4.1.2 計算機網絡之（電路交換、報文交換、分組交換--數據報--虛電路）

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0.思維導圖

1.幾種傳輸單元名詞解析

• 這裏探討的電路交換、報文交換、分組交換，我們可以把這三種交換方式的交換數據單位看成一個整體去理解，不要過分去細究以上幾種傳輸單元名詞與這三種交換方式的關係。

2.電路交換

• 在進行數據傳輸前，兩個結點之間必須先建立一條專用 (雙方獨佔)的物理通信路徑(由通信雙方之間的交換設備和鏈路逐段連接而成)，該路徑可能經過許多中間結點。這一路徑在整個數據傳輸期間一直被獨佔，直到通信結束後才被釋放。

• 因此，電路交換技術分爲三個階段:連接建立、數據傳輸和連接釋放。

• 從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。電路交換的關鍵點是，在數據傳輸的過程中，用戶始終佔用端到端的固定傳輸帶寬。

• 電路交換技術的優點如下:
  1)通信時延小。由於通信線路爲通信雙方用戶專用，數據直達，因此傳輸數據的時延非常小。當傳輸的數據量較大時，這-優點非常 明顯。
  2)有序傳輸。雙方通信時按發送順序傳送數據，不存在失序問題。
  3)沒有衝突。不同的通信雙方擁有不同的信道，不會出現爭用物理信道的問題。
  4)適用範圍廣。電路交換既適用於傳輸模擬信號，又適用於傳輸數字信號。
  5)實時性強。通信雙方之間的物理通路一旦建立， 雙方就可以隨時通信。
  6)控制簡單。電路交換的交換設備(交換機等)及控制均較簡單。

• 電路交換技術的缺點如下:
  1)建立連接時間長。電路交換的平均連接建立時間對計算機通信來說太長。
  2)線路獨佔，使用效率低。電路交換連接建立後，物理通路被通信雙方獨佔，即使通信線
  路空閒，也不能供其他用戶使用，因而信道利用率低。
  3)靈活性差。只要在通信雙方建立的通路中的任何一點出了故障，就必須重新撥號建立新
  的連接，這對十分緊急和重要的通信是很不利的。
  4)難以規格化。電路交換時，數據直達，不同類型、不同規格、不同速率的終端很難相互
  進行通信，也難以在通信過程中進行差錯控制。

• 注意，電路建立後，除源結點和目的結點外，電路上的任何結點都採取“直通方式”接收數
  據和發送數據，即不會存在存儲轉發所耗費的時間。

3.報文交換

• 數據交換的單位是報文，報文攜帶有源地址，目標地址，數據等信息。

• 報文交換的主要特點是：存儲接受到的報文，判斷其目標地址以選擇路由，最後，在下一跳路由空閒時，將數據轉發給下一跳路由。 中文名報文交換，外文名Message switching。

• 報文交換技術的優點如下:
  1)無須建立連接。報文交換不需要爲通信雙方預先建立一條專用的通信線路，不存在建立
  連接時延，用戶可以隨時發送報文。
  2)動態分配線路。當發送方把報文交給交換設備時，交換設備先存儲整個報文，然後選擇
  一條合適的空閒線路，將報文發送出去。
  3)提高線路可靠性。如果某條傳輸路徑發生故障，那麼可重新選擇另一條路徑傳輸數據，
  因此提高了傳輸的可靠性。
  4)提高線路利用率。通信雙方不是固定佔有一條通信線路，而是在不同的時間一段一段地
  部分佔有這條物理通道，因而大大提高了通信線路的利用率。
  5)提供多目標服務。一個報文可以同時發送給多個目的地址，這在電路交換中是很難實現的。

• 報文交換技術的缺點如下:
  1)由於數據進入交換結點後要經歷存儲、轉發這一過程，因此會引起轉發時延(包括接收
  報文、檢驗正確性、排隊、發送時間等)。
  2)報文交換對報文的大小沒有限制，這就要求網絡結點需要有較大的緩存空間。

注意:報文交換主要使用在早期的電報通信網中，現在較少使用，通常被較先進的分組交換
方式所取代。

4.分組交換

• 同報文交換一樣，分組交換也採用存儲轉發方式，但解決了報文交換中大報文傳輸的問題。分組交換限制了每次傳送的數據塊大小的上限，把大的數據塊劃分爲合理的小數據塊，再加上一些必要的控制信息(如源地址、目的地址和編號信息等)，構成分組(Packet)。 網絡結點根據控制信息把分組送到下一結點，下一結點接收到分組後，暫時保存並排隊等待傳輸，然後根據分組控制信息選擇它的下一個結點，直到到達目的結點。到達目地之後的數據分組再重新組合起來，形成一條完整的數據。

• 分組交換的優點如下:
  1)無建立時延。不需要爲通信雙方預先建立一條專用的通信線路，不存在連接建立時延，用戶可隨時發送分組。
  2)線路利用率高。通信雙方不是固定佔有- -條通信線路，而是在不同的時間一-段一段地部分佔有這條物理通路，因而大大提高了通信線路的利用率。
  3)簡化了存儲管理(相對於報文交換)。因爲分組的長度固定，相應的緩衝區的大小也固定，在交換結點中存儲器的管理通常被簡化爲對緩衝區的管理，相對比較容易。
  4)加速傳輸。分組是逐個傳輸的，可以使後-一個分組的存儲操作與前一一個分組的轉發操作並行，這種流水線方式減少了報文的傳輸時間。此外，傳輸一個分組所 需的緩衝區比傳輸一次報文所需的緩衝區小得多，這樣因緩衝區不足而等待發送的概率及時間也必然少得多。
  5)減少了出錯概率和重發數據量。因爲分組較短，其出錯概率必然減小，所以每次重發的數據量也就大大減少，這樣不僅提高了可靠性，也減少了傳輸時延。

• 分組交換的缺點如下:
  1)存在傳輸時延。儘管分組交換比報文交換的傳輸時延少，但相對於電路交換仍存在存儲轉發時延，而且其結點交換機必須具有更強的處理能力。
  2)需要傳輸額外的信息量。每個小數據塊都要加上源地址、目的地址和分組編號等信息，從而構成分組，因此使得傳送的信息量增大了5%~10%，一定程度上降低了通信效率，增加了處理的時間，使控制複雜，時延增加。
  3)當分組交換採用數據報服務時，可能會出現失序、丟失或重複分組，分組到達目的結點時，要對分組按編號進行排序等工作，因此很麻煩。若採用虛電路服務，雖無失序問題，但有呼叫建立、數據傳輸和虛電路釋放三個過程。

• 分組交換根據其通信子網向端點系統提供的服務，還可進一步分爲面向連接的虛電路方式和
  無連接的數據報方式。這兩種服務方式都由網絡層提供。要注意數據報方式和虛電路方式是分組 交換的兩種方式。

（1）數據報

• 作爲通信子網用戶的端系統發送一個報文時，在端系統中實現的高層協議先把報文拆成若干
  帶有序號的數據單元，並在網絡層加上地址等控制信息後形成數據報分組(即網絡層PDU)。中 間結點存儲分組很短一段時間，找到最佳的路由後，儘快轉發每個分組。不同的分組可以走不同
  的路徑，也可以按·不同的順序到達目的結點。
  

（2）虛電路

• 在虛電路方式中，端系統每次建立虛電路時，選擇一個未用過的虛電路號分配給該虛電路，以區別於本系統中的其他虛電路。在傳送數據時，每個數據分組不僅要有分組號、校驗和等控制信息，還要有它要通過的虛電路號，以區別於其他虛電路上的分組。在虛電路網絡中的每個結點上都維持–張虛電路表，表中的每項記錄了一個打開的虛電路的信息，包括在接收鏈路和發送鏈路上的虛電路號、前一結點和下一結點的標識。數據的傳輸是雙向進行的，上述信息是在虛電路的建立過程中確定的。
• 虛電路之所以是“虛”的，是因爲這條電路不是專用的·，每個結點到其他結點之間的鏈路可能同時有若干虛電路通過，也可能同時與多個結點之間建立虛電路。每條虛電路支持特定的兩個端系統之間的數據傳輸，兩個端系統之間也可以有多條虛電路爲不同的進程服務，這些虛電路的實際路由可能相同也可能不同。
  

（3）數據報服務和虛電路服務的比較

5.報文交換與分組交換的時間消耗比較

6.電路交換、報文交換、分組交換的交換方式比較