报文交换及其优势：分组交换的基本原理

1．2．4　分组交换

1．报文交换

（1）报文交换的基本原理

为了克服电路交换中各种不同类型和特性的用户终端之间不能互通、通信电路利用率低以及有呼损等方面的缺点，提出了报文交换的思想。

报文交换也称为存储转发交换，其基本原理是信息的“存储转发”，即如果一个用户要向另一个用户发送信息，用户之间不需要先建立连接，而是由交换机暂时把主叫用户要发送的报文接收并存储起来，交换机根据报文中提供的被叫用户的地址，确定交换网内路由，并将报文送到输出队列上排队，一旦该输出线空闲时，立即将该报文送到下一个交换机，最后送到被叫用户。

（2）报文交换中信息的格式

报文交换中信息的格式是以报文为基本单位。一份报文包括三部分：报头或标题（发信站地址、收信终点地址及其他辅助信息）、正文（用户信息）和报尾（报文的结束标志）。

（3）报文交换的特征

报文交换的特征是交换机要对用户的信息进行存储和处理，即信息是不透明传输。

（4）报文交换的主要优缺点

①主要优点

·在报文交换的过程中没有电路接续过程，来自不同用户的报文可以在一条线路上以报文为单位进行多路复用，大大提高了线路的利用率。

·报文以存储转发方式通过交换机，输入输出电路的速率、电码格式等可以不同，很容易实现不同类型的终端之间的通信。

·无呼损，用户不需要叫通对方就可发送报文。同一报文可以由交换机转发到多个不同的收信地点。

②主要缺点

·不利于实时通信，因为信息通过交换机时时延大。

·要求交换机具有高速处理能力和大容量的存储器。

·不适用于即时交互式数据通信。

（5）适用场合

报文交换适用于公众电报和电子信箱业务。

2．分组交换

（1）分组交换的基本过程

分组交换的思想来源于报文交换，和报文交换不同的是：分组拆装设备将用户要传送的信息（报文）分割为若干个长度较小的分组（packet），并将其加上分组头（包含选路信息和控制信息），即分组交换信息的最小单元是分组；而报文交换信息的最小单元则是报文，报文可以看成一个没有分割的分组，从这个角度看，报文交换也可以看成分组交换。由于分组一般情况比报文短，又具有统一的格式，在进行信息传输和交换时比报文交换要快得多。

分组交换的实质也是存储转发，其存储转发的过程就是分组交换的过程，如图1．15所示。分组交换机将分组暂时存储下来，在目的方向路由上排队，一旦确定了新的路由，很快就输出到下一个交换机或用户终端。“分组”穿过交换机或网络的时间很短，能满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性要求。

图1．15　分组交换的基本过程

（2）分组交换的工作方式

根据交换机对分组不同的处理方式，分组交换可以分成两种工作方式：一种是虚电路（Virtual Circuit，VC）方式，即面向连接（Connection Oriented，CO）的方式；另一种是数据报（Data Gram，DG）方式，即无连接（Connectionless，CL）的工作方式。

所谓虚电路是指经过交换节点将物理链路连接起来的通信链路。虚连接电路资源的分配是随机的，用户有信息传送时，交换节点根据用户需要，分配带宽和电路资源；无信息传送时，就不用分配电路资源，对用户的信息利用标志来识别，即用标志来统计一条连接电路资源的占用情况，这样一段又一段的由交换节点连接起来的连接叫虚电路（又称为虚连接、逻辑连接、逻辑链路），如图1．16所示。

图1．16　物理线路和虚电路示意图

①虚电路（面向连接）方式

虚电路方式采用面向连接的工作方式，两个用户终端设备在开始传输数据之前必须通过网络建立端到端的逻辑上的连接，即通过通信连接上的所有交换节点保存选路结果和路由连接关系来实现，一旦这种连接建立以后，用户发送的数据分组将通过该路径按顺序经网络传送到终点，图1．17给出了面向连接方式的信息传送示意图。假设终端A有3个数据分组要送到终端C，终端A首先发送一个“呼叫请求分组”消息到节点l，请求到终端C的连接。节点1通过路由表确定将该信息发送到节点2，节点2又将该信息发送到节点3，节点3又将该消息发送到节点6，节点6将“呼叫请求分组”消息送到终端C。如果终端C同意接收这些数据块，它就发出一个“呼叫接收”消息到节点6，节点6将“呼叫接收”消息通过节点3、2和节点1送回到终端A，终端A和终端C之间就可以经由这条建立的虚电路（图中虚线所示）来交换数据信息了。此后的每个数据分组都经过这个连接来传送，不再需要选择路由。因此，来自终端A的每个数据分组，穿过节点1、2、3、6，而来自终端C的每个数据块穿过节点6、3、2、1。数据传送结束后，由任意一端发出拆除链路的请求，网络将终止这一连接。这种方式非常类似电路交换，其通信过程具有连接建立、数据传送和连接拆除3个阶段，只不过此时网络中建立的是虚电路，虚电路方式不像电路交换方式是透明传输的，而会受到网络负载的影响，“分组”可能在分组交换机中等待输出线路为空闲后才能进行信息传输。

图1．17　虚电路工作方式示意图(www.xing528.com)

②数据报（无连接）方式

数据报方式类似于报文传输方式，将每个“分组”作为一份报文来对待，每个数据“分组”中都包含终点地址信息。采用无连接工作方式，在呼叫前不需要事先建立连接，分组交换机为每一个数据“分组”边传送边寻找路径，一份报文包含的不同“分组”可能沿着不同的路径到达终点，在网络终点需要重新排序，数据报方式的特点如图1．18所示。假定终端A有3个数据分组要送到终端C，它将数据分组1、2、3发给节点1，节点1对每个数据分组做出路由选择的决定，在数据分组1到来后，节点1检测到节点2的队列比节点4短，于是它将数据分组1排到去节点2的队列，数据分组2也是如此。但是对于数据分组3，节点1发现现在到节点4的队列最短，因此将数据分组3排在去节点4的队列中。在以后通往终端C路由的各节点上，都做类似的处理。这样，每个路由虽然都有同样的目的地址，但并不遵循同一路由。另外，有可能数据分组3先于数据分组2到达节点6，因此，这些数据分组到达节点6的顺序有可能和发送的顺序不同，这就需要终端C重新排序。

（3）分组交换面向连接的工作方式和无连接的工作方式的特点

①面向连接的工作方式的特点

·面向连接的工作方式不管是物理连接还是逻辑连接，其通信过程都可分为3个阶段：连接建立、信息传送、连接拆除。

图1．18　数据报方式

·通信的数据分组按顺序沿着连接的路径传送。

·对故障敏感。因为连接一旦出现故障，信息传送就要中断，必须重新建立连接。

·时延小。

②无连接工作方式的特点

·无连接建立过程，边选路、边传送信息。

·属于同一个通信的信息沿不同路径到达目的地。

·信息传送的时延大。

·对网络故障不敏感。

（4）分组交换的特点

·信息传送的最小单元是分组。

·面向逻辑连接和无连接两种工作方式。

·统计时分复用。即按需分配带宽。

·标志化信道。统计时分复用是靠分组头中的标志来区分不同的分组，因此称分组交换的信道为标志化信道。

·分组交换方式有差错控制。分组交换是专门为数据通信网设计的交换方式，数据业务的特点是可靠性要求高，为保证数据信息的可靠性，在分组交换方式中设有CRC校验、重发等差错控制机制。

·信息传送不具有透明性。分组交换对所传送的数据信息要进行处理，因此，信息的传送不具有透明性。

·基于呼叫延迟制的流量控制。在分组交换中，当数据流量较大时，分组排队等待处理，其流量控制是基于呼叫延迟的。

分组交换的技术不适合对实时性要求较高的话音业务，而适合突发和对差错敏感的数据业务。分组交换在数据通信网中被广泛采用。

（5）分组交换的主要优缺点

①分组交换的主要优点

·向用户提供了不同速率、不同代码、不同同步方式、不同通信控制协议的灵活的通信环境。

·线路动态统计时分复用，在一条物理线路上可以同时提供多条信息通路，通信线路的利用率很高。

·可靠性高，对故障不敏感。分组在网络中传输时在中继线和用户线上分段进行差错校验，因此信息在分组交换网络中传输的比特差错率大大降低，而且，当线路或设备发生故障时，“分组”可以自动地避开故障点选择一条新的路由，通信不会中断。

②分组交换的主要缺点

·开销（数据以外的辅助信息）较多，传输效率比较低。如一份报文要划分成许多分组，每个分组要加上分组头（控制信息），还有不包含数据信息的控制分组，用来实现数据通路的建立、保持和拆除，并进行差错控制以及数据流量控制等。交换网内除了有用户数据传输外，还有许多附加信息在流动，因此分组交换的传输效率没有电路交换和报文交换的传输效率高。

·分组交换实现复杂。因为分组交换在信息传输时，交换机要对不同类型的“分组”进行分析处理，为“分组”在网络中的传输提供路由及路由调整，完成速率、代码和规程的变换，为网络的维护管理提供报告信息等。

分组交换用于数据通信，是非话业务的基础。分组交换技术在降低通信成本、提高通信的可靠性和灵活性方面的巨大成功，促使20世纪70年代中期以后的数据通信网几乎全部都采用了这一技术。