分组交换与电路交换

分组交换以独立路由的数据包形式转发数据，按需共享链路容量；而电路交换则在连接期间保留具有固定容量的专用路径。两者代表了通过网络传输数据的基本替代方案。

Definition

分组交换是一种将数据分成数据包并独立转发、统计共享链路容量的方法；电路交换是一种在整个通信期间建立具有预留容量的专用端到端路径的方法。

Scope

本主题比较了两种交换范式。对于分组交换，它涵盖了存储转发传输、统计复用、排队以及可能出现的延迟和丢失。对于电路交换，它涵盖了连接建立、专用资源预留以及时分和频分等复用方案。它解释了互联网选择分组交换的原因以及由此带来的权衡。它不包括计算路径的路由协议和路由器内部的队列管理算法。

Core questions

• 存储转发分组传输如何工作，会产生哪些延迟？
• 什么是统计复用，为什么它能提高突发流量的利用率？
• 电路交换如何预留资源，连接建立涉及哪些内容？
• 在何种流量条件下，每种范式能更有效地利用容量？
• 为什么互联网采用分组交换而不是电路交换？

Key concepts

• 分组交换
• 电路交换
• 存储转发
• 统计复用
• 传输和传播延迟
• 排队和丢包
• 时分和频分复用
• 连接建立和拆除

Key theories

存储转发分组交换

分组交换机在转发整个数据包之前接收它，在每个跳点引入传输延迟；数据包统计共享链路，因此在突发负载下利用率很高，但当需求超过容量时可能发生排队延迟和丢失。

电路交换和资源预留

电路交换通过时分或频分复用建立具有保证容量的专用路径，提供可预测的性能，没有逐包争用，但在空闲期间会浪费预留容量。

用于生存能力的分布式分组网络

关于分布式消息块通信的早期工作认为，将数据分解成数据包并通过冗余网格独立路由，可以形成一个在单个节点或链路丢失时仍能存活的网络，这是分组交换背后的一个关键原理。

Clinical relevance

分组交换和电路交换之间的选择决定了网络的配置方式以及在负载下的行为。分组交换在突发流量下的效率是数据互联网以此为基础的原因，而预留容量的可预测性解释了传统电话网络长期使用电路交换以及容量预留技术对延迟敏感流的吸引力。

History

电话网络历史上是电路交换的，每次通话都分配一条专用线路。20世纪60年代初，保罗·巴兰（Paul Baran）和唐纳德·戴维斯（Donald Davies）独立提出了将数据分解成数据包并通过分布式网络路由的方案，莱昂纳德·克莱因罗克（Leonard Kleinrock）的排队分析提供了理论基础。ARPANET大规模展示了分组交换，并成为现代互联网的基础。

Key figures

• Paul Baran
• Donald Davies
• Leonard Kleinrock

Seminal works

• baran1964
• kurose2021

Frequently asked questions

为什么分组交换比电路交换对数据更有效？

数据流量通常是突发性的，传输之间有安静期。分组交换允许许多流按需共享链路容量，因此一个流的空闲时间可以被另一个流使用。电路交换为整个连接预留容量，无论是否使用，这会浪费突发流量的容量。

电路交换现在还存在吗？

是的，从概念上讲。传统的电话网络是电路交换的，这种思想在为可预测、低延迟服务预留容量或建立虚拟电路的技术中仍然存在。即便如此，现代语音和大多数数据现在都通过分组交换的IP网络传输。