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前言

在计算机网络中，交换技术是数据传输的基础，直接影响网络性能和效率。主要的交换技术包括电路交换、分组交换和报文交换。这些技术各有特点，适用于不同的应用场景。本章详细讲解了这三种交换技术的定义、原理、工作过程以及优缺点。

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一、电路交换

1. 定义与原理

电路交换（Circuit Switching）是一种传统的网络交换技术，它通过建立一个专用的物理通路来完成通信。
在电路交换中，通信双方在通话过程中占用了一条专用的物理线路，这条线路在整个通话过程中保持不变。电路交换最常见于传统的电话系统。

【示例】
每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。 这种交换方式就是电路交换 。

2. 工作过程

电路交换的工作过程可以分为三个阶段：
①建立连接：在通信开始之前，电路交换系统会为通信双方建立一条专用的物理通路。这一步骤涉及到网络资源的分配，确保通话过程中不会被其他通信占用。
②通话：一旦连接建立，主叫和被叫双方可以开始通话。在此阶段，专用通路持续占用网络资源，保证了通信质量。
③释放连接：通话结束后，电路交换系统会释放这条物理通路，将网络资源归还给系统。

3. 优点与局限

①优点
数据直送，传输速率高，通信质量稳定。

②缺点

• 建立/释放连接，需要额外的时间开销
• 线路被通信双方独占，利用率低
• 线路分配的灵活性差
• 交换节点不支持“差错控制”（无法发现传输过程中的发生的数据错误）

二、分组交换

1. 定义与原理

分组交换（Packet Switching）是一种现代的网络交换技术，广泛应用于互联网。
分组交换将数据划分为多个小的数据单元——分组（Packet），每个分组都有自己的首部信息，用于指定目的地和其他控制信息。分组在网络中独立传输，通过不同的路径到达接收端，接收端再将这些分组重组为原始数据。

2. 工作过程

①数据分组：发送端将较长的报文划分成多个较小的分组。每个分组都包含数据部分和控制信息（包头）。

发送端先把较长的报文划分成更小的等长数据段。

数据段前面添加首部就构成了分组 (packet)。

②分组发送：分组在网络中独立发送。每个分组可能沿着不同的路径到达接收端。

③数据重组：接收端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文。

3. 优点与局限

①优点

②局限

• 排队延迟：由于分组在路由器中需要排队等待处理，可能会引起延迟。
• 带宽不保证：由于带宽是动态分配的，可能会出现网络拥堵和带宽不足的情况。
• 开销增加：每个分组都需要携带控制信息，增加了网络的开销。

三、报文交换

1. 定义与原理

报文交换（Message Switching）是一种较早的交换技术，使用存储转发的原理来传输数据。
在报文交换中，整个报文在发送端被完整地存储，然后转发到下一个节点，直到到达接收端。这种技术最早用于电报系统。

2. 工作过程

①报文存储：发送端将完整的报文存储在中转节点。
②转发：报文被转发到下一个节点，直到到达目的地。
③数据接收：接收端将报文取出并处理。

3. 优点与局限

①优点

• 通信前无需建立连接
• 数据以“报文”为单位被交换节点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配
• 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高
• 交换节点支持“差错控制”(通过校验技术)

②缺点

• 报文不定长，不方便存储转发管理
• 长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大
• 长报文容易出错，重传代价高

四、比较与总结

①适用场景

• 电路交换：适用于需要持续稳定传输的数据，如传统电话通信。它提供了固定的通信路径和高质量的通信，但资源利用率低。
• 分组交换：适用于互联网和数据通信，能够灵活地适应网络负载的变化，提供了更高的网络利用率和弹性。
• 报文交换：适用于早期电报通信，现已很少使用。由于其高延迟和存储需求，现代网络通常采用分组交换技术。

②性能对比

特性	电路交换	分组交换	报文交换
建立连接	需要先建立连接	不需要先建立连接	不需要先建立连接
延迟	低（固定延迟）	变动（取决于网络负载）	高（报文在网络中存储转发）
效率	资源利用率低	高（资源按需分配）	低（报文可能占用带宽）
吞吐量	高（固定带宽）	变动（取决于网络负载）	低（可能存在报文堵塞）
适用场景	语音通话等实时通信	数据通信、互联网等	电子邮件、文件传输等
容错能力	低（连接中断会影响通信）	高（分组独立传输）	高（每个报文独立处理）