数据交换（Data Switching）：计算机网络的主要功能是实现资源共享和信息传递，而这些功能的完成需要依靠数据交换来实现。数据交换是指在多个数据终端设备之间，为任意两个终端设备建立数据通信临时互连通路的过程。数据交换方式可以分为如下三种

一：电路交换（Circuit Switching）

电路交换（Circuit Switching）：电路交换与电话交换原理基本相同，因此电话交换机接通电话线的方式称之为电路交换。如下图，任意两部电话机想要建立通信需要一个中间设备，即电话交换机，每一部电话都会连接到电话交换机上，它可以看做是一个有多个开关的开关器，可以将需要通信的任意两部电话的线路按需接通，从而大大减少了所需要的电话线数量

• 如果$n$部电话两两之间都需要一根电话线，那么所需的电话线总数为$\frac{n(n-1)}{2}$，数量是相当庞大的

当电话机数量增多时就需要很多彼此连接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

如下图，电路交换有以下三个步骤

• 建立连接（分配通信资源）：主叫用户先拨号请求建立连接，被叫用户听到电话交换机送来的拨号音并摘机后， 从主叫端到被叫端就建立了一条专用的物理通路，这条通路保证了双方通信时所需的通信资源

  

• 通话（一直占用通信资源）：在通话期间，第一步建立连接时所分配的通信资源在双方通信的过程中不会被其他用户占用

• 释放连接（归还通信资源）：通话完毕双方挂机，电话交换机释放刚才使用的这条专用物理通路，将通信资源归还给电信网

  

但是，电路交换方式并不适合传送计算机数据，这是因为计算机数据的传送是突发式的，用户在占用通信资源期间可能大部分工作都花费在了编辑待传输的文件上，而实际传送文件所需要的时间却很少，这会导致线路传输效率极其低下，浪费了宝贵的通信资源

因此，电路交换适用于以下情形

• 用户始终独占端到端的固定传输带宽
• 适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况

二：分组交换（Packet Switching）

分组交换（Packet Switching）：计算机网络在传输数据时会把数据（也即报文）分割成小块然后逐块发送，这种小块称之为分组。因特网中的路由器会将这些分组暂时存储起来然后进行转发，分组交换的这种数据交换方式称之为存储转发。在分组交换中涉及如下三个角色

• 发送方
  • 构造分组
  • 发送分组
• 路由器
  • 缓存分组
  • 转发分组
• 接收方
  • 接收分组
  • 还原报文

如下图，以主机H6给主机H2发送消息（一个报文）为例说明分组交换过程

• 在发送数据之前，发送方先把较长的报文划分为若干等长的数据段

  

• 然后在每一个数据段前面，加上由必要控制信息组成的首部后构成一个分组

  • 首部：具有非常重要的作用，例如首部中必然会包含该分组的目的地址，路由器收到分组后会检查首部，然后根据首部中的地址信息查表转发

  

• 接着主机H6将构造的分组依次转发出去，各分组经过途中各路由器的存储转发后到达主机H2

  • 注意：这仅仅是一种最简单的情形，实际状况会更为复杂，后续章节会详细介绍

  

• 主机H2收到这些分组之后去掉它们的首部，然后再将各数据段组合还原为原始报文

  

三：报文交换（Message Switching）

报文交换（Message Switching）：报文交换与分组交换基本相似，交换结点也采用存储转发方式，但报文交换对报文大小没有限制，所以要求交换结点具有较大的缓存空间。报文交换主要用于早期电报通信网，现在很少使用，通常被分组交换取代

四：三种交换方式对比

（1）概述

电路交换：通信之前先要建立连接，连接建立好之后就可以使用该连接进行数据传送，数据传送完毕需要释放连接，以归还之前占用的通信资源。连接建立时，各结点交换机是直通形式的，比特流可以直接到达

报文交换：可以随时发送报文而不需要事先建立连接， 报文先传送到相邻结点交换机，全部存储后再查表转发到下一个结点交换机，因此需要各结点交换机具有较大的缓存空间

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，依次在各结点交换机上存储转发，各结点交换机在发送分组的同时还缓存接收到的分组。相比报文交换，分组交换减少了转发时延，还可以避免报文长时间占用链路，同时也有利于差错控制

（2）优缺点

电路交换

• 优点
  • 通信时延小：因为通信线路为通信双方专用，数据直达 ，当连续传输大量数据时这一优点会非常明显
  • 有序传输：因为通信双方只有一条专用的通信线路，数据仅在这一条线路上传输，不存在失序问题
  • 没有冲突：因为不同的通信双方拥有不同的通信信道，不会出现争用信道的问题
  • 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
  • 实时性强：主要得益于通信时延小
  • 控制简单：
• 缺点
  • 建立连接时间长：
  • 线路独占、使用效率低：电路交换连接一旦建立，物理通路就被通信双方独占，即使通信线路空闲也不能供其他用户使用
  • 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，就必须要重新建立新的连接
  • 难以规格化：电路交换对于不同类型、不同规格、不同速率的终端很难进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制

报文交换

• 优点
  • 无需建立连接：不需要建立连接，不存在连接建立时的时延，用户可以随时发送报文
  • 动态分配线路：当发送方把报文传送给结点交换机时，结点交换机先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，再将报文发送出去
  • 提高线路的可靠性：如果某条传输路径发生故障，会重新选择另外一条路径传输数据
  • 提高线路利用率：通信双方并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
  • 提供多目标服务：一个报文可以同时发送给多个目的地址
• 缺点
  • 增加转发时延：因为报文在结点交换机上要经历存储转发的过程
  • 需要较大缓存储空间：因为报文交换对报文的大小没有限制
  • 需要传输额外的信息量：因为报文需要携带目标地址、源地址等信息

分组交换

• 优点
  • 无需建立连接：需要建立连接，不存在连接建立时的时延，用户可以随时发送分组
  • 线路利用率高： 通信双方并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
  • 简化了存储管理：相对于报文交换，分组的长度固定，因此结点交换机缓冲大小也固定，管理起来比较容易
  • 加速传输：分组是逐个传输的，这意味着后一个分组的存储操作和前一个分组的转发操作可以同时进行
  • 减少了出错概率和重发数据量：因为分组比报文小，出错概率必然降低，即便分组传错，也只需要重传出错的分组即可
• 缺点
  • 增加转发时延：因为分组在结点交换机上要经历存储转发的过程
  • 需要传输额外的信息量：因为每个分组需要携带目标地址、源地址等信息
  • 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作
  • 当分组交换采用虚电路服务，虽然没有失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

要携带目标地址、源地址等信息

• 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作
• 当分组交换采用虚电路服务，虽然没有失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程