一文介绍电路交换、报文交换和分组交换
在计算机网络领域，数据交换技术是实现高效通信的关键，其中电路交换、分组交换和报文交换是三种重要的交换方式，它们各具特色，适用于不同场景。下面我们就从工作原理、优缺点和应用场景三方面，深入了解这三种交换技术。
电路交换
工作原理
电路交换是一种面向连接的交换方式，其运作过程类似于搭建一条专用的通信线路。以电话通话为例，当主叫方拨打电话号码时，电话网络中的交换机便开始工作，通过一系列复杂的路径选择，在主叫和被叫之间建立起一条独占的物理通信链路。这条链路在整个通话过程中始终被双方占用，只有当通话结束，链路才会被拆除，资源归还给网络，等待下一次使用。
优点
- 低传输时延：由于数据在专属的物理链路上传输，就像车辆在专用车道行驶，几乎没有停顿和等待，所以传输时延极小，特别适合对实时性要求极高的语音通话和视频会议等场景，能够保证通信的流畅性。
- 数据顺序稳定：在通信过程中，数据严格按照发送顺序依次传送，不会出现乱序的情况，从而确保了数据的完整性和准确性，对于一些对数据顺序有严格要求的业务非常重要。
- 通信质量可靠：独占的物理链路使得通信过程受外界干扰较小，信号稳定，能够为用户提供高质量的通信服务，尤其在语音通信方面表现出色。
缺点
- 连接建立时间长：建立物理链路需要进行一系列复杂的操作和路径选择，平均连接建立时间较长，对于一些对时间敏感的计算机通信应用，可能会错过最佳的传输时机。
- 信道利用率低：在整个通信过程中，即使没有数据传输，通信线路也会被双方独占，其他用户无法使用，这就导致资源浪费严重，线路利用率较低。
- 灵活性差：不同类型、规格和速率的终端设备由于链路独占的特性，难以相互通信，并且在通信过程中进行差错控制也比较困难，限制了其在多样化网络环境中的应用。
应用场景
电路交换技术在传统电话通信网络中得到了广泛应用，从早期的固定电话到现代的语音通话系统，都依赖电路交换实现稳定、实时的语音通信。此外，在一些对实时性和通信质量要求极高的场景，如传真通信、部分视频会议系统中，电路交换也发挥着重要作用 。
分组交换
工作原理
分组交换将需要传输的长报文分割成若干个较短的分组，每个分组都包含源地址、目的地址、分组编号等必要的首部信息，就像一个个贴好标签的小包裹。这些分组在网络中各自独立地选择路径进行传输，网络中的分组交换机（如路由器）根据分组首部的目的地址信息，查询转发表，为分组选择最佳的转发路径。分组通过不同的路径在网络中接力传输，最终在接收端按照分组编号重新组装成原始数据。
优点
- 传输效率高：分组交换采用存储转发机制，分组逐个传输，后一个分组的存储操作可以与前一个分组的转发操作并行进行，大大减少了报文的整体传输时间。同时，较小的分组所需的缓冲区也较小，降低了因缓冲区不足而导致等待发送的概率和时间，提高了传输效率。
- 可靠性强：分组短小使得出错的概率降低，一旦某个分组在传输过程中出现错误，只需重发该分组，而不需要重发整个报文，减少了数据重发量，提高了数据传输的可靠性。
- 灵活适应多种业务：特别适合计算机之间突发式的数据通信，能够根据网络状况动态地选择传输路径，合理分配网络资源。而且，由于分组短小，便于采用优先级策略，及时传送紧急数据，满足不同业务的需求。
缺点
- 存在存储转发时延：尽管分组交换相比报文交换时延有所减少，但分组在交换节点仍然需要经历存储和转发的过程，不可避免地会产生一定的时延。当网络负载较大时，这种时延可能会更加明显，影响实时性要求较高的应用体验。
- 控制复杂：每个分组都需要添加源地址、目的地址、分组编号等额外的首部信息，这导致传送的信息量增加了约5% - 10%，在一定程度上降低了通信效率，并且增加了分组处理的复杂性和设备的处理负担。
- 可能出现分组失序等问题：当采用数据报服务时，分组可能会出现失序、丢失或重复的现象，接收端需要对分组进行按编号排序等处理，增加了处理工作量；若采用虚电路服务，虽然可以避免分组失序问题，但又增加了呼叫建立、数据传输和虚电路释放等多个过程，使操作流程变得更加复杂。
应用场景
分组交换是互联网数据传输的核心技术，广泛应用于各种网络业务。在互联网中，网页浏览、文件下载、电子邮件收发、在线游戏等业务都依赖分组交换实现高效的数据传输。在局域网环境下，多台计算机之间的数据共享和交互也离不开分组交换，它能够充分利用网络资源，提升网络的整体性能。此外，在移动通信领域，分组交换同样发挥着重要作用，能够很好地适应移动设备数据传输突发性强的特点 。
报文交换
工作原理
报文交换采用存储转发机制，发送端将完整的报文（包含全部数据以及目的地址等控制信息）发送至相邻的交换节点。交换节点接收到报文后，先将其完整存储起来，然后根据报文中的目的地址确定转发路径，在输出线路空闲时，再将报文转发至下一个节点。如此接力传输，直到报文最终到达目的节点。
优点
- 无需预先建立连接：用户可以随时发送报文，不需要像电路交换那样在通信前建立连接，大大提高了通信的即时性和灵活性，方便快捷，适用于突发性的数据传输需求。
- 可靠性较好：交换节点具有路径选择功能，当某条传输路径出现故障时，节点可以重新选择其他路径传输数据，保证了数据传输的可靠性。此外，报文交换便于设置代码检验和数据重发设施，进一步提高了数据传输的准确性和可靠性。
- 通信适配性强：在存储转发过程中，报文交换容易实现代码转换和速率匹配，能够让不同类型、规格和速度的计算机之间顺利进行通信，具有较强的兼容性。
- 信道利用率高：通信双方并非固定占用通信线路，而是在不同时间分段占用物理通路，多个报文可以共享同一条通信线路，提高了线路的利用率，避免了资源的浪费。
缺点
- 转发时延大：由于报文通常较长，数据进入交换节点后需要完整接收、存储，然后再进行转发，整个过程包括接收报文、检验正确性、排队等待、发送等多个环节，导致转发时延较长。而且，网络通信量越大，排队等待的时间就越长，时延问题会更加严重，不适合对实时性要求高的应用，如实时视频通话、在线游戏等。
- 存储要求高：报文长度没有限制，中间节点需要有足够的存储空间来完整接收和存储整个报文。当输出线路繁忙时，可能需要存储多个完整的报文等待转发，这对网络中每个节点的缓冲区容量提出了极高的要求。为了降低成本，有时需要将等待转发的报文存储在磁盘上，这又会进一步增加传送时延。
- 适用范围有限：报文交换一般只适用于数字信号传输，相比其他交换技术，其应用范围相对较窄。
应用场景
报文交换在早期电报通信网中得到了广泛应用，它允许通信线路被多个报文共享，有效提高了线路利用率。在一些对数据传输实时性要求不高、数据量相对较小的场景，如早期的电子邮件传输、文件传输等，报文交换也能够满足基本需求。不过，随着网络技术的不断发展，报文交换在现代网络中的应用逐渐减少 。
电路交换、分组交换和报文交换在网络发展的不同阶段发挥了重要作用，它们各有优劣，共同构成了丰富多样的数据交换技术体系。随着技术的不断进步，这些技术也在不断演进和完善，以适应日益增长的网络通信需求。