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三种交换技术及其比较 2010-09-22 17:17:57
分类： 系统运维
一．电路交换：
“电路交换”（Circuit Switching）又称为“线路交换”，是一种面向连接的服务。两台计算机通过通信子网进行数据电路交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接。最普通的电路交换例子是电话系统。电路交换是根据交换机结构原理实现数据交换的。其主要任务是把要求通信的输入端与被呼叫的输出端接通，即由交换机负责在两者之间建立起一条物理通路。在完成接续任务之后，双方通信的内容和格式等均不受交换机的制约。电路交换方式的主要特点就是要求在通信的双方之间建立一条实际的物理通路，并且在整个通信过程中，这条通路被独占。
1．电路交换的分类
电路交换又分为时分交换（Time Division Switching，TDS）和空分交换（Space Division Switching，SDS）两种方式。
时分交换是把时间划分为若干互不重叠的时隙，由不同的时隙建立不同的子信道，通过时隙交换网络完成话音的时隙搬移，从而实现入线和出线间话音交换的一种交换方式。时分交换的关键在于时隙位置的交换，而此交换是由主叫拨号所控制的。为了实现时隙交换，必须设置话音存储器。在抽样周期内有n个时隙分别存入n个存储器单元中，输入按时隙顺序存入。若输出端是按特定的次序读出的，这就可以改变时隙的次序，实现时隙交换。
空分交换是指在交换过程中的入线通过在空间的位置来选择出线，并 建立接续。通信结束后，随即拆除。比如，人工交换机上塞绳的一端连着入线塞孔，由话务员按主叫要求把塞绳的另一端连接被叫的出线塞孔，这就是最形象的空分 交换方式。此外，机电式（电磁机械或继电器式）、步进制、纵横制、半电子、程控模拟用户交换机及宽带交换机都可以利用空分交换原理实现交换的要求。
2．电路交换的三个阶段
整个电路交换的过程包括建立线路、占用线路并进行数据传输和释放线路三个阶段。下面分别予以介绍。
（1）电路建立
如同打电话先要通过拨号在通话双方间建立起一条通路一样，数据通信的电路交换方式在传输数据之前也要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。它的具体过程如下。
①发起方向某个终端站点（响应方站点）发送一个请求，该请求通过中间节点传输至终点。
②如果中间节点有空闲的物理线路可以使用，接收请求，分配线路，并将请求传输给下一中间节点；整个过程持续进行，直至终点。如果中间节点没有空闲的物理线路可以使用，整个线路的连接将无法实现。仅当通信的两个站点之间建立起物理线路之后，才允许进入数据传输阶段。
③线路一旦被分配，在未释放之前，其他站点将无法使用，即使某一时刻，线路上并没有数据传输。
（2）数据传输
电 路交换连接建立以后，数据就可以从源节点发送到中间节点，再由中间节点交换到终端节点。当然终端节点也可以经中间节点向源节点发送数据。这种数据传输有最 短的传播延迟，并且没有阻塞的问题，除非有意外的线路或节点故障而使电路中断。但要求在整个数据传输过程中，建立的电路必须始终保持连接状态，通信双方的 信息传输延迟仅取决于电磁信号沿媒体传输的延迟。
（3）电路拆除
当站点之间的数据传输完毕，执行释放电路的动作。该动作可以由任一站点发起，释放线路请求通过途经的中间节点送往对方，释放线路资源。被拆除的信道空闲后，就可被其他通信使用。
2．电路交换的特点与优缺点
电路交换的特点如下。
独占性：在 建立电路之后、释放线路之前，即使站点之间无任何数据可以传输，整个线路仍不允许其他站点共享。就和打电话一样，我们讲话之前总要拨完号之后把这个连接建 立，不管你讲不讲话，只要不挂机，这个连接是专为你所用的，如果没有可用的连接，用户将听到忙音。因此线路的利用率较低，并且容易引起接续时的拥塞。
实时性好：一旦电路建立，通信双方的所有资源（包括线路资源）均用于本次通信，除了少量的传输延迟之外，不再有其他延迟，具有较好的实时性。
电路交换设备简单，无需提供任何缓存装置。
用户数据透明传输，要求收发双方自动进行速率匹配。
电路交换方式的优点是数据传输可靠、迅速，数据不会丢失，且保持原来的序列。缺点是在某些情况下，电路空闲时的信道容量被浪费；另外，如数据传输阶段的持续时间不长，电路建立和拆除所用的时间就得不偿失。因此，它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。这种通信方式的计费方法一般按照预订的带宽、距离和时间来计算。
二．报文交换：
所谓“存储交换”是指数据交换前，先通过缓冲存储器进行缓存，然后按队列进行处理。
“存储交换”又分为“报文交换”（Message Switching）和“分组交换”（Packet Switching）两种，
本节先介绍其中的“报文交换”。
报文交换的基本思想是先将用户的报文存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端，所以，报文交换系统又称“存储—转发”系统。报文交换适合公众电报等。
1．报文交换原理
实现报文交换的过程如下。
（1）若某用户有发送报文需求，则需要先把拟发送的信息加上报文头，包括目标地址和源地址等信息，并将形成的报文发送给交换机。当交换机中的通信控制器检测到某用户线路有报文输入时，则向中央处理机发送中断请求，并逐字把报文送入内存器。
（2）中央处理机在接到报文后可以对报文进行处理，如分析报文头，判别和确定路由等，然后将报文转存到外部大容量存储器，等待一条空闲的输出线路。
（3）一旦线路空闲，就再把报文从外存储器调入内存储器，经通信控制器向线路发送出去。
2．报文交换的特点
“存储－转发”：报文交换方式首先是由交换机存储整个报文的，然后在有线路空闲时才进行必要的处理。
1）不独占线路，多个用户的数据可以通过存储和排队共享一条线路。
2）无线路建立的过程，提高了线路的利用率。
3）支持多点传输（一个报文传输给多个用户，只需在报文中增加“地址字段”，中间节点根据地址字段进行复制和转发）。
4）中间节点可进行数据格式的转换，方便接收站点的收取。
5）增加了差错检测功能，避免出错数据的无谓传输等。
3．报文交换方式的优缺点
报文交换的优点有如下几个方面。
线路利用率高，信道可为多个报文共享；
不需要同时启动发送器和接收器来传输数据，网络可暂存；
通信量大时仍可接收报文，但传输延迟会增加；
一份报文可发往多个目的地；
交换网络可对报文进行速度和代码等的转换；
能够实现报文的差错控制和纠错处理等功能。
报文交换方式的不足之处如下。
中间节点必须具备很大的存储空间；
由于“存储－转发”和排队，增加了数据传输的延迟；
报文长度未作规定，报文只能暂存在磁盘上，磁盘读取占用了额外的时间；
任何报文都必须排队等待：不同长度的报文要求不同长度的处理和传输时间，即使非常短小的报文（例如，交互式通信中的会话信息）；
当信道误码率高时，频繁重发，报文交换难以支持实时通信和交互式通信的要求。
三．分组交换
“分组交换”（Packet Switching）与“报文交换”技术类似，但规定了交换机处理和传输的数据长度（称之为分组），不同用户的数据分组可以交织地在网络中的物理链路上传输。是目前应用最广的交换技术，它结合了线路交换和报文交换两者的优点，使其性能达到最优。为了理解分组交换的优越性，先了解一下“报文”与“报文分组”的区别。
1．报文与报文分组
数据通过通信子网传输时可以有报文（Message）与报文分组（Packet）两种方式。报文传输不管发送数据的长度是多少，都把它当做一个逻辑单元发送；而报文分组传输方式则限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送节点就将它分成多个报文分组发送。
由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；限定分组最大数据长度后，有利于提高存储转发节点的存储空间利用率与传输效率。公用数据网采用的是分组交换技术。
2．分组交换原理
分 组交换原理与报文交换类似，但它规定了交换设备处理和传输的数据长度（称之为分组）。它可将长报文分成若干个小分组进行传输，且不同站点的数据分组可以交 织在同一线路上传输，提高了线路的利用率。可以固定分组的长度，系统可以采用高速缓存技术来暂存分组，提高了转发的速度。分组交换方式在X.25分组交换网和以太网中都是典型应用。在X.25分组交换网中分组长度为131字节，包括128字节的用户数据和3字节的控制信息；而在以太网中，分组长度为1500字节左右（较好的线路质量和较高的传输速率，分组的长度可以略有增加）。
分组交换实现的关键是分组长度的选择。分组越小，冗余量（分组中的控制信息等）在整个分组中所占的比例越大，最终将影响用户数据传输的效率；分组越大，数据传输出错的概率也越大，增加重传的次数，也影响用户数据传输的效率。
如何管理这些分组流呢?目前有两种方法：数据报和虚电路。
在数据报中，每个数据包被独立处理，就像在报文交换中每个报文被独立处理那样，每个节点根据一个路由选择算法，为每个数据包选择一条路径，使它们的目的地相同。
在虚电路中，数据在传送以前，发 送和接收双方在网络中建立起一条逻辑上的连接，但它并不是像电路交换中那样有一条专用的物理通路，该路径上各个节点都有缓冲装置，服从于这条逻辑线路的安 排，也就是按照逻辑连接的方向和接收的次序进行输出排队和转发，这样每个节点就不需要为每个数据包作路径选择判断，就好像收发双方有一条专用信道一样。
3．分组交换的特点
报文交换的缺点是由报文太长引起的，因此分组交换的思想是限制发送和转发的信息长度，将一个大报文分割成一定长度的信息单位，称为分组，并以分组为单位存储转发，在接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文。分组交换试图兼有报文交换和线路交换的优点，而使两者的缺点最少。分组交换与报文交换的工作方式基本相同，形式上的主要差别在于：分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度。
四．三种数据交换技术的比较
为了便于理解与区别，本节要对以上三种交换方式进行比较。首先从大的分类上进行比较，那就是“电路交换”与“存储交换”的比较。
1．“存储交换”方式与“电路交换”方式的主要区别
在存储交换方式中，发送的数据与目的地址、源地址和控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网。通信子网中的节点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能，在电路交换方式中以上功能均不具备。
存储转发相对电路交换方式具有以下优点。
由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高。
通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径。
可以平滑通信量，提高系统效率。
分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性。
通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。
2．电路交换与分组交换的比较
（1）从分配通信资源（主要是线路）方式上看
电路交换方式静态地事先分配线路，造成线路资源的浪费，并导致接续时的困难；而分组交换方式可动态地（按序）分配线路，提高了线路的利用率，由于使用内存来暂存分组，可能出现因为内存资源耗尽，而中间节点不得不丢弃接到的分组的现象。
（2）从用户的灵活性方面看
电路交换的信息传输是全透明的，用户可以自行定义传输信息的内容、速率、体积和格式等，可以同时传输语音、数据和图像等；分组交换的信息传输则是半透明的，用户必须按照分组设备的要求使用基本的参数。
（3）从收费方面看
电路交换网络的收费仅限于通信的距离和使用的时间；分组交换网络的收费则考虑传输的字节（或者分组）数和连接的时间。
3．以上三种数据交换技术总结如下。
电路交换：在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有。
报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。
分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需重新将分组组装成报文。
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