互联网的核心部分(电路交换，分组交换)

互联网的核心部分

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。问了弄清楚分组交换，下面介绍电路交换的基本概念。

1.电路交换

在电话问世不久之后人们就发现，要让所有的电话两两相连是不现实的。若连接N部电话就需要N（N-1）/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方式需要的电线数量就太大了（与电话机的数量的平方成正比）。于是出现了分组交换机，将每一部电话都连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。电话发明后的一百多年来，电话交换机虽然经历过很多次更新换代，但交换的方式一直都是电路交换（circuit switching）。

当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的的交换机来完成任务，用这样的方法就构成了覆盖全世界的电信网。
从通信资源的分配角度看，交换（switching）就是按照某种方式动态地分配传输路线的资源。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。这条通路连接到挣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它用户占用。通话结束后，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）。如果用户在拨号呼叫时电信网的资源已经不足以支持这次的呼叫，则主叫用户会听到忙音。
建立连接（占用通信资源）→通话（一直占用通信资源）→释放连接（归还通信资源），这样的三个步骤的交换方式称为电路交换。

图中没有区分市话交换机和长途电话交换机。
用户线是电话用户到所连接的市话交换机的连接线路，是用户独占的传送模拟信号的专用线路，而交换机之间拥有大量话路的中继线（这些传输线路早已数字化了）则是许多用户共享的。

交换机的一个重要特点就是在通话的全部时间内通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的，因此线路上真正用来传送数据的时间往往很少。已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。

2.分组交换

分组交换采用存储转发技术，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），但这种报文交换的时延较长。分组交换是在此基础上进行的改造，分组交换虽然也采用了存储转发原理，但由于使用了计算机进行处理，就使分组的转发非常迅速。
通常我们把要发送的整块数据称为一个报文（message），在报文发送之前先把较长的报文分成较小的等长数据段，例如每个数据段1024bit。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”，分组的头部称为“包头”。分组是在互联网中传送的数据单元，分组中的首部包含了如目的地址和源地址等重要控制信息。

在互联网核心部分的路由器之间一般采用高速链路连接，而网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。

虽然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，但它们作用有很大区别：
主机使为用户进行数据处理，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。

路由器收到一个分组后先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器，重复多次后把分组交付给目的主机。路由器之间会经常交换彼此掌握的路由信息，以便于创建和动态的维护路由器中的路由表，使得转发表能够在整个网络拓扑中即使更新。
要注意路由器中暂时存储的是一个个分组，而不是整个报文，短分组是暂时存储在路由器里的存储器（内存）中而不是存储在磁盘里。
分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的链路的通信资源，在传输时分组在那段链路上传送才占用这段链路的通信资源，这样一段一段地断续占用通信资源，省去了建立连接和释放连接的开销，使数据的传输效率更高。
互联网中为了保证数据传输的可靠性采取了专门的措施，当网络中的某些节点或链路突然出现故障时在各自路由器中运行的路由选择协议能够自动找到转发分组最合适的路径。互联网的核心部分常采用网状拓扑结构，使得当发生网络拥堵或少数节点、链路出现故障时路由器可以灵活地改变转发路由而不引起通信中断或全网瘫痪。
分组交换的优点：

1. 高效：在分组传输的过程中动态分配传输宽带，对通信链路是逐段占用
2. 灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
3. 迅速：以分组为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
4. 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络具有很好的生存性

缺点：

1. 分组在各路由器之间存储转发时需要排队，这会造成一定的时延
2. 各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销，整个分组还需要专门的管理和控制机制。

三种交换方式的主要区别和特点：

电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好似在一个管道中传送。
报文交换——整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
分组交换——单个分组（整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

从图中可知，若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往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时间延迟小，同时也具有更好的灵活性。
我国规模最大的五个计算机网络：
（1）中国电信互联网CHINANET（原来的中国公用计算机互联网）
（2）中国联通互联网UNINET
（3）中国移动互联网CMNET
（4）中国教育和科研计算机网CERNET
（5）中国科学技术网CSTNET