计算机网络之物理层通信基础（电路交换、报文交换与分组交换）

一、电路交换

工作原理：
电路交换是在数据传输期间，源结点与目的结点之间建立一条由中间结点构成的专用物理连接线路，并在数据传输结束之前保持这条线路。整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。

特点：
独占资源：通信线路为通信双方用户专用，数据直达。
实时性强：通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信。
全双工通信：双方有不同的信道，不会争用物理信道。
适用于模拟和数字信号：既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
信道利用低：即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用。
灵活性差：双方连接通路中的任何一点出了故障，必须重新拨号建立新连接。

应用场景：
远程批处理信息传输。
系统间实时性要求高的大量数据传输。

二、报文交换

工作原理：
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，而是以报文（即站点一次性要发送的数据块）为数据交换的单位，在交换结点采用存储转发的传输方式。报文携带有目标地址、源地址等信息，整个报文先传输到相邻的结点，存储下来后查找转发表，再转发到下一个结点。

特点：
无需建立专用链路：用户可随时发送报文，不存在连接建立时延。
线路利用率高：通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，多个报文可共享信道。
提供多目标服务：一个报文可以同时发送到多个目的地址。
实时性差：由于数据进入交换结点后要经历存储、转发过程，网络的通信量愈大，造成的时延就愈大。
只适用于数字信号。
对结点缓冲区要求高：由于报文长度没有限制，每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。

应用场景：
电子邮件系统（E-mail）。
类型、规格和速度不同的计算机之间的通信。

三、分组交换

工作原理：
分组交换是将报文划分为更小的数据单位，称为报文分组（也称为段、包、分组），并以分组为单位进行传输和交换。在发送端，较长的报文被划分成较短的、固定长度的数据段，添加首部构成分组。接收端收到分组后剥去首部还原成报文。分组交换仍采用存储转发传输方式。

特点：
加速了数据在网络中的传输：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，减少了报文的传输时间。
减少了出错机率和重发数据量：分组较短，出错机率减少，重发数据量也减少。
适用于突发式数据通信：分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送紧急数据。
存在存储转发时延：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。
结点交换机处理能力强：结点交换机需要具有更强的处理能力。
可能出现失序、丢失或重复分组：当分组交换采用数据报服务时，可能出现这些问题。若采用虚电路服务，则无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

应用场景：
计算机之间的突发式数据通信。
需要高效利用通信线路的场景。

四、总结

电路交换、报文交换和分组交换各有优缺点，适用于不同的应用场景。电路交换适用于需要实时性高、传输大量数据的情况；报文交换适用于不需要实时性、数据量大且对结点缓冲区要求不高的场景；分组交换则适用于计算机之间的突发式数据通信，能够高效利用通信线路。在选择数据交换方式时，需要根据具体的应用需求和网络环境进行权衡。