1.1.1　网络结构和信息交换

（1）网络的拓扑结构

按通信网络链路的拓扑结构来分类，主要有以下几种形式，如图1.1所示，从左到右分别为网状网、星状网、树状网、环状网、总线网。其中，圆点表示通信节点（Node），连线表示通信线路或链路（Link）。在实际应用中，时常会将多种网络拓扑结构混合使用，产生结构复杂的通信网络。

图1.1　网络的拓扑分类

（2）信息交换方式

对具有n个节点的通信网中的某一点而言，为了能和其他各节点通信，它必须具有n-1条线路通向其他n-1个节点，整个网络就必须有条线路，当n较大时，这将是一个庞大的数字。在实际的通信系统中，往往采取其他办法以减少这些节点之间的联结。例如，我们可以在网络中设立一个交换中心，各个节点的信息都经过交换中心向其他节点传送，只需要n条线路就能解决问题，可以大大节省通信线路，这就是信息交换最基本的原理。可见，以何种方式实现信息交换，是现代通信系统的核心技术之一。它们的基本任务是提供信息流动的通路，完成用户信息、控制信息的交互。

目前，通信网应用的主要交换方式有3种：电路交换（Circuit Switching）、报文交换（Message Switching）和分组交换（Packet Switching）。

①电路交换

在电路交换中，需要为一对用户的通信建立一条专用的传输通路，并在整个通信过程中一直维持不变。需要强调的是，这里连接通信双方的是一条实际的物理电路。电路交换的通信过程分为3个步骤：首先是建立线路，通信双方按一定的通信规程进行呼叫和应答，如果电路空闲，则完成本次通信线路的建立；然后是传送信息，在双方线路建立以后，双方（或单方）的信息就可以通过这条电路进行信息传送；最后是拆除线路，在双方完成相互通信以后，可由其中任一方进行线路的拆除工作，一旦线路拆除后，这条线路就可以被其他的通信过程占用。

电路交换包括空分交换和时分交换两种方式。空分交换方法，也称为空分复用（SDM，Space Division Multiplexing），相对比较简单，不同的通信信道占用空间不同的电路。而在时分交换系统中，多路信息是以时分的方式进行复用的，也称为时分复用（TDM，Time Division Multiplexing），它把一条线路按时间划分为若干相等的片段，称为时隙（TS，Time Slot）。每相继的n个时隙组成一帧，一帧的n个时隙可分配给n个用户。尽管只有一条线路，但这条线路通过时间分割，可供n个用户同时使用，这就是时分复用信息交换的基本原理。

电路交换方式的双方通信时延很小，能为通信用户提供可靠的带宽保证，非常适用于图像、语音、高速数据等实时通信场合。但是电路交换效率较低，信道在连接期间是专用的，即使没有信息发送，其他用户也不能利用。另外，通信线路的建立和拆除也消耗一定的时间。传统的电信网大多采用电路交换方式，现在除了少量专用网络外，已经很少采用这种通信方式。

②报文交换

报文交换是一种适合于数据信息传输的交换方式。在报文交换网络中，每个报文（如电报、文件）都作为一个独立传输的信息实体。在发送报文之前，在用户报文前加上报头，标明该信息的目的地址、源地址等。在传输过程中，报文暂时存储在交换节点的缓存区内，等到有合适的输出线路时再发送出去。这种“存储-转发”的交换方式曾在以往的公共电报网中得到广泛的应用，如电报、财务报表、电子邮件、计算机文件以及信息查询等业务都可以以报文交换的方式进行。

报文交换由于用户不是固定连接，一个信道可为多个报文用户使用，线路利用率高，可平滑线路业务量的峰值，可将一份报文复制并多地投递；报文交换系统具有传输差错控制功能，采用遇错自动请求重发（ARQ，Automatic Repeat Request）机制保证报文的正确传输，因此可靠性较高。

当然，报文交换也有其不足之处，因为其网络传输的时延相对较长，且延迟的长短变化较大，所以它不适合用于语音、视频等实时信息的通信，也不适合会话式终端之间的连接。实际上，报文交换是从电路交换向分组交换的一种过渡，如果将报文细拆为更小的分组，即为分组交换的概念。因此，在这一意义上，也可以将信息交换方式直接分为电路交换和分组交换两大类。

③分组交换

分组交换或包交换，也属于“存储-转发”方式的交换，它把要传送的数据分解成若干个较短的信息单位——分组或信息包，对每个分组附加上地址信息、传输控制信息、校验信息及表示各分组头尾的标志信息。先把这些要传送的分组或信息包存储起来，等到线路有空闲时再发送出去，传至接收端。显然，它是一种非实时的交换方式。在通信线路中，数据分组作为一个整体进行交换。在传输时，各个分组可以断续地传送，也可以经不同途径送到目的地，到达目的地的顺序也不一定和原来一样。分组达到收信目的地点后，再把它们按原来的顺序“装配”起来。由于数据包的长度固定，分组交换以分组作为存储、处理和传输的单位，能够节省缓冲存储器容量，降低交换设备的费用，缩短处理时间，加快信息传输速率。在分组交换中，暂存的分组仅是为了校正错误，一旦分组被接收方确认无误，就立即把它从转发存储器中清除出去。

由此看来，分组交换方式主要有两个优点：一是多个用户可以同时共享线路（统计时分复用），提高了线路利用率，降低了通信费用；二是能自适应地为各个信息包选择合适的传送路径，即路由（Routing）。由于分组交换的这些优越性，目前的数据网、因特网、计算机网、数字电视网、移动通信网等都采用分组交换的方式。不仅如此，以往一直采用电路交换方式的电话等业务现在也采用分组交换方式，这已成为通信发展的一大趋势。