数据包交换与计算机网络中的延迟问题

分组交换是一种以数据包为单位来传输数据的方法。每个数据包都包含头部信息（用于控制数据的传输）以及实际的数据内容。这些数据包通过存储转发技术独立地传输，可能会经过不同的路径。在目的地，这些数据包会被重新组合在一起。这种传输方式不需要专门的传输路径或资源预留，因此使得数据传输既高效又灵活。

分组交换中的各种延迟类型

分组交换过程中存在多种延迟现象，这些延迟会直接影响数据从源地到目的地的传输时间。这些延迟发生在数据包处理与传输的各个阶段。主要的延迟类型包括：

• 传输延迟：耗电站将数据传输到连接端所需的时间。
• 传播延迟：现在，数据正在通过这条连接进行传输。这一过程取决于连接的距离以及介质的传输速度（例如，光纤或铜线）。
• 排队延迟：这指的是数据包在目标节点上的等待时间。这个时间会受到网络拥塞程度以及流量负载的影响而有所变化。
• 处理延迟：数据在目标位置的处理时间。这包括了错误检查以及协议处理过程。
• 端到端延迟数据包从源点传输到目标点所需的总时间。它实际上是由上述所有延迟的总和构成的：端到端延迟 = 处理时间 + 排队时间 + 传输时间 + 传播时间。

如需了解更多关于延误的信息，请参阅这篇文章。计算机网络中的延迟问题.

分组交换的优势

• 更高效的带宽使用方式无需为特定路径进行预留，这样就能更好地利用现有的带宽资源。
• 最小的传输延迟数据可以在准备好时立即传输，无需等待完整的路径被建立起来。
• 更高的可靠性目标设备能够检测到丢失的数据包，并请求重新传输这些数据包。
• 更高的容错能力如果某个链路发生故障，数据包可以通过其他路径进行转发。
• 具有成本效益分组交换网络通常成本更低，且更容易实施和维护。

分组交换的缺点

• 无序配送数据包可能会以无序的顺序到达，而电路交换则确保了数据的有序传输，因为所有数据都会遵循相同的传输路径。
• 需要序列号为了正确地重新组装数据，每个数据包都必须携带一个序列号。
• 节点的复杂性有所增加每个节点都必须能够动态地路由数据包，这增加了系统的复杂性。
• 潜在的传输延迟重新路由和排队操作可能会导致延迟，尤其是在网络负载较高的情况下。
• 不太适合处理大量且连续的数据流。虽然数据包交换非常适合处理少量或突发的数据传输，但对于大量且持续性的数据传输来说，其效率则不如电路交换方式。

分组交换的类型

面向连接的分组交换（虚拟电路）

面向连接的（虚拟电路）分组交换方式在数据传输之前，先建立发送方与接收方之间的逻辑连接路径。所有数据包都会沿着这条预定义的路径传输，并且每个数据包都会被赋予一个序列号，以确保它们能够按正确的顺序到达目的地。每个连接都由网络分配的虚拟电路ID来标识。

这种方法主要包括三个阶段：

1. 设置阶段在发送方和接收方之间建立了一条通信路径。地址信息被交换并记录下来。

2. 数据传输阶段数据包沿着既定的路径进行传输，这些数据包的头部包含了诸如长度、时间戳以及序列号等本地信息。

3. 拆除阶段在传输完成之后，虚拟电路就会被释放。

采用虚拟电路交换方式的常见协议包括X.25、帧中继、ATM以及MPLS（多协议标签交换）。

无连接分组交换（数据报方式）

无连接（数据报）分组交换方式将每个数据包视为独立的实体，同时将所有相关的地址和控制信息也包含在其中。不需要建立任何连接，各个数据包可以沿着不同的路径传输，因此有可能出现数据包顺序混乱的情况。至于可靠性和数据完整性问题，则由像TCP这样的高层协议来负责处理，从而确保系统的灵活性和高效性。

分组交换的优势

• 更高效的带宽使用方式无需为特定路径进行预留，这样就能更好地利用现有的带宽资源。
• 最小的传输延迟数据可以在准备好后立即传输，无需等待完整的路径被建立起来。
• 更高的可靠性目的地可以检测到丢失的数据包，并请求重新传输这些数据包。
• 更高的容错能力如果某个链接出现故障，数据包可以通过其他路径进行重新传输。
• 具有成本效益分组交换网络通常成本更低，且更容易实施和维护。

分组交换的缺点

• 无序配送数据包可能会以无序的顺序到达，而电路交换则确保了数据的有序传输，因为所有数据都会遵循相同的传输路径。
• 需要序列号为了正确地重新组装数据，每个数据包都必须携带一个序列号。
• 节点处的复杂性有所增加每个节点都必须能够动态地路由数据包，这增加了系统的复杂性。
• 潜在的传输延迟重新路由和排队可能会导致延迟，尤其是在网络负载较高的情况下。
• 不太适合处理大量且连续的数据流。虽然对于小型或突发数据来说，分组交换非常适用，但对于大规模、持续性的数据传输来说，与电路交换相比，分组交换的效率会较低。