网络层（1） 数据交换方式

　　网络层

　　网络层的主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，网络层传输的单位是数据报。

 

　　网络层特点：

　　（1）路由选择与分组转发，选择最佳路径。

　　（2）异构网络互联。

　　（3）拥塞控制。

　　注：如果网络上的所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组，网络就处于拥塞状态，因此需要有一定的措施来缓解这种拥塞。

 

一、数据交换方式

　　按数据交换方式可以分为电路换机、报文交换、分组交换方式。

 

二、电路交换

　　类型我们常用的电话交换网络，图例如下：

　　

　　电路交换的过程：（1）建立连接 　　（2）通信　　（3）释放连接

　　在两个终端开始正式通信之前，首先由主呼终端进行呼叫，送出被呼终端的电话号码，直到在主呼和被呼终端之间建立起一条专用的通信线路，主呼终端和被呼终端才开始进行双向数据传输，在整个数据传输期间一直独占线路，通信结束后释放已建立的通信线路，这种技术叫做线路交换，主要用于电话系统。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态动分配传输线路的资源。

　　线路交换技术有几大优点，（1）传输延迟小，唯一的延迟是电磁信号的传播时间；（2）有序传输，没有冲突，因为通信双方独享物理线路 （3）可以实现实时通信。

　　线路交换技术有几大缺点，（1）建立线路所需的时间长；（2）线路独享造成资源浪费，使用效率低 （3）无差错控制能力

 

 三、报文交换

　　

　　发送方待发送的整个数据块称为报文。报文交换事先不建立线路，当发送方有数据块发送时，它把目的地址附加在报文上交给交换设备，交换设备选择一条合适的空闲输出线，将报文通过该输出线传送出去，在这个过程中，交换设备的输入线和输出线之间不建立物理连接，在每个交换设备处，报文首先被存储起来，在适当的时候被转发出去，所以报文交换采用的是存储转发技术，动态分配线路，使得线路能共享，提高了资源的利用率。

　　但是，报文交换对传输数据块的大小没有限制，当传输大报文时，交换设备必须利用大容量磁盘进行缓存 ，而且可能占有用一个交换设备到另一个交换设备的线路长大几分钟，因此报文交换不适合交互式通信。

　　报文交换的优点：（1）无需建立连接；（2）采用存储转发方式，动态分配线路；（3）线路可靠性较高；（4）线路利用率较高；（5）可以提供多目标服务

　　报文交换的缺点：（1）有存储转发时延；（2）报文大小不定，需要网络节点有较大的缓存空间

 

四、分组交换

　　

　　为了解决报文交换大报文传输的问题，分组交换技术严格限制数据块大小的上限，把大报文切分成更小的数据单位，加上一些必要的控制信息组成的首部后，就构成了分组（packet），使分组可以在交换设备的内存中缓存，同时保证任何用户都不能独占线路超过几十毫秒。

　　现代网络绝大多数采用分组交换技术。分组交换网由若干个交换机和连接这些交换机的链路组成，每台主机都有一条到交换机的链路，交换机的主要工作就是在它的一条链路上接收输入分组，把这些分组从其他的链路上输出。

　　分组交换的优点：（1）无需建立链接；（2）存储转发，动态分配线路；（3）线路可靠性交高；（4）线路利用率较高；（5）相对于报文交换，存储管理更容易

　　分组交换的缺点：（1）有存储转发时延；（2）需要传输更多额外的信息，如数据帧头和帧尾；（3）乱序到达目的主机时，要对分组进行重新排序

 

　　分组交换根据内部机制的不同，分组交换技术又分为数据报（datagram）和虚电路（virtual circuit）两种方式。

 

 五、三种数据交换方式的比较

　　

　　总结：

　　（1）报文交换和分组交换都采用存储转发方式。

　　（2）传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换，电路交换传输时延最小。

　　（3）从信道利用率看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换时延更小。

 

六、数据报

　　数据报方式为网络层提供无连接服务。无连接服务，不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。

　　虚电路方式为网络层提供连接服务。连接服务，首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路戏（连接）传输分组，分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。

 

　　在数据报方式中，每个分组的首部都带有完整的目的地址，交换机或路由器根据转发表转发分组。

　　

七、虚电路

　　虚电路将数据报文方式和电路交换方式相结合，以发挥两者的优点。

　　虚电路方式要求在发送数据之前，在源主机和目的主机之间建立一条虚连接。在建立连接阶段，需要在源主机和目的主机之间的每个交换机或路由器上建立“连接状态”，连接状态由连接经过的每个交换机中的“VC表”记录组成。在一个交换机上的VC表中一条记录包括：

　　（1）虚电路标识符VCI，在这个交换机上唯一标识连接，并且将放在属于这个连接的分组首部内传送。

　　（2）这个VC到达交换机的分组的输入接口。

　　（3）这个VC离开交换机的分组的输出接口。

　　（4）用于输出分组的一个不能不同的VCI。

　　在建立一个新连接时，要在连接所要经过的每段链路上分配一个VCI值，并确保在一段链路上选定的VCI值未被该链路上已经存在的某个链路占用。连接状态的建立有两种方式，1. 由网络管理员配置连接状态，这个的虚电路是永久虚电路（PVC），它最好被看作长期生存的或可管理配置的VC，当然管理员也可以删除PVC。2.由主机发送消息给网络建立连接状态，这样建立的虚电路称为交换虚电话，它可由主机动态的建立和删除。

　　

八、数据报与虚电路的区别

　　

　　注：数据报方式典型应用是IP协议，虚电路方式典型应用是X.25、FR、ATM。