【计算机网络】第 3 问：电路交换、报文交换、分组交换之间的区别？

省流图

详解

电路交换

在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（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。这一路径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、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。

注意：电路建立后，除源结点和目的结点外，电路上的任何结点都采取“直通方式”接收数据和发送数据，即不会存在存储转发所耗费的时间。

电路交换的优点

1. 通信时延小：由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。当传输的数据量较大时，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，又适用于传输数字信号。
5. 实时性强：通信双方之间的物理通路一旦建立，双方就可以随时通信。
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

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：只要在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新的连接，这对十分紧急和重要的通信是很不利的。
4. 难以规格化：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。

建立连接时间长的原因

• 预分配资源：在电路交换中，通信路径（或电路）在通信会话开始之前就需要被预分配。这意味着在通信开始之前，系统需要为通信双方分配资源，包括带宽、路由器端口等。这个预分配过程需要一定的时间来完成，特别是在网络负载较重或者网络拓扑复杂的情况下，可能需要更长的时间来找到适合的通信路径。

• 呼叫建立过程：在电路交换中，通信会话开始之前，需要进行呼叫建立的过程，即发送方需要向网络发送呼叫请求（或者信令消息），并等待网络的响应。这个过程包括信令传输、路由选择、资源分配等步骤，都需要一定的时间来完成。

• 资源分配延迟：一旦呼叫请求被接受，网络需要对通信路径上的资源进行分配。这可能涉及到路由器、交换机等网络设备的配置和状态更新，以及对带宽、缓冲区等资源的分配。这些过程都需要一定的时间，特别是在网络负载较重或者网络拓扑较复杂的情况下，可能会引起资源分配延迟。

• 可靠性考虑：电路交换需要在通信会话开始之前确保通信路径的可靠性和稳定性，这可能会涉及到路径的测试、验证和故障恢复等过程。这些过程也会增加建立连接的时间。

报文交换

数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、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。

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

报文交换的优点

1. 无须建立连接：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，不存在建立连接时延，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，那么可重新选择另一条路径传输数据，因此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道，因而大大提高了通信线路的利用率。
5. 提供多目标服务：一个报文可以同时发送给多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的。

报文交换的缺点

1. 存在存储转发时延：由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）。
2. 需要较大的缓存空间：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。
3. 需要传输额外的信息量：因为报文需要携带目标地址，原地址等信息

分组交换

同报文交换一样，分组交换也采用存储转发方式，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送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个结点，下一个结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，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

1. 无建立时延：（同报文交换）
2. 线路利用率高：（同报文交换）
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：分组是逐个传输的，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概率及时间也必然少得多。
5. 减少了出错概率和重发数据量：因为分组较短，其出错概率必然减小，所以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。

分组交换的缺点

1. 存在存储转发时延：（同报文交换）尽管分组交换比报文交换的传输时延少，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：（同报文交换）每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息，从而构成分组，因此使得传送的信息量增大了 5% 10%, 一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。
3. 额外的控制操作：当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、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，因此很麻烦。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。

比较总结

• 资源分配：电路交换需要预先分配通信资源，而报文交换和分组交换则是按需分配，这使得后两者在资源利用率上更高。
• 延迟性：电路交换提供最低的延迟，因为通信路径是固定的；报文交换的延迟较高，因为需要在节点上存储整个报文；分组交换通过减小数据单位减少了每个节点的处理时间，从而降低了延迟。
• 存储（缓冲区）管理：报文交换＞分组交换＞电路交换
• 实现复杂度：分组交换＞报文交换＞电路交换
• 应用场景：电路交换适合于实时通信，如传统电话网络；报文交换适用于不需要实时通信的应用，如早期的电报；分组交换是现代互联网的基础，支持各种类型的数据通信，如电子邮件、文件传输和实时视频流。