【计网】网络交换技术之报文交换（复习自用，了解，重要3）

复习自用的，处理得比较草率，复习的同学或者想看基础的同学可以看看，大佬的话可以不用浪费时间在我的水文上了

另外两种交换技术可以直接点击链接访问相关笔记：

电路交换

分组交换

一、报文交换的定义

报文交换（Message Switching） 是一种网络通信方式，在这种方式下，整个消息在传输过程中会被视为一个整体，而不是分割成小的分组。报文交换技术最早应用于电报、传真等通信系统。在报文交换中，整个报文作为一个单元被传输，在每一个交换节点（如路由器）进行存储，然后转发给下一个节点，直到到达目标主机。

二、报文交换的工作原理

1. 整体传输

与分组交换不同，报文交换将发送的整个报文作为一个单独的数据单元。这意味着，报文在发送之前不会被拆分成更小的单元，而是保持为一个完整的消息。报文的大小可以非常大，因此报文交换的网络通常会面临较高的传输延迟和带宽占用。

2. 存储转发机制

报文交换的工作流程基于存储转发机制。每当一个交换节点接收到一个报文时，它会将整个报文存储在缓冲区中，直到它的下一跳（即下一个交换节点）准备好接收报文。这就意味着在每个交换节点上，报文会被暂存（存储）并检查，然后根据目标地址决定是否转发到下一个节点。
报文在每一个交换节点的存储时间取决于当前网络的负载和节点的处理能力，通常会造成较长的延迟。

3. 路径选择

路由器在报文交换中不需要事先建立连接。每当一个报文到达交换节点时，路由器会查看目标地址，并选择一条路径将其转发到下一节点。这种路径选择通常是基于静态路由表，但它也可以动态调整，尤其是在复杂的网络中。

4. 顺序处理

报文交换的特点之一是先到先发，即先到达交换节点的报文会先被处理和转发。交换节点不立即转发所有报文，而是将它们存储在缓冲区，按顺序逐个转发。

三、报文交换的工作过程

我们可以通过一个例子来更具体地理解报文交换的工作过程。假设有一个从主机A发送到主机B的通信过程，传输的单元是报文。

步骤1：用户A发起通信

用户A将一条完整的消息（即报文）准备好并发送给它连接的第一个交换节点。报文大小可能非常大，比如1MB。此时，整个报文作为一个整体被发送，而不会被分割成多个小块。

步骤2：交换节点1存储并转发

交换节点1接收到报文后，将其存储在自己的缓冲区中。然后，交换节点1查看报文中的目标地址信息，决定将该报文转发到下一个交换节点（交换节点2）。这时，报文仍然保持完整，不会拆分成小的数据包。

步骤3：交换节点2继续存储转发

当交换节点2接收到报文时，它再次存储并检查该报文，确认没有错误后，再决定是否将其转发给最终目的地（目标主机B）。如果目标主机B就在交换节点2上，报文直接送达目标；如果目标主机B不在此节点，报文继续通过其他交换节点转发，直到最终到达目标。

步骤4：目标主机接收

最终，报文到达目标主机B时，主机B接收到完整的报文，可以立即开始处理该信息。整个过程中，报文没有被拆分或重组，而是作为一个单独的单位经过每一个节点转发。

四、报文交换的特点

简单但效率低
报文交换的设计较为简单，每个报文在交换节点间传输时都保持完整。然而，由于没有将报文分成更小的分组，报文交换的传输效率不高。特别是在面对大量并发通信时，报文交换容易造成网络拥塞，因为每个节点必须等待整个报文传输完毕才能处理下一个报文。
存储时间较长
由于交换节点必须存储整个报文并等待下一跳节点准备好接收，因此报文交换的延迟较大。在网络负载高时，报文在每个节点的存储时间会进一步增加，导致整体传输时延增加。
路径选择灵活
每个交换节点可以根据目标地址选择最佳路径来转发报文，而不需要事先建立一个固定的连接路径。这使得报文交换具有一定的灵活性。
不适合实时通信
报文交换不适合像语音通话、视频会议等对时延要求严格的实时通信应用，因为报文的存储转发机制可能引入较长的延迟。
容错性差
如果在报文传输过程中出现任何故障或丢失，整个报文都会丢失，而不是丢失其中的一部分数据。缺乏分割和独立传输的机制，导致网络出现问题时恢复较慢。

五、报文交换的作用与好处

适合低流量通信
报文交换适用于通信流量较低或不需要实时交互的场景。比如，一些传统的电报和传真系统使用报文交换技术，能够在保证数据传输完整性的同时，传输较为静态的数据（如文件）。
无须建立连接
报文交换不需要事先建立一条专用的通信线路，较为灵活。每个报文可以根据网络状况选择不同的路径转发。
可靠性相对较高
由于报文交换中的每个报文都是完整传输，交换节点会进行完整的错误检测，确保报文传输过程中没有数据丢失或损坏。

六、报文交换的应用

报文交换在现代网络中已经逐渐被分组交换所取代，但在一些传统的或特定的场合，仍然有其应用：

电报通信系统
在20世纪，电报通信使用的就是报文交换技术。它允许人们通过长距离网络传输书面消息。
传真
早期的传真技术也采用了报文交换，传输完整的图像文件作为报文。
传统的邮件系统
在早期，传统邮件系统也使用报文交换的方式来传输整封邮件或包裹。每个邮件的内容会被作为一个完整的消息进行传输，直至最终到达目的地。
一些特定的文件传输应用
在一些小规模或低延迟要求的网络环境中，报文交换技术仍然可用于一些简单的文件传输任务。

七、报文交换的局限性与缺点

低效率
当网络负载增加时，报文交换的低效率会变得更加明显。因为每个报文都需要占用整个路径的带宽，而其他流量无法共享同一带宽资源。
延迟高
在每个交换节点都需要存储报文并等待下一个节点处理，因此整体的通信延迟较高，不适合实时性要求强的应用（如视频、语音等）。
不适用于大规模网络
对于大规模的网络，特别是互联网，报文交换难以应对海量的流量和高频的并发请求。相比之下，分组交换能更好地支持大规模、高频率的数据传输。

八、电路交换、分组交换、报文交换的对比

特性	电路交换	分组交换	报文交换
定义	在通信开始前，源和目的地之间建立一条专用的物理路径（电路），并在通信期间保持不变。	数据被拆分成多个小分组，通过网络传输，每个分组独立传输，路径动态选择。	整个消息作为一个单元传输，在每个节点存储并转发，路径选择动态。
路径	预先建立并保持，通信期间不可更改。	每个分组独立选择路径，路径动态。	每个报文独立选择路径，路径动态。
连接方式	需要建立一个专用连接。	不需要事先建立连接。	不需要事先建立连接。
数据单位	比特流或连续数据。	分组（Packet），每个分组携带控制信息和数据部分。	整个报文，传输过程中报文作为一个完整的单元传输。
资源利用率	低，通信期间专用路径不能共享。	高，网络资源按需分配，网络带宽可动态使用。	较低，整个报文占用带宽，其他流量不能共享。
延迟	低，一旦建立连接，数据传输延迟很小。	延迟较高，分组需要通过多个节点，且可能出现排队。	延迟较高，报文在每个节点都需要存储并转发。
适用场景	实时通信（如电话）。	适用于大规模的通信，特别是互联网、电子邮件、网页浏览等。	适用于低流量通信、早期的电报和传真系统。
可靠性	高，通信过程中路径固定，不易出现丢包。	高，采用重传机制确保数据可靠到达。	可靠性较低，因每个节点都需要存储转发，丢包后可能无法恢复。
拥塞情况	容易拥塞，若通信期间链路出现问题，其他用户无法使用该路径。	可以动态选择路径，避免单一路径的拥塞。	容易拥塞，尤其是在传输大报文时，节点缓冲区容易满。
带宽利用	低，路径的带宽被独占，即使没有数据传输。	高，网络带宽按需分配，不会因闲置时空闲带宽浪费。	较低，传输时整个报文占用带宽，无法进行带宽共享。
应用示例	传统电话、专用线路通信。	互联网（网页浏览、视频流、文件传输等）、电子邮件。	传统电报、传真、早期的邮件传输等。

路径和连接：
- 电路交换要求在通信开始前为通信双方预设一条固定的路径，并在通信过程中保持不变，这意味着网络中的这条路径在通信期间专属于通信双方，其他流量无法使用这条路径。
- 分组交换和报文交换的路径是动态选择的，不需要在通信开始时预先建立连接，每个数据单位（分组或报文）都可以根据网络的实时状况选择路径进行传输。
数据单位：
- 电路交换通常是连续的比特流，不会进行拆分，而分组交换将数据拆分为小的分组，每个分组有自己的头部和数据部分。报文交换则将整个报文作为一个单元进行传输，不会进行拆分。
延迟：
- 电路交换一旦建立连接，延迟较低，因为通信过程中路径已经固定，不需要经过中间处理。
- 分组交换和报文交换由于涉及多个中转节点，每个节点需要存储并转发数据，因此延迟较高。
带宽利用和资源利用：
- 电路交换的资源利用率较低，因为在通信过程中这条固定路径的带宽是专用的，即使没有数据传输，带宽也被占用。
- 分组交换和报文交换的资源利用效率较高，因为它们采用按需分配的机制，可以动态选择路径和带宽。
适用场景和应用：
- 电路交换最适合需要低延迟和高可靠性的实时通信场景，如传统的电话通信。
- 分组交换适用于大规模网络通信，特别是互联网通信，它支持大量并发的、非实时的数据流。
- 报文交换由于存在较大的传输延迟和低效率，主要用于早期的电报、传真等系统。