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计算机网络基础之三种交换技术及其性能分析

一. 交换技术基础

1. 三种交换技术

  • 电路交换:用于电话网络
  • 报文交换:用于电报网络
  • 分组交换:用于现代计算机网络

2. 人类历史上的通信网络

公元前五世纪起: 邮政网络
1830s-1960s: 电报网络
1870s-1960s: 电话网络
1960s: 研发计算机网络

二. 各个交换技术的过程及优缺点

1. 电路交换

  1. 电路交换的过程:
    • 建立连接
    • 通信(一直占用通信资源)
    • 释放连接(归还通信资源)
  2. 电路交换优缺点:
    • 优点:
      • 通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路,在全部的通信时间内,两个用户始终占用端到端的通信资源。数据直送,传输效率高
      • 电路交换更适合于低频次,大量的传输控制
    • 缺点:
      • 释放/建立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”(无法发现传输过程的数据错误)

计算机之间数据往往是“突发式”传输,即往往会高频次,少量的传输数据
因此,计算机网络不适合采用电路交换技术

2. 报文交换

  1. 报文交换优缺点:
    • 优点:
      • 通信前无需建立连接
      • 数据以报文为单位呗交换节点间进行存储转发,通信线路可灵活分配
      • 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
    • 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
      • 报文容易出错
        存储转发: 把传输数据单元先存储进中间节点,再根据目的地址转发至下一节点

3. 分组交换

  1. 分组交换优缺点:
    • 优点:
      • 通信前无需建立连接
      • 数据以报文单位被交换节点间进行存储转发,通信线路可灵活分配
      • 在通信时间内,两个用户无需独占一整条通信线路
      • 相比于电路交换,线路利用率更高
      • 交换节点支持差错控制
    • 相比于报文交换
      • 分组定长,方便存储转发管理
      • 分组的存储转发时间开销小、缓存开销小
      • 分组不易出错,重传代价低
    • 缺点:
      • 相比于报文交换,控制信息占比增加
      • 相比于电路交换,依然存在存储转发时延
      • 报文被拆分为多个分组,传输过程可能出现失序、丢失等问题,增加处理的复杂度
  2. 分组交换过程:
    不定长报文 拆分成定长的分组;数据传输后需要对分组进行排序合并。因此 需要记录 源地址(始发位置)、目的地址(接收位置)、分组号(用于排序分组)。这些内容被记录在首部,每个分组数据都包含一个首部

三. 性能分析

电路交换报文交换分组交换
完成传输所需时间最少(排除建立/释放连接耗时)最多较少
存储转发时延较高较低
通信前是否需要建立连接
缓存开销
是否支持差错控制不支持支持支持
报文数据有序到达有序有序无序
是否需要额外控制信息是(控制信息占比最大)
线路分配灵活性不灵活灵活非常灵活
线路利用率非常高

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