考研笔记

网络层提供的两种服务：虚电路与数据报

分组交换网根据其通信子网向端点系统提供的服务，可进一步分为面向连接的虚电路服务和无连接的数据报服务，这两种服务方式都由网络层提供。互联网选了数据报，所以本章之后讲的 IP 全是数据报；虚电路在这里讲完就不再出现。

本页 3 道错题，全部卡在同一个问题上：虚电路里什么是”虚”的。 虚电路借用了电路交换”先建立、再通信、后释放”的流程，但它仍然是分组交换：不占用物理线路、不预留带宽、分组照样存储转发。把这一点想清楚，这类判断题就只剩逐项核对。

机制

虚电路

在虚电路方式中，两台计算机进行通信时，应当先建立网络层的连接，也就是建立一条逻辑上的虚电路（Virtual Circuit，VC）。连接一旦建立，就固定了虚电路对应的物理路径。与电路交换类似，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。

每次建立虚电路时，将一个未用过的虚电路号（VCID）分配给该虚电路，以区别于本系统中的其他虚电路，然后双方就沿着已建立的虚电路传送分组。分组的首部仅在连接建立时使用完整的目的地址，之后每个分组的首部只需携带这条虚电路的编号。在虚电路网络中的每个节点上都维持一张虚电路表，表中每项记录一个打开的虚电路的信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一节点和下一节点的标识，它是在虚电路建立过程中确定的。

sequenceDiagram
  participant A as 主机 A
  participant N as 中间节点（A→B→C→D）
  participant B as 主机 B
  A->>N: 呼叫请求（带完整目的地址）
  N->>B: 呼叫请求
  B-->>N: 呼叫应答
  N-->>A: 呼叫应答
  Note over A,B: 虚电路建立完成，路径固定
  A->>N: P1、P2（只带虚电路号）
  N->>B: P1、P2（按发送顺序到达）
  B-->>A: ACK
  A->>B: 释放请求
  B-->>A: 释放应答

图中数据传输阶段是有确认的传输，B 收到分组后要发回相应的确认。虚电路服务具有如下特点：

  1. 虚电路通信链路的建立和拆除需要时间开销，对交互式应用和少量的短分组情况显得很浪费，但对长时间、频繁的数据交换效率较高。
  2. 虚电路的路由选择体现在连接建立阶段，连接建立后，就确定了传输路径。
  3. 虚电路提供了可靠的通信功能，能保证每个分组正确且有序到达；还可以对两个端点的流量进行控制，接收方来不及接收时，可以通知发送方暂缓发送。
  4. 虚电路有一个致命的弱点：当网络中的某个节点或某条链路出现故障而彻底失效时，所有经过该节点或该链路的虚电路都将遭到破坏，必须重新建立。
  5. 分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路号，相对于数据报方式，其开销小。

虚电路之所以是”虚”的，是因为这条电路不是专用的：每个节点到其他节点之间的链路可能同时有若干条虚电路通过，也可能同时在多个节点之间建立虚电路。

虚电路按持续时间分两种：永久性虚电路（PVC）是提前定义好的、基本上不需要任何建立时间的端点之间的连接；交换型虚电路（SVC）是端点之间的临时性连接，只持续所需的时间，会话结束时就取消。

数据报

网络在发送分组前不需要先建立连接。源主机的高层协议将报文拆成若干较小的数据段，并加上地址等控制信息后构成分组；中间节点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。网络层不提供服务质量的承诺，也不提供端到端的可靠传输服务，这使得网络中的路由器比较简单，且造价低廉。

例如主机 A 向主机 B 发送分组 P1、P2：A 先将分组逐个发往与它直接相连的交换节点 A，节点 A 缓存收到的分组后查找转发表；因为不同时刻的网络状态不同，转发表的内容可能不完全相同，于是 P1 可能经节点 C 转发、P2 可能经节点 D 转发，各节点类似地转发，直到分组最终到达主机 B。当分组正在某一链路上传送时，分组并不占用网络其他部分的资源；因为采用存储转发技术，资源是共享的，所以主机 A 在发送分组时，主机 B 也可同时向其他主机发送分组。

数据报服务具有如下特点：

  1. 发送分组前不需要建立连接，发送方可随时发送分组，网络中的节点可随时接收分组。
  2. 网络尽最大努力交付，传输不保证可靠性，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。
  3. 发送的分组中要包括发送方和接收方的完整地址，以便可以独立传输。
  4. 分组在交换节点存储转发时需要排队等候处理，会带来一定的时延；网络拥塞时这种时延会大大增加，交换节点还可根据情况丢弃部分分组。
  5. 网络具有冗余路径，当某个交换节点或一条链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强。
  6. 收发双方不独占某条链路，资源利用率较高。

两种服务的比较

比较项数据报服务虚电路服务
连接的建立不需要必须有
目的地址每个分组都有完整的目的地址仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择每个分组独立地进行路由选择和转发属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序不保证有序到达保证有序到达
可靠性不保证，由用户主机来保证由网络保证
对网络故障的适应性出故障的节点丢失分组，其他分组路径选择发生变化时可以正常传输所有经过故障节点的虚电路均不能正常工作
差错处理和流量控制由用户主机进行可由分组交换网负责，也可由用户主机负责

边界

虚电路是逻辑连接，数据传输前建立的不是物理连接。 它和电路交换一样要”先建立连接”，但电路交换建立的是独占的物理通路，虚电路只是在沿途节点的虚电路表里各写了一项。

错题复盘：虚电路也是存储转发的分组交换；数据报的每个分组都带源地址和目的地址

王道 4.1.6 第 13 题：下列关于虚电路和数据报的叙述中，正确的是（A. 虚电路是一种分组交换技术，但不能按照存储转发的方式工作　B. 虚电路的连接是临时性连接，当会话结束时就释放这种连接　C. 数据报服务不提供可靠传输，但可以保证分组的有序到达　D. 数据报服务中，每个分组都必须携带源地址和目的地址）。答案 D。

四个选项各错在一个”但”或”只”上：

  • A：虚电路是分组交换技术，可以采用存储转发的方式工作——它和数据报的区别在于路由何时选定，不在于转发方式。
  • B：虚电路不只是临时性的。**交换型虚电路（SVC）**会话结束就取消，**永久性虚电路（PVC）**是提前定义好、基本不需要建立时间的连接。B 只说对了 SVC。
  • C：数据报服务既不保证可靠，也不保证有序——每个分组独立选路，后发的可能先到。
  • D：数据报的分组要独立传输，所以每个都要带完整的源地址和目的地址；虚电路建立连接后，分组只需携带虚电路标识。

错题复盘：虚电路本身能做差错控制，建立后分组只带虚电路号，共享链路也不冲突

王道 4.1.6 第 14 题：下列关于虚电路的说法中，正确的是（A. 虚电路依赖其他协议实现差错控制　B. 采用虚电路方式发送分组时，分组首部都必须包含目的地址　C. 虚电路结合了电路交换的思想，适合对实时性要求较高的长时间通信　D. 多站点同时使用一段物理链路实行虚电路交换会产生冲突，无法正常通信）。答案 C。

  • A：虚电路提供的是可靠的通信服务，本身就可实现差错控制，不必依赖其他协议。依赖上层（TCP）保证可靠的是数据报。
  • B：“都必须”错。分组仅在连接建立时才需要完整的目的地址，之后每个分组只携带这条虚电路的编号。
  • D：多站点同时使用一段物理链路不会冲突，每个分组都有虚电路号标识它属于哪条虚电路——这正是”虚”的含义：一条链路上同时跑多条虚电路。
  • C：建立连接的开销只付一次，之后路径固定、分组有序，长时间、频繁的通信摊薄了建立开销，所以正确。

这里的”冲突”是第 3 章广播信道的概念。虚电路网络中的链路是点对点的，分组在节点里排队等待发送，不存在两个信号在介质上相撞的问题。

错题复盘：虚电路不需要为每条虚电路预分配带宽

2020 年统考真题（王道 4.1.6 第 20 题）：下列关于虚电路网络的叙述中，错误的是（A. 可以确保数据分组传输顺序　B. 需要为每条虚电路预分配带宽　C. 建立虚电路时需要进行路由选择　D. 依据虚电路号（VCID）进行数据分组转发）。答案 B。

在建立虚电路的阶段，分组才需要携带完整的目的地址，以进行路由选择（C 对）；之后每个分组只需携带短的虚电路号（D 对），属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发，到达终点的顺序与发送顺序相同（A 对）。虚电路只是一条逻辑上的连接，并不是一条物理上的连接，因此不需要为每条虚电路预分配带宽。

预分配带宽是电路交换的特征。把”建立连接”等同于”占用资源”，就会误选 B 为正确。

数据报”不保证有序”，但 TCP 可以恢复顺序。 数据报网络上的可靠、有序由高层协议（如 TCP）实现，这是”由用户主机保证可靠性”的具体含义（5.3.4 TCP 可靠传输）。

故障率高时选数据报。 虚电路一旦中间节点故障，所有经过它的虚电路都要重建；数据报每个分组独立选路，故障后可以改走别的路径（王道 4.1.6 第 9 题）。

同一报文的分组可以走不同路径的，只有数据报。 电路交换和虚电路方式下路径都在通信前确定。

口径差异：虚电路一定"可靠"吗

教材口径：虚电路服务由网络保证可靠性，能保证每个分组正确且有序到达。

工程口径：这描述的是 X.25 一类逐跳确认、重传的虚电路网络。后来的帧中继和 ATM 同样面向连接、按虚电路号转发，但出错的帧或信元直接丢弃，不在网络内重传，只保证有序、不保证不丢。今天运营商网络中的 MPLS 标签交换路径沿用了”建立时选路、之后只带短标签”的思路，也不保证可靠。

考试按教材口径作答：虚电路 = 面向连接 + 可靠 + 有序。

对照速查

说法对错
虚电路和数据报都是分组交换，都由网络层提供✅
虚电路在数据传输前要建立物理连接❌（逻辑连接）
虚电路需要为每条虚电路预分配带宽❌（2020）
虚电路建立后，分组首部只需携带虚电路号✅
虚电路的分组按发送顺序到达✅
虚电路中间节点故障后，可以沿其他路径继续通信❌（须重新建立）
数据报服务中，同一报文的分组可以走不同路径✅
数据报服务保证分组有序到达❌
数据报的每个分组都携带源地址和目的地址✅
由网络负责差错控制和流量控制、分组按序递交的是虚电路分组交换✅
在故障率很高的系统中，选择虚电路更合适❌（数据报）

考点

  • 虚电路三阶段：建立、传输、释放；建立时选路，之后按虚电路号转发（2020）
  • 虚电路：逻辑连接、不预分配带宽、可靠、有序；故障则所有经过的虚电路失效
  • PVC 与 SVC
  • 数据报：无连接、独立选路、不保证可靠与有序、每个分组带完整地址、对故障适应能力强
  • TCP/IP 网络层选择了数据报（2011）

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