1 数据交换
Q：对于互连的路由器网络，如何实现数据通过网络核心从源主机到达目的主机？
A：数据交换
为什么需要数据交换？
交换的含义
交换的含义主要包括两个方面：动态转接和动态分配传输资源。
2 电路交换（circuit switching）
- 通过一个个交换设备中线路进行连接
- 实际建立了一条专用的物理线路
- 在该连接被拆除前，这两端的设备单独占用该线路进行数据传输
优点
- 连接建立后，数据以固定的传输速率被传输，传输延迟小
- 由于物理线路被单独使用，因此不可能发生冲突
缺点
- 连接需要花很长时间
- 连接建立后，由于线路是专用的，即时空闲，也不能被其他设备使用
电话网络
最典型电话交换网络：电话网络。
电话交换的三个阶段：建立连接（呼叫/电路建立）、通信、释放连接（拆除电路）。
电话网络具有独占资源的特点。
电路交换网络的链路共享
注意：说电路网络独占资源只是都占了中继线中的一部分资源，中继线这里通常采用多路复用的技术。
3 报文交换（message switching）
报文：源（应用）发送信息整体，比如：一个文件。
- 是一种存储转发技术
- 没有在通信两端设备建立一条物理线路
- 发送设备将发送的信息作为一个整体，并附加上目的地址，交给交换设备
- 交换设备暂时存储该报文，等到有合适的输出线时把该报文转发给下一个交换设备
- 经过若干个交换设备的存储、转发后，该报文到达目的地
优点
- 线路利用率高，许多报文可以分时共享交换设备间的线路
- 当接收端设备不可用时，可暂时由交换设备保存报文
- 当线路交换通信量大时，会发生占线、阻塞，报文交换仍然可以接收报文，只是传送延迟增加
- 能建立报文优先级，优先级高的先转发
- 交换设备能够复制报文副本，并把每一个拷贝送到多个所需目的地
- 报文交换网可以利用交换设备缓冲作用进行速率和码型的转换（ASCII–EBCDIC）
缺点
- 数据的传输延迟长，且延迟时间长短不一，因此不适用于实时或交互式通信系统
- 当报文传输错误时，必须重传整个报文
4 分组交换（packet switching）
分组：报文拆出来的一系列相对较小的数据包。
分组交换需要报文的拆分和重组，因此会产生额外开销。
- 分组交换又称为报文分组交换或包交换
- 也是一种存储转发技术
- 将报文分解成若干段，每一段报文加上地址、控制和差错校验等信息，按规定的格式构成一个数据单位，通常被称为“报文分组”或“包”
分组交换：统计多路复用（statistical Multiplexing）
存储-转发（store-and-forward）
报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式。两者的区别：报文交换以完整报文进行“存储-转发”，分组交换以较小的分组进行“储存-转发”。
两种方式控制和管理通过网络的交换分组流
- 数据报（data gram），多用于局域网
- 虚电路（virtual circuit），多用于广域网
数据报
- 发送一个报文时，将报文拆分为若干个分组，每个分组带有序号和地址信息，被称为一个数据报，它的传送是被单独处理的。一个节点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和本节点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报发送到下一个节点，直到目标节点为止
原理
- 为每个入站的报文根据当前的状况，单独选择一条适当的输出路线
特点
- 不需要虚电路建立过程（无连接的服务）
- 必须为每个输入报文单独进行路由选择
- 由于路径可能不同，报文投递是不可靠的，如先发后到
- 每个报文必须包含目的地址
虚电路
- 为了向上层提供面向连接的服务，在通信之前，要在源、目的节点间建立一条或多条非专用的逻辑通路（虚电路），数据沿着虚电路传输，数据传送完成后根据事先约定可拆除（临时虚电路SVC，Switch Virtual Circuit），也可永久保持（永久虚电路PVC，Permanent Virtual Circuit）
- 存在虚电路建立过程，即事先进行路由选择
- 本次传输的数据报沿着同一条路径发送，不需要为每个输入报文进行路由选择
- 报文的投递可靠，并保证包的顺序
- 报文中不需要目的地址，只需要虚电路号，维护表
- 虚电路必须进行释放
- 与电路交换不同，不是专用链路，可以有多条虚电路
- 可能基于同一物理链路
总结图
5 报文交换和分组交换的区别
5.1 分组交换：传输延迟
发送主机：接收应用报文（消息），拆分成较小长度为L bits的分组（packets），在传输速率为R的链路上传输分组。
报文交换：报文长度为M bits，链路带宽为R bps，每次传输报文需要M/R秒。
分组交换：报文被拆分成多个分组，分组长度为L bits，每个分组传输时延为L/R秒。
5.2 报文交换：报文交换时间
M=7.5Mbits，R=1.5Mbps
t=3*M/R=3*7.5/1.5=15(s)
所以，报文交付时间为15s。
5.3 分组交换：报文交付时间
网络结构如报文交换。
L=1500bits，M=5000L，R=1.5Mbps。
对于如下参数：
- 报文：Mbits
- 链路带宽（数据传输速率）：R bps
- 分组长度（大小）：L bits
- 跳步数：h
- 路由器数：n
T = M/R + (h - 1)L/R = M/R + nL/R
5.4 分组交换例题
在下图所示的采用“存储-转发” 方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为100 Mbps， 分组大小为1 000 B， 其中分组头大小为20 B。 若主机H1向主机H2发送一个大小为980 000 B的文件， 则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下， 从H1发送开始到H2接收完为止， 需要的时间至少是多少？
【解】 980 000 B大小的文件需要分1000个分组，每个分组1 000 B。 H1发送整个文件需要的传输延迟为(980 000+20*1000)*8/100 000 000=80ms；根据路由选择基本原理，所有数据分组应该经过两个路由器的转发，所以再加上最后一个分组的两次转发的传输延迟，即2*1000*8/100 000 000=0.16ms。所以， H2收完整个文件至少需要80+0.16=80.16ms。
6 分组交换和电路交换的区别
1 Mb/s链路
每个用户:“活动”时需100 kb/s， 平均活动时间10%
电路交换：10用户。
分组交换:对于35个用户, 大于10个用户同时活动的概率<0.0004。因此，分组交换允许更多用户同时使用网络！网络资源充分共享。
分组交换的特点
适用于突发数据网络传输：资源充分共享，简单、无需呼叫建立。
分组交换的缺点
可能产生拥塞（congestion）：分组延迟和丢失，需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制。
分组交换需要解决的问题
如何提供电路级性能保障？例如，音/视频应用所需的带宽保障。