计算机网络-13数据交换(电路/报文/分组)

1.电路交换

1-1.原理

在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。

过程：建立连接（呼叫/电路建立）
   通信（数据传输）
   释放连接（拆除电路）

1-2.特点

独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。

适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。

1-3.优点

• 传输时延小。
• 数据顺序传送，无失序问题。
• 实时性强，双方一旦建立物理通路，便可以实时通信，适用于交互式会话类通信。
• 全双工通信，没有冲突，通信双方有不同的信道，不会争用物理信道。
• 适用于模拟信号和数字信号。
• 控制简单，电路的交换设备及控制较简单。

1-4.缺点

• 建立连接时间长。
• 线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用效率低。
• 灵活性差，双方连接通路中的任何一点出了故障，必须重新拨号建立新连接，不适应突发性通信。
• 无数据存储能力，难以平滑通信量。
• 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。
• 无法发现与纠正传输差错，难以在通信过程中进行差错控制。

2.报文交换

2-1.报文

报文（message）是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。

报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。

2-2.原理

无需在两个站点之间建立专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。

过程：

• 每个节点收下整个报文后，暂存报文并检查有无错误。
• 节点需要的输出电路空闲时，利用路由信息找到并传送给下一个结点地址。
• 两个通信用户间的其他线路段，可传输其他用户的报文，不像电路交换那样必须占用端到端的全部信道。

2-3.优点

• 无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文。
• 动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量。
• 提高线路可靠性，某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输。
• 提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个报文可共享信道。
• 提供多目标服务，一个报文可同时发往多个目的地址。
• 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信。

2-4.缺点

实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换结点后要经历存储转发过程，从而引起转发时延。

只适用于数字信号。

由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。

3.分组交换

3-1.分组

大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送。这种小块就称作分组（packet）。

小数据块 + 控制信息(起止地址、编号) = 分组

3-2.原理

分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式。

形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。

过程：

• 发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。
• 接收结点将收到的分组组装成信息或报文。

3-3.优点

• 无建立时延，无需为通信双方预先建立一条专用通信线路，用户可随时发送分组。
• 线路利用率高，通信双方在不同的时间，一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道。
• 简化了存储管理。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。
• 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延。
• 分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信。

3-4.缺点

• 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍有存储转发时延，且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
• 每个分组都要加控制信息，—定程度上降低了通信效率,增加了处理的时间。
• 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、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，增加了麻烦。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。

4.数据报和虚电路

分组交换包括数据报和虚电路两种方式。

4-1.数据报方式

1. 源主机(A)将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点(A)。
2. 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同。
3. 结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向A发送确认信息，A收到C确认后则丢弃分组P1副本。
4. 最终所有分组到达主机B。-

4-2.虚电路方式

虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点。

虚电路∶一条源主机到目的主机，类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。
（在数据报的方式确定一条固定的路径）

4-3.二者对比

	数据报服务	虚电路服务
连接的建立	不要	必须有
目的地址	每个分组都有完整的目的地址	仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择	每个分组独立地进行路由选择和转发	属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序	不保证分组的有序到达	保证分组的有序到达
可靠性	不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证	保证分组的有序到达
对网络故障的适应性	出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可正常传输	所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制	由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性	可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

5.交换方式对比

1. 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时间，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2. 当端到端的通路有很多段的链路组成时,采用分组交换传送数据较为合适。
3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

5.总结

1. 电路交换
2. 报文交换
3. 分组交换

2 和 3 采用存储转发地交换方式

3 包括数据报方式和虚电路方式