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??系列專欄：網(wǎng)絡(luò)奇遇記、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
??少年有夢不應(yīng)止于心動，更要付諸行動。

前言

????網(wǎng)絡(luò)的核心部分由大量異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)和連接這些網(wǎng)絡(luò)的路由器構(gòu)成，為其邊緣部分提供連通性和數(shù)據(jù)交換等服務(wù)。在核心部分起特殊作用的是路由器，它是一種專用計算機（但不叫主機）。路由器是實現(xiàn)分組交換的關(guān)鍵構(gòu)建，其任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)收到的分組，這是網(wǎng)絡(luò)核心部分最重要的功能。為了弄清楚分組交換，我們首先來介紹一下電路交換。

一. 電路交換

1.1 電路交換講解

????在早期專為電話通信服務(wù)的電信網(wǎng)絡(luò)中，需要使用很多相互連接起來的電話交換機來完成全網(wǎng)的交換任務(wù)。電話交換機接通電話線的方式就是電路交換。從通信資源分配的角度看，交換實際上就是以某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。使用電路交換進行通信的三個步驟如下：

1. 建立連接：主叫方必須首先進行撥號以請求建立連接。當(dāng)被叫方聽到電話交換機送來的振鈴音并摘機后，從主叫方到被叫方就建立了一條專用的物理通路，簡稱為連接。這條連接為通話雙方提供通信資源。
2. 通話：主叫方和被叫方現(xiàn)在可以基于已建立的連接進行通話了。在整個通話期間，通話雙方始終占用著連接，通信資源不會被其他用戶占用。
3. 釋放連接：通話完畢掛機后，從主叫方到被叫方的這條專用的物理通路被交換機釋放，將雙方所占用的通信資源歸還給電信網(wǎng)。

????如果主叫方在撥號請求建立連接時聽到忙音，這可能是被叫方此時正在或電信網(wǎng)的資源已不足以支持這次請求，則主叫方必須掛機等待一段時間后在重新?lián)芴枴?br>

1.2 電路交換實例

????如下圖所示，給出了電路交換的簡化示意圖。用戶線是電話用戶專用的，電話交換機之間的中繼線是許多用戶共享的。電話A與E之間的物理通路共經(jīng)過了3個電話交換機，而電話B和C是同一個電話交換機覆蓋范圍內(nèi)的用戶，因此B和C之間建立的連接就不需要再經(jīng)過其他的電話交換機。在A和E的通話過程中，它們始終占用這條已建立的物理通路，就好像A和E之間直接用一對電話線連接起來一樣。A和E的通話結(jié)束并掛機后，它們之間的連接就斷開了，之前所占用的電話交換機之間的電路又可以由其他用戶使用。

????學(xué)到這里想必大家都有個疑問，計算機之間的數(shù)據(jù)傳送適合采用電路交換嗎？顯示是不能的，計算機之間的數(shù)據(jù)傳送是突發(fā)式的，當(dāng)使用電路交換來傳送計算機數(shù)據(jù)時，其線路的傳輸效率一般都會很低，線路上真正用來傳送數(shù)據(jù)的時間往往不到10%甚至1%。例如我們經(jīng)常使用的QQ、微信，盡管我們并不是一直連續(xù)通過該工具發(fā)送消息，但為了隨時發(fā)送和接受消息，我們也一直會讓其處于上線狀態(tài)。對于這種情況，如果采用電路交換方式，則大部分寶貴的通信線路資源并未被利用而是被白白浪費了。

二. 分組交換

1.1 分組交換講解

????分組交換采用的是存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。源主機將待發(fā)送的整塊數(shù)據(jù)構(gòu)造成若干個分組并發(fā)送出去，分組傳送途中的各交換節(jié)點（也就是路由器）對分組進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，目的主機收到這些分組后將它們組合還原成原始數(shù)據(jù)塊。

????待發(fā)送的整塊數(shù)據(jù)通常被稱為報文。較長的報文一般不適宜直接傳輸。如果報文太長，則對交換節(jié)點的緩存容量有很大的需求，在錯誤處理方面也會比較低效。因此需要將較長的報文劃分成若干個較小的等長數(shù)據(jù)段，在每個數(shù)據(jù)段前面添加一些由必要的控制信息(例如源地址和目的地址等)組成的首部，這樣就構(gòu)造出了一個個分組。分組是在分組交換網(wǎng)上傳送的數(shù)據(jù)單元。構(gòu)造分組的示意圖如圖下圖所示：

????源主機將分組發(fā)送到分組交領(lǐng)網(wǎng)中，分組交換網(wǎng)中的分用交換機收到一個分組后，先將其緩存下來，然后從其首都中提取出目的地址，按照目的地址查找自己的轉(zhuǎn)發(fā)表，找到相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)接口后將分組轉(zhuǎn)發(fā)出去，把分組交給下一個分組交換機。經(jīng)過多個分組交換機的存儲轉(zhuǎn)發(fā)后，分組最終被轉(zhuǎn)發(fā)到目的主機。

1.2 分組交換實例

????如下圖所示為簡化的分組交換網(wǎng)，為了方便起見，圖中并沒有畫出互聯(lián)網(wǎng)中通過路由器互連的各個物理網(wǎng)絡(luò)，而是把它們分別等效為路由器之間的一段鏈路，整個互聯(lián)網(wǎng)可以看作一個分組交換網(wǎng)，而路由器R1 ~ R5就是分組交換網(wǎng)中的交換節(jié)點，主機H1 ~ H5通過分組交換網(wǎng)進行通信。

????現(xiàn)在假設(shè)主機H1給主機H3發(fā)送數(shù)據(jù)。H1將分組逐個發(fā)送給與其直接相連的路由器R1。此時H1到R1的鏈路被占用，而分組交換網(wǎng)中的其他鏈路并未被當(dāng)前通信的雙方占用，如下圖所示：

????路由器R1對收到的分組進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。假設(shè)R1根據(jù)分組首部的目的地址查找自己的轉(zhuǎn)發(fā)表，查找結(jié)果是R2，則R1轉(zhuǎn)發(fā)分組給R2。當(dāng)分組正在R1與R2之間的鏈路上傳送時，僅占用R1與R2這段鏈路，而不會占用分組交換網(wǎng)中的其他資源，如下圖所示：

????假設(shè)路由器R2收到分組后按上述方式將分組轉(zhuǎn)發(fā)給路由器R3，R3收到分組后將分組轉(zhuǎn)發(fā)給主機H3，如下圖所示：

上述整個過程動態(tài)圖展示：

????假設(shè)在主機H1給H3連續(xù)發(fā)送多個分組的過程中，路由器R1與R2之間的通信太大，那么R1可以把分組沿另一條路徑轉(zhuǎn)發(fā)給路由器R5，R5轉(zhuǎn)發(fā)分組給R4，R4轉(zhuǎn)發(fā)分組給R3，R3轉(zhuǎn)發(fā)分組給主機H3。如下圖所示：

????從上述例子可以看出，分組交換與電路交換有著很大的不同。分組交換沒有建立連接和釋放連接帶來的開銷，分組在哪段鏈路上傳送才占用這段鏈路的通信資源，因而數(shù)據(jù)的傳輸效率更高，這對于突發(fā)式的計算機數(shù)據(jù)的傳送是非常適宜的。相比于采用電路交換傳送突發(fā)式的計算機數(shù)據(jù)，分組交換的通信線路利用率大大提高。

1.3 分組交換的優(yōu)缺點

分組交換的優(yōu)點：

1. 沒有建立連接和釋放連接的過程；
2. 分組傳輸過程中逐段占用通信鏈路，有較高的通信線路利用率；
3. 交換節(jié)點可以為每一個分組獨立選擇轉(zhuǎn)發(fā)路由，使得網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。

分組交換的缺點：

1. 分組首部帶來了額外的傳輸開銷；
2. 路由器存儲轉(zhuǎn)發(fā)分組會造成一定的時延；
3. 無法確保通信時端到端的通信資源的全部可用，在通信量較大時可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞；
4. 分組可能會出現(xiàn)失序（未按序到達）和丟失等問題。

三. 報文交換

????報文交換是分組交換的前身。在報文交換中，報文被整個地發(fā)送，而不是拆分成若干個分組進行發(fā)送。交換節(jié)點將報文整體接收完成后才能查找轉(zhuǎn)發(fā)表，將整個報文轉(zhuǎn)發(fā)到下一個節(jié)點。因此，報文交換比分組交換帶來的轉(zhuǎn)發(fā)時延要長很多，需要交換節(jié)點具有的緩存空間也要大很多。

四. 三種交換對比

????在使用電路交換時，必須首先建立連接，也就是從主叫方到被叫方建立一條專用的物理通路。然后主叫方和被叫方就可以基于已建立的連接進行數(shù)據(jù)傳送了。在整個計算數(shù)據(jù)傳送期間，通信雙方始終占用著連接，通信資源不會被其他用戶占用。數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后還需要釋放連接，雙方掛機后，從主叫方到被叫方的這條專用的物理通路被交換機釋放，將雙方所占用的通信資源歸還給電信網(wǎng)。

????在使用報文交換時，無須首先建立連接，通信結(jié)束后也無須釋放連接。數(shù)據(jù)傳送單元為整個報文，傳送路徑中的交換節(jié)點只有在完整接收整個報文后，才能對其進行查表轉(zhuǎn)發(fā)，將整個報文發(fā)送到下一個節(jié)點。

????在使用分組交換時，也無須建立連接和釋放連接。數(shù)據(jù)傳送單元是由整個報文劃分并構(gòu)造出的若干個分組，傳送路徑中的交換節(jié)點每完整接收一個分組后，就對其查表轉(zhuǎn)發(fā)，將其發(fā)送到下一個節(jié)點。
綜上所述：

1. 若要連續(xù)傳送大量的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)傳送時間遠長于建立連接的時間，則使用電路交換可以有較高的傳輸效率。然而計算機的數(shù)據(jù)傳送往往是突發(fā)式的，采用電路交換時通信線路的利用率會很低；
2. 報文交換和分組交換都不需要建立連接(即預(yù)先分配通信資源)，在傳送計算機的突發(fā)數(shù)據(jù)時可以提高通信線路的利用率；
3. 將報文構(gòu)造成若干個更小的分組進行分組交換，比將整個報文進行報文交換的時延要小，并且還可以避免太長的報文長時間占用鏈路，有利于差錯控制，同時具有更好的靈活性；

??全文總結(jié)

歸納：
???? 本文主要詳細介紹了電路交換、分組交換以及電路交換的優(yōu)缺點、電路交換，并對三種交換進行了比較。

???? 今天的干貨分享到這里就結(jié)束啦！如果覺得文章還可以的話，希望能給個三連支持一下，聆風(fēng)吟的主頁還有很多有趣的文章，歡迎小伙伴們前去點評，您的支持就是作者前進的最大動力！
文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-752499.html

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