交换方式

掌握三种交换方式的发送方法，并且学会计算传输时延和传输时间，可能在选择题中考察。

交换

电路交换

电路交换（Circuit Switching）是一种传统的通信方法，其中在发送方和接收方之间建立一个专用的通信路径（电路），该路径在整个通信过程中保持不变。

电路交换的优缺点如下：

优点：
- 稳定性：一旦建立连接，通信是连续且稳定的。
- 低延迟：由于路径是专用的，数据传输没有竞争，延迟较低。
缺点：
- 资源浪费：路径在整个通信过程中被独占，即使没有数据传输时，资源仍然占用。
- 建立时延：建立连接需要时间，初始延迟较高。

报文交换

报文交换（Message Switching）不需要建立专用路径，整个报文作为一个单元传输，节点存储并转发整个报文。

报文交换主要用于早期的电报和一些数据网络中。

报文交换的优缺点如下：

优点：
- 灵活性：不需要建立专用线路，可以动态选择路径。
- 适应性：适合于突发性的数据传输。
缺点：
- 高延迟：每个节点都需要存储和转发整个报文，增加了延迟。
- 资源占用：大报文可能占用较多的存储资源。

分组交换

分组交换（Packet Switching）将数据分成小的分组（或数据包），每个分组独立传输，并可能通过不同路径到达目的地。

分组交换已经广泛应用于互联网，比如当前的 IP 协议就是分组交换的一种实现。

注意

报文（Message）和分组（Packet）的区别？

报文是一个完整的、不可再分的数据单元，通常包含一个完整的信息或者文件。

分组是将数据分割成较小的、固定大小的单位，每个单位可以独立传输。

如今互联网已经很少见到报文交换了，报文和分组时一种概念。IP 分组（Packet）就是分组的一种实现，如果没有网络层的话，UDP 的 Datagram 直接进入数据链路层，UDP 的 Datagram 就是一个报文（Message）。

分组交换是对报文交换的一种改进，它具备如下优点：

高效性：网络资源按需分配，多个通信可以共享同一物理路径。
鲁棒性：分组可以通过不同路径传输，网络故障时能自动选择替代路径。
适应性强：适合于多种类型的数据传输（语音、视频、数据等）。

其缺点与报文交换类似，由于分组可能通过不同路径到达，可能导致抖动和延迟。

传输时间计算

电路交换 的传输时间包含连接建立和数据传输的时间：

建立时间：在进行数据传输之前，需要建立一个专用的电路连接，这个过程会产生一定的延迟。设立连接时间为 $T_{\text{setup}}$。
传输时间：一旦电路建立，数据传输时间主要取决于数据量和带宽。传输时间 $T_{\text{transmission}}$ 可以用公式表示为：
$$ T_{\text{transmission}} = \frac{\text{数据大小}}{\text{带宽}} $$
总传输时间：总传输时间包括建立时间和传输时间：
$$ T_{\text{total}} = T_{\text{setup}} + T_{\text{transmission}} $$

报文交换 和 分组交换 的场景更加复杂一些，我们需考虑多种时延以及不同链路之间的带宽差异。但是两者的思路类似，不同点在于报文和分组的大小不同，这里以分组交换来进行说明。

下面举一个比较全面的例子来说明一下，网络中有 A、B、C、D 四个结点，其中链路的带宽分别为 $B_1$、$B_2$、$B_3$。在从结点 A 发送分组至结点 D 的过程中，总时间主要包含三种时延：传播时延、传输时间和排队时间。

首先，假设信号传播速度为 $\text{speed}$，A 到 D 之间的距离为 $L$，则：

$$\text{传播时延} = \frac{L}{\text{speed}}$$

假设每个分组的大小为 $P$，则 A → B 的传输时间为 $P / B_1$，B → C 的传输时间为 $P / B_2$，C → D 的传输时间为 $P / B_3$。由下图可知，不同链路间的分组传输存在流水线的 overlap 现象，A 向 B 发送完第一个分组后即可发送第二个分组。在这种情况下，如果 A 向 D 传输 $k$ 个分组的话，则总传输时间受限于带宽最低的链路，若 $B_1$ 为链路最低的带宽的话，则：

$$\text{总传输时间} = \frac{k \times P}{B_1} + \frac{P}{B_2} + \frac{P}{B_3}$$

上述公式是一种特殊的情况，如果 $B_{i} < B_{j} < B_{k} < \cdots$ 的话，则

$$\text{总传输时间} = \frac{k \times P}{B_i} + \frac{P}{B_j} + \frac{P}{B_k} + \cdots \text{（一般情况）}$$

一般排队时间在试题中都不需要考虑，所以总时间为传输时间和传播时延之和：

$$\text{总时间} = \frac{L}{\text{speed}} + \frac{k \times P}{B_1} + \frac{P}{B_2} + \frac{P}{B_3}$$

数据包和虚电路

特性	数据报	虚电路
连接性	无连接，每个分组独立处理	有连接，建立虚电路后传输分组
路由	每个分组独立路由	虚电路建立后，沿着相同路径路由
通信开销	较低，不需要建立和维护连接	较高，建立连接需要额外开销
分组到达顺序	不保证分组到达的顺序	保证分组按照发送顺序到达
分组丢失	可能出现分组丢失，需要上层协议处理	较低的丢包率，可靠传输
带宽利用率	不需要预留带宽，按需使用	预留带宽，可能造成资源浪费
适用场景	Internet中的IP数据包	电路交换、ATM等有连接通信
例子	Internet中的IP分组	早期电话网络、ATM网络

数据报和虚电路是两种不同的通信服务模型，适用于不同的通信需求和网络类型。数据报适合于互联网等不保证可靠传输的环境，而虚电路适合于对可靠性要求较高的电路交换和ATM等网络。选择合适的通信模型取决于应用需求和网络设计。