报文交换主要使用在早期的电报通信网中，现在较少使用，通常被较先进的分组交换
方式所取代。

4.分组交换

• 同报文交换一样，分组交换也采用存储转发方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传送的数据块大小的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些必要的控制信息(如源地址、目的地址和编号信息等)，构成分组(Packet)。 网络结点根据控制信息把分组送到下一结点，下一结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到到达目的结点。到达目地之后的数据分组再重新组合起来，形成一条完整的数据。

• 分组交换的优点如下:
  1)无建立时延。不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送分组。
  2)线路利用率高。通信双方不是固定占有- -条通信线路，而是在不同的时间一-段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。
  3)简化了存储管理(相对于报文交换)。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
  4)加速传输。分组是逐个传输的，可以使后-一个分组的存储操作与前一一个分组的转发操作并行，这种流水线方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所 需的缓冲区比传输一次报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的概率及时间也必然少得多。
  5)减少了出错概率和重发数据量。因为分组较短，其出错概率必然减小，所以每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。

• 分组交换的缺点如下:
  1)存在传输时延。尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但相对于电路交换仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
  2)需要传输额外的信息量。每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息，从而构成分组，因此使得传送的信息量增大了5%~10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。
  3)当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，因此很麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

• 分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，还可进一步分为面向连接的虚电路方式和
  无连接的数据报方式。这两种服务方式都由网络层提供。要注意数据报方式和虚电路方式是分组 交换的两种方式。

（1）数据报

• 作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干
  带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组(即网络层PDU)。中 间结点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同
  的路径，也可以按·不同的顺序到达目的结点。
  

（2）虚电路

• 在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虛电路，以区别于本系统中的其他虚电路。在传送数据时，每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制信息，还要有它要通过的虚电路号，以区别于其他虚电路上的分组。在虚电路网络中的每个结点上都维持–张虚电路表，表中的每项记录了一个打开的虚电路的信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识。数据的传输是双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的。
• 虚电路之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的·，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干虚电路通过，也可能同时与多个结点之间建立虚电路。每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同也可能不同。
  

（3）数据报服务和虛电路服务的比较

5.报文交换与分组交换的时间消耗比较

6.电路交换、报文交换、分组交换的交换方式比较