【网络奇遇记】我和因特网的初相遇2 —— 三种交换方式

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前言

    网络的核心部分由大量异构型网络和连接这些网络的路由器构成，为其边缘部分提供连通性和数据交换等服务。在核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机（但不叫主机）。路由器是实现分组交换的关键构建，其任务转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。为了弄清楚分组交换，我们首先来介绍一下电路交换。

一. 电路交换

1.1 电路交换讲解

    在早期专为电话通信服务的电信网络中，需要使用很多相互连接起来的电话交换机来完成全网的交换任务。电话交换机接通电话线的方式就是电路交换。从通信资源分配的角度看，交换实际上就是以某种方式动态地分配传输线路的资源。使用电路交换进行通信的三个步骤如下：

1. 建立连接：主叫方必须首先进行拨号以请求建立连接。当被叫方听到电话交换机送来的振铃音并摘机后，从主叫方到被叫方就建立了一条专用的物理通路，简称为连接。这条连接为通话双方提供通信资源。
2. 通话：主叫方和被叫方现在可以基于已建立的连接进行通话了。在整个通话期间，通话双方始终占用着连接，通信资源不会被其他用户占用。
3. 释放连接：通话完毕挂机后，从主叫方到被叫方的这条专用的物理通路被交换机释放，将双方所占用的通信资源归还给电信网。

    如果主叫方在拨号请求建立连接时听到忙音，这可能是被叫方此时正在或电信网的资源已不足以支持这次请求，则主叫方必须挂机等待一段时间后在重新拨号。

1.2 电路交换实例

    如下图所示给出了电路交换的简化示意图。用户线是电话用户专用的，电话交换机之间的中继线是许多用户共享的。电话A与E之间的物理通路共经过了3个电话交换机，而电话B和C是同一个电话交换机覆盖范围内的用户，因此B和C之间建立的连接就不需要再经过其他的电话交换机。在A和E的通话过程中，它们始终占用这条已建立的物理通路，就好像A和E之间直接用一对电话线连接起来一样。A和E的通话结束并挂机后，它们之间的连接就断开了，之前所占用的电话交换机之间的电路又可以由其他用户使用。

    学到这里想必大家都有个疑问，计算机之间的数据传送适合采用电路交换吗？显示是不能的，计算机之间的数据传送是突发式的，当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率一般都会很低，线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。例如我们经常使用的QQ、微信，尽管我们并不是一直连续通过该工具发送消息，但为了随时发送和接受消息，我们也一直会让其处于上线状态。对于这种情况，如果采用电路交换方式，则大部分宝贵的通信线路资源并未被利用而是被白白浪费了。

二. 分组交换

1.1 分组交换讲解

    分组交换采用的是存储转发技术。源主机将待发送的整块数据构造成若干个分组并发送出去，分组传送途中的各交换节点（也就是路由器）对分组进行存储转发，目的主机收到这些分组后将它们组合还原成原始数据块。

    待发送的整块数据通常被称为报文。较长的报文一般不适宜直接传输。如果报文太长，则对交换节点的缓存容量有很大的需求，在错误处理方面也会比较低效。因此需要将较长的报文划分成若干个较小的等长数据段，在每个数据段前面添加一些由必要的控制信息(例如源地址和目的地址等)组成的首部，这样就构造出了一个个分组。分组是在分组交换网上传送的数据单元。构造分组的示意图如图下图所示：

    源主机将分组发送到分组交领网中，分组交换网中的分用交换机收到一个分组后，先将其缓存下来，然后从其首都中提取出目的地址，按照目的地址查找自己的转发表，找到相应的转发接口后将分组转发出去，把分组交给下一个分组交换机。经过多个分组交换机的存储转发后，分组最终被转发到目的主机。

1.2 分组交换实例

    如下图所示为简化的分组交换网，为了方便起见，图中并没有画出互联网中通过路由器互连的各个物理网络，而是把它们分别等效为路由器之间的一段链路，整个互联网可以看作一个分组交换网，而路由器R1 ~ R5就是分组交换网中的交换节点，主机H1 ~ H5通过分组交换网进行通信。

    现在假设主机H1给主机H3发送数据。H1将分组逐个发送给与其直接相连的路由器R1。此时H1到R1的链路被占用，而分组交换网中的其他链路并未被当前通信的双方占用，如下图所示：

    路由器R1对收到的分组进行存储转发。假设R1根据分组首部的目的地址查找自己的转发表，查找结果是R2，则R1转发分组给R2。当分组正在R1与R2之间的链路上传送时，仅占用R1与R2这段链路，而不会占用分组交换网中的其他资源，如下图所示：

    假设路由器R2收到分组后按上述方式将分组转发给路由器R3，R3收到分组后将分组转发给主机H3，如下图所示：

上述整个过程动态图展示：

    假设在主机H1给H3连续发送多个分组的过程中，路由器R1与R2之间的通信太大，那么R1可以把分组沿另一条路径转发给路由器R5，R5转发分组给R4，R4转发分组给R3，R3转发分组给主机H3。如下图所示：

    从上述例子可以看出，分组交换与电路交换有着很大的不同。分组交换没有建立连接和释放连接带来的开销，分组在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源，因而数据的传输效率更高，这对于突发式的计算机数据的传送是非常适宜的。相比于采用电路交换传送突发式的计算机数据，分组交换的通信线路利用率大大提高。

1.3 分组交换的优缺点

分组交换的优点：

1. 没有建立连接和释放连接的过程；
2. 分组传输过程中逐段占用通信链路，有较高的通信线路利用率；
3. 交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性。

分组交换的缺点：

1. 分组首部带来了额外的传输开销；
2. 路由器存储转发分组会造成一定的时延；
3. 无法确保通信时端到端的通信资源的全部可用，在通信量较大时可能造成网络拥塞；
4. 分组可能会出现失序（未按序到达）和丢失等问题。

三. 电路交换

    报文交换是分组交换的前身。在报文交换中，报文被整个地发送，而不是拆分成若干个分组进行发送。交换节点将报文整体接收完成后才能查找转发表，将整个报文转发到下一个节点。因此，报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，需要交换节点具有的缓存空间也要大很多。

四. 三种交换对比

    在使用电路交换时，必须首先建立连接，也就是从主叫方到被叫方建立一条专用的物理通路。然后主叫方和被叫方就可以基于已建立的连接进行数据传送了。在整个计算数据传送期间，通信双方始终占用着连接，通信资源不会被其他用户占用。数据传送结束后还需要释放连接，双方挂机后，从主叫方到被叫方的这条专用的物理通路被交换机释放，将双方所占用的通信资源归还给电信网。

    在使用报文交换时，无须首先建立连接，通信结束后也无须释放连接。数据传送单元为整个报文，传送路径中的交换节点只有在完整接收整个报文后，才能对其进行查表转发，将整个报文发送到下一个节点。

    在使用分组交换时，也无须建立连接和释放连接。数据传送单元是由整个报文划分并构造出的若干个分组，传送路径中的交换节点每完整接收一个分组后，就对其查表转发，将其发送到下一个节点。
综上所述：

1. 若要连续传送大量的数据，并且数据传送时间远长于建立连接的时间，则使用电路交换可以有较高的传输效率。然而计算机的数据传送往往是突发式的，采用电路交换时通信线路的利用率会很低；
2. 报文交换和分组交换都不需要建立连接(即预先分配通信资源)，在传送计算机的突发数据时可以提高通信线路的利用率；
3. 将报文构造成若干个更小的分组进行分组交换，比将整个报文进行报文交换的时延要小，并且还可以避免太长的报文长时间占用链路，有利于差错控制，同时具有更好的灵活性；

📝全文总结

归纳：
     本文主要详细介绍了电路交换、分组交换以及电路交换的优缺点、电路交换，并对三种交换进行了比较。

     今天的干货分享到这里就结束啦！如果觉得文章还可以的话，希望能给个三连支持一下，聆风吟的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是作者前进的最大动力！