試比較三種交換方式

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三種交換技術及其比較 2010-09-22 17:17:57

分類： 系統營運

 

 

 

一．電路交換：

 

“電路交換”（Circuit Switching）又稱為“線路交換”，是一種連線導向的服務。兩台電腦通過通訊子網進行資料電路交換之前，首先要在通訊子網中建立一個實際的物理線路串連。最普通的電路交換例子是電話系統。電路交換是根據交換器結構原理實現資料交換的。其主要任務是把要求通訊的輸入端與被呼叫的輸出端接通，即由交換器負責在兩者之間建立起一條物理通路。在完成接續任務之後，雙方通訊的內容和格式等均不受交換器的制約。電路交換方式的主要特點就是要求在通訊的雙方之間建立一條實際的物理通路，並且在整個通訊過程中，這條通路被獨佔。

 

1．電路交換的分類

 

電路交換又分為時分交換（Time Division Switching，TDS）和空分交換（Space Division Switching，SDS）兩種方式。

 

時分交換是把時間劃分為若干互不重疊的時隙，由不同的時隙建立不同的子通道，通過時隙交換網路完成話音的時隙搬移，從而實現入線和出線間話音交換的一種交換方式。時分交換的關鍵在於時隙位置的交換，而此交換是由主叫撥號所控制的。為了實現時隙交換，必須設定話音儲存空間。在抽樣周期內有n個時隙分別存入n個儲存空間單元中，輸入按時隙順序存入。若輸出端是按特定的次序讀出的，這就可以改變時隙的次序，實現時隙交換。

 

空分交換是指在交換過程中的入線通過在空間的位置來選擇出線，並 建立接續。通訊結束後，隨即拆除。比如，人工交換器上塞繩的一端連著入線塞孔，由話務員按主叫要求把塞繩的另一端串連被叫的出線塞孔，這就是最形象的空分 交換方式。此外，機電式（電磁機械或繼電器式）、步進位、縱橫制、半電子、程式控制類比使用者交換器及寬頻交換器都可以利用空分交換原理實現交換的要求。

 

2．電路交換的三個階段

 

整個電路交換的過程包括建立線路、佔用線路並進行資料轉送和釋放線路三個階段。下面分別予以介紹。

 

（1）電路建立

 

如同打電話先要通過撥號在通話雙方間建立起一條通路一樣，資料通訊的電路交換方式在傳輸資料之前也要先經過呼叫過程建立一條端到端的電路。它的具體過程如下。

 

①發起方向某個終端網站（回應程式網站）發送一個請求，該請求通過中間節點傳輸至終點。

 

②如果中間節點有閒置物理線路可以使用，接收請求，分配線路，並將請求傳輸給下一中間節點；整個過程持續進行，直至終點。如果中間節點沒有閒置物理線路可以使用，整個線路的串連將無法實現。僅當通訊的兩個網站之間建立起物理線路之後，才允許進入資料轉送階段。

 

③線路一旦被分配，在未釋放之前，其他網站將無法使用，即使某一時刻，線路上並沒有資料轉送。

 

（2）資料轉送

 

電 路交換串連建立以後，資料就可以從源節點發送到中間節點，再由中間節點交換到終端節點。當然終端節點也可以經中間節點向源節點發送資料。這種資料轉送有最 短的傳播延遲，並且沒有阻塞的問題，除非有意外的線路或節點故障而使電路中斷。但要求在整個資料轉送過程中，建立的電路必須始終保持串連狀態，通訊雙方的 資訊傳輸延遲僅取決於電磁訊號沿媒體傳輸的延遲。

 

（3）電路拆除

 

當網站之間的資料轉送完畢，執行釋放電路的動作。該動作可以由任一網站發起，釋放線路請求通過途經的中間節點送往對方，釋放線路資源。被拆除的通道空閑後，就可被其他通訊使用。

 

2．電路交換的特點與優缺點

 

電路交換的特點如下。

 

獨佔性：在 建立電路之後、釋放線路之前，即使網站之間無任何資料可以傳輸，整個線路仍不允許其他網站共用。就和打電話一樣，我們講話之前總要撥完號之後把這個串連建 立，不管你講不講話，只要不掛機，這個串連是專為你所用的，如果沒有可用的串連，使用者將聽到忙音。因此線路的利用率較低，並且容易引起接續時的擁塞。

 

即時性好：一旦電路建立，通訊雙方的所有資源（包括線路資源）均用於本次通訊，除了少量的傳輸延遲之外，不再有其他延遲，具有較好的即時性。

 

電路交換裝置簡單，無需提供任何緩衝裝置。

 

使用者資料透明傳輸，要求收發雙方自動進行速率匹配。

 

電路交換方式的優點是資料轉送可靠、迅速，資料不會丟失，且保持原來的序列。缺點是在某些情況下，電路空閑時的通道容量被浪費；另外，如資料轉送階段的期間不長，電路建立和拆除所用的時間就得不償失。因此，它適用於遠程批處理資訊傳輸或系統間即時性要求高的大量資料轉送的情況。這種通訊方式的計費方法一般按照預訂的頻寬、距離和時間來計算。

 

二．報文交換：

 

所謂“儲存交換”是指資料交換前，先通過緩衝儲存空間進行緩衝，然後按隊列進行處理。

 

“儲存交換”又分為“報文交換”（Message Switching）和“封包交換”（Packet Switching）兩種，

 

本節先介紹其中的“報文交換”。

 

報文交換的基本思想是先將使用者的報文儲存在交換器的儲存空間中，當所需要的輸出電路空閑時，再將該報文發向接收交換器或使用者終端，所以，報文交換系統又稱“儲存—轉寄”系統。報文交換適合公眾電報等。

 

1．報文交換原理

 

實現報文交換的過程如下。

 

（1）若某使用者有發送報文需求，則需要先把擬發送的資訊加上報文頭，包括目標地址和源地址等資訊，並將形成的報文發送給交換器。當交換器中的通訊控制器檢測到某使用者線路有報文輸入時，則向中央處理機發送插斷要求，並逐字把報文送入記憶體器。

 

（2）中央處理機在接到報文後可以對報文進行處理，如分析報文頭，判別和確定路由等，然後將報文轉存到外部大量存放區，等待一條閒置輸出線路。

 

（3）一旦線路空閑，就再把報文從外儲存空間調入記憶體儲器，經通訊控制器向線路發送出去。

 

2．報文交換的特點

 

“儲存－轉寄”：報文交換方式首先是由交換器儲存整個報文的，然後在有線路空閑時才進行必要的處理。

 

1）不獨佔線路，多個使用者的資料可以通過儲存和排隊共用一條線路。

 

2）無線路建立的過程，提高了線路的利用率。

 

3）支援多點傳輸（一個報文傳輸給多個使用者，只需在報文中增加“地址欄位”，中間節點根據地址欄位進行複製和轉寄）。

 

4）中間節點可進行資料格式的轉換，方便接收網站的收取。

 

5）增加了差錯檢測功能，避免出錯資料的無謂傳輸等。

 

3．報文交換方式的優缺點

 

報文交換的優點有如下幾個方面。

 

線路利用率高，通道可為多個報文共用；

 

不需要同時啟動發送器和接收器來傳輸資料，網路可暫存；

 

通訊量大時仍可接收報文，但傳輸延遲會增加；

 

一份報文可發往多個目的地；

 

交換網路可對報文進行速度和代碼等的轉換；

 

能夠實現報文的差錯控制和錯誤修正處理等功能。

 

報文交換方式的不足之處如下。

 

中間節點必須具備很大的儲存空間；

 

由於“儲存－轉寄”和排隊，增加了資料轉送的延遲；

 

報文長度未作規定，報文只能暫存在磁碟上，磁碟讀取佔用了額外的時間；

 

任何報文都必須排隊等待：不同長度的報文要求不同長度的處理和傳輸時間，即使非常短小的報文（例如，互動式通訊中的會話資訊）；

 

當通道誤碼率高時，頻繁重發，報文交換難以支援即時通訊和互動式通訊的要求。

 

三．封包交換

 

“封包交換”（Packet Switching）與“報文交換”技術類似，但規定了交換器處理和傳輸的資料長度（稱之為分組），不同使用者的資料分組可以交織地在網路中的物理鏈路上傳輸。是目前應用最廣的交換技術，它結合了線路交換和報文交換兩者的優點，使其效能達到最優。為了理解封包交換的優越性，先瞭解一下“報文”與“報文分組”的區別。

 

1．報文與報文分組

 

資料通過通訊子網傳輸時可以有報文（Message）與報文分組（Packet）兩種方式。報文傳輸不管發送資料的長度是多少，都把它當做一個邏輯單元發送；而報文分組傳輸方式則限制一次傳輸資料的最大長度，如果傳輸資料超過規定的最大長度，發送節點就將它分成多個報文分組發送。

 

由於分組長度較短，在傳輸出錯時，檢錯容易並且重發花費的時間較少；限定分組最大資料長度後，有利於提高儲存轉寄節點的儲存空間利用率與傳輸效率。公用資料網採用的是封包交換技術。

 

2．封包交換原理

 

分 組交換原理與報文交換類似，但它規定了交換裝置處理和傳輸的資料長度（稱之為分組）。它可將長報文分成若干個小分組進行傳輸，且不同網站的資料分組可以交 織在同一線路上傳輸，提高了線路的利用率。可以固定分組的長度，系統可以採用快取技術來暫存分組，提高了轉寄的速度。封包交換方式在X.25封包交換網和乙太網路中都是典型應用。在X.25封包交換網中分組長度為131位元組，包括128位元組的使用者資料和3位元組的控制資訊；而在乙太網路中，分組長度為1500位元組左右（較好的線路品質和較高的傳輸速率，分組的長度可以略有增加）。

 

封包交換實現的關鍵是分組長度的選擇。分組越小，冗餘量（分組中的控制資訊等）在整個分組中所佔的比例越大，最終將影響使用者資料轉送的效率；分組越大，資料轉送出錯的機率也越大，增加重傳的次數，也影響使用者資料轉送的效率。

 

如何管理這些分組流呢?目前有兩種方法：資料報和虛電路。

 

在資料報中，每個資料包被獨立處理，就像在報文交換中每個報文被獨立處理那樣，每個節點根據一個路由選擇演算法，為每個資料包選擇一條路徑，使它們的目的地相同。

 

在虛電路中，資料在傳送以前，發 送和接收雙方在網路中建立起一條邏輯上的串連，但它並不是像電路交換中那樣有一條專用的物理通路，該路徑上各個節點都有緩衝裝置，服從於這條邏輯線路的安 排，也就是按照邏輯串連的方向和接收的次序進行輸出排隊和轉寄，這樣每個節點就不需要為每個資料包作直接選取判斷，就好像收發雙方有一條專用通道一樣。

 

3．封包交換的特點

 

報文交換的缺點是由報文太長引起的，因此封包交換的思想是限制發送和轉寄的資訊長度，將一個大報文分割成一定長度的資訊單位，稱為分組，並以分組為單位儲存轉寄，在接收端再將各分組重新組裝成一個完整的報文。封包交換試圖兼有報文交換和線路交換的優點，而使兩者的缺點最少。封包交換與報文交換的工作方式基本相同，形式上的主要差別在於：封包交換網中要限制所傳輸的資料單位的長度。

 

四．三種資料交換技術的比較

 

為了便於理解與區別，本節要對以上三種交換方式進行比較。首先從大的分類上進行比較，那就是“電路交換”與“儲存交換”的比較。

 

1．“儲存交換”方式與“電路交換”方式的主要區別

 

在儲存交換方式中，發送的資料與目的地址、源地址和控制資訊按照一定格式組成一個資料單元（報文或報文分組）進入通訊子網。通訊子網中的節點是通訊控制處理機，它負責完成資料單元的接收、差錯校正、儲存、路選和轉寄功能，在電路交換方式中以上功能均不具備。

 

儲存轉寄相對電路交換方式具有以下優點。

 

由於通訊子網中的通訊控制處理機可以儲存分組，多個分組可以共用通訊通道，線路利用率高。

 

通訊子網中通訊控制處理機具有路選功能，可以動態選擇報文分組通過通訊子網的最佳路徑。

 

可以平滑通訊量，提高系統效率。

 

分組在通過通訊子網中的每個通訊控制處理機時，均要進行差錯檢查與錯誤修正處理，因此可以減少傳輸錯誤，提高系統可靠性。

 

通過通訊控制處理機可以對不同通訊速率的線路進行轉換，也可以對不同的資料代碼格式進行變換。

 

2．電路交換與封包交換的比較

 

（1）從分配通訊資源（主要是線路）方式上看

 

電路交換方式靜態地事先分配線路，造成線路資源的浪費，並導致接續時的困難；而封包交換方式可動態地（按序）分配線路，提高了線路的利用率，由於使用記憶體來暫存分組，可能出現因為記憶體資源耗盡，而中間節點不得不丟棄接到的分組的現象。

 

（2）從使用者的靈活性方面看

 

電路交換的資訊傳輸是全透明的，使用者可以自行定義傳輸資訊的內容、速率、體積和格式等，可以同時傳輸語音、資料和映像等；封包交換的資訊傳輸則是半透明的，使用者必須按照分組裝置的要求使用基本的參數。

 

（3）從收費方面看

 

電路交換網路的收費僅限於通訊的距離和使用的時間；封包交換網路的收費則考慮傳輸的位元組（或者分組）數和串連的時間。

 

3．以上三種資料交換技術總結如下。

 

電路交換：在資料傳送之前需建立一條物理通路，線上路被釋放之前，該通路將一直被一對使用者完全佔有。

 

報文交換：報文從發送方傳送到接收方採用儲存轉寄的方式。

封包交換：此方式與報文交換類似，但報文被分成組傳送，並規定了分組的最大長度，到達目的地後需重新將分組組裝成報文。

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