交换方式

交换

交换方式 是指在通信网络中，数据从发送方传输到接收方时，网络节点（如交换机、路由器）处理和转发数据的方式。它决定了数据传输的路径、资源分配和效率。交换方式是通信网络设计的核心，直接影响网络的性能、时延和资源利用率。

电路交换、报文交换和分组交换是三种主要方式，其中分组交换又可以进一步分为 数据报和虚电路 两种方式：

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，其过程如下：

1. 连接建立：发送方发起请求，通过交换设备（如电话交换机）在网络中为通信双方寻找并分配一条固定路径，建立端到端的专用电路。这需要信令系统协调。
2. 数据传输：电路建立后，数据（语音、视频等）通过这条固定路径连续传输。整个通信期间，路径保持独占，即使没有数据传输，资源也不会释放。
3. 连接释放：通信结束后，发送方或接收方发出终止信号，交换设备拆除电路，释放占用的资源（如带宽、端口）供其他用户使用。

电路交换的典型应用是 传统电话网络（PSTN）。其优缺点如下：

• 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。其过程如下：

1. 报文发送：发送方将完整的数据消息（大小可变，可能包含文本、文件等）发送到网络中的第一个节点（通常是交换机或路由器）。
2. 存储转发：每个节点接收整个报文，存储在缓冲区，检查目标地址后，选择下一跳节点转发。报文在网络中逐跳传输，直到到达接收方。
3. 接收与处理：接收方收到完整报文后，进行处理或存储。

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。其过程如下：

1. 数据分割：发送方将消息拆分为多个分组，每个分组附带头部信息（如源地址、目标地址、序列号）。
2. 分组传输：每个分组独立在网络中传输，节点（路由器）根据头部信息选择最佳路径，分组可能走不同路径到达目的地（动态路由）。
3. 存储转发：每个节点接收分组，存储后快速转发到下一跳，分组大小小，处理速度快。
4. 重组与接收：接收方收到所有分组后，根据序列号重新组装成原始消息。如果有分组丢失，可请求重传。

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。

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。

对比

• 电路交换 通过建立专用物理电路实现连续数据传输，资源独占但效率低，适合实时通信如电话；
• 报文交换 以整个消息为单位存储转发，无需预连接但时延高，适合低频大数据传输；
• 分组交换 将数据拆分为小分组独立传输，资源共享且效率高，适合现代互联网，但需处理分组丢失或乱序问题。

下图包含三种交换方式传输的时空图，横向表示距离，纵向表示时间：

需要能够图中的那一部分是 传播时间，哪一部分是 传输时间，这一部分内容可以和 数据链路层信道利用率 对比学习。

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：

1. 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 $T_{\text{setup}}$。

2. 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：

   $$ T_{\text{transmission}} = \frac{\text{数据大小}}{\text{带宽}} $$

3. 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：

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

数据报和虚电路

在 分组交换 中，根据分组的路由和连接方式，分组交换分为数据报（Datagram）和虚电路（Virutal Circiut）两种模式：

• 数据报：一种 无连接 的分组交换方式，每个分组（数据报）独立传输，包含完整的源地址和目标地址，网络根据每个分组的头部信息动态选择路由路径。
• 虚电路 ：一种 面向连接 的分组交换方式，在通信开始前建立一条逻辑路径（虚电路），所有分组沿此路径传输，模拟电路交换的稳定连接。

下表对比了数据报和虚电路的特性：

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。