2.4 数据交换技术
学习任务
（1）掌握电路交换技术。
（2）掌握报文交换技术。
（3）掌握分组交换技术。
通信子网由传输线路和中间节点组成，当信源和信宿间没有线路直接相连时，信源发出的数据先到达与之相连的中间节点，再从该中间节点传到下一个中间节点，直至信宿，这个过程称为交换。数据交换方式可以分为电路交换、报文交换和分组交换。
2.4.1 电路交换
知识点
电路交换。
电路交换（Circuit Switching）也称为线路交换，是一种直接的交换方式，它要求在通信的双方之间建立起一条实际的物理信道，并且在整个传输过程中，这条信道被独占，直到通信结束才释放。类似于传统的电话交换方式，如图2-11所示，A和D通话所建立的电路。电路交换实现数据通信需经过建立连接、数据传输、释放连接3个步骤。
（1）建立连接
通过源节点请求完成交换网中相应节点的连接，建立起一条由源节点到目标节点的传输信道。
（2）数据传输
临时电路建立完成后，就可以在这条临时专用电路上传输数据，通常为全双工传输。
（3）释放连接
在完成数据传输后，发出释放请求信息，请求终止通信。若接收端接受释放请求，则发回释放应答信息，释放电路占用的资源。
图2-11 电路交换
电路交换的优点是实时性强、传输延迟小，通信一旦接通，不会发生冲突，而且保证信息传输顺序。电路交换的缺点是一旦建立连接，独占线路，造成信道浪费；建立和释放电路所花费的开销较大，适用于系统间要求高质量的大量数据的传输。
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请结合传统电话交换，简述电路交换的工作过程。
2.4.2 报文交换
知识点
（1）报文交换。
（2）存储转发。
报文交换（Message Switching）方式传输数据时，每次要发送一个完整的报文，长度无限制。报文交换采取存储转发的原理，每份报文中含有目的地址，每个中间节点为根据报文中的目的地址选择合适的路径，最终到达目的地。报文交换与电路交换的工作原理不同，每个报文传送时，不需要建立连接和释放连接。报文交换克服了电路交换的缺点，通信多方共享一条传输信道，大大提高了信道利用率。
存储转发就是将待发送的数据先存入网络设备的缓存区并排队，再由网络设备按顺序转发出去，接着交换器把收到的报文信息存入缓冲区并输送进队列等候处理。交换器依次对输送进队列排队等候的报文信息作适当处理以后，根据报文的目标地址，选择合适的链路输出，最终报文送至计算机。
报文交换方式优点是信道利用率高，信道可被多个报文传输所共享。缺点是网络传输时延大，并且占用了大量的存储空间，不适用于要求系统安全性高的实时通信或交互通信。
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对比分析电路交换和报文交换的特点。
2.4.3 分组交换
知识点
（1）分组交换。
（2）数据报和虚电路。
（3）面向无连接服务和面向连接服务。
分组交换（Packet Switching）采用了报文分组和存储转发技术，是计算机网络时代最常用的方式。它是综合了电路交换和报文交换两者优点的一种交换方式。发送数据时，发送端先将数据划分为一个个等长的单位，每个单位前面加上首部构成分组（也被称为包），依次把各个分组发送到接收端，在接收端再去掉首部，恢复为原来发送的报文，如图2-12所示。
在计算机网络中，绝大多数通信子网均采用分组交换技术。根据通信子网的内部机制不同，又可以把分组交换分为两类：面向连接的虚电路（Virtual Circuit）和面向无连接的数据报（Datagram）。
图2-12 分组交换
（1）面向无连接和面向连接
1）面向无连接
面向无连接是指通信双方不需要事先建立一条通信线路，而是把每个带有目的地址的数据包或分组送到通信线路上，由系统自主选定路线进行传输。邮政系统是一个无连接的模式，天罗地网式的选择路线，天女散花式的传播形式。面向无连接提供的是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”或“尽力而为”，实际上“尽最大努力交付”的服务属于“没有质量保证”的服务。
2）面向连接
面向连接就是通信双方在通信时，要事先建立一条通信线路，其过程有建立连接、使用连接和释放连接三个过程。面向连接服务提供的是可靠的服务，保证数据信息从源端到目的端有序地传输，避免分组丢失、重复和乱序，适合对数据传输要求比较高的数据传输。
（2）数据报和虚电路
1）数据报
数据报就是面向无连接服务。用数据报方式传送数据时，是将每一个分组作为一个独立的报文进行传送。每个分组是被单独处理的，每个分组称为一个数据报，每个数据报都携带地址信息。通信双方不需要事先建立连接。
如图2-13所示，若主机H1要将数据发送给主机H5，发送端发送前，将数据分成3个分组，并加上首部，按顺序依次将分组发送到节点A，节点A再对每个数据报作出路径选择。分组1选择的路径是H1→A→B→E→H5，分组2选择的路径是H1→A→B→D→E→H5，分组3选择的路径是H1→A→C→E→H5。分组3有可能抢在分组2之前到达主机H5。数据报方式具有以下几个特点：
① 同一个报文的不同分组可以经过不同传输路径通过通信子网；
② 同一个报文的不同分组到达目标节点时可能会出现乱序、重复和丢失现象；
③ 每个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址，因此开销较大；
④ 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。
图2-13 数据报方式
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单选题：下列关于数据报交换方式的描述中，错误的是（ ）。
A.提供的是可靠的，面向连接的服务
B.同一报文的不同分组可以经过不同路径进行传输
C.同一报文的每个分组中都需要有源地址和目的地址
D.同一报文的不同分组可能不按顺序到达目标节点
2）虚电路
虚电路就是面向连接服务。这种分组交换的方式是利用统计复用的原理，将一条数据链路复用成多个逻辑信道。数据通信时，呼叫建立一条逻辑信道，数据信息沿着这条逻辑信道进行通信。由于这种通路是由逻辑信道构成的，并非实体的电路，所以叫作“虚电路”。
如图2-14所示，主机H1向主机H5发送数据。主机H1呼叫就建立虚电路H1→A→B→E→H5，Hl向H5传送的所有分组都必须沿着这条虚电路传输。与此同时，主机H2和主机H6通信通过呼叫建立虚电路H2→B→E→H6。它们共用了B-E之间的链路。在数据传送完毕后，还要释放这条虚电路。虚电路方式主要有以下几个特点：
① 在分组传输之前，需要在源主机与目标主机之间建立一条虚电路；
② 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序发送，每个分组不必带目的地址、源地址等信息；
③ 分组到达目标节点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；
④ 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，不需要进行路由选择；
⑤ 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，即共享物理链路。
虚电路与数据报的主要区别，如表2-1所示。
数据交换方式比较，如图2-15所示，A为信源，D为信宿，B和C为中间节点，P1～P4为四个分组。从图中可以看出，若要连续传送大量的数据，则电路交换传输效率较快。报文交换和分组交换无须预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。分组交换比报文交换的时延小，也具有更好的灵活性。
图2-14 虚电路方式
表2-1 虚电路与数据报的对比
图2-15 数据交换方式比较
提示
从数据交换原理上来看，电路交换基于电路传输，属于同步传输方式；而报文交换、分组交换则是采用存储/转发模式，属于异步传输方式。
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单选题：下列关于虚电路的描述中，错误的是（ ）。
A.分组到达目标节点时，不会出现丢失、重复和乱序现象
B.一个节点只能有一条虚电路
C.虚电路在传输分组时需建立逻辑连接
D.分组经过虚电路的节点时，节点不需要进行路由选择
