计算机网络—— 概述（34）：三种交换方式计算机网络的定义和分类

Posted 2021-06-29 大彤小忆

• 3. 三种交换方式
• • 3.1 电路交换
  • 3.2 分组交换
  • 3.3 报文交换
  • 3.4 电路交换、报文交换、分组交换的对比
  • 3.5 三种交换方式的优缺点
  • • 3.5.1 电路交换的优缺点
    • 3.5.2 报文交换的优缺点
    • 3.5.3 分组交换的优缺点
  • 3.6 课后练习
• 4. 计算机网络的定义和分类
• • 4.1 计算机网络的定义
  • 4.2 计算机网络的分类
  • 4.3 课后练习

3. 三种交换方式

3.1 电路交换

  要使得每一步电话能够很方便地和另一部电话进行通信，就应当使用一个中间设备将这些电话连接起来，这个中间设备就是电话交换机。每一部电话都连接到电话交换机上，可以把电话交换机简单地看成是一个有多个开关的开关器，可以将需要通的任意两部电话线路按需接通，从而大大减少了连接的电话线数量。当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的电话交换机来完成全网的交换任务。用这样的方法，就构成了覆盖全世界的电信网。

  $\diamond$ 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换（Circuit Switching）；
  $\diamond$ 从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
  $\diamond$ 电路交换有三个步骤：
   1. 建立连接（分配通信资源)
   2. 通话（一直占用通信资源)
   3. 释放连接（归还通信资源)

  思考：如果使用电路交换来传送计算机数据是否可行？
  尽管采用电路交换可以实现计算机之间的数据传送，但当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的，试想一下这种情况：当用户正在输入和编辑一份待传输的文件时，用户所占用的通信资源暂时未被利用，该通信资源也不能被其他用户利用，宝贵的通信线路资源白白被浪费了，因此计算机网络通常采用分组交换，而不是电路交换。

3.2 分组交换

  在因特网中最重要的分组交换机就是路由器，它负责将各种网络互连起来，并对接收到的分组进行转发，也就是进行分组交换（Packet Switching）。
  例： 假设主机H6的用户要给主机H2的用户发送一条消息。

  通常我们把表示该消息的整块数据称为一个报文，在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，可简称为“包”，相应地，首部可称为“包头”。
  思考： 添加首部的作用是什么？这不是加大了带传输的数据量吗？实际上，首部起着非常关键的作用，首部中包含了分组的目的地址，否则分组传输路径中的各分组交换机（也就是各路由器）就不知道如何转发分组了。

  分组交换机收到一个分组后，先将分组暂时存储下来，再检查其首部，按照首部的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机。在本例中，主机H6将所构造出的各分组依次发送出去，各分组经过途中各分组交换机的存储转发，最终到达主机H2。

  主机H2收到这些分组后，去掉它们的首部，将各数据段组合还原出原始报文。

  在上述的分组交换过程中，发送方所要完成的任务是构造分组和发送分组；路由器（也就是分组交换机）所要完成的任务是缓存分组和转发分组，简称为“存储转发”；接收方所要完成的任务是接受分组和还原报文。

3.3 报文交换

  与分组交换类似，报文交换（Message Switching）中的交换节点也采用存储转发的方式，但报文交换对报文的大小没有限制，这就要求交换节点需要有较大的缓存空间。
  报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被先进的分组交换方式所取代。

3.4 电路交换、报文交换、分组交换的对比

  假设A、B、C、D是分组传输路径上所要经过的4个节点交换机，纵坐标为时间。

  对于电路交换，通信之前首先要建立连接，连接建立好之后，就可以使用已建立好的连接进行数据传送，数据传送结束后，需要释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源，如下图所示。

  对于报文交换，可以随时发送报文，而不需要事先建立连接，整个报文先传送到相邻节点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发到下一个节点交换机，如下图所示。

  对于分组交换，可以随时发送分组，而不需要事先建立连接，构成原始报文的一个个分组，依次在各节点交换机上存储转发，各节点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组，如下图所示。

  当使用电路交换时，一旦建立连接，中间的各节点交换机就是直通形式的，比特流可以直达终点；当使用报文交换时，整个报文需要在各节点交换机上进行存储转发，由于不限制报文的大小，因此需要各节点交换机都具有较大的缓存空间；当使用分组交换时，构成原始报文的一个个分组，在各节点交换机上进行存储转发，相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。

3.5 三种交换方式的优缺点

3.5.1 电路交换的优缺点

       优点：1. 通信时延小。因为通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此通信时延非常小，当连续传输大量数据时，这一优点非常明显。
           2. 有序传输。因为通信双方之间只有一条专用的通信线路，数据只在这一条线路上传输，因此不存在失序问题。
           3. 没有冲突。不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。
           4. 适用范围广。电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
           5. 实时性强。这主要得益于其通信时延小的优点。
           6. 控制简单。电路交换的节点交换机及其控制都比较简单。
       缺点： 1. 建立连接时间长。电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。
           2. 线路独占，使用效率低。电路交换一旦建立连接，物理通路就被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能够供其他用户使用，因而信道利用率很低。
           3. 灵活性差。只要连接所建立的物理通路中的任何一点出现了故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对十分紧急和重要的通信是很不利的。
           4. 难以规格化。电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信中进行差错控制。

3.5.2 报文交换的优缺点

       优点：1. 无需建立连接。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，不存在建立连接的时延，用户可以随时发送报文。
           2. 动态分配线路。当发送方把报文传送给节点交换机时，节点交换机先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去。
           3. 提高线路可靠性。如果某条传输路径发送故障，会重新选择另一条路径传输数据，因此提高了传输的可靠性。
           4. 提高线路利用率。通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间分段部分占用物理线路，因而大大提高了通信线路的利用率。
           5. 提供多目标服务。一个报文可以同时发送给多个目的地址，这在电路交换中很难实现。
       缺点： 1. 引起了转发时延。这是因为报文在节点交换机上要经历存储转发的过程。
           2. 需要较大的存储缓存空间。这是因为报文交换对报文的大小没有限制。
           3. 需要传输额外的信息量。这是因为报文需要携带目的地址、源地址等信息。

3.5.3 分组交换的优缺点

       优点：1. 无需建立连接。分组交换不需要为通信双方建立一条专用的通信线路，不存在建立连接的时延，用户可以随时发送分组。
           2. 线路利用率高。通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同时间分段部分占用物理线路，因而大大提高了通信线路的利用率。
           3. 简化了存储管理。这是相对于报文交换而言的，因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，管理起来相对容易。
           4. 加速传输。由于分组是逐个传输的，这就使得后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作可以同时进行。
           5. 减少出错概率和重发数据量。因为分组比报文小，因此出错概率必然减小，即便分组出错，也只需重传出错的部分，这比重传整个报文的数据量小很多，不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。
       缺点： 1. 引起了转发时延。这是因为分组在节点交换机上要经历存储转发的过程。
           2. 需要传输额外的信息量。将原始报文分割成等长的数据块，每个数据块都要加上源地址、目的地址等控制信息，从而构成分组，因此使得传输的信息量增大了。
           3. 对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

3.6 课后练习

  1. 在下列数据交换方式中，数据经过网络的传输延迟长而且是不固定的，不能用于语音数据传输的是( B )
    A. 电路交换  B. 报文交换  C. 分组交换  D. 虚电路交换
   分析： 在报文交换中，交换的数据单元是报文。由于报文大小不固定，在交换节点中需要较大的存储空间，另外报文经过中间节点的接收、存储和转发的时间较长而且也不固定，因此不能用于实时通信应用环境(如语音、视频等)。而电路交换通信时延小，分组交换的长度固定。

  2. 为了使数据在网络中传输时延最小，首选的交换方式是( A )
    A. 电路交换  B. 报文交换  C. 分组交换  D. 信元交换
   分析： 电路交换通信时延小。因为通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此通信时延非常小，当连续传输大量数据时，这一优点非常明显。

  3. 因特网上的数据交换方式是( C )
    A. 电路交换  B. 报文交换  C. 分组交换  D. 光交换
   分析： 在因特网中最重要的分组交换机就是路由器，它负责将各种网络互连起来，并对接收到的分组进行转发，也就是进行分组交换。

4. 计算机网络的定义和分类

4.1 计算机网络的定义

  $\diamond$ 计算机网络的精确定义并未统一
  $\diamond$ 计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合。
    $\circ$ 互连是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信；
    $\circ$ 自治―是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用；
    $\circ$ 集合是指至少需要两台计算机。
  $\diamond$ 计算机网络的较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
    $\circ$ 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件。
    $\circ$ 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用(包括今后可能出现的各种应用)

4.2 计算机网络的分类

  按交换技术分类：电路交换网络
          报文交换网络
          分组交换网络
  按使用者分类：公用网
         专用网
  按传输介质分类：有线网络
          无线网络
  按覆盖范围分类：广域网WAN(Wide Area Network)
          城域网MAN(Metropolitan Area Network)
          局域网LAN(Local Area Network)
          个域网PAN(Personal Area Network)
  按拓扑结构分类：总线型网络
          星型网络
          环型网络
          网状型网络

4.3 课后练习

  1. 计算机网络可被理解为( B )
   A. 执行计算机数据处理的软件模块  B. 由自治的计算机互联起来的集合体
   C. 多个处理器通过共享内存实现的紧耦合系统  D. 用于共同完成一项任务的分布式系统
   分析： 计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合。

  2. 计算机网络系统的基本组成是( C )
   A. 局域网和广域网  B. 本地计算机网和通信网  C. 通信子网和资源子网  D. 服务器和工作站
   分析： 计算机网络通常由三个部分组成：资源子网、通信子网和通信协议。
       资源子网： 从计算机网络各组成部件的功能来看，各部件主要完成两种功能，即网络通信和资源共享。把计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合称为网络的通信子网，而把网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合称为资源子网。
       通信子网：是指网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合,通信设备、网络通信协议、通信控制软件等属于通信子网，是网络的内层，负责信息的传输。主要为用户提供数据的传输，转接，加工，变换等。
       通信协议：指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。

  3. 计算机网络分为广域网、城域网和局域网，其划分的主要依据是( A )
   A. 网络的作用范围  B. 网络的拓扑结构  C. 网络的通信方式  D. 网络的传输介质
   分析： 按覆盖范围分类：广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个域网PAN