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在计算机网络中有三种主要的数据交换方式，分别是电路交换、报文交换和分组交换，三种方式各有优缺点。

1、电路交换（Circuit Switching）

传统两两相连的方式，当电话数量很多时，电话线也很多，就很不方便

所以要使得每一部电话能够很方便地和另一部电话进行通信，就应该使用一个中间设备将这些电话连接起来，这个中间设备就是电话交换机

• 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换；

• 从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源；

• 电路交换的三个步骤：

  1、建立连接（分配通信资源）

  2、通话（一直占用通信资源）

  3、释放连接（归还通信资源）

当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。

这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的。

所以计算机通常采用的是分组交换，而不是线路交换

2、分组交换（Packet Switching）

通常我们把表示该消息的整块数据成为一个报文。

在发送报文之前，先把较长的报文划分成一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面。加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成一个分组，也可简称为“包”，相应地，首部也可称为“包头”。

首部包含了分组的目的地址

分组从源主机到目的主机，可走不同的路径。

发送方

• 构造分组
• 发送分组

路由器

• 缓存分组
• 转发分组
• 简称为“分组转发”

在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。

路由器处理分组的过程是：

1. 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
2. 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
3. 把分组送到适当的端口转发出去。

接收方

• 接收分组
• 还原报文

3、报文交换（Message Switching）

报文交换中的交换结点也采用存储转发方式，但报文交换对报文的大小没有限制，这就要求交换结点需要较大的缓存空间。报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。

4、三种交换方式的对比

假设A，B，C，D是分组传输路径所要经过的4个结点交换机，纵坐标为时间

分析：

电路交换：

• 通信之前首先要建立连接；连接建立好之后，就可以使用已建立好的连接进行数据传送；数据传送后，需释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源。

• 一旦建立连接，中间的各结点交换机就是直通形式的，比特流可以直达终点；

报文交换：

• 可以随时发送报文，而不需要事先建立连接；整个报文先传送到相邻结点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发到下一个结点交换机。
• 整个报文需要在各结点交换机上进行存储转发，由于不限制报文大小，因此需要各结点交换机都具有较大的缓存空间。

分组交换：

• 可以随时发送分组，而不需要事先建立连接。构成原始报文的一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发。各结点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。
• 构成原始报文的一个个分组，在各结点交换机上进行存储转发，相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。

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三种交换方式：电路交换、分组交换、报文交换

电路交换

当$n$部电话需要两两相连时，需要$C_n^2=\frac{n(n-1)}{2}$根电线。传统两两相连的方式，当电话数量很多时，电话线也很多，就很不方便。所以要使得每一部电话能够很方便地和另一部电话进行通信，就应该使用一个中间设备将这些电话连接起来，这个中间设备就是电话交换机。

可以把电话交换机简单地看成是一个有多个开关的开关器，可以将需要通信的任意两部电话的电话线路按需接通，从而大大减少了连接的电话线数量。

• 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
• 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

电路交换的三个步骤：

• 建立连接（分配通信资源）
• 通话（一直占用通信资源）
• 释放连接（归还通信资源）

为什么当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低呢？

这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的，所以计算机通常采用的是分组交换，而不是电路交换。

分组交换

分组交换的特点：高效、灵活、迅速、可靠

分组交换采用存储转发技术。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。

报文：通常我们把表示该消息的整块数据称为一个报文。

在发送报文之前，先把较长的报文划分成一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成一个分组，也可简称为“包”，相应地，首部也可称为“包头”。分组从源主机到目的主机，可走不同的路径。分组交换收到一个分组后，先将分组暂时存储下来，再检查其首部，按照首部中的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机。

添加首部的作用：

分组的首部包含了诸如源地址和目的地址等重要的控制信息。正是由于添加了首部，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。

在本例子中，主机H6将所构造出的各分组依次发送出去，各分组经过途中各分组交换机的存储转发，最终到达主机H2。主机H2收到这些分组后，去掉它们的首部，将各数据段组合还原出原始的报文。

• 发送方：构造分组、发送分组
• 路由器：缓存分组、转发分组（简称为“存储转发”）
• 接收方：接收分组、还原报文

报文交换

报文交换中的交换结点也采用存储转发方式，但报文交换对报文的大小没有限制，这就要求交换结点需要较大的缓存空间。报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。

三种交换方式的对比

电路交换

• 通信之前首先要建立连接；连接建立好之后，就可以使用已建立好的连接进行数据传送；数据传送后，需释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源。
• 一旦建立连接，中间的各结点交换机就是直通形式的，比特流可以直达终点；

分组交换

• 可以随时发送分组，而不需要事先建立连接。构成原始报文的一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发。各结点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。
• 构成原始报文的一个个分组，在各结点交换机上进行存储转发，相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。

报文交换

电路交换

• 两个电话要进行连接就要使用一根连线
• 五部电话两两进行连接就需要使用十根连线
• n部电话就需要n*n-1/2个连线
  显然这是不现实的
  所以出现了电话交换机
  在一个电话群众使用一个中介，每个电话都连接到中介中，每两个电话可以通过电话交换机来进行通信
  其原理是
• 电话交换机会先进行建立连接
  • 即分配两个电话之间的连线
• 通话
  • 这是需要占用连接线路的资源的（即当两个电话进行通话时，该连接线路端口不能给别的通话使用）
• 断开连接
  • 将分配的连线返还为交换机（交换机的端口可以被其他的通话所占用）

缺点：当两个计算机用电路交换时。（因为计算机之间传输数据都是突发性的，在数据输入的时候也会占用通话线路）这样就会照成使用率太低。

分组交换

使用网络交换机
原理

• 发送方将要发送的报文进行分割成一段段数据在
  • 在数据段前面加上报头（报头一定包含数据要接收的对象）
  • 然后分别发送出去
• 路由器接收到发送来的数据段
  • 将其缓存下来
  • 根据其报头来进行规划转发路径
• 接收方在接收到所有传递来的数据段，然后将其进行重新组装成一个报文

报文交换

和分组交换的思路一样
但是其将报文的切分成数据段是很长的，这就需要将网络交换器中有较大的缓存空间

三者的不同

• 电路交换
  • 优点
    1. 没有转发时延
    2. 数据有序性
    3. 没有冲突
    4. 实时性强
    5. 使用范围广
    6. 控制简单
  • 缺点
    1. 建立连接时间长
    2. 线路独占，使用效率低
    3. 灵活性差
    4. 难以规格化
• 报文交换
  • 优点
    1. 无需建立连接
    2. 动态分配路线
    3. 提高线路可靠性
    4. 提高线路利用率
    5. 提供多目标服务
  • 缺点
    1. 引起了转发时延
    2. 需要较大的存储缓存空间
    3. 需要转发额外的信息量
• 分组交换
  • 优点
    1. 无需建立连接
    2. 线路利用率高
    3. 简化了转发存储
    4. 加速传输
    5. 减少了出错概率和重发数量
  • 缺点
    1. 引起了转发时延
    2. 需要额外传输信息
    3. 对于数据服务可能存在失序，丢失重复分组的问题，对于虚电路服务，存在呼叫建立，数据传输和虚电路释放三个过程