计算机网络是现代信息社会的基石，而交换技术是实现网络通信的核心。本文将详细介绍两种典型的交换方式：电路交换和分组交换，帮助基础小白快速掌握这两种技术的基本概念和区别。
什么是电路交换？
电路交换（Circuit Switching）技术来源于电话网，它的工作原理可以通过电话机的连接方式来说明。
1. 简单连接
最简单的方式是两部电话直接用一对电线连接，如图1-6(a)所示。但当电话数量增加时，直接连接的方法需要的电线数量将会急剧增加。
2. 使用交换机
为了减少电线数量，可以使用交换机将电话机连接起来，如图1-6©所示。每部电话都连接到交换机上，交换机通过动态分配线路资源来实现任意两部电话的通信。
3. 电路交换的工作过程
电路交换的过程包括三个步骤：
- 建立连接（分配通信资源）
- 通话（一直占用通信资源）
- 释放连接（归还通信资源）
在通话过程中，通信资源始终被占用，如图1-7所示。这种方式虽然简单，但对于计算机数据传输而言，效率较低，因为计算机数据是突发式的，线路在大部分时间里处于空闲状态。
优点：
- 传输时延小：由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，时延非常小。
- 实时性强：通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信。
- 有序传输：数据按发送顺序传送，不存在失序问题。
- 适用范围广：适用于传输模拟信号和数字信号。
- 控制简单：交换设备及控制相对简单。
缺点：
- 建立连接时间长：对于计算机通信来说，平均连接建立时间较长。
- 信道利用率低：物理通路被双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用。
- 灵活性差：不同类型、不同规格、不同速率的终端难以相互通信，也难以进行差错控制。
电路交换最早用于电话网络，两台电话之间通过专有电线连接。虽然电路交换在实时性和低时延方面具有明显优势，但由于其信道利用率低和灵活性差，在现代互联网中较少使用，更多应用于需要高实时性和固定连接的场景，如传统电话通信。
什么是分组交换？
分组交换（Packet Switching）是计算机网络中主要采用的交换技术，它通过将数据分割成小的分组来传输。
1. 分组的概念
在发送报文之前，先将较长的报文划分成等长的数据段，每个数据段前加上控制信息组成一个分组（Packet），如图1-8所示。分组的首部包含了目的地址和源地址等重要信息。
2. 分组交换的工作过程
分组交换的过程是通过存储转发的方式实现的。分组交换机接收分组后，先存储下来，检查首部信息，按首部中的地址查找转发表，找到合适的接口转发出去，如图1-9所示。
优点：
- 无需建立连接：用户可以随时发送分组，不需要预先建立通信线路。
- 线路利用率高：通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间段部分占用线路，提高了线路利用率。
- 加速传输：分组逐个传输，后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作可以并行，减少了传输时间。
- 提高传输可靠性：交换节点具有路径选择功能，当某条传输线路故障时，可选择其他传输线路。
- 减少出错几率和重发数据量：分组较短，出错几率减少，每次重发的数据量也减少。
缺点：
- 转发时延：数据进入交换节点后要经历存储转发过程，引起转发时延，网络通信量越大，时延越大。
- 实时性较差：由于转发时延和排队等待，实时性不如电路交换。
- 数据报服务存在问题：可能出现失序、丢失或重复分组，需要对分组按编号进行排序等工作。
4. 分组交换的挑战
分组交换也带来一些新的问题，如时延和分组丢失。分组在传输时需要排队等待，可能会造成时延，甚至因为缓存满而丢失分组，如图1-10所示。
电路交换与分组交换的对比
电路交换和分组交换在数据传输方式上有明显区别：
- 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，如图1-11所示。
- 分组交换：单个分组传送到相邻结点，存储后再转发，逐段占用通信资源。
电路交换适合连续传输大量数据，而分组交换更适合传输突发数据，提高了信道利用率和传输效率。
通过本文的介绍，希望基础小白能对电路交换与分组交换有一个初步的了解。这两种交换技术是计算机网络的核心基础，掌握它们有助于更好地理解网络通信的原理。
文本，图片来源：《计算机网络教程》第6版微课版