计算机网络基础之三种交换技术及其性能分析

一. 交换技术基础

1. 三种交换技术

• 电路交换：用于电话网络
• 报文交换：用于电报网络
• 分组交换：用于现代计算机网络

2. 人类历史上的通信网络

二. 各个交换技术的过程及优缺点

1. 电路交换

1. 电路交换的过程：
   • 建立连接
   • 通信（一直占用通信资源）
   • 释放连接（归还通信资源）
2. 电路交换优缺点：
   • 优点：
     • 通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在全部的通信时间内，两个用户始终占用端到端的通信资源。数据直送，传输效率高
     • 电路交换更适合于低频次，大量的传输控制
   • 缺点：
     • 释放/建立连接需要额外的时间开销
     • 线路被通信双方独占，利用率低
     • 线路分配的灵活性差
     • 交换节点不支持“差错控制”（无法发现传输过程的数据错误）

计算机之间数据往往是“突发式”传输，即往往会高频次，少量的传输数据
因此，计算机网络不适合采用电路交换技术

2. 报文交换

1. 报文交换优缺点：
   • 优点：
     • 通信前无需建立连接
     • 数据以报文为单位呗交换节点间进行存储转发，通信线路可灵活分配
     • 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路
     • 相比于电路交换，线路利用率高
     • 交换节点支持差错控制
   • 缺点：
     • 报文不定长，不方便存储转发管理
     • 长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大
     • 报文容易出错
       存储转发： 把传输数据单元先存储进中间节点，再根据目的地址转发至下一节点

3. 分组交换

1. 分组交换优缺点：
   • 优点：
     • 通信前无需建立连接
     • 数据以报文单位被交换节点间进行存储转发，通信线路可灵活分配
     • 在通信时间内，两个用户无需独占一整条通信线路
     • 相比于电路交换，线路利用率更高
     • 交换节点支持差错控制
   • 相比于报文交换
     • 分组定长，方便存储转发管理
     • 分组的存储转发时间开销小、缓存开销小
     • 分组不易出错，重传代价低
   • 缺点：
     • 相比于报文交换，控制信息占比增加
     • 相比于电路交换，依然存在存储转发时延
     • 报文被拆分为多个分组，传输过程可能出现失序、丢失等问题，增加处理的复杂度
2. 分组交换过程：
   由 不定长报文 拆分成定长的分组；数据传输后需要对分组进行排序合并。因此 需要记录 源地址（始发位置）、目的地址（接收位置）、分组号（用于排序分组）。这些内容被记录在首部，每个分组数据都包含一个首部

三. 性能分析

	电路交换	报文交换	分组交换
完成传输所需时间	最少（排除建立/释放连接耗时）	最多	较少
存储转发时延	无	较高	较低
通信前是否需要建立连接	是	否	否
缓存开销	无	高	低
是否支持差错控制	不支持	支持	支持
报文数据有序到达	有序	有序	无序
是否需要额外控制信息	否	是	是（控制信息占比最大）
线路分配灵活性	不灵活	灵活	非常灵活
线路利用率	低	高	非常高