3 电路交换、分组交换和报文交换
路由器（Router）在因特网核心部分中发挥着至关重要的作用，它对收到的分组进行存储转发来实现分组交换。要弄清分组交换的原理，首先要学习电路交换的相关概念。
1.3.1 电路交换
在早期专为电话通信服务的电信网络中，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）。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：
- 建立连接：主叫方必须首先进行拨号以请求建立连接。当被叫方听到电话交换机送来的振铃音并摘机后，从主叫方到被叫方就建立了一条专用的物理通路，简称为连接。这条连接为通话双方提供通信资源。
- 通话：主叫方和被叫方现在可以基于已建立的连接进行通话了。在整个通话期间，通话双方始终占用着连接，通信资源不会被其他用户占用。
- 释放连接：通话完毕挂机后，从主叫方到被叫方的这条专用的物理通路被交换机释放，将双方所占用的通信资源归还给电信网。
在上图中，电话 A 与 E 之间的物理通路共经过了 3 个电话交换机。
计算机之间的数据传送适合采用电路交换方式吗？
不适合，因为计算机之间的数据传送具有突发性，如果采用电路交换方式，则大部分宝贵的通信线路资源会被浪费，线路的传输效率会很低。
1.3.2 分组交换
早在因特网的鼻祖 ARPANET 的研制初期，就采用了基于存储转发技术的分组交换。源主机将待发送的整块数据构造成若干个分组并发送出去，分组传送途中的各交换节点（也就是路由器）对分组进行存储转发，目的主机收到这些分组后将它们组合还原成原始数据块。待发送的整块数据通常被称为报文（Message），较长的报文一般不适宜直接传输，因此需要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分组（Packet）。
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。
一个简化的分组交换网如下所示：
现假设主机 H1 给主机 H3 发送数据，下图展示了分组交换的工作流程：
- 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
总结：分组交换没有建立连接和释放连接带来的开销，分组在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源，因而数据的传输效率更高。为了提高分组交换网的可靠性，常采用网状拓扑结构。
优点：
- 没有建立连接和释放连接的过程，分组传输过程中逐段占用通信链路，有较高的通信线路利用率。
- 交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性。
缺点：
- 分组首部带来了额外的传输开销。
- 路由器存储转发分组会造成一定的时延。
- 无法确保通信时端到端的通信资源全部可用，在通信量较大时可能造成网络拥塞。
- 分组可能会出现失序和丢失等问题。
1.3.3 报文交换
报文交换是分组交换的前身。在报文交换中，报文被整个地发送，而不是拆分成若干个分组进行发送。交换节点将报文整体接收完成后才能查找转发表，将整个报文转发到下一个节点。因此，报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，需要交换节点具有的缓存空间也大很多。
电路交换、报文交换以及分组交换的区别：
- 电路交换必须首先建立连接，然后才能进行数据传送，通信双方始终占用连接，数据传送结束后还需要释放连接。
- 报文交换无须首先建立连接，通信结束后也无须释放连接，传送路径中的交换节点只有在完整接收整个报文后，才能对其进行查表转发。
- 分组交换也无须建立连接和释放连接，数据传送单元是由整个报文划分并构造出的若干个分组，传送路径中的交换节点每完整接收一个分组后，就对其查表转发。
三种交换方式的对比：
- 若要连续传送大量数据，并且数据传送时间远大于建立连接所需的时间，则采用电路交换可以获得较高的传输效率。然而，计算机的数据传输通常具有突发性特点，因此采用电路交换方式会导致通信线路利用率偏低。
- 报文交换和分组交换均无需预先建立连接（即预分配通信资源），这使得它们在传输计算机的突发数据时，能够提高通信线路的利用率。
- 将报文分割成若干个较小的分组进行分组交换，其传输时延通常小于直接进行报文交换。此外，分组交换还可以避免过长报文长时间独占链路，更便于进行差错控制，并提供了更高的灵活性。