《计算机网络》| 三种交换方式：电路交换、分组交换、报文交换-电路交换的网络拥塞

 

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01 前言

简单介绍三种交换方式，文末附参考信息。

从通信资源的分配角度来看，交换（switching）是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

02 电路交换（Circuit Switching）

电路交换受电话交换的启发。

两部电话，需要一对电线；5部电话两两项链，需要10对电线；N部电话两两相连，需要 N(N−1)/2N(N-1)/2 对电线。

通过交换机使用交换的方法，连接电话，方便彼此通信。

⭐物理层的集线器（HUB）的功能和交换机很像。

电路交换三步：

建立连接：分配通信资源。即在使用电路交换打电话前，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，从主叫端建立连接，即一条专用的物理通路。 通话：一直占用通信资源。释放连接：归还通信资源。

缺点：线路传输效率很低，因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上。一旦某条线路被占，其他用户就不能使用，宝贵的通信线路资源白白被浪费。

电路交换重要特点：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。容易造成资源浪费。

而下文要讲的分组交换（Packet Switching）在传送数据之前不必先占用一条端到端的链路通信资源。分组在哪段链路上传送时，才占用这段链路的通信资源。

03 分组交换（Packet Switching）

分组交换采用存储转发技术。实质上是采用了在数据通信的过程中断续（或动态）分配传输带宽的策略（断续分配传输带宽）。

将报文分成更小的等长的数据段，每一个数据段加上一些控制信息（诸如目的地址和原地址等）后组成首部（header），构成一个分组（packet）。分组又称为“包”，分组的首部也可称为“包头”。

假设网络如下，主机H1向主机H5发送数据，过程如下所示：

特别注意的一点：分组交换中，链路仅在分组正传送时被占用。

注：路由器暂时存储的是一个短分组，不是整个长报文。短分组存储在路由器的存储器（即内存）中，而不是存储在磁盘中的，这保证了较高的交换速率。

再次复习：电路交换（Circuit Switching）第一步“建立连接”就建立了一条专用的物理通路，但是分组交换（Packet Switching）在传送数据之前不必先占用一条端到端的链路通信资源。分组在哪段链路上传送时，才占用这段链路的通信资源。

换言之，分组到达一个路由器后，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。即分组在传输时一段一段地断续占用通信资源，省去了建立连接和释放连接的开销，因而数据的传输效率更高。但是各分组必须携带的控制信息（诸如目的地址和原地址等）造成了一定的开销（overhead）。

04 报文交换（Message Switching）

报文交换（Message Switching）也是基于存储转发原理的。现在报文交换机已不再使用。

05 三种交换方式比较

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，转发到下一个结点。分组交换：单个分组（这只是报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一结点。

注：A和D分别是源点和终点，B和C是在A和D之间的中间结点。

电路交换：传送大量数据，且传送时间远远大于连接建立的时间，则电路交换传输速率快。

报文交换和电路交换不用预先分配传输带宽，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。

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5.1 电路交换

优点：

通信时延小：因为通信线路为通信双方专用，数据直达，因此通信时延小。当传输大量数据时，优势非常明显。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，因此不存在失序问题。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：电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。实时性强：得益于通信时延小。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：电路交换的连接建立时间对计算及通信来说太长。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。

5.2 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。【电路交换对比】动态分配线路：当发送方把报文送给结点交换机时，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，而是在不同的时间段分部分占用物理线路，因而大大提高了通信吸纳录的利用率。提供多目标服务：一个报文可以同时发送给多个目的地址，这在电路交换中很难实现。

缺点

引起了转发时延：因为报文交换在结点交换机上要经历存储转发的过程。需要较大存储缓存空间：因为报文交换对报文大小没有限制。【分组转发对比】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。

5.3 分组交换

优点

无需建立连接：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。【电路交换对比】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：分组长度固定，相应的缓冲区大小也固定，管理起来相对容易。【报文交换对比】加速传输：由于分组是逐个传输的，使得最后一个分组的存储操作，与当前一个分组的转发操作可以同时进行。减少出错概率和重发数据量：因为分组比报文小，因此出错概率概率必然减小，即使分组出错，也只需要重传出错的分组，比重传整个报文数据量小很多。提高了可靠性，减少了传输时延。【报文交换对比】

缺点

引起了转发时延：因为分组在结点交换机上要经历存储转发的过程。【与报文交换同】需要传输额外的信息：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，使得传送的信息量变大。【与报文交换对比】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（无失序问题），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。

参考信息

[1] 《计算机网络》第7版 谢希仁著 P12-P17

[2] 三种交换方式：电路交换、分组交换和报文交换（字幕版）