通信原理学习14-通信网基本交换技术
为了使通信网中任何两个用户之间都能交换信息，可借助交换技术来实现。网络中通常使用的基本交换技术分为两类：电路交换和存储转发交换。
电路交换
所谓电路交换是指根据请求在一对站点之间建立一条实际的物理电路连接的过程。电路交换分为电路建立、数据传输和电路拆除3个阶段，可借助下图来说明其工作过程。
网络交换
1.电路建立
在数据传输之前，必须建立一条端到端的电路，若A要向D发送数据，A首先要向与之连接的节点4发一个“呼叫请求”，该“呼叫请求”含有要建立电路连接的源地址和目的地址。根据该“呼叫请求”选择中间节点。当“呼叫请求”到达D，D若接受A的请求，则通过己经建立的连接向A回送“呼叫应答”。至此，从A到D的专用物理电路连接建立完成。
2.数据传输
在A与D之间建立起物理电路连接后，就可以将数据从A沿电路传送到D。数据可以是数字的，也可以是模拟的，传输可以是双工的。
3.电路拆除
数据传输完以后，可由A或D发出拆除信号，终止连接，拆除电路，结束通信过程。
电路交换的优点是：通信的实时性强，适合于交互式会话通信，网络对于用户是透明的。缺点是：电路在连接期间是专用的，即使没有数据传输，别的用户也不能使用，系统效率低。数据传输前，存在着呼叫建立时延。交换节点不具有存储能力，因此不能适应突发性通信，不能平滑业务量，也不能发现和纠正数据传输错误。电路交换在实时性会话式通信中被广泛应用，电话网就是采用电路交换的一个典型实例。
存储转发交换
电路交换的缺点限制了其在一些场合的应用，于是出现了存储转发交换技术。存储转发交换是以“存储一转发”的方式实现的。
存储转发交换的特点如下：
① 发送的数据与地址和控制信息等按一定格式构成一个数据单元；
② 网络节点对数据单元进行接收、存储、差错校验、路由选择和转发等处理。
存储转发方式的优点如下：
① 多个数据单元可以分时共享一条通信信道，线路利用率高；
② 节点能动态地为数据单元选择最佳路由，可以平滑业务量，提高系统的效率；
③ 节点可对数据进行差错控制，减少了传输错误，提高了系统的可靠性；
④ 节点可对数据进行速率转换，也可对数据进行代码格式转换。
存储转发交换广泛应用于数据通信网，主要有两种类型：报文交换和报文分组交换。
1.报文交换
报文交换的基点是“存储一转发”，不管发送数据的长度是多少，都把它作为一个逻辑单元，并加上地址和控制信息等，按一定格式组成一个报文，下图所示为其报文格式。
报文格式
在报文交换中，节点存储来自不同用户的报文，确定路由后排队等待，输出线路出现空闲，立即发送出去。报文交换的主要缺点是：不适于实时或会话式通信，数据在网络中的延迟较大。
2.报文分组交换
报文分组交换也属于存储一转发交换方式，它把报文分成组，以短的、规格化的报文分组为单位进行传输。分组包含有数据和呼叫控制信息，它们作为一个整体进行传输。分组中的数据、控制信息及校验信息按规定的格式进行排列，如图所示。
报文分组格式
发送端把一个长报文分成多个报文分组，接收端再将多个报文分组按顺序重新组装成原报文，报文分组号就是为分组组装用的。
报文分组交换的优点如下：
① 可向用户提供不同速率、不同代码、不同通信控制规程的数据终端之间相互通信的通信环境，对用户终端的适应性强：
② 数据传输时延相对报文交换小；
③ 传输采用动态时分复用，提高了线路的利用率；
④ 报文分组在传输时可独立地进行差错控制，差错检测相对容易，误码率低；另外，报文分组传输的路径是可变的，当网络发生故障时，网络可自动为报文分组选择一条避开故障点的路由，提高了系统的可靠性高；
⑤ 数据以报文分组为单位在交换节点存储和处理，提高了存储空间的利用率。
报文分组交换的缺点如下：
① 采用报文分组传输，需要附加传输控制信息，其传输效率不如电路交换高；
② 交换节点需要对各类报文分组进行分析处理，增加了处理难度，实现技术复杂。
报文分组交换广泛应用于数据通信网，它有两种实现技术：数据报和虚电路。
2.1数据报方式
数据报方式分组交换过程可由下图来说明。源站点HA将报文M分成多个报文分组，依次发送到与其连接的节点A。A对收到的每个报文分组进行差错校验，以保证数据的正确性。同时，A要为每个报文分组进入下一个节点进行路由选择。由于网络的状态是不断变化的，P1的下一个节点可能选择C，P2的下一个节点可能选择D，因而同一报文的不同分组通过网络的路径可能是不同的。节点C收到分组P1后要对其进行校验．如正确，向A送回一个正确传输的确认信息ACK。A收到ACK后，确认P1已被C正确接收，则A删除P1的副本。其他节点的工作过程亦是如此。这样，P1，P2，······通过多个节点的存储转发，最终正确到达目的地HB。
数据报方式工作过程
由以上分析可以看出，同一报文的不同分组，可由不同的传输路径通过网络。由于通过网络时间的不同，可能引起顺序的变化，产生乱序，因此需要重新排序。分组的多次存储转发还可能产生重复和丢失。数据报交换方式延迟大，不适于会话式通信，但适用于突发通信场合。在这种交换技术中，独立处理的每个报文分组叫做“数据报”。
2.2虚电路方式
虚电路方式试图将数据报方式和电路交换方式结合起来，发挥二者的长处，达到最佳的数据交换效果。在数据报方式中，在报文分组发送前，收发之间不需要预先建立连接。而虚电路方式在报文分组发送前，需要在收发之间建立一条逻辑连接的虚电路，显然这与电路交换方式是类似的。虚电路方式的整个传输过程也分为3个阶段：虚电路建立、数据传输和虚电路拆除，可由下图来说明其工作过程。
虚电路方式工作过程
1.虚电路建立
若源站点HA有报文要发送给HB,它首先要向节点A发送一个“呼叫请求分组”，请求与HB建立连接。A收到“呼叫请求分组”后启动路由算法，选择与之相连接的下一节点。如选中B,则向B发送“呼叫请求分组”，同理，B收到“呼叫请求分组”后也要启动路由算法，选择下一个节点。依此类推，“呼叫请求分组”经节点A-B-C-D到达HB。如果HB同意连接，它就回送一个“呼叫应答分组，该分组通过己经建立的连接D-C-B-A传送到HA，至此，HA与HB之间就建立起了逻辑连接的虚电路。就像有一条物理电路连接通信两端一样，终端可以在任何时候发送数据。如果终端暂时没有数据可发送，网络也保持这种连接关系，但这时网络可以将线路的传输能力用作其他服务。所以这种连接并没有独占网络的资源，因此称这种连接方式为虚电路。
2.数据传输
利用己建立的虚电路逐节点以存储——转发方式顺序传送报文分组。每个分组含有一个虚电路标识符，节点根据这个标识符转发分组，而不需要再进行路由选择。
3.虚电路拆除
数据传送完后，可由其中的一个站点发送“释放请求分组”，结束连接，拆除虚电路。
虚电路方式具有以下特点。
① 每次报文分组发送前，必须在收发站点之间建立一条逻辑连接。一条物理电路可以实现多条虚电路连接，具有线路共享的优点。报文分组在每个节点上都要缓存排队，等待输出。
② 节点只需要为每次连接做一次路由选择，而不需要为每个分组进行路由选择。一次通信的所有报文分组都从这条虚电路上通过，报文分组不必带有目的地址、源地址等附加信息。报文分组到达目的节点不会出现丢失、重复和乱序等现象。
③ 节点对报文分组进行差错校验。
④ 网络的每个节点可以和任何节点建立虚电路，也可以和多个节点建立虚电路。
虚电路方式提供两种连接：呼叫虚电路和永久虚电路。呼叫虚电路通过呼叫建立虚电路，然后传输数据，最后拆除虚电路。永久虚电路由人工配置建立，不管两站是否通信都长期存在，一般数月或数年不变。虚电路方式在数据通信网中应用广泛。
基本交换技术简单比较
对于电路交换，建立连接需要花费时间，连接建立以后，报文作为一个整体传送，在交换节点延迟微不足道。报文交换不需要呼叫建立过程，但在各节点开始转发之前，必须收到整个报文，因此延迟时间较长。数据报交换也不需要呼叫建立过程，各节点只要分组一到就可立即转发，不必等待整个报文到齐，因此延迟时间比报文交换短。虚电路交换与电路交换类似，也要花费呼叫建立时间，且呼叫请求分组、呼叫应答分组、报文分组在各节点都有排队延迟，因此总延迟时间未必比电路交换短。
电路交换是面向物理连接的，在连接建立后有一条专用电路被用户占用，不传送数据时别的用户也不能使用。而虚电路交换是面向逻辑连接的，电路并不专用，只在传送分组时才占用，不传送分组时可供其他用户使用。因此，虚电路方式的电路利用率高。
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