计算机网络中的电路交换

在计算机网络中，通过使用电路交换来创建和维护两个设备之间的专用通信连接。与当前计算机网络（如互联网）更常用的分组交换不同，此技术以前在电话网络中使用。

电路交换是一种通信技术，其中两个设备在整个通信会话期间建立专用且连续的通信路径（称为电路）。该电路保持打开状态，仅供会话双方使用，从而确保数据流稳定且不间断。公共交换电话网（PSTN）是较为人熟知的传统电话网络之一，它大量使用电路交换，而电路交换最初是为语音传输而创建的。

电路交换的特点

1. 专用通信路径

当两个设备（例如电话）希望在会话期间进行连接时，电路交换会在它们之间建立一条专用且连续的通信链路或电路。此路径是专门为他们的通信设置的，并在整个交换过程中可用。

2. 资源预留

为了构建电路交换连接，网络资源（包括带宽和路由信息）会从源到目的地保留整个路径。通过这样做，在通信过程中可以获得恒定的、有保证的资源水平。

3. 固定带宽

即使在对话期间有短暂的暂停或不活动期，保留的带宽也是固定的，并在呼叫期间一直分配。这可能导致网络资源的使用效率低下，尤其是在流量模式不规则的对话中。

4. 低延迟

由于专用路径，电路交换网络通常具有低延迟，因为数据可以传输而不会受到分组路由或网络资源竞争的干扰。

电路交换的历史背景

• 传统电话

PSTN 和其他经典电话网络围绕电路交换构建。当用户拨打号码时，会在呼叫者和接收者之间创建一条专用电路，以确保清晰且连续的语音连接。

• 有限数据应用

在计算机网络早期，电路交换也用于数据通信。b. 有限数据应用。但是，它最适用于需要持续数据流的应用，例如大型机计算机连接和早期视频会议系统。

电路交换的阶段

在计算机网络中，电路交换涉及多个离散步骤，以在两个设备之间创建和维护专用通信连接。这些步骤可确保在会话期间进行一致、可靠的通信。电路交换的主要步骤如下：

1. 呼叫建立阶段

• 连接请求

对话从一个设备（呼叫者）请求另一个设备（被叫者）连接开始。用户通常通过拿起电话并拨打号码来发起此请求。

• 资源预留

响应请求，网络会沿整个通信线路预留所需的带宽和交换硬件以适应呼叫。这些资源已专门为此连接预留。

2. 呼叫设置阶段

• 路径建立

从呼叫者到被叫者，网络会创建一个专用通信路径（或电路）。此路径通常涉及通过交换机和其他网络组件（如传输线）进行的多个逻辑和物理连接。

• 路径验证

路径构建后，网络会检查以确保其正常运行并准备传输数据。此检查可确保电路没有可能妨碍通信的缺陷或问题。

3. 数据传输阶段

一旦建立并验证了专用电路，就可以在呼叫者和被叫者之间连续发送数据。由于此阶段存在持续的数据流，因此适用于语音呼叫等实时应用。

4. 呼叫终止阶段

• 用户请求

当一方（通常是呼叫者或被叫者）希望终止联系时，会发出呼叫终止请求。例如，挂断电话表示电话呼叫的结束。

• 资源释放

在收到终止请求后，网络会释放与电路相关的预留资源。通过这样做，网络资源和带宽可用于其他呼叫或数据传输。

5. 呼叫释放阶段

• 电路停用

网络会停用呼叫的专用电路。由于这些资源不再专门用于已结束的呼叫，因此停用。

• 连接关闭

当电路关闭时，通信被视为完成，设备恢复到空闲状态，准备接收呼叫或其他通信。

6. 连接维护（可选）

在某些情况下，可能需要定期维护，尤其是在呼叫持续时间较长或传输数据持续不断的连接的情况下。在此维护阶段会检查电路的质量和完整性，以确保持续可靠的通信。

值得注意的是，电路交换通常与语音通信相关，例如传统的电话通话。为了在此场景中实现清晰且连续的语音连接，上述步骤至关重要。然而，由于现代计算机网络正转向分组交换（它动态路由和传输数据，而不是分配连续电路），因此这些阶段中的许多已不再相关。

计算机网络中电路交换的类型

电路交换网络和电路交换虚拟电路是两种主要类型。传统语音通信系统，例如公共交换电话网（PSTN），通常与电路交换网络相关。在此类电路交换中，会在整个通信期间建立专用物理电路。主要特征如下：

1. 电路交换网络

• 专用物理电路

在整个连接期间，会在呼叫方和接收方之间建立物理通信线路。为了维持连接，此专用电路仅用于持续的对话。

• 资源预留

从开始到结束，都会保留网络资源，例如带宽和交换硬件。此预留确保了恒定且不间断的连接线路，非常适合语音呼叫。电路交换用于计算机网络的各种类型，它会在会话期间创建专用通信路径。

• 数据传输效率低下

电路交换网络在提供可靠清晰的语音连接方面表现出色，但在数据通信方面效率较低，尤其是在数据传输模式不规则或包含活动爆发时。

示例

电路交换网络的著名示例是传统固定电话网络的使用。拨打电话时，会在您的电话和接收者的电话之间建立一条专用物理电路，并且在整个通话过程中一直保持连接。

2. 电路交换虚拟电路

电路交换虚拟电路结合了电路交换和分组交换的方面，与传统的电路交换网络相比，它们提供了更高的灵活性和效率。它们的工作原理如下：

• 虚拟电路

在分组交换网络中，电路交换虚拟电路会创建逻辑路径，而不是建立专用物理电路。这些“虚拟电路”，也称为逻辑路由，在会话期间模仿专用电路的行为，而无需消耗物理资源。

• 资源分配

与传统的电路交换一样，虚拟电路也涉及资源分配，但它们以更灵活有效的方式进行。动态资源分配最大限度地减少了在会话期间维护固定带宽所带来的低效率。

示例

异步传输模式（ATM）和帧中继是电路交换虚拟电路技术的两个示例。过去，它们曾用于数据通信，允许设备在没有特定物理电路要求的情况下进行通信。

比较

电路交换网络因其高可靠性和低延迟而非常适合语音通话等实时应用。但是，它们在传输数据方面的效率较低，尤其是在流量模式波动时。

电路交换虚拟电路在分组交换的效率和电路交换的可靠性之间取得了平衡。它们在分组交换基础设施内提供逻辑通信路径，从而提高了它们适应各种数据类型和流量模式的能力。

在计算机网络中，电路交换主要有两种类型：虚拟电路交换（在分组交换网络内创建逻辑路由）和具有专用物理电路的经典电路交换网络。每种类型之间的选择取决于通信的特定要求和所使用的网络架构，每种类型都有其自身的优点和缺点。

电路交换的优点

尽管在现代网络中其使用正在下降，并且主要由分组交换主导，但在某些情况下，电路交换这种较旧的通信建立技术在计算机网络中仍然具有许多优点。在会话期间，电路交换在两个设备之间提供专用且连续的通信连接。本文将探讨电路交换在计算机网络中的优势。

1. 降低延迟

低延迟是电路交换的著名特性。一旦建立专用电路，数据就可以几乎不延迟地传输。这使其适用于音频和视频通话等需要低延迟的实时应用。在电话等应用中，低延迟可确保对话自然且清晰，没有可能损害通信的可视延迟。

2. 可预测的服务质量 (QoS)

在整个通信会话期间，电路交换可确保可预测且一致的服务质量。由于网络资源（包括带宽）已预先保留，因此不存在资源竞争。这意味着无论其他网络活动如何，通信的质量都保持一致。对于需要保证 QoS 的关键任务通信和紧急服务来说，这种可预测性非常重要。

3. 带宽保证

通过电路交换，为连接的持续时间保证了预定量的带宽。这对于需要稳定、高数据流的高清视频会议和未压缩音频传输等应用程序特别有用。由于网络需求的变化，预留的带宽将尽量保持通信不间断。

4. 简单的路由

为了进行电路交换，必须在源和目的地之间建立专用路径。一旦定义，此路径在通信会话期间不会更改。这种路由的简单性提高了电路交换连接的可靠性，同时降低了网络管理的复杂性。

5. 对连续数据流的高效性

在语音和视频通话等数据传输持续且恒定的情况下，电路交换的表现最佳。由于它减少了分组、寻址和路由的开销，因此它是这些应用程序的良好选择。

6.安全

电路交换已提供一定程度的安全性。与数据被拆分成可能被拦截的单独数据包的分组交换网络相比，由于通信线路专用于会话，因此不易被窃听和拦截。

7. 遗留支持

PSTN 和其他传统电信网络严重依赖电路交换。即使这些网络正在迅速转换为分组交换，电路交换对于遗留维护仍然是必需的。它确保了与早期通信技术和设备的兼容性。

8. 确定性行为

电路交换提供可预测的行为。鉴于专用电路在通话期间建立并维护，用户可以可靠地预测网络的行为。在空中交通管制和金融交易等关键应用中，网络行为需要精确管理，这种可预测性是有益的。

9. 实现简单

在某些情况下，与实现分组交换相比，实现电路交换可能更简单，尤其是在资源预留和实时流量控制是关键需求的情况下。

电路交换的缺点

1. 资源利用率低

电路交换对网络资源的利用效率低下，尤其是带宽，这是其最大的缺点之一。即使在对话期间有不活动或安静的时段，电路交换网络中的带宽也会分配并仅限于通信持续时间。结果导致资源浪费，而这些资源可以更好地分配给其他形式的通信。

2. 不适用于突发流量

对于数据传输突发然后是空闲时间的数据传输模式，电路交换不适合。在这种情况下，可能会导致网络资源使用效率低下，因为在空闲时间可能无法充分利用具有固定带宽分配的专用电路。因此，电路交换在适应现代计算机网络中不断变化和不可预测的数据流量模式的能力方面较弱。

3. 可扩展性挑战

有效扩展电路交换可能很困难，尤其是在具有许多并发连接的大型网络中。随着用户和会话数量的增加，对专用电路和资源的需求也随之增加，这使得管理网络扩展变得昂贵且困难。这与分组交换网络的可扩展性形成鲜明对比，后者可以根据需要动态分配资源。

4. 缺乏灵活性

电路交换不够灵活，无法适应各种数据和应用程序类型。它最适合语音和视频通话等连续数据流，但对于需要波动带宽和零星数据传输的应用程序则效率较低。这种僵化限制了它在当今各种网络环境中的实用性。

5. 设置时间长

建立电路交换连接涉及多个步骤，包括呼叫建立、路径配置和验证。与分组交换连接几乎即时的设置时间相比，此过程可能需要一些时间。对于需要快速响应或短期连接的应用程序来说，设置时间可能是一个重大缺点。

6. 不适用于数据网络

尽管电路交换曾经用于语音传输，但不适用于当今的数据网络。例如，由于其有效性和多功能性，分组交换被广泛用于互联网。因此，电路交换网络和数据网络通常需要复杂的互联协议和基础设施，这会导致兼容性问题。