考研笔记

电路交换、报文交换与分组交换

在网络核心部分起重要作用的是路由器，它对收到的分组进行存储转发来实现分组交换。要了解分组交换的原理，首先要学习电路交换和报文交换的相关概念。

这是第 1 章最重要的一节，也是全书第一处计算题。 三种交换方式的时间计算 2010、2013、2023 年都考过。本页 3 道错题：三种方式各自的优缺点、数据报方式的特点、以及三种方式的时间比较。

机制

电路交换

最典型的电路交换网是传统电话网。从通信资源分配的角度看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换分为三步：建立连接（开始占用通信资源）、传输数据（一直占用通信资源）和释放连接（归还通信资源）。在进行数据传输前，两个用户之间必须先建立一条专用的物理通信路径；在数据传输过程中，这一物理通信路径始终被两个用户独占，直到通信结束后才被释放。

在电路交换中，电路建立后，除源节点和目的节点外，电路上的任何节点都采取”直通方式”发送数据和接收数据，即不存在存储转发所耗费的时间。

优点缺点
通信时延小。通信线路为通信双方专用，数据直达，传输速率高建立连接时间长。平均连接建立时间对计算机通信来说太长
有序传输。双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题线路利用率低。物理通路被通信双方独占，即使线路空闲，也不能供其他用户使用
没有冲突。不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题灵活性差。物理通路中的任何一点出现故障，就必须重新拨号建立新的连接
实时性强。物理通路一旦建立，双方就可随时通信难以实现差错控制。中间节点不具备存储和检验数据的能力，无法发现并纠正错误

计算机之间的数据传送往往是突发式（高频、少量）的，当使用电路交换来传送数据时，已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的，其利用率往往不到 10% 甚至 1%。

报文交换

数据交换的单位是报文，用户数据加上源地址、目的地址等信息后，封装成报文。报文交换采用存储转发技术，整个报文先传送到相邻的节点，全部存储后查找转发表，转发到下一个节点，如此重复，直至到达目的节点。每个报文都可单独选择到达目的端的路径（报文交换网中存储转发、数据传送时间的计算 2013 年考过）。

优点缺点
无建立连接时延，用户可随时发送报文转发时延高。交换节点要将报文整体接收完后，才能查找转发表转发到下一个节点
灵活分配线路。交换节点存储整个报文后，选择一条合适的空闲线路转发缓存开销大。报文的大小没有限制，这就要求交换节点拥有较大的缓存空间
线路利用率高。报文在一段链路上传送时才占用这段链路的通信资源错误处理低效。报文较长时，发生错误的概率相对更大，重传整个报文的代价也很大
支持差错控制。交换节点可对缓存下来的报文进行差错检验

分组交换

分组交换也采用存储转发技术，但解决了报文交换中报文过长的问题。源主机在发送之前，先把较长的报文划分成若干较小的等长数据段，在每个数据段前面添加一些由必要控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等）组成的首部，构成分组（Packet）（分组交换网中存储转发、数据传送时间的计算 2010、2013、2023 年考过）。

分组交换除继承报文交换的诸多优点外，还有如下优点：

  1. 方便存储管理，存储转发开销小。因为分组的长度固定，所以相应缓冲区的大小也固定。
  2. 传输效率高。分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线方式减少了报文的传输时间。
  3. 减少了出错概率和重发代价。因为分组较短，其出错概率必然减小，所以每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，还减小了传输时延。

分组交换技术的缺点：

  1. 存在存储转发时延。尽管分组交换比报文交换的传输时延小，但相对于电路交换仍存在存储转发时延，且其节点交换机必须具有更强的处理能力。
  2. 需要传输额外的信息量。每个小数据段都要加上控制信息以构成分组，这使得传送的信息量增大了 5%～10%，进而使得控制复杂，降低了通信效率。
  3. 当分组交换网采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组的情况，分组到达目的主机时，要对分组按编号进行排序等工作；若采用虚电路服务，则虽然没有失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程（4.1.3）。

三种方式的比较

电路交换报文交换分组交换
是否建立连接需要不需要不需要（数据报）/ 需要（虚电路）
中间节点直通，不存储存储转发整个报文存储转发分组
传输时延最小（建立后）最大比报文交换小
线路利用率低高高
差错控制不具备支持支持
适用场合连续传送大量数据，且传送时间远大于连接建立时间——突发式数据传送

王道的结论：当要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间时，采用电路交换较为合适；从提高整个网络的信道利用率看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，也更为灵活，尤其适合突发式数据传送。

计算模板

三种交换方式的总时间

设报文长 比特，从源到目的经过 段链路（ 个中间节点），每段链路速率 ，分组大小 比特，忽略传播时延与处理时延：

方式总时间
电路交换（ 为建立连接的时间；建立后数据直达，中间节点不存储）
报文交换（每一段都要把整个报文收完再转发）
分组交换（第一个分组走完 段后，其余分组流水线跟上）

分组交换的式子也可以这样记：总时间 = 发完全部数据的时间 + 最后一个分组还要再走 跳。

边界

电路交换的中间节点不存储数据，所以既快又不能查错。 “传输时延小”和”难以实现差错控制”是同一件事的两面。

分组交换对报文交换的改进是”传输单位更小且有固定的最大长度”，直接结果是减少传输时延。 不是”差错控制更完善”，也不是”提高了数据传输速率”。

错题复盘：时延最小选电路交换，无差错传送不选电路交换

王道 1.1.7 第 7 题：为了使数据在传输期间的时延最小，首选的交换方式是（①）；为保证数据无差错地传送，不应选用的交换方式是（②）；分组交换对报文交换的主要改进是（③），这种改进产生的直接结果是（④）。答案依次为 A、A、A、C。

电路交换虽然建立连接的时延较大，但在数据传输期间一直占据链路，优点是传输时延小、通信实时性强，适用于交互式会话类通信（①选 A）；缺点是建立连接时间长，系统效率低，不具备存储数据的能力，不具备差错控制的能力（②选 A）。

报文交换和分组交换都采用存储转发，传送的数据都要经过中间节点的若干存储、转发才能到达目的地，因此传输时延较大。报文交换传送数据的长度不固定且较长，分组交换要将传送的长报文分割为多个固定且长度有限的分组（③选 A），因此传输时延较报文交换的小（④选 C）。

① 问的是”传输期间”的时延，把建立连接的时间排除在外了——这是电路交换能当选的原因。

错题复盘：数据报方式的特点是分组可走不同路径，不是"只适合短报文"

王道 1.1.7 第 8 题：下列说法中，（ ）是数据报方式的特点（A. 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　B. 同一报文的不同分组到达目的节点时顺序是确定的　C. 适合于短报文的通信　D. 同一报文的不同分组在路由选择时只需要进行一次）。答案 A。

数据报方式是一种无连接的分组交换技术，它先将报文拆分成若干较小的数据段，加上地址等控制信息后构成分组，这样做虽然会增加一些控制开销，但并不意味着数据报方式只适合于短报文的通信（C 错）。数据报方式提供尽最大努力的交付，不保证可靠性，分组可能出错或丢失；网络为每个分组独立地选择路由，转发的路径可能不同，因此分组不一定按序到达目的节点（A 对、B 错、D 错）。

B 和 D 说的其实是虚电路的特点（4.1.3）：建立时选一次路，之后所有分组同路、按序到达。

错题复盘：三种交换方式的时间要分四种数据量分别算

王道 1.1.7 第 13 题：如上图，主机 H1 和 H2 之间有三种可选的交换方式，其中电路交换建立电路连接的时间为 2s，报文交换和分组交换都要经过由一个路由器连接的链路，分组大小为 5kb。三种交换方式的数据传输速率均为 2.5kb/s，忽略所有的传播时延、分组开销和不可预料的线路延迟，则下列说法中正确的是（A. 发送 5kb 时电路交换最节省时间　B. 发送 500kb 时电路交换和分组交换的时间相同　C. 发送 10kb 时报文交换比分组交换更节省时间　D. 发送 15kb 时报文交换比电路交换更节省时间）。答案 B。

链路是”H1—路由器—H2”，共 2 段。按本页的计算模板（，kb/s，kb）逐项算：

数据量电路交换 报文交换 分组交换
5kbsss（A 错：三者相同）
500kbsss（B 对）
10kbsss（C 错：报文交换更慢）
15kbsss（D 错：报文交换更慢）

只要链路段数 ，报文交换的时间就是”发一次的时间 × 2”，而分组交换只多付一个分组的时间——数据量越大，分组交换与电路交换越接近，与报文交换差得越远。

分组交换的缺点是附加信息开销大，不是信道利用率低。 信道利用率低是电路交换的缺点；传播时延取决于介质和距离，与交换方式无关（王道 1.1.7 第 6 题）。

数据报方式不保证有序、不只适合短报文。 它为每个分组独立选路，路径可能不同。

对照速查

说法对错
电路交换的三个阶段是建立连接、传输数据、释放连接✅
电路交换的中间节点要存储转发数据❌（直通方式）
电路交换具备差错控制能力❌
报文交换不需要建立连接✅
报文交换的交换节点要收完整个报文才转发✅
分组交换把报文分成固定最大长度的分组✅
分组交换的信道利用率低❌（低的是电路交换）
分组交换需要额外传输 5%～10% 的控制信息✅
数据报方式中同一报文的分组可能走不同路径✅
数据报方式只适合短报文通信❌
传送大量数据且传送时间远大于建立时间时，宜用电路交换✅

考点

  • 电路交换三阶段、四优四缺；中间节点直通、无差错控制
  • 报文交换、分组交换都用存储转发；分组交换的三优三缺
  • 分组交换对报文交换的改进：单位更小且有固定最大长度 → 减少传输时延
  • 三种方式的时间计算（2010、2013、2023）

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