2.1.4 电路交换、报文交换和分组交换

1、电路交换

在进行数据传输前,两个结点之间必须要建立一条专用(双方独占)的物理通信路径(由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成),该路径可能经过许多中间结点。该线路在整个数据传输期间一直被独占,直到通信结束后才被释放。因此,电路交换技术分为三个阶段:连接建立,数据传输和连接释放。

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。电路交换的关键点是:在数据传输的过程中,用户始终占用端到端的固定传输带宽。

电路交换技术的优点是:

1)通信时延小。由于通信线路为通信双发用户专用,数据直达,所以传输数据的时延非常小,当数据传输的数据量大时,这一优点非常明显。

2)有序传输。双方通信时按发送顺序传送数据,不存在失序问题。

3)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。

4)适用范围广。电路交换既适用于传输模拟信号,又使用于传输数字信号。

5)实时性强。通信双发之间的物理通路一旦建立,双方可以随时通信。

6)控制简单。电路交换的交换设备(交换机等)及控制均较简单。

电路交换的缺点是:

1)建立连接时间长,电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。

2)线路独占,使用效率低。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,因而信道利用率低。

3)灵活性差。只要通信双方建立的通路中的任何一点出了故障,就必须重新拨号建立连接,这对十分紧急和重要的通信是很不利的。

4)难以规格化。数据交换时,数据直达,不同类型,不同规格,不同速率的终端很难互相进行通信,也难以在通信过程中进行差错控制。

2、报文交换

数据交换的单位是报文,报文携带有目的地址,源地址等信息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式。

报文交换的优点是:

1)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,不需要建立连接时延,用户可以随时发送报文。

2)动态分配线路:当发送方把报文交给交换设备时,交换设备先存储整个报文,然后选择一条合适的空闲线路,将报文发送出去。

3)提高线路可靠性:如果某条传输路径发生故障,可重新选择另一条路径传输数据,所以提高了传输的可靠性。

4)提高线路利用率:通信双方不是固定一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地部分占用这条物理通道,因为大大提高了通信线路的利用率。

5)提高多目标服务:一个报文可以同时发送多个目的地址,这在电路交换中是很难实现的。

报文交换的缺点是:

1)由于数据进入交换结点后要经历存储,转发这过程,从而引起转发时延(包括接受报文,检验正确性、排队、发送时间等)

2)报文交换对报文的大小没有限制,这就要求网络结点需要有较大的缓存空间。

注意:报文交换主要使用早期的电报通信网中,现在较少使用,通常使用较先进的分组交换方式所取代。

3、分组交换

同报文交换一样,分组交换也采用了存储转发方式,但解决了报文交换中大报文传输的问题。分组交换限制了每次传输的数据块大小的上限,把大的数据块划分为合理的小数据块,再加上一些必要的控制信息(如源地址、目的地址和编号信息等),构成分组(Packet)。网络结点根据控制信息把分组送到下一结点,下一结点接受到分组后,暂时保存下来并排队等待传输,然后根据分组控制信息选择它的下一个结点,直到到达目的结点。

分组交换的优点是:

1)无建立时延。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,用户可随时发送分组。

2)线路利用率高。通信双方不是固定占用一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地部分占用这条物理通路,因而大大提高了通信线路的利用率。

3)简化了存储管理(相对于报文交换)。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。

4)加速传输: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次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几率及时间也必然少得多。

5)减少了出错几率和重发数据量。因为分组较短,其出错几率必然减少,所以每次重发的数据量也就大大减小,这样不仅提高了可靠性,也减少了传输时延。

分组交换的缺点是:

1)存在传输时延。尽管分组交换比报文交换的传输时延小,但相对于电路交换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)需要传输额外的信息量。每个小数据块都要加上源、目的地址和分组编号等信息,从而构成分组,使传送的信息量大约增大5%~10%,一定程序上降低了通信效率,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。

若要传送的数据量大,且传送时间远大于呼叫时间,则采用电路交换比较合适。

当端到端的通路由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。

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