3.1.2　电信网交换技术

交换技术即转接技术，常用的交换技术有3种：电路交换（线路交换）、报文交换和分组交换（包交换），本节需要掌握的知识点有下面几种交换技术及特点。

1．电路交换

电路交换是一种直接的交换方式，它为一对需要进行通信的装置（站）之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可以是物理通道又可以是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。目前公用电话网广泛使用的交换方式是电路交换，使用电路交换的通信包括三个阶段。

（1）电路建立

通过源站点请求完成交换网中对应的所需逐个节点的连接过程，以建立起一条由源站到目的站的传输通道。例如如果主机A要向主机B传输数据，需先通过通信子网在主机A与主机B之间建立线路连接。首先，主机A向通信子网中的节点A发送“呼叫请求包”，其中含有需要建立线路连接的源主机地址与目的主机地址。节点A根据路由选择算法进行路径选择，如果选择下一个节点为B，则向节点B发送“呼叫请求包”。当节点B接到呼叫请求后，同样根据路由选择算法进行路径选择，如果选择下一个节点为C，则向节点C发送“呼叫请求包”。当节点C接到呼叫请求后，也要根据路由选择算法进行路径选择，如果选择下一个节点为D，则向节点D发送“呼叫请求包”。当节点D接到呼叫请求后，向与其直接连接的主机B发送“呼叫请求包”。主机B如果接受主机A的呼叫连接请求，则通过已经建立的物理线路连接节点D、节点C、节点B、节点A，向主机A发送“呼叫应答包”。至此，从主机A、节点A、节点B、节点C、节点D到主机B的专用物理线路连接建立，该物理连接用于主机A与主机B之间的数据变换。

（2）数据传输

现在，信号可以经建立的链路从发送端传送到接收端，通常为全双工传输。例如，当主机A与主机B通过通信子网的物理线路连接建立后，主机A与主机B就可以通过该连接实时、双向地交换数据。

（3）电路拆除

在完成数据或信号的传输后，由源站或目的站提出终止通信，各节点相应拆除该电路的对应连接，释放由原电路占用的节点和信道资源。例如在数据传输完成后，就要进入线路释放阶段。主机A向主机B发出“释放请求包”，主机B同意结束传输并释放线路后，向节点D发送“释放应答包”，然后按节点C、节点B、节点A、主机A的次序，将建立的物理连接依次释放。至此，本次会话结束。

电路交换方式的优点是通信实时性强，适用于交互式会话类通信。电路交换方式的缺点是对突发性通信不适应，系统效率低；不具备存储数据的能力，不具备差错控制能力，无法发现和纠正传输过程中发生的差错。因此，在进行电路交换研究的基础上，人们提出了存储转发交换方式。

2．报文交换

报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。

每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。

（1）报文交换的特点

报文从源点传送到目的地采用“存储—转发”方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。

（2）报文交换的优点

电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。

（3）报文交换的缺点

不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。

3．分组交换

分组交换属于“存储/转发”交换方式，但它不像报文交换那样以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的“报文分组”（Packet，包）为单位进行交换传输。分组是一组包含数据和呼叫控制信号的二进制数，把它作为一个整体加以转接，这些数据、呼叫控制信号以及可能附加的差错控制信息是按规定的格式排列的。交换网可采用两种方式：数据报传输分组交换或虚电路传输分组交换。

（1）数据报传输分组交换

数据报是报文分组存储转发的一种形式。在数据报方式中，分组传输前不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”。源主机发送的每个分组都可以独立选择一条传输路径，每个分组在通信子网中可能通过不同的传输路径到达目的主机。

数据报方式的工作过程分为以下几个步骤：

首先源主机（主机A）将报文分成多个分组P1，P2，……，依次发送到直接相连的通信控制处理机A（即节点A）。然后节点A每接到一个分组都要进行差错检测，以保证主机A与节点A的数据传输正确，节点A接收到分组Pl，P2，……，以后，它需要为每个分组进行路由选择。由于网络通信状态是不断变化的，分组P1的下一个节点可能选择节点C，分组P2的下一个节点可能选择节点D，因此报文的不同分组通过子网的路径可能不同。其次节点A向节点C发送分组P1时，节点C要对P1进行差错校验。如果P1传输正确，节点C向节点A发送确认信息ACK；节点A接收到节点C的ACK信息后，确认P1已经正确传输，这时它就可以丢弃P1的副本。分组P1通过通信子网中多个节点存储转发，最终正确到达目的主机（主机B）。

数据报方式主要有以下几个特点。

·同一报文的不同分组可以经过不同的传输路径通过通信子网。

·同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复和丢失现象。

·每个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址。

数据报方式的传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。

（2）虚电路传输分组交换

虚电路方式试图将数据报与电路交换结合起来，发挥这两种方法各自的优点，以达到最佳的数据交换效果。数据报方式在分组发送前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送前，在发送方和接收方需要建立一条逻辑连接的虚电路。在这一点上，虚电路方式与电路交换方式相同。虚电路方式的工作过程分为3个阶段：虚电路建立阶段、数据传输阶段与虚电路拆除阶段。

在虚电路建立阶段，源主机（主机A）向节点A请求建立连接，节点A通过路由选择算法确定下一个节点（如节点B），然后向节点B发送“呼叫请求分组”；同样，节点B也要使用路由选择算法确定下一个节点。依此类推，“呼叫请求分组”经过节点A、节点B、节点C、节点D的路径到达主机B。目的主机（主机B）向主机A发送“呼叫接收分组”，至此，虚电路连接建立。在数据传输阶段。利用已建立的虚电路以存储转发方式顺序传送分组。在所有的数据传输结束后，进入虚电路拆除阶段，将按照节点D、节点C、节点B、节点A的顺序依次拆除虚电路。

虚电路方式主要有以下几个特点。

·在每次分组传输之前，需要在源主机与目的主机之间建立一条逻辑连接。由于连接源主机与目的主机的物理链路已经存在，因此不需要真正去建立一条物理链路。

·一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，因此分组不必带目的地址、源地址等信息。分组到达目的节点时不会出现丢失、重复与乱序的现象。

·分组通过虚电路上的每个节点时，节点只需要进行差错校验，而不需要进行路由选择。

·通信子网中的每个节点可以与任何节点建立多条虚电路连接。

虚电路方式与电路交换方式的区别是虚电路是在传输分组时建立逻辑连接的，称为“虚电路”，这种电路不是专用的。每个节点可以同时与多个节点之间具有虚电路，每条虚电路支持这两个节点之间的数据传输。由于虚电路方式具有分组交换与电路交换的优点，因此在计算机网络中得到广泛的应用。