一篇文章读懂电路交换、报文交换和分组交换

1.详解电路交换

（1）原理

(1)通信之前先要建立连接，通信完毕后要释放连接。也就是说通信一定要有三个阶段建立连接、通信、释放连接。

(2)在整个通信过程中，通信的双方自始至终占用着所使用的物理信道。因此，对于计算机通信，由于计算机数据是突发性的，因此，从通信线路的利用率来考虑电路交换的效率就比较低。此外，当通信双方占用的通信线路由很多段链路(通过若个交换机把这些链路连通)组成时，只有在每一段链路都能接通(每一段链路都有空闲的信道资源还没有被其他用户占用，即有可用资源)时，整个的连接建立才能完成(哪怕只有一段链路没有空闲的信道可供使用，连接建立也无法完成)。当通信网的业务量很繁忙时，电路交换无法保证用户的每一个呼叫都能接通。如果第一阶段的连接建立不能完成，那么后续阶段的通信过程当然也就无法进行。在电路交换的通信过程中，只要在整个连接中有一个环节(如某段链路或某个交换机)出了故障，那么整个连接就不复存在，接着就是通信的中断。若要重新进行通信，必须重新建立连接。如果能够绕过刚才的故障链路或故障交换机而建立新的连接,那么就可以开始新的通信。这就是说，电路交换系统不能自动从故障中进行恢复。但电路交换有一个最主要的优点，就是只要连接能够建立，那么双方通信所需的传输带宽就已经分配好而不会再改变。这叫作静态分配传输带宽。通信双方愿意占用通信资源多久，就占用多久(对于公用网，只要按规定付费即可)，而不受网络中的其他用户的影响。当网络发生拥塞时，网络中的其他用户很可能反复呼叫都无法建立连接，但这些动作都不会影响已经占用了通信资源的用户的通信质量(除非发生了通信网中的故障,影响到正在进行通信的连接)。

（2）例子

当你打传统电话的时候，就可以理解电路交换的工作原理。以下是一个例子，让你明白电路交换是如何运作的：

拨号过程：假设你想给你的朋友打电话。首先，你拿起电话听筒，然后拨打你朋友的电话号码。这时，电话系统就会开始进行电路交换。
建立连接：你拨打的号码会传送到你所连接的电话交换机，这是电话网络中的一个设备。电话交换机会根据你拨打的号码，找到你朋友的电话所在的位置，然后尝试建立一个专门的电路连接，将你的电话和你朋友的电话连接在一起。
通话进行：一旦连接建立，你和你的朋友之间的通话可以开始了。此时，电话线路上的电路是专门为你们两个人的通话保留的，没有其他人可以在这个电路上通话。
通话结束：当你和你的朋友挂断电话时，连接会被释放，电路关闭。这意味着之前占用的资源现在可以用于其他电话通话了。

在这个例子中，电路交换的关键点是在通话开始之前建立了一个专用的电路连接，这个连接一直保持打开状态，直到通话结束。这种方式确保了通话的实时性和通话质量，但也意味着在通话期间，该电路不能用于其他通话。这就是电路交换的基本工作原理，尽管在现代通信中，数字技术和分组交换更为常见，但电路交换仍然在传统电话网络中使用。

（3）优点

电路交换是一种通信方式，用于建立和维护通信路径，以便在两个或多个终端之间传输数据或声音。这与分组交换不同，分组交换将数据分成小块，并通过网络以不确定的路径发送。

建立固定路径：在电路交换中，通信路径在通话开始之前就被建立。这个路径是一个物理电路，它会一直保持开启状态，直到通话结束。这就意味着在通话期间，该路径是专门为这个通话保留的，不会被其他通话使用。
资源分配：在电路交换中，需要为每个通话分配足够的带宽和其他资源，以确保通话质量良好。这就意味着在通话期间，这些资源不能用于其他通话。
低延迟：由于通信路径是固定的，电路交换通常具有较低的延迟，这意味着通话可以实时进行，适用于需要即时响应的应用，如语音电话。
传统电话网络：电路交换最常见的应用是传统电话网络（PSTN，Public Switched Telephone Network）。在这种网络中，电话呼叫通过交换机建立电路连接，使通信双方可以进行双向通话。
效率问题：电路交换在资源分配方面存在效率问题，因为通话期间保持着固定的电路，但通话实际上只在一部分时间内进行。这与分组交换相比，后者可以更灵活地共享网络资源，但可能会引入一些延迟。

（4）发展

逐渐被IP网络取代：随着IP（Internet Protocol）网络的发展，越来越多的通信转向了基于分组交换的数字通信，如VoIP（Voice over Internet Protocol）电话和视频会议。这些技术更灵活，能够更有效地利用网络资源。

总的来说，电路交换是一种传统的通信方式，适用于特定的应用场景，但在现代通信中逐渐被分组交换和数字通信技术所取代。

2.报文交换

（1）原理

报文交换也采用存储转发技术，不同的是，报文交换不再把报文划分为更小的分组，而是把整个报文在网络的节点中存储下来,然后再转发出去。这样做,省去了划分小的分组的步骤，也省去了在终点把分组重装成报文的过程。但报文交换在灵活性上不如分组交换，传送数据的时延较大。本来报文交换是用来传送电报的。现在已经很少有人打电报了，因此报文交换已经很少使用了。

（2）应用

Web通信：HTTP（Hypertext Transfer Protocol）是一种报文交换协议，用于在Web浏览器和Web服务器之间传输HTML网页、图像、视频和其他Web资源。当你在浏览器中请求一个网页时，浏览器会发送HTTP请求报文给服务器，并等待服务器发送响应报文，这些报文包含了网页内容。
电子邮件：SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）是一种报文交换协议，用于传输电子邮件。当你发送电子邮件时，邮件客户端将电子邮件内容打包成报文并通过SMTP发送到邮件服务器，然后邮件服务器将该报文传送给接收方的邮件服务器，最终接收方通过邮件客户端检索邮件并将其组装成可阅读的邮件。
文件传输：FTP（File Transfer Protocol）是一种报文交换协议，用于将文件从一个计算机传输到另一个计算机。用户可以使用FTP客户端创建文件传输报文，然后将文件上传或下载到FTP服务器。
即时通信：在即时通信应用中，例如聊天应用程序和社交媒体平台，用户发送的消息被打包成报文，然后通过网络传输到接收方，以实现实时或延时的交流。
网络搜索：当你在搜索引擎中输入查询时，你的查询会被打包成报文并发送到搜索引擎服务器，然后服务器返回包含搜索结果的报文。
远程过程调用：在分布式计算中，报文交换用于在不同的计算机上执行远程过程调用（RPC）。客户端将调用请求打包成报文，然后通过网络发送到远程服务器，服务器执行请求的操作，并将结果打包成报文返回给客户端。
多媒体流传输：在音频和视频流应用中，例如在线音乐流媒体和视频直播，音频和视频数据通常以报文的形式传输，以实现实时的多媒体流。

总的来说，报文交换是一种通用的通信方式，适用于各种应用，从Web浏览和电子邮件到即时通信和多媒体流传输。不同的应用程序使用不同的报文交换协议来满足其特定需求。这种通信方式的灵活性和广泛应用使其成为现代计算机网络中的基础。

3.分组交换

（1）原理

目前最常用的分组交换使用无连接的 IP 协议。这种分组交换以分组作为传输的单位，采用存储转发技术，并且没有连接建立和连接释放这两个阶段，因此传送数据比较迅速。在传输数据的过程中，动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用的。这就是说，若某段链路的带宽较高，分组的传输速率就较快;若另一段链路的带宽较低，传输速率就较慢。不像电路交换那样，从源点到终点都是同样的传输速率。可见，分组交换能够比较合理而有效地利用各链路的传输带宽。

分组交换采用分布式的路由选择协议。当网络中的某个节点或链路出现故障时，分组传送的路由可以自适应地动态改变，使数据的传送能够继续下去。传送数据的源点和接收数据的终点甚至不会感觉到网络中所发生的故障。因此分组交换网络有很好的生存性。分组交换也有一些缺点。例如，分组在各路由器存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。此外，由于分组交换无法确保通信时端到端所需的带宽，因此当分组交换网的通信量突然增大时，可能会在网络中的某处产生拥塞，从而延长数据的传送时间。当网络拥塞非常严重时，整个网络也可能会瘫痪。

分组交换的另一个问题是各分组必须携带控制信息，这也造成了一定的开销。整个分组交换网还需要专门的管理和控制机制。当然，电路交换网也需要网络管理，但电路交换网的交换机都具有很强的网络管理功能，能够对网络进行很有效的管理。分组交换网中的路由器比较简单，无法对整个网络进行管理。必须在网络中由专门的主机来运行专门的网络管理软件，对整个网络进行管理。

总结（三者不同）

下面将分别阐述电路交换、报文交换和分组交换的优点和缺点：

（1）电路交换:

优点:

通话质量高: 由于在通话建立时分配了固定的带宽和资源，电路交换通常提供较高的通话质量和清晰度。
实时性: 电路交换适用于需要实时通信的应用，如传统电话通话，因为连接一旦建立，通信即刻开始。
简单: 电路交换的原理相对简单，易于理解和管理，适用于传统电话网络。
适用于点对点通信: 电路交换直接连接两个终端，适用于点对点通信。

缺点:

资源浪费: 通话期间分配的资源在通话不活跃时闲置，导致资源浪费。
扩展困难: 难以扩展以支持大量同时通话，特别是在大规模网络中。
不适用于数据传输: 电路交换主要用于音频通信，不适用于数据传输。

（2）报文交换:

优点:

数据完整性: 报文交换确保整个消息的完整性，避免数据丢失或损坏。
有序传输: 消息通常按照发送顺序传输，确保消息在接收端正确组装和处理。
适用于多种数据类型: 适用于各种数据类型，包括文本、图像、音频和视频等。
广泛应用: 在互联网和局域网中广泛应用，包括Web通信、电子邮件、文件传输等。

缺点:

效率问题: 相对于分组交换，报文交换可能在网络资源使用上不够高效，因为需要传输整个消息。
延迟问题: 由于需要等待整个消息的传输完成，可能引入较大的延迟，不适合某些实时应用。
资源消耗: 建立和维护连接以进行报文交换可能会占用较多的网络资源。

（3）分组交换:

优点:

资源共享: 分组交换允许多个通信同时共享网络资源，提高了网络的资源利用率。
适应性强: 分组交换适用于各种数据类型，包括数据、音频、视频等，非常灵活。
可扩展性: 相对容易扩展以支持大规模网络和更多用户。
适用于异构网络: 适用于连接不同类型设备和网络的复杂网络拓扑。

缺点:

延迟和抖动: 分组交换可能引入一些延迟和抖动，不适合某些对实时性要求极高的应用。
数据分割: 数据被分割成小分组，可能需要在接收端重新组装，这可能引入一些额外的复杂性。
不适用于低延迟和高带宽需求: 对于某些低延迟和高带宽需求的应用，如高清视频传输，分组交换可能需要更多的带宽和资源。