电路交换、报文交换、分组交换方式及优缺点

电路交换、报文交换、分组交换方式及优缺点目录1电路交换.......................................................................................................................................21.1电路交换过程....................................................................................................................21.2电路交换优缺点................................................................................................................32报文交换.......................................................................................................................................32.1电路交换过程....................................................................................................................32.2报文交换优缺点................................................................................................................43分组交换.......................................................................................................................................43.1分组交换过程.....................................................................................................................43.2分组交换优缺点................................................................................................................53.3.分组交换网与电路交换网比较.........................................................................................6“交换”(switching)的含义就是转接——把一条线路转接到另一条线路，使它们连通来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。在计算机网络及通信系统中常谈到的交换方式有电路交换（CS:CircuitSwitching）、报文交换(MS:Messageswitching)、分组交换（PS:PacketSwitching）等。本文先介绍这三种交换方式。1电路交换1.1电路交换过程电路交换是通信网中最早出现的一种交换方式，也是应用最普遍的一种交换方式，主要应用于电话通信网中如图（1），完成电话交换，已有100多年的历史。电路交换过程包括(1)建立连接、(2)通信、（3）释放连接。电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成）、电路交换一旦建立，就占用一条中继线路，即使我们不传送信息，别人也不能使用。电路交换举例图(1)电路交换1.2电路交换优缺点电路交换优点:(1)由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。(2)通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。(3)双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。(4)电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。(5)电路交换的交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。电路交换缺点：(1)电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说比较长。(2)电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用低。（3）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。2报文交换2.1电路交换过程报文交换是一种以报文为数据传送单位，采用存储转发的信息传递方式。报文交换不要求在两个通信结点之间建立专用通路。结点把要发送的信息组织成一个数据包--报文，该报文中含有目标地址、源地址等信息完整的报文在网络中一站一站地向前传送。交换结点对各个方向上收到的报文排队，对找下一个转结点，然后再转发出去，这些都带来了排队等待延迟。每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。经过多次的存储——转发，最后到达目标，因而这样的网络叫存储——转发网络。其中的交换结点要有足够大的存储空间（一般是磁盘），用以缓冲收到的长报文。报文交换的优点是不建立专用链路，线路利用率较高，这是由通信中的等待时延换来的。电子邮件系统（E-mail）适合采用报文交换方式。2.2报文交换优缺点报文交换优点：(1)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，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文(2)由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；b.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；c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。(3)通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。报文交换缺点：(1)由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。(2)报文交换只适用于数字信号。(3)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，当输出线路比较忙时，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分组交换过程分组交换也称为包交换,它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息（携带源、目的地址和编号信息）作为数据段的首部，每个带有首部的数据段就构成了一个分组。首部指明了该分组发送的地址，当交换机收到分组之后，将根据首部中的地址信息将分组转发到目的地，这个过程就是分组交换。分组交换的本质就是存储转发，它将所接受的分组暂时存储下来，在目的方向路由上排队，当它可以发送信息时，再将信息发送到相应的路由上，完成转发。其存储转发的过程就是分组交换的过程。分组交换的思想来源于报文交换，报文交换也称为存储转发交换，它们交换过程的本质都是存储转发，所不同的是分组交换的最小信息单位是分组，而报文交换则是一个个报文。由于以较小的分组为单位进行传输和交换，所以分组交换比报文交换快。报文交换主要应用于公用电报网中。图(2)分组数据3.2分组交换优缺点分组交换优点：(1)加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。(2)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。(3)减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。(4)由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。分组交换缺点：(1)尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。(2)分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。(3)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。总之，若要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则采用电路交换较为合适；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。从提高整个网络的信道利用率上看，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。分组交换提供的业务:(1)交换虚电路——指在两个用户之间建立的临时逻辑连接。(2)永久虚电路——指在两个用户之间建立的永久性的逻辑连接。用一开机，一条永久虚电路就自动建立起来了。3.3.分组交换网与电路交换网比较优点:(1)线路利用率更高：因为结点到结点的单个链路可以由很多分组动态共享。分组被排队，并被尽可能快速地在链路上传输。(2)一个分组交换网络可以实行数据率的转换：两个不同数据率的站之间能够交换分组，因为每一个站以它的自己的数据率连接到这个结点上。(3)排队制：当电路交换网络上负载很大时，一些呼叫就被阻塞了。在分组交换网络上，分组仍然被接受，只是其交付时延会增加。(4)支持优先级：在使用优先级时，如果一个结点有大量的分组在排队等待传送，它可以先传送高优先级的分组。这些分组因此将比低优先级的分组经历更少的时延。缺点:(1)时延：一个分组通过一个分组交换网结点时会产生时延，而在电路交换网中则不存在这种时延。(2)时延抖动：因为一个给定的源站和目的站之间的各分组可能具有不同的长度，可以走不同的路径，也可以在沿途的交换机中经历不同的时延，所以分组的总时延就可能变化很大。这种现象被称为抖动。抖动对一些应用来讲是不希望有的（例如：电话话音和实时图像等实时应用中）。(3)额外开销大：要将分组通过网络传送，包括目的地址在内的额外开销信息和分组排序信息必须加在每一个分组里。这些信息降低了可用来运输用户数据的通信容量。在电路交换中，一旦电路建立，这些开销就不再需要。另外，分组交换网络是一个分布的分组交换结点的集合，在理想情况下，所有的分组交换结点应该总是了解整个网络的状态。但是，不幸的是，因为结点是分布的，在网络一部分状态的改变与网络其他部分得知这个改变之间总是有一个时延。此外，传递状态信息需要一定的费用，因此一个分组交换网络从来不会“完全理想地”运行。