电路交换、报文交换、分组交换

文章目录

电路交换
- 概念
- 过程
- 特点
- 缺点
分组交换
- 概念
- 过程
- 特点
- 优点
- 缺点
报文交换
- 概念
三种交换技术对比

电路交换

概念

在电话问世后不久，人们就发现，要让所有的电话机都两两直接相连是不现实的。
(a) 两部电话只需要用一对电线就能够互相连接起来。
(b) 但若有 5 部电话要两两相连，则需要 10 对电线。显然，若 N 部电话要两两相连，就需要 N(N-1)/2 对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线数量就太大了，难以实现。
(c) 后来，人们认识到，要使得每一部电话能够很方便地和另一部电话进行通信，就应当使用电话交换机将这些电话连接起来。交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。电话交换机使用的就是电路交换（circuit switching）。

交换（switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

过程

建立连接（占用通信资源）→ 通话（一直占用通信资源）→ 释放连接（归还通信资源）

特点

在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

缺点

电路交换的平均建立时间对计算机通信来说嫌长。
电路交换建立连接后，物理通路被通信双方独占，即使此时不进行数据传输（通信线路空闲），也不能供其他用户使用，因而线路利用率低。
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。

分组交换

概念

分组交换采用存储转发技术。如下图所示，把一个报文划分为几个分组后再进行传送。
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(header)后，就构成了一个分组(packet)。分组又称为“包”，而分组的首部也可以称为“包头”。分组是在互联网中传送的数据单元。分组中的“首部”是非常重要的，正式由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输地终点。

过程

主机是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。
路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。
路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。这样一步一步地（有时会经过几十个不同的路由器）以存储转发的方式，把分组交付最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新。

特点

分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的链路的通信资源。分组在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源，如，主机 H1 将分组发送给路由器 A 时，只占用 H1-A 这条通信线路，其他线路可以同时进行其他分组转发。
分组到达一个路由后，先暂时存储下来，查找转发表，然后从一条合适的链路转发出去。分组在传输时就这样一段一段地断续占用通信资源，而且还省去了建立连接和释放连接地开销，使得通信线路地利用率大大提高。

优点

缺点

分组交换也带来一些新的问题。例如，分组在各路由器存储转发时需要排队，这就造成了一定的延时。此外，由于分组交换不像电路交换那样通过建立连接来保证通信时所需的各种资源，因而无法确保通信时端到端所需的带宽。
分组交换带来的另一个问题是各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销(overhead)。整个分组交换网还需要专门的管理各控制机制。

报文交换

概念

从本质上讲，分组交换这种断续分配传输带宽的存储转发原理并非是完全新的概念。自古代就有的邮政通信，就其本质来说也属于存储转发方式。而在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。在报文交换中心，一份份电报被接收下来，并穿成纸带。操作员以每份报文为单位，撕下纸带，根据报文的目的站地址，拿到相应的发报机转发出去。这种报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已不使用了。分组交换虽然采用了这个古老的交换原理，但是由于计算机的算力加持，实际上已经变成了一种崭新的交换技术。

三种交换技术对比

电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
报文交换——整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转到下一个结点。
分组交换——单个分组（这只是整个报文地一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

从上图可以看出，若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。