数据交换
前言
从本文开始介绍网络层，本文先简单介绍一下网络层的功能和数据交换的几种方式。
1 网络层功能
网络层的功能是把分组从源段传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输的单位是数据报。
(1) 路由选择与分组转发，即选择最佳路径。
(2) 异构网络互联。
(3) 拥塞控制。若所有节点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态，因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。通常有两种方式：开环控制和闭环控制。
2 传输单元的名词
(1) 应用层的传输单元叫做报文。
(2) 传输层的传输单元叫做报文段。如果应用层的报文很大，那么传输层就对报文进行分割形成报文段。
(3) 网络层的传输单元叫做IP数据报（数据报）或分组。分组是如果数据报过长时，网络层会将数据报划分成一个个分组。
(4) 数据链路层的传输单元是帧。
(5) 物理层传输的传输单元是比特流。
3 数据交换的方式
数据交换的方式分为：电路交换、报文交换、分组交换。
早期如果两部电话要通信，就必须要在两个电话之间用1对电线连接起来，三个电话要相互通信那就要3对电线连接起来，如果有N部电话要相互之间通信，那么就需要（N - 1）N / 2对电线相连接，这显然是不太现实的。后来想到用一个电话交换机将电话连接起来。如下图所示（用主机代替电话）
当电话数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的交换机来完成全网的交换任务。用这样的方式就构成了覆盖全世界的电信网。
3.1 电路交换
电路交换的阶段：建立连接——> 通信——> 释放连接
在通信前需要建立一条专用的物理通路，这条连接保证了双方通话时所需的通信资源，而这些资源不会被其他用户占用。即电交换的一个重要特点：在通信的全部时间内，通话的两个用户始终占用端对端的通信资源。
特点：独占资源。
3.2 报文交换
报文交换是基于存储转发原理，报文在链路上传递达到交换设备（交换机），交换设备具有存储转发的功能，达到交换设备后不会立即发送，而是会等待一段时间，做一些检查，等到链路空闲时，查找转发表转发到下一个节点，而且路径也不是固定的路径，而是根据网路状态动态分配线路，一直到目的设备。这个过程很像快递发送过程，一般快递到一个中转站都不会立马发送，而会等一段时间。
报文：源应用发送的信息整体。
3.3 分组交换
分组交换和报文交换类似，都是使用存储转发思想，在发送端先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，每个数据段前添加上首部构成分组。分组交换网以分组作为数据传输单元，依次把各分组发送到接收端。
每一个分组的首部都有地址等控制信息。分组交换网中的节点交换机根据收到的分组首部中的地址信息、把分组转发到下一个节点的交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。
分组交换又分为数据报方式和虚电路方式。
优点：相对于报文交换，存储管理更容易。
缺点：有存储转发时延、需要传输额外的信息量（需要将分组编号，以便于在接收端排序还原成最初的报文）、乱序达到目的主机时，要对分组排序重组。
3.4 三种方式总结
电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一条管道中传送。
报文交换——整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
分组交换——单个分组（报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后找转发表，转发到下一个节点。
(1) 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽。
(2) 报文交换和分组交换都采用存储转发。
(3) 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换。分组交换由于传输的是一个个小分组，因此分组交换比报文交换的时延小。
(4) 传送数据量大，且传送时间远大于建立连接的时间，使用电路交换的传输速率较快。
4 数据报方式和虚电路方式
分组交换分为数据报方式和虚电路方式。
数据报方式为网络层提供无连接服务。虚电路方式为网络层提供连接服务。
(1) 无连接服务：不事先为分组的传输确定路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。
(2) 连接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径（连接）传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。虚电路方式结合了电路交换和数据报交换的优点。
4.1 数据报方式
数据报是网络层的传输单元。
每个分组都携带源地址和目的地址。
路由器会根据分组的目的地址转发分组：
(1) 路由器将收到的分组先放入缓存（暂时存储）。
(2) 基于路由协议/算法构建转发表（后面讲）。
(2) 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发。
(3) 把分组送到适当的端口转发出去。
4.2 虚电路方式
虚电路方式是面向连接的通信，它将电路方式和数据报方式优点结合起来。
建立连接：源主机发送“呼叫请求”分组，目的主机接收到请求后发送“呼叫应答”分组后才算建立
数据传输：数据传输可以是全双工通信，即收发双方都可以发送和接收数据。
释放连接：传输结束后，源主机发送“释放请求”分组以拆除虚电路。
虚电路表示这是一条逻辑上的连接，分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而并不是真正建立一条物理连接（电路交换建立的是真正的连接），然后通信双方就沿着已建立的虚电路发送分组。这样分组的首部就不需填写完整的目的主机的地址，而只需要填写这条虚电路的编号，电路路径上所有的节点都维持这条虚电路的建立，都维持这一张虚电路表，每一项记录了打开的虚电路的信息。
