本节内容，试掌握：
网络核心部分有哪些交换技术：
- 电路交换
- 分组交换
- 报文交换
网络核心部分是互联网中最复杂的部分，因为网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能够向其他主机通信。
在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)，它是一种专用计算机（但不叫做主机）。路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。
为了弄清分组交换，下面先介绍电路交换的基本概念。
在传统的电话通信中，两部电话之间用一根线直接连接起来就能够互相通话了。
后来人们就发现，要让所有的电话机都两两相连接是不现实的。
两部电话只需要一对电线就能够互相连接起来，但若有 5 部电话要两两相连这需要 10 对电话线，如下图所示。
显然，若 N 部电话要两两相连，就需要 N(N-1)/2 对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线数量就太大了。
电话线：
电话人工交换机
当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务，于是出现了“交换”。
1878 年人工电话交换机出现，电话接续过程中的接线、拆线等完全由话务员手工操作。
人工交换机的缺点：容量很小，需要占用大量人力，工作繁重，效率低下，容易出错。
电话人工交换机，我想应该都在电视中看到过这样的情景： 主人公 A 给主人公 B 打电话，这边先有一个话务员接电话，然后如下对话
话务员：您好，请问要接通哪里 A：你好，我要接 XX 学校
然后话务员一顿倒拾，先拔了一根线，又把这根线插到另一个插口上去，然后 A 和 B 就这样神奇的接通了。
第一台步进制电话交换机
1891 年，一个名叫史瑞乔的殡仪馆老板，发明了该交换机。
非常有意识的一个故事：这个老板发现偶然间发现自己店里的生意越来越差，发现打到自己店里的生意电话，总会被话务员转接到另一家殡仪馆。后来才知道，原来当地话务员是那家殡仪馆老板的堂弟。于是，他很生气，发誓一定要发明一个不需要人工操作的交换机。
1892 年，第一个“史瑞乔步进制电话交换机”在美国投入使用。
在这里，“交换”(switching) 的含义就是转接：把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。
从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
交换：在多节点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，动态地设定通信双方间的线路，动态地接通或断开通信线路，称为 “交换”
交换方式分类：
- 电路交换
- 存储交换：报文交换、分组交换、信元交换
在使用电路交换通话之前，必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到交换机送来的振铃音并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路。
这条连接保证了双方通话时所需的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。此后主叫和被叫双方就能互相通话。
通话完毕挂机后，交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路（即把刚才占用的所有通信资源归还给电信网）。
这种必须经过：
- 建立连接（占用通话资源）↓
- 通话（一直占用通信资源）↓
- 释放连接（归还通信资源）。
三个步骤的交换方式，称为电路交换。
如果用户在拨号呼叫时电信网的资源已不足以支持这次的呼叫，则主叫用户会听到忙音，表示电信网不接受用户的呼叫，用户必须挂机，等待一段时间后再重新拨号。
电路交换特点 电路交换必定是 面向连接 的。 主要特点：
- 在发送数据前，通信双方必须建立 临时专用（独占） 的 物理通路；
- 该物理通路由通信双方之间的 交换设备 和 链路逐段连接 而成；
- 建立物理通路 时间较长，数据传送 延迟较短。（在建立物理通路时，可能需要辗转 n 个交换机，所以在建立通路上，会花费较多的时间。但是一旦将物理通路建立起来，数据就直接在这一条专用线路上传输，速度是非常快的，延迟就会较短）
电路交换分为三个阶段：
- 建立电路（连接）：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信是不会被其他用户占用；
- 传输数据（通信）：主叫和被叫双方就能互相通电话；
- 拆除电路（释放连接）：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。
电路交换示例
将交换的含义，与电路交换的含义结合到一起就是：
交换是指按照某种方式，动态地分配传输线路的资源。在电信网中，分配资源的方式是采用的电路交换方式。电路交换首先要建立连接，然后保持连接，最后断开连接。
交换是广义，电路交换是一种方法。
电路交换的优缺点
“交换”的概念
- 动态分配线路资源
交换的分类：
- 电路交换
- 存储交换：报文交换、分组交换、信元交换
电路交换的主要特点
- 建立临时通路
- 逐段占用链路
- 通路建立时间长
- 数据传输时延小
电路交换的三个阶段
- 建立电路
- 传输数据
- 拆除电路
电路交换的优缺点
主机之间的通信，实际上就是主机之间数据的交换，主机 A 向主机 B 发送数据，主机 B 接受主机 A 发送过来的数据，这样一来二去，也就形成了所谓的通信。
通常我们把要发送的整块数据称为一个报文（message）。在发送报文之前，先将报文划分成为一个个更小的等长数据段，例如，每个数据段为 1024 bit。
在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部（header） 后，就构成了一个分组（packet）。分组又称为 “包” ，而分组的首部也可称为 “包头”。
分组是在互联网中传送的数据单元。
分组中的“首部”是非常重要的，正式由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确的交付到分组传输的终点。
分组特点：
- **分割：**将完整的，较长的数据块分成等长的、较小的数据段。
- **包装：**将每一段数据段包装，添加一个“首部”信息。“首部”信息包含一些必要的控制信息（包含目的地、来源地等）。
“首部” 的重要性：
每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址） 等控制信息；
分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。
分组接收：
接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
最后，在接收端把收到的数据恢复成原来的报文。
这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，转发时也没有被丢弃。
位于网络边缘的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机，但它们的作用却很不一样。
主机是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。
路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。
路由器之间用高速链路相连接，主机接入到核心采用较低速率的链路相连接。
路由器：
首先路由器的最重要的功能就是分组转发。
即：将分组从一个网络转发到另一个网络。
路由器有两个接口：输入和输出接口，且接口之间没有直接连线。 如果输入输出接口直接连接，那将是无意义的。
思科路由器
路由器处理分组的过程：
- 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
- 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
- 把分组送到适当的端口转发出去。
如上图所示：
主机 H1 发送分组给目标主机 H6，我们可以看到有两条不同的路径。
之所以会有不同的路径，是因为路由器在将分组发送到下一转发结点之前会查找转发表，而转发表的作用就是用来查找合适的传输路径的，这个合适的传输路径是由各路由器**协同计算（路由选择协议算法）**得到的。
所谓的合适的路径也就是指路径的传输速度如何，当然传输速度越快越好。
在这里我们要明白：
报文在分成一个个分组后，分组在传输过程中，每个分组走的路线可能并不一样，即使走的路线不一致，最终需要保证的是安全的到达目的地。
路由器进行转发分组的过程，就像现实中的物流快递一样：
- 揽收货物 -- 接收分组
- 存储货物 -- 存储分组（暂时存储）
- 查找下一站物流地 -- 查找转发表（查找下一转换结点、查找合适传输路径）
- 货物发货 -- 找到转发端口，转发分组
路由器处理分组的生活例子：
分组：
- 报文分割
- 包装携带首部信息
路由器最终要的功能：分组交换
- 接收分组 ↓
- 存储分组（暂时存储） ↓
- 查找转发表 ↓
- 发送分组
从本质上讲，断续分配传输带宽的存储转发原理并非是完全新的概念。自古代就有的邮政通信，就其本质上来说也属于存储转发方式。
在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换（message switching）。
在报文交换中心，一份电报被接收下来，并穿成纸带。操作员以每份报文为单位，撕下纸带，根据报文的目的站地址，拿到相应的发报机转发出去。
这种报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已不使用了。
优点：
- 无需建立连接，用户随时发送报文；
- 不同时间一段一段地占用通信线路，通信线路利用率高。
缺点：
- 报文交换的时延较长；
- 只适用于数字信号；
- 报文长度没有限制，中间转发结点存储空间大。
- 电路交换： 整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
- **报文交换：**整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一结点。
- **分组交换：**单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
选择
如要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
由于一个分组的长度远远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。