02.交换技术及通信网概述

一、通信网的基本概念

1.1 通信的三要素

实现通信必须具备三个基本要素：

终端：信息的产生和消费端，如电话、计算机、手机等
传输：信息的物理载体，如光纤、电缆、无线电波等
交换：实现信息从任一端到另一端的转接技术

1.2 什么是交换技术

在数据通信系统中，如果终端与终端之间不是通过专用线路连接，而是要经过通信网络的接续过程来建立连接，就需要在网络的各个中间节点处实现转接功能，从而提供一条端系统与端系统之间的数据通路。

交换（Switching） 是指网络节点以某种转接方式来实现数据通路接续的技术。交换是通信网的核心技术。

1.3 交换技术的分类

按照通信子网中的网络节点对进入子网的数据所实施的转发方式不同，交换方式可分为两大类：

交换技术
├── 电路交换（Circuit Switching）
└── 存储转发交换（Store-and-Forward Switching）
    ├── 报文交换（Message Switching）
    └── 分组交换（Packet Switching）

二、电路交换

2.1 基本概念

电路交换是最早出现的交换方式，其设计思想源于传统的电话网络，核心在于资源预留。

在通信开始之前，网络必须在发送方和接收方之间建立一条专用的、物理的通信路径。这条路径在整个通信期间由双方独占，直到通信结束才被释放。

2.2 工作流程

电路交换的工作过程分为三个阶段：

┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│  建立连接    │ → │   数据传输   │ → │   释放连接   │
│  (呼叫建立)  │    │   (通话)    │    │   (拆线)    │
└─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘

(1) 建立连接（Circuit Establishment）

发送方发起呼叫请求，网络中的交换机协同工作，寻找并建立一条从源到目的的物理通路。

示例：A 站要与 D 站传输数据

A 站向结点 1 发出建立连接请求
根据路由选择算法选择通路（如 1-2-7-4、1-6-5-4、1-2-3-4 等）
结点 4 利用与 D 站的直接连接完成电路建立

(2) 数据传输（Data Transfer）

连接建立后，数据可以稳定、连续地在两个设备间传输，几乎没有额外的延迟。在整个信息传送过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。

(3) 释放连接（Circuit Disconnect）

通信结束后，一方发起拆除请求，网络收回为该连接分配的所有链路资源，使其可用于其他通信。

2.3 特点分析

优点

优点	说明
通信时延极小	一旦电路建立成功，数据便以恒定速率直接传输，几乎没有中间节点的存储转发延迟
有序传输	数据始终在同一条专用路径上传输，分组的到达顺序与发送顺序完全一致
可靠性高	连接建立后，带宽得到保证，不会因网络拥塞而影响通信质量
控制简单	交换节点的控制逻辑相对简单，只需在建立连接时进行一次路径选择

缺点

缺点	说明
建立连接开销大	通信前的呼叫建立过程需要时间，对于短时、频繁的数据传输，时间成本高
线路利用率低	线路被通信双方独占，即使在通信的静默期，信道资源也无法被其他用户使用
灵活性差	物理通路是固定的，如果中间某个节点或链路出现故障，整个连接就会中断
无差错控制	交换节点不具备存储数据的能力，无法发现与纠正传输过程中的数据差错

2.4 应用场景

传统电话网络（PSTN）：提供高质量、低时延的语音通话
实时音视频会议：需要稳定带宽和极低延迟保障服务质量的场景
专线数据传输：金融机构或大型企业之间需要高安全性和固定带宽的连接

三、存储转发交换

为了克服电路交换线路利用率低的问题，人们提出了存储转发交换方式。网络节点（交换设备）先将途经的数据按传输单元接收并存储下来，然后选择一条适当的链路转发出去。

根据转发的数据单元的不同，存储转发交换又分为：

报文交换
分组交换

3.1 报文交换

基本概念

报文交换是指网络的每一个节点（交换设备）先将整个报文（Message）完整地接收并存储下来，然后选择合适的链路转发到下一个节点。每个节点都对报文进行存储转发，最终到达目的地。

可以把它比作邮政系统：你把一封信（报文）投进邮筒，邮局（交换节点）收到后，会先完整地暂存这封信，然后查看地址，再决定把它发往哪个城市的下一个分拣中心。

工作流程

1	发送端 → [节点1: 接收→存储→转发] → [节点2: 接收→存储→转发] → ... → 接收端

特点分析

优点：

无需建立连接：省去了建立和释放连接的开销，用户可以随时发送报文
线路利用率高：通信线路不再被独占，而是由多个用户的报文共享
支持差错校验：交换节点可以对接收到的报文进行差错校验，提高传输可靠性

缺点：

存储转发时延高：每个中间节点都必须接收并存储整个报文后才能转发
对节点缓存要求高：报文长度不固定，可能非常长，要求交换节点配备大容量缓存
可靠性问题：如果中间某个节点故障，报文可能丢失

3.2 分组交换

基本概念

分组交换是目前计算机网络中广泛使用的一种交换方式。它将用户数据分割为带地址信息的分组（Packet），通过存储-转发机制在共享网络中动态路由传输，无需预建专用通道。

分组交换又分为两种方式：

数据报方式：无连接、尽最大努力交付（如 IP 网络）
虚电路方式：面向连接、提供有序传输与部分 QoS 保障（如 X.25、MPLS）

工作流程

发送端:
┌──────────────┐    ┌──────────────┐    ┌──────────────┐
│   原始数据    │ → │  划分数据段   │ → │ 添加首部构成分组│
│  (长报文)    │    │  (等长数据段) │    │  (Packet)   │
└──────────────┘    └──────────────┘    └──────────────┘
                                              ↓
网络传输: 各分组独立传输，可能经过不同路径到达接收端
                                              ↓
接收端:
┌──────────────┐    ┌──────────────┐    ┌──────────────┐
│  接收各分组   │ → │  按序号重组   │ → │   还原原始数据 │
│  (可能乱序)  │    │   排序      │    │   (长报文)   │
└──────────────┘    └──────────────┘    └──────────────┘

分组的结构

每个分组由两部分组成：

┌─────────────────┬─────────────────┐
│     首部 (Header) │    数据 (Data)   │
│    20-60 字节    │   可变长度      │
├─────────────────┼─────────────────┤
│ • 源地址         │ • 用户数据      │
│ • 目的地址       │                 │
│ • 分组序号       │                 │
│ • 控制信息       │                 │
└─────────────────┴─────────────────┘

特点分析

优点：

优点	说明
高效性	动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用
灵活性	为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
迅速性	以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能发送分组
可靠性	网络具有冗余路由，当某个链路或节点出现故障，可自适应地改变路由
容错性	分组独立传输，某条路径故障不影响其他分组

缺点：

缺点	说明
排队延迟	分组在路由器中需要排队等待处理，可能引起延迟
带宽不保证	由于带宽是动态分配的，可能会出现网络拥堵和带宽不足
开销增加	每个分组都需要携带控制信息，增加了网络开销
乱序到达	分组可能经过不同路径，到达接收端时顺序可能错乱

四、三种交换技术的比较

4.1 特性对比表

特性	电路交换	报文交换	分组交换
建立连接	需要	不需要	不需要（数据报）/ 需要（虚电路）
数据传输单元	比特流	整个报文	分组（Packet）
传输时延	小（固定）	大（存储转发）	中等（分组存储转发）
线路利用率	低	高	高
可靠性	高（固定带宽）	中等	高（自适应路由）
灵活性	差	好	好
差错控制	不支持	支持	支持
适用场景	实时通信	电子邮件、文件传输	互联网数据通信

4.2 时延特性对比

电路交换时延:
├─ 建立连接时延（较大）
├─ 数据传输时延（极小，固定）
└─ 释放连接时延（较小）

报文交换时延:
└─ 存储转发时延 × 节点数（较大，与报文长度成正比）

分组交换时延:
├─ 发送时延（分组长度 / 发送速率）
├─ 传播时延（信道长度 / 传播速率）
├─ 处理时延（节点处理分组首部）
└─ 排队时延（分组在队列中等待）

4.3 应用场景对比

实时通信（语音、视频）
    ↓
电路交换 ──────────────────────────────→ PSTN、专线

突发性数据传输（互联网）
    ↓
分组交换 ──────────────────────────────→ Internet、IP网络

大文件传输（非实时）
    ↓
报文交换 ──────────────────────────────→ 早期电报、电子邮件

五、现代交换技术的发展

5.1 数字交换技术

数字交换是对交换设备实现方式的根本升级，以数字信号处理（DSP）、大规模集成电路（ASIC）、高速总线与软件定义控制为核心，取代模拟时代的机电式或电子模拟交换机。

现代数字程控交换机集成了：

呼叫控制
信令处理（SS7/SIP）
媒体网关控制（MGCP/H.248）
计费统计与运维管理

5.2 ATM 交换

**ATM（异步传输模式）**是 20 世纪 90 年代为统一承载语音、数据、视频而设计的面向连接的宽带分组交换技术：

采用固定长度 53 字节信元（5 字节头 + 48 字节净荷）
结合硬件级快速转发与多级服务质量等级（CBR、VBR、UBR、ABR）
兼顾了电路交换的 QoS 保障能力与分组交换的统计复用优势

5.3 光交换技术

光交换代表通信传输层的革命性突破，指在光域直接完成波长、子波长或空间光路的动态配置与调度：

OEO（光-电-光）交换：依托 ROADM 与 WSS 实现波长级调度
OPO（光-光-光）交换：探索 MEMS 微镜阵列、液晶硅基光开关等全光路径

光交换是构建弹性光网络（EON）、数据中心光互联（DCI）、6G 太赫兹前传网的核心使能技术。

5.4 软交换与 IMS

随着 IP 技术的发展，传统电路交换逐渐向**软交换（Softswitch）**和 **IMS（IP 多媒体子系统）**演进：

控制与承载分离：呼叫控制与媒体传输分离
业务与控制分离：业务逻辑独立于底层网络
全 IP 化：基于分组交换的统一承载网络

六、总结

交换技术是通信网的核心，不同的交换方式决定了数据在网络中的传输方式：

电路交换：适用于实时性要求高的通信，如传统电话网络
报文交换：适用于非实时的大文件传输，现已较少使用
分组交换：适用于突发性数据业务，是现代互联网的基础

随着技术的发展，交换技术正朝着数字化、分组化、光交换、软件定义的方向演进，为 5G、物联网、云计算等新兴应用提供支撑。

参考链接

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