在通信過程中，通信雙方以分組為單位、使用存儲-轉發機制實現數據互動的通信方式，被稱為分組交換（PS:packet switching）。
分組交換也稱為包交換，它將用戶通信的數據劃分成多個更小的等長數據段，在每個數據段的前面加上必要的控制信息作為數據段的首部，每個帶有首部的數據段就構成了一個分組。首部指明了該分組傳送的地址，當交換機收到分組之後，將根據首部中的地址信息將分組轉發到目的地，這個過程就是分組交換。能夠進行分組交換的通信網被稱為分組交換網。
分組交換的本質就是存儲轉發，它將所接受的分組暫時存儲下來，在目的方向路由上排隊，當它可以傳送信息時，再將信息傳送到相應的路由上，完成轉發。其存儲轉發的過程就是分組交換的過程。
分組交換的思想來源於報文交換，報文交換也稱為存儲轉發交換，它們交換過程的本質都是存儲轉發，所不同的是分組交換的最小信息單位是分組，而報文交換則是一個個報文。由於以較小的分組為單位進行傳輸和交換，所以分組交換比報文交換快。報文交換主要套用於公用電報網中。
基本介紹
- 中文名：分組交換
- 外文名：Packet Switching
- 含義：以分組為單位進行運輸和交換
- 屬性：一種存儲轉發交換方式
- 基本組成：由分組頭和其後的用戶數據組成
- 交換缺點：時延，開銷大
基本信息,發展歷程,分類,數據報分組交換,虛電路分組交換,分組交換特點,優點,利用率高,數據率,排隊機制,優先權,缺點,時延,時延抖動,開銷大,交換原理,交換協定,網路構成,
基本信息
分組交換的實質就是將要傳輸的數據按一定長度分成很多組，為了準確的傳送到對方，每個組都打上標識，許多不同的數據分組在物理線路上以動態共享和復用方式進行傳輸，為了能夠充分利用資源，當數據分組傳送到交換機時，會暫存在交換機的存儲器中，然後根據當前線路的忙閒程度，交換機會動態分配合適的物理線路，繼續數據分組的傳輸，直到傳送到目的地。到達目地之後的數據分組再重新組合起來，形成一條完整的數據。
分組是由分組頭和其後的用戶數據部分組成的。分組頭包含接收地址和控制信息，其長度為3--10B，用戶數據部分長度是固定的，平均為128B，最長不超過256B。這裡有一個問題需要說明：同一分組網內分組長度是固定的，而不同分組網分組長度可以不同。分組交換：路由選擇確定了輸出連線埠和下一個節點後，必須使用交換技術將分組從輸入連線埠傳送到輸出連線埠，實現輸送比特通過網路節點。
分組交換也稱包交換，它是將用戶傳送的數據劃分成多個更小的等長部分，每個部分叫做一個數據段。在每個數據段的前面加上一些必要的控制信息組成的首部，就構成了一個分組。首部用以指明該分組發往何地址，然後由交換機根據每個分組的地址標誌，將他們轉發至目的地，這一過程稱為分組交換。進行分組交換的通信網稱為分組交換網。分組交換實質上是在“存儲—轉發”基礎上發展起來的。它兼有電路交換和報文交換的優點。
在分組交換方式中，由於能夠以分組方式進行數據的暫存交換，經交換機處理後，很容易地實現不同速率、不同規程的終端間通信。
發展歷程
分組交換分類
按照實現方式，分組交換可以分為數據報分組交換和虛電路分組交換。
數據報分組交換
數據包分組交換要求通信雙方之間至少存在一條數據傳輸通路。傳送者需要在通信之前將所要傳輸的數據包準備好，數據包都包含有傳送者和接收者的地址信息。數據包的傳輸彼此獨立，互不影響，可以按照不同的路由機制到達目的地，並重新組合。
在這種方式中，每個分組按一定格式附加源與目的地址、分組編號、分組起始、結束標誌、差錯校驗等信息，以分組形式在網路中傳輸。網路只是盡力地將分組交付給目的主機，但不保證所傳送的分組不丟失，也不保證分組能夠按傳送的順序到達接收端。所以網路提供的服務是不可靠的，也不保證服務質量。如圖9-2（a）所示，主機H1向H5傳送的分組，有的經過節點A-B-E，有的經過A-C-E或A-B-C-E，主機H2向H6傳送的分組，有的經過節點B-D-E，有的經過B-E。數據報方式一般適用於較短的單個分組的報文。其優點是傳輸延時小，當某節點發生故障時不會影響後續分組的傳輸。缺點是每個分組附加的控制信息多，增加了傳輸信息的長度和處理時間，增大了額外開銷。
分組交換
分組交換虛電路分組交換
它與數據報方式的區別主要是在信息交換之前，需要在傳送端和接收端之間先建立一個邏輯連線，然後才開始傳送分組，所有分組沿相同的路徑進行交換轉發，通信結束後再拆除該邏輯連線。網路保證所傳送的分組按傳送的順序到達接收端。所以網路提供的服務是可靠的，也保證服務質量。如圖9-2（b）所示，主機H1向H5傳送的所有分組都經過相同的節點A-B-E，主機H2向H6傳送的所有分組也都經過相同的節點B-E。
虛電路分組交換像電路交換一樣，通信雙方需要建立連線，只是與電路交換不同，分組交換的連線是虛擬連線（又稱為虛電路），連線中不存在一個獨占的物理線路。根據虛擬連線的實現方式，可以把虛電路分為交換虛電路和永久虛電路。
- 交換虛電路是需要通信雙方通過請求建立一個臨時連線，然後進行通信，當通信結束之後，該臨時連線就被拆除。
- 永久虛電路是通信雙方無需請求，只需要按照雙方約定建立一個連線，並在約定時間內一直保持。
由此可得，面向連線工作方式和無連線工作方式的特點。
（1）面向連線工作方式的特點
不管是面向物理的連線還是面向邏輯的連線，其通信過程可分為三個階段：連線建立、傳送信息、連線拆除。
一旦連線建立，該通信的所有信息均沿著這個連結路徑傳送，且保證信息的有序性（傳送信息順序與接收信息順序一致）。
信息傳送的時延比無連線工作方式的時延小。
一旦建立的連線出現故障，信息傳送就要中斷，必須重新建立連線，因此對故障敏感。
（2）無連線工作方式的特點
沒有連線建立過程，一邊選路、一遍傳送信息。
屬於同一通信的信息沿不同路逕到達目的地，該路徑事先無法預知，無法保證信息的有序性（傳送信息順序與接收信息順序不一致）。
信息傳送的時延比面向連線工作方式的時延大。
對網路故障不敏感。
分組交換特點
（1）信息傳送的最小單位是分組
分組由組頭和用戶信息組成，分組頭含有選路和控制信息。
（2）面向連線（邏輯連線）和無連線兩種工作方式
虛電路採用面向連線的工作方式，數據報是無連線工作方式
（3）統計時分復用（動態分配頻寬）
統計時分復用的基本原理是把時間劃分為不等長的時間片，長短不同的時間片就是傳送不同長度分組所需的時間，對每路通信沒有固定分配時間片，而是按需使用。這就意味著使用這條復用線傳送分組時間的長短，由此可見統計時分復用是動態分配頻寬的。
（4）信息傳送為有差錯控制
分組交換是專門為數據通信網設計的交換方式，數據業務的特點是可靠性要求高，對實時性要求沒有電話通信高，因而在分組交換中為保證數據信息的可靠性，設有CRC校驗、重發等差錯控制機制，以滿足數據業務特性的需求。
（5）信息傳送不具有透明性
分組交換對所傳送的數據信息要進行處理，如拆分、重組信息等。
（6） 基於呼叫延遲制的流量控制
在分組交換中，當數據流量較大時，分組排隊等待處理，而不像電路交換那樣立即呼損掉，因此其流量控制基於呼叫延遲。
優點
分組交換網與電路交換網相比有許多優點
分組交換
分組交換利用率高
較之電路交換對鏈路的獨占性而言，不同的數據分組可以在同一條鏈路上以動態共享和復用方式進行傳輸，通信資源利用率高，從而使得信道的容量和吞吐量有了很大的提升。因為結點到結點的單個鏈路可以由很多分組動態共享。分組被排隊，並被儘可能快速地在鏈路上傳輸。
數據率
排隊機制
在同一個鏈路上可以同時傳輸不同類型和規格的數據，當分組網路上有大量的分組時，可以根據設定數據傳輸的排隊機制，保證優先權高的分組優先傳輸。當電路交換網路上負載很大時，一些呼叫就被阻塞了。在分組交換網路上，分組仍然被接受，只是其交付時延會增加。
優先權
缺點
時延
分組交換時延抖動
因為一個給定的源站和目的站之間的各分組可能具有不同的長度，可以走不同的路徑，也可以在沿途的交換機中經歷不同的時延，所以分組的總時延就可能變化很大。這種現象被稱為抖動。抖動對一些套用來講是不希望有的（例如：電話話音和實時圖像等實時套用中）。
開銷大
交換原理
掛在分組交換網上的終端有兩類：分組型終端和一般終端。所謂分組型終端是以分組的形式傳送和接收信息；一般終端它傳送和接收的信息是報文，需經分組裝拆設備處理後才能接入分組交換網。若傳送終端是一般終端，要由PAD將其傳送的報文拆成若干個分組再送往分組交換網上傳輸；若接收終端是一般終端，要由PAD將屬於一份報文的若干個分組重新組裝成報文再送給一般終端。
分組交換的基本原理是採用“存儲——轉發”技術，從源站傳送報文時，將報文劃分成有固定格式的分組（Packet），把目的地址添加在分組中，然後網路中的交換機將源站的分組接收後暫時存儲在存儲器中，再根據提供的目的地址，不斷通過網路中的其它交換機選擇空閒的路徑轉發，最後送到目的地址。這樣就解決了不同類型用戶之間的通信，並且不需要像電路交換那樣在傳輸過程中長時間建立一條物理通路，而可以在同一條線路上以分組為單位進行多路復用，所以大大提高了線路的利用率。
分組交換是把電路交換和報文交換的優點結合起來產生的一種交換技術。電路交換過程類似於打電話，當用戶需傳送數據時，主叫方需通過呼叫，由交換網完成被叫才與它建立一條物理連線數據通路，需拆除連線時，由通信雙方中任一方完成。它的特點是適合傳送一次性大批量的信息。由於建立連線時間長，傳遞短報文時，效率較低。並且對通信雙方在信息傳輸速率、編碼格式、通信協定等方面完全兼容，這就限制了不同速率、不同編碼格式、不同通信協定的雙方用戶進行通信。報文交換的基本原理是採用“存儲－轉發”技術，從源站傳送報文時，把目的地址添加在報文中，然後網路中的交換機將源站的報文接收後暫時存儲在存儲器中，再根據提供的目的地址，不斷通過網路中的其它交換機選擇空閒的路徑轉發，最後送到目的地址。這樣就解決了不同類型用戶之間的通信，並且不需要像電路交換那樣在傳輸過程中長時間建立一條物理通路，而可以在同一條線路上以報文為單位進行多路復用，所以大大提高了線路的利用率。但此種方式時延較長，時延變化大，不適用於實時及會話式通信，但適用於電子郵件、計算機檔案、公用電報等業務。
分組交換仍採用“存儲－轉發”技術，但不像報文交換那樣以報文為單位進行交換，而是將報文劃分成有固定格式的分組(Packet)進行交換、傳輸，一般為1kbit～數千位，每個分組按一定格式附加源與目的地址，分組編號、分組起始、結束標誌、差錯校驗等信息，以分組形式在網路中傳輸。當源DTE將分組以比特串形式傳送至本地分組交換機PSE後，本地PSE收到每個分組要求的轉發信息，不管是否接通目的地址設備，都先存儲起來，然後檢查目的地址，在PSE保存的路由表中找到該目的地址規定的傳送通路，PSE即按允許的最大傳送速率轉發該分組。同樣，每箇中轉PSE均按此方式存儲、轉發每個分組，直到將分組送到目的地pSE，再由該PSE送達目的地址DTE(見圖8－7)。按上述方式傳送的是分組交換中的數據報方式。一般適用於較短的單個分組的報文。其優點是傳輸可靠性高、傳輸延時小，由於PSE上的存儲器容量減小，所以提高了經濟性，缺點是每個分組附加的控制信息多，增加了傳輸信息的長度和處理時間，增大了額外開銷。
分組交換的另一種方式叫虛電路方式，它與數據報方式的區別主要是在信息交換之前，由源DTE向本地PSE傳送一特定呼叫請求的分組，其中含有目的DTE的地址及邏輯信道識別符，並由PSE中轉轉發。若呼叫被目的DTE接受，則相應的回響“呼叫接受”予以應答，網路即發出一個“呼叫連通”給源DTE，此時呼叫建立，在兩台DTE之間建立一條稱作虛電路的邏輯通路，信息就能在這條虛電路上傳輸，直到數據交換結束，虛電路被拆除，相應的邏輯信道識別符被釋放。所以虛電路方式在每次通信時都有虛電路建立、數據傳輸和拆除三個階段，類似於電路交換方式，但在網路中的傳輸是分組交換方式。這種方式對信息傳輸頻率高、每次傳輸量小的用戶不太適用，但由於每個分組頭只需標出虛電路標識符和序號，所以分組頭開銷小，適用長報文傳送。
交換協定
公用分組交換數據網是實現不同類型計算機之間進行遠距離數據傳送的重要公共通信平台，是國際上普遍採用的一種廣域連線方式。國際電信聯盟的電信標準部門ITU-TSS制定的X.25協定是世界上許多電信組織和廠商支持和遵守的國際標準。X.25網路是國際上廣泛採用的公用數據網路。X.25是Tyltmet於1970年引入的，它是第一代分組交換系統。X.25網路是為傳送數據而發展起來的，因此它與電話業務供應商不是直接的競爭關係。X.25分組交換技術是為了滿足具有互動式特性的業務而出現的。互動式處理是在20世紀60年代末出現的，它是一種連線時間長，但數據量低的突發性數據流。X.25提供了一種可以使得多路會話共享同一通信信道的技術。
分組交換
分組交換X.25網路提出X.25技術時，網路主要還是一個模擬的環境。模擬網路的一個較嚴重的問題是：噪聲在通過一些放大器時會被放大，這會導致非常高的差錯率。因此，X.25提供的一個增值業務就是在網路內實施差錯控制功能。由於分組交換是存儲——轉發技術，在每一個中間節點，要對分組進行差錯檢測。如果分組一切正常的話，中間節點將對原始傳送節點發出確認信息；如果中間節點接收到的分組有差錯，節點將發出信息要求重傳。因此，在分組路經的任何一個節點，如果發現噪聲積累造成差錯，就會對差錯進行糾正，從而可以保證數據流更為準確地傳送。就像PSTN網路一樣，X.25分組交換網路也是分級的。
分組交換
分組交換在X.25分組交換網路中，分組交換機分為兩大類：（1）一類交換機靠近用戶端，實際上，它們位於網路的接入點。這類交換機的功能包括選路、轉發分組以及差錯檢測和糾正。另外，為了能夠支持不同類型計算機的接入，完成不同協定之間的轉換，或者不同工作速率、不同編碼方式之間的轉換，還需要一些附加的功能，而這些功能就是在接入點處的交換機完成的。換句話說，因為它可以根據你的要求進行必要的轉換工作，並將這種轉換作為網路業務的一部分，因此通過X.25網路，你可以實現不同類型的設備之間的連線。（2）第二類交換機在網路的內部，它們不提供前面提到的高級別的增值功能，僅僅完成分組的選路、轉發以及差錯控制和檢測。非標準X.25終端需要通過一個分組拆裝設備（PAD）連線到一個X.25網路。PAD完成協定的轉換，生成X.25標準規定的分組，這樣數據才能通過X.25網路傳送。這些PAD可以放在用戶側，也可以放在網路側。X.25本質上是ITU-T制定的用戶設備和分組交換網路之間的標準接入協定。它定義了分組模式的終端通過專用電路接入到公共數據網路的接口。還有一些常用的X系列協定，它們是：
分組交換
分組交換（1）X.28是終端設備與PAD之間的標準協定；
（2）X.29是PAD與網路之間的標準協定；
X.25網路的優缺點：判斷一個特定技術的優缺點首先要看它所處的大環境。在一個模擬信息基礎環境中，噪聲是個大問題，因此差錯控制是必須的。但是，在每箇中間節點，除了要選路以確定下一跳之外，還要對每一個分組實施差錯控制，就會增加端到端的傳輸時延。因為X.25分組交換網路只用來傳送數據，所以時延或者分組的丟失對它來說並不是十分關鍵的參數。X.25的另一個貢獻是它的分組大小。它使用相對較小的分組，一般為128位元組或256位元組。對這一問題的優劣評價也是隨著時間的不同而改變的。由於噪聲的因素，小的分組在X.25網路中是十分有利的。如果在網路中有噪聲，將會有差錯出現，因而分組經常需要進行重發。很顯然，重發相對小的分組比重髮長的大塊信息效率更高，因此，X.25特別設計成使用較小的分組。同樣，因為它是早期的網路，所以適合工作在相對低速率的鏈路。鏈路速率範圍一般從56kbit/s到2Mbit/s。
X.25的優點如下：（1）由於X.25是第一個提供第三層網路地址信息，從而使得分組能夠在一系列中間節點和網路中進行路由和中繼的技術，因此它有很強的定址功能；（2）由於使用了統計復用技術，它的頻寬利用率較高；（3）分組可以繞開發生擁塞的節點而通過其他連線和節點重新進行路由，因此改善了擁塞控制能力；（4）能夠持續地在每一個中間節點上對所有類型的差錯進行檢測和糾錯，因此差錯控制功能得以提高；（5）在節點和線路發生故障時可以重新選路，因此可用性很高。
分組交換
分組交換X.25的缺點如下：（1）排隊時延較大；（2）低速通信鏈路；（3）分組尺寸較小，頻寬的利用率不如採用較大尺寸分組的新協定高；（4）沒有QoS保證，因此不適於對時延敏感的套用；（5）僅用於傳輸數據，而今天我們正努力尋求綜合業務的解決方案。
X.25協定簡介：使用公共數據網的一個重要部分就是與它們的接口。ITUX.25標準就是一種廣泛使用的接口。許多人使用術語“X.25網路”，這導致許多人錯誤地認為X.25定義了網路協定。但事實並非如此，X.25隻是定義了DTE與公共數據網相連的DCE間的協定（圖9-4）。因此，X.25可嚴格地作為通過公共數據網的用戶-網路接口或用戶-用戶接口。X.25協定是指用分組方式工作並通過專用電路和公用數據網連線的終端使用的數據終端設備（DTE）和數據電路終端設備（DCE）之間的接口的協定。它定義了物理層、數據鏈路層、分組層（即網路網）三層協定，分別對應於ISO/OSI七層模型的下三層。
（1）物理層：基本功能是建立、保持和拆除DTE和DCE之間物理鏈路,定義了物理鏈路的機械、電氣、功能和規程的特性，提供同步、全雙工的點到點比特流的傳輸手段，DTE和本地DCE之間的接口按X.21建議規定。（2）數據鏈路層：通過DTE和本地分組交換機PSE(PacketSwitchedEquipment)間的物理鏈路向分組層提供等待重發、差錯控制方式的分組傳送服務，所以可靠性高，這一層規定的LAPB(LinkAccessProcedureBalanced)規程是HDLC規程的平衡類子集，主要規定了數據鏈路的建立和拆除規程、建立後的信息傳輸規程以及差錯控制、流量控制等。另外這一層還規定了多鏈路規程MLP（MultiLinkProcedure），通過在多條平行的數據鏈路上同時傳送信息幀，以提高信息的吞吐量和可靠性。
分組交換
分組交換（3）分組層(網路層)：主要描述DTE/DCE接口上交換控制信息和用戶數據的分組層規程，規定了虛電路業務規程、基本分組結構、數據分組格式以及可選用的用戶業務功能等。這一層採用的是時分復用原理，實現一個源DTE利用一條物理電路呼叫多個目的DTE進行分組數據交換。此外還提供永久虛電路PVC業務，這是供用戶固定使用的虛電路，源DTE不用必須建立呼叫即能使用虛電路。X.25中各分層協定的相互關係。
網路構成
分組交換其主要功能有網路管理、用戶管理、測量管理、計費管理、運行及維護管理、路由管理、蒐集網路統計信息以及必要的控制功能等等，是全網管理的核心；(3)分組裝拆設備(PAD)的主要功能是把普通字元終端的非分組格式轉換成分組格式，並把各終端的數據流組成分組，在集合信道上以分組交織復用，對方再將收到的分組格式作相反方向的轉換。(4)遠程集中器的功能類似於分組交換機，通常含有PAD的功能，它只與一個分組交換機相連，無路由功能，使用在用戶比較集中的地區，一般裝在電信部門。(5)提供網路的基本業務：交換虛電路和永久虛電路及其他補充業務，如閉和用戶群，網路用戶識別等。在端到端計算機之間通信時，進行路由選擇，以及流量控制。能提供多種通信規程，數據轉發，維護運行，故障診斷，計費與一些網路的統計等。
