【计算机网络 | 第4篇】分组交换

前言🥝

在网络核心部分起重要作用的是路由器(Router)，它对收到的分组进行存储转发来实现分组交换。要了解分组交换的原理，首先要学习电路交换和报文交换的相关概念。

电路交换🍋

 在早期专为电话通信服务的电信网络中（传统电话网），需要使用很多相互连接起来的电话交换机来完成全网的交换任务。电话交换机接通电话线的方式就是电路交换(Circuit Switching)。

 在电路交换网络中，当两个终端设备（如电话机、主机）要进行通信时，首先需要在网络中建立一条专用的通信路径。这条路径会贯穿所有中间节点（如交换机），并且在通信期间，这些节点会为这次连接预留必要的资源，包括：每一段链路的带宽（传输速率）和节点内部的缓存空间。

 从通信资源分配的角度看，交换(Switching)实际上就是以某种方式动态地分配传输线路的资源。使用电路交换进行通信的三个步骤如下:

1. 建立连接：开始占用通信资源
2. 通话：即传输数据，一直占用通信资源
3. 释放连接：归还通信资源

 在电路交换中，电路建立后，除源节点和目的节点外，电路上的任何节点都采取直通方式发送数据和接收数据，即不存在存储转发所耗费的时间。在电路交换的整个通信阶段，比特流连续地从源节点直达目的节点，就好像在一个管道中传送。

电路交换技术的优缺点

电路交换技术的优点:

• 资源预留机制：在通信开始前，系统就为该次通信分配了足够的带宽和缓存资源，保证了通信过程的稳定性。
• 恒定的传输速率：因为资源被独占，所以发送方可以以固定速率向接收方发送数据，不会有拥堵或排队现象。
• 低延迟、高可靠性：对于实时性要求高的应用（如语音、视频会议），这种特性非常重要。
• 连接状态维护：所有沿途的交换设备都会记录当前连接的状态信息，以便正确转发数据流。

电路交换技术的缺点:

• 资源利用率低：即使通信双方暂时没有数据传输，所预留的资源也不能被其他用户使用，造成浪费。
• 不适合突发性通信：例如网页访问、文件下载等场景，数据流量波动大，使用电路交换效率不高。
• 建立连接需要时间：对于短时间的通信来说，建立连接的时间可能占比较高，影响效率

 计算机之间的数据传送往往是突发式(高频、少量)的，当使用电路交换来传送数据时，被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的，其利用率低。

一个典型的电路交换网络架构：
 该网络由4台电路交换机通过4条链路互联构成，形成了一个稳定的通信骨架。每条链路被划分为4条独立的"电路"，这一设计使得每条链路能够同时支持4条并行的连接，如同一条四车道的高速公路，每条车道（电路）可独立承载数据传输任务。

电路交换的资源分配机制

假设每条链路的总传输速率为1Mbps，每条链路被划分为4条电路。那么：

1. 单条电路的带宽 = 1Mbps/4=250kbps
2. 端到端连接的带宽：若通信路径经过两条链路（如链路1和链路2），则总可用带宽为
   250kbps×2=500kbps，这条连接在通信期间独占这两条电路的250kbps带宽，即使链路上的其他电路空闲，也不会被其他连接使用。

 在电路交换网络中，为了在一条物理链路上同时传输多路信号，提高资源利用率，通常采用频分复用（FDM）或时分复用（TDM）技术。这两种技术分别通过划分频率或时间资源，实现多路信号的并发传输。

报文交换🍋

 数据交换的单位是报文，用户数据加上源地址、目的地址等信息后，后封装成报文(Message)。
 报文交换采用存储转发技术，整个报文先传送到相邻的节点，全部存储后查找转发表，转发到下一个节点，如此重复，直至到达目的节点。每个报文都可单独选择到达目的端的路径。

报文交换技术的优缺点

报文交换技术的优点：

• 无建立连接时延：通信前无须建立连接，没有建立连接时延，用户可随时发送报文。
• 灵活分配线路：交换节点存储整个报文后，选择一条合适的空闲线路，转发报文。若某条传输路径发生故障，则可重新选择另一条路径传输数据。
• 线路利用率高：报文在一段链路上传送时才占用这段链路的通信资源。
• 支持差错控制：交换节点可对缓存下来的报文进行差错检验。

报文交换技术的缺点：

• 转发时延高，缓存开销大，错误处理低效。

存储转发技术

 想象你正在通过快递公司寄送一个包裹。快递员不会在你刚放入包裹的一部分时就出发，而是需要等待整个包裹装箱完成后，才开始运输。这种“先接收完整数据再转发”的方式，正是存储转发传输的核心思想。

 路由器的工作原理与之类似，路由器作为数据的中转站，必须完整接收一个报文 / 分组的所有比特后，才能开始向下一跳链路传输。这一过程分为两个关键阶段：

1. 存储阶段：路由器缓存整个分组，确保数据完整性。
2. 转发阶段：路由器将完整分组通过出链路发送到下一个节点。

 当然了，这其中也包括对于数据进行必要的验证，确认数据是完整的一个验证的过程。

分组交换🐦‍🔥

 分组交换也采用存储转发技术，但解决了报文交换中报文过长的问题。若报文太长，则对交换节点的缓存容量就有很大的需求，在错误处理方面也比较低效。

 待发送的整块数据通常被称为报文(Message)。将较长的报文划分成若干个较小的等长数据段，在每个数据段前面添加一些由必要的控制信息(例如源地址和目的地址等)组成的首部(Header)，这样就构造出了一个个的分组(Packet)。分组是在分组交换网上传送的数据单元。

分组交换的过程

分组交换：

• 发送方：构造分组，发送分组
• 交换节点：缓存分组，转发分组
• 接收方：接收分组，还原报文

 具体过程：源主机将分组发送到分组交换网中，分组交换网中的分组交换机收到一个分组后，先将其缓存下来，然后从其首部中提取出目的地址，按照目的地址查找自己的转发表，找到相应的转发接口后将分组转发出去，把分组交给下一个分组交换机。经过多个分组交换机的存储转发后，分组最终被转发到目的主机。

 在传输过程中，分组会经过多个分组交换机（如路由器），每个交换机会根据当前网络状况动态选择最佳路径。所以，每个数据包其实是独立传输的。可能经过北京→上海→广州的路径。也可能选择北京→武汉→广州的路线。这种"智能路径规划"使得某条链路故障时，数据包可自动绕行，也可以使得整体网络资源得到更高效的利用

分组交换解决的关键问题

分组交换解决了很多关键的问题，主要体现在：

• 故障容错能力：比如某条路径故障时，数据包可自动选择备用路径。2019年某运营商海底光缆中断时，全球互联网流量自动绕开故障链路，正是分组交换的路由重选功能发挥了作用。

• 高效资源利用：传统电路交换需独占通信资源，而分组交换允许多个数据流共享同一条链路。不同数据包可共享链路，如同高速公路的多车道设计，大大提高了网络资源的使用效率。

• 按需分配带宽：突发大流量时，可动态调整各数据包的传输优先级。

传输过程的关键参数

 传输速率与延迟 通信链路的传输速率用bps（bit per second）表示。以家庭宽带为例，100Mbps
的网络意味着每秒可传输1亿比特数据。假设一个分组大小为1500字节（即12,000比特），100Mbps

 链路上的传输时间计算如下： 传输时间 = 分组大小 ÷ 传输速率 = 12,000 bit ÷ 100,000,000 bps =
0.00012秒。

 当多路数据同时通过同一链路时，就会发生网络拥塞。这就像高速公路高峰时段的车流拥堵。此时路由器会进行缓冲，导致分组排队等待传输，从而增加整体延迟。这种现象在视频会议中可能表现为画面卡顿。

工作原理

工作原理：我们以源端系统 → 路由器 → 目的端系统的简单网络为例。

• 数据包构成：假设每个数据包（分组）包含L比特
• 链路速率：R bps（比特/秒）

源端发送分组：
在时刻 t=0源端开始发送分组1的第一个比特。
由于链路速率为 R，传输完整个分组需要时间 L/R秒。
到时刻 t=L/R，源端完成发送，分组1的全部比特已到达路由器并被缓存。

路由器转发分组：
路由器在时刻 t=L/R开始处理分组1，此时它已存储完整的分组数据。
路由器以同样的速率 R 向出链路传输分组1，耗时 L/R秒。
到时刻 t=2L/R，分组1的全部比特已到达目的端系统。
所以，我们的总时延为：存储转发总时延 = 源端传输时间 + 路由器转发时间 = 2L/R 秒。

在计算机网络中，数据以分组（Packet）为单位传输。每个分组的传输过程包含这两个关键时间参数：

• 传输时延：将分组所有比特推入链路所需的时间，计算公式为 D=L/R（L为分组长度，R为链路带宽）
  若分组长度L=1500字节（12000比特），链路速率R=2Mbps，则传输时延
  D=12000/(2×10⁶)=0.006秒=6毫秒
• 传播时延：电信号在物理介质中传播所需时间，取决于链路长度和传播速度。

分组传输时延计算

我们以最简单的单链路场景为例，分析从源主机发送第一个分组到目的地接收全部分组所需的总时间。假设：

• 分组大小为L bit
• 链路传输速率为R bit/s
• 传输过程中忽略传播时延（光速传播）和处理时延

多分组流水线传输，当传输路径包含N条链路（即N-1台路由器）时，时延计算需要考虑每条链路的传输时间。假设所有链路速率均为R，则：

• 单个分组的端到端时延 = N × (L/R)
• P个分组的总时延 = (P + N - 1) × (L/R)

网络拥塞的核心问题：排队时延与分组丢失

在分组交换网络中，每台路由器都扮演着"交通枢纽"的角色。当分组到达路由器时，需要经历以下关键步骤：

1. 输入处理：检查分组目的地址并确定输出链路
2. 排队等待：若目标链路正在传输其他分组，新到达分组必须进入输出缓存（OutputBuffer）排队
3. 传输转发：链路空闲时从队列头部取出分组进行传输
   这种因链路繁忙导致的等待时间称为排队时延，与固定存在的存储转发时延不同，排队时延具有高度动态性，取决于网络拥塞程度。

输出缓存的基本作用

在分组交换网络中，每台路由器（或交换机）都会为连接的每条链路配置输出缓存（也称为输出队列）。这个缓存的作用类似于银行柜台前的等待队伍：当客户（分组）到达时，如果柜台（链路）正在服务其他客户（传输其他分组），新客户必须先排队等待。排队通常采用先进先出（FIFO）原则，即先到达的分组优先传输。而路由器在完成当前分组的转发后，才会从缓存中取出下一个分组继续处理。（即存储转发）既然要排队，那就会产生排队时延。排队时延 就是指分组在输出缓存中等待传输的时间。

网络拥塞的极端表现：分组丢失

转发表与路由选择协议

转发表：路由器的“导航手册”
 在因特网中，每一台路由器都扮演着交通警察的角色，负责将数据包从源主机引导到目标主机。当数据包到达路由器时，路由器会根据其目的IP地址决定下一跳的出口链路。这一决策依赖于路由器内部的转发表。

转发表的工作原理：

• 地址匹配：IP地址具有层次结构（如 192.168.1.1 ），类似于邮政地址（国家-省-市-街道）。路由器会从目的地址中提取前缀（如 192.168.1 ），并在转发表中查找匹配的路由条目
• 输出链路选择：每个路由条目包含一个网络前缀和对应的输出链路。例如，若目标地址匹配192.168.1.0/24 ，路由器会将数据包发送到与该网络相连的接口
• 路由选择协议：自动构建导航图

转发表的设置并非人工逐条配置，而是通过路由选择协议自动完成。这些协议就像“道路规划系统”，动态计算最优路径并更新转发表。他主要持续完成两项核心任务：

1. 路径发现：动态探测网络拓扑，就像交通部门实时监测道路状况
2. 最优路径计算：采用最短路径算法（如Dijkstra算法）确定最佳路由，类似导航软件计算最快路线。

电路交换与分组交换的对比🤔

电路交换的问题与优势

• 资源浪费问题：尽管电路交换能提供稳定的通信质量，但其资源预留机制也带来了显著的经济性问题。分组交换的
  支持者常指出，电路交换在静默期会浪费大量网络资源。

• 电路交换的复杂性：信令开销

  • 信令系统：在通信开始前，网络必须通过信令协议协调所有中间节点，为连接分配资源（如FDM的频段或TDM的时隙）。
  • 维护成本：每条连接都需要维护状态信息（如路径、资源分配），这对大规模网络来说会显著增加管理开销。
    相比之下，分组交换采用"即发即走"模式，无需预先协调，显著降低了网络控制复杂度。

尽管存在上述问题，电路交换在某些场景下仍具优势：

• 实时性要求高的业务：如语音通话、视频会议，需保证低延迟和抖动。
• 流量稳定的应用：如工业控制、远程医疗，需持续占用固定带宽。

所以，电路交换通过资源预留机制保障通信稳定性，但其经济性和灵活性较差。分组交换通过动态资源分配提高了效率，更适合现代互联网的突发性流量需求。然而，两者并非完全对立：

• 融合应用：现代网络常结合两者优势（如5G中的QoS机制），为实时业务预留资源，同时优化突发流量的传输。
• 技术演进：统计时分复用（STDM）和波分复用（WDM）等技术进一步提升了电路交换的资源利用率。

分组交换的争议

批评者认为：

分组交换不适合实时业务（如电话、视频会议），因为其端到端时延不可预测。
原因：分组可能在路由器缓存中排队（排队时延），导致时延波动。
类比：就像高峰期的地铁站，乘客可能因拥挤而无法准时到达目的地。

支持者则指出：

分组交换资源利用率更高，实现成本更低，且适合突发性流量。
原因：分组按需动态分配资源，无需预先预留。
类比：类似共享会议室，空闲时段可临时分配给其他用户。

分组交换的效率优势：带宽共享的数学模型

场景设定：
一条1Mbps链路被多个用户共享

• 每个用户：
  • 活跃期：以100kbps速率发送数据（10%时间）
  • 静默期：不发送数据（90%时间）

电路交换的限制：

• 每用户需独占100kbps带宽
• 链路总带宽：1Mbps = 10 × 100kbps → 仅支持1个用户

分组交换的灵活性：

• 用户活跃概率为10%
• 概率模型：
  • 若有35个用户，11个及以上同时活跃的概率仅为0.04%（见图1-15）
  • 当活跃用户≤10时，聚合速率 ≤ 1Mbps → 无排队时延
  • 当活跃用户>10时，聚合速率 > 1Mbps → 出现排队时延，但概率极低（0.04%）

分组交换可在35个用户的场景下实现与电路交换（仅1用户）相同的性能（99.96%时间内无排队）。资源利用率提升35倍，显著降低成本。

突发流量下的性能对比：单用户案例

场景设定：
10个用户中，1个用户突发发送1000个1000bit分组（共1,000,000bit），其余用户静默

电路交换（TDM）的限制：

• 链路划分10个时隙，每个时隙100ms，包含1000bit
• 活跃用户每帧仅能使用1个时隙（100ms），其余9个时隙空闲
• 传输时间：1000个分组 × 100ms = 10秒

分组交换的优势：

• 活跃用户可独占1Mbps带宽（无竞争）
• 传输时间：1,000,000bit ÷ 1Mbps = 1秒

电路交换因固定时隙限制，无法充分利用突发流量
分组交换按需动态分配，最大化链路利用率

 分组交换通过动态资源分配和高资源利用率，成为现代互联网的基石。然而，电路交换在实时性和稳定性方面仍有独特优势。两者的对比揭示了网络设计的核心权衡：资源效率 vs 实时性保障。随着技术发展，融合两者优势的混合网络（如5G）将成为主流。

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