Switching（交換技術）
Switching（交換技術）
Hello Guys, I’m LukeTseng. 本篇將來介紹什麼是路由器，若本篇文章有誤，歡迎各位指正，若你也喜歡這篇文章，不妨按下愛心跟追蹤我的個人頁面吧！
另外本篇文章主要針對上課內容製作筆記，斟酌參考～
簡介（Introduction）
交換技術（Switching）是指兩個節點透過網路中繼站進行資料傳輸的方式，主要目的是將資料正確且快速地從發送端（Sender）傳送到接收端（Receiver）。在網路通訊中，由於存在數種甚至數千萬種可能的傳輸路徑，交換技術就是為了管理這些傳輸路徑而制定的方法。
其中呢，網路中繼站是指在資料從發送端傳送到接收端的路徑上，負責接收、處理並轉發資料的中間節點設備。這個網路中繼站也有可能是以下這些設備：
- 路由器（Router）
- 交換器（Switch）
- 中繼器（Repeater）
- 集線器（Hub）
以傳統上來說，Switching 會分成兩種方法：
- Circuit switching（電路交換）
- Packet switching（封包交換）
Circuit switching
Image Source：https://www.geeksforgeeks.org/computer-networks/circuit-switching-in-computer-network/
電路交換是最古老的交換方式，源自早期的電話網絡（PSTN）。
這個技術要求通訊雙方在開始傳輸資料之前，必須先建立一條專用的實際連接線路。這條路徑在通訊結束前，資源（頻寬）是獨佔的，其他人無法使用。
電路交換的運作方式大致上有這以下三個階段：
- 建立連線（Circuit Establishment）：發送端（Sender）發出連線請求訊號，該訊號在網路上一站一站地尋找可到達目的地的可用路徑，找到後就把它佔為己有，直到建立完整的連線路徑。
- 資料傳輸（Data Exchange）：連線建立後，雙方沿著這條專用路徑進行資料傳輸。
- 切斷連線（Circuit Clearing）：通訊結束後，釋放整條連線供其他人使用。
優點：
- 效能很好：連線建立後頻寬是固定的，不會因為網路其他人變多而變慢。
- 無延遲抖動：資料傳輸速率穩定，適合即時語音通話。
缺點：
- 效率極低：如果兩個人在講電話時都不講話，占著茅坑不拉屎，那條線路依然被佔用，頻寬被浪費（Silent periods）。
- 建立時間長：開始傳輸前需要時間撥號建立連線。
- 超難用：如果路徑中間某個交換機壞了，連線就會中斷，必須重新撥號。
Packet switching
Image Source：https://www.geeksforgeeks.org/computer-networks/packet-switching-and-delays-in-computer-network/
這是現代網際網路的基礎。
會限制每則訊息的單位大小，將資料切割成一個個封包（Packet）進行傳輸。
這個技術也需要建立連線，但用的是虛擬電路而非實體專用線路。
封包交換主要有兩種模式，最常用的是 Datagram（資料包 or 數據報）模式（即 IP 網路的運作方式）。
封包交換的運作流程如下：
- 工作站將訊息分割成若干個固定大小的封包並依序編號。
- 發送端發出連線請求，沿途的節點會記錄虛擬路徑資訊。
- 每個封包獨立傳輸，可能經過不同的網路節點和路徑到達目的地
- 封包在節點會被接收（Receive）、緩衝（Buffer）、等待（Queue）和重新傳送（Retransmit）。
- 到達目的地後重新組裝成完整訊息。
其實可以主要概括成以下三點：
- 無須建立連線：發送端可直接將封包送出。
- 獨立路由：每個封包獨立選擇最佳路徑。像封包 A 可能走這條路，封包 B 可能因為那條路塞車而走另一條路。
- 資源共享：頻寬是動態分配的。誰有資料要傳，誰就佔用頻寬；沒資料時，頻寬就讓給別人用。
優點：
- 效率極高：頻寬由所有人共享，不會因為某人沈默而浪費資源。
- 自動導向：如果中間某條路斷了，路由器會自動將封包導向另一條路，通訊不斷。
- 成本低：不需要為每個用戶預留專屬硬體資源。
缺點：
- 不可預測的延遲：如果網路塞車，封包需要排隊，導致速度變慢。
- 會丟包：如果路由器緩衝區（Buffer）滿了，新來的封包會直接被蛋雕。
- 順序不一：封包可能因為走不同路徑，導致晚發的封包可能會先到，接收端需要重新重組。
Datagram（資料包）
Datagram 是一種無連線式（Connectionless）的服務，類似於傳輸層（Transport Layer）的 UDP 協定 。
無連線就是不用跟接收端、網路中繼站那些東西有交流，想傳封包就傳封包。
Datagram 有獨立的路由（Independent Routing），這邊假設要送 3 個封包（A、B、C）給同一個目的地。
- 封包 A 可能走「路由器 1 -> 2 -> 5」。
- 封包 B 可能因為路由器 2 塞車，改走「路由器 1 -> 3 -> 5」。
- 每個封包都是獨立的個體，路由器看到封包時，只看封包的目的地 IP，然後查路由表決定當下最好就往哪送。
因為每個封包都要自己找路，所以每個封包的標頭（Header）裡都必須包含完整的來源與目的地 IP 位址。
總之 Datagram 就可以想像是一個郵差，自己要對好每一封信的地址，然後送上門來，就醬。
優點：
- 非常的靈活～：如果中間非常不幸的，有個路由器炸了，後面的封包會自動繞路，通訊不會中斷（這也是 Internet 當初為了軍事用途設計的初衷）。
- 建立速度快：不需要等待連線建立的時間。
缺點：
- 不保證順序：先發出的封包可能後到（因為繞遠路了），接收端勢必要把這些封包給重組。
- 標頭負擔大：每個封包都要背著長長的 IP 位址。
Virtual Circuit（虛擬電路）
Image Source：https://www.geeksforgeeks.org/computer-networks/virtual-circuit-in-computer-network/
Virtual Circuit 是一種從主機源頭（Source）到目的主機建立類似電路的邏輯連接路徑。
雖然是虛擬電路，但這個東東依然是屬於 Packet Switching 哦。
之所以叫「虛擬」，是因為它用軟體和邏輯的方式，模擬出像打電話一樣的連線感。
運作模式大致上有三種：
- 連線導向 (Connection-oriented)：
跟電路交換一樣，必須經過三個階段：建立連線（Setup）->傳輸資料->拆除連線（Teardown）。
在傳資料前，封包會先發送一個探路的請求，確定一條路徑，並告訴沿途的路由器說：有封包要過，幫我記住這條路。
- 固定路徑：
一旦連線建立，這條虛擬電路就固定了。後續所有的封包（A, B, C）都會走同一條路，不會亂跑。
- 使用 VCI (虛擬電路識別碼)：
因為路徑已經講好了，所以封包不需要揹上那又臭又長的 IP 位址。
封包 header 只需要一個短短的號碼，稱為 VCI（Virtual Circuit Identifier）。
優點：
- 保證順序：因為走同一條路，所以先發先到。
- 轉發速度快：路由器只需要看精簡的 VCI 標籤，處理速度通常比查 IP 路由表快。
- 服務品質（QoS）：比較容易保留頻寬或控制延遲（因為路徑固定好管）。
缺點：
- 非常脆弱：如果路徑中某台路由器壞了，整條虛擬電路就斷了，必須重新建立連線（不像 Datagram 可以自動繞路）。
- 路由器負擔重：路由器必須記住每一條正在進行的虛擬電路狀態。如果是 Datagram，路由器不需要記住任何狀態，轉發完就不管它了。
總結
交換技術是為了在複雜多變的網路路徑中，讓資料能夠快速、準確地從發送端傳到接收端。資料在途中會經過多個中繼設備，例如 Router、Switch、Repeater、Hub。
交換方式主要分為兩大類：
- 電路交換（Circuit Switching）
- 封包交換（Packet Switching）
Circuit Switching（電路交換）
源自早期電話網路，特色是先建立專屬路徑，再開始傳輸。
運作流程：
- 建立連線（撥號、尋找可用路徑）
- 專線傳輸資料（線路獨佔）
- 結束後釋放資源
優點：
- 連線品質穩定、無延遲抖動
- 頻寬固定，適合語音等即時應用
缺點：
- 資源利用差（不講話也佔頻寬）
- 建立連線需要時間
- 中途某設備故障會導致整條線路中斷
Packet Switching（封包交換）
現代網路的核心技術。資料會被切成多個封包，每個封包依情況選擇路徑。
特性：
- 無須建立實體專線
- 每個封包獨立路由
- 頻寬由所有使用者共享
優點：
- 資源利用高
- 可自動繞路不中斷
- 成本低
缺點：
- 延遲可能不穩定（排隊、塞車）
- 封包可能掉落（Buffer 滿）
- 抵達順序可能錯亂
Datagram（資料包）
屬於封包交換的一種，無連線（Connectionless），類似 UDP。
特色：
- 每個封包獨立傳輸
- 每個封包 Header 需包含完整的來源與目的地 IP
- 封包可能走不同路徑
優點：
- 高彈性，可自動繞路
- 不需建立連線，速度快
缺點：
- 封包順序不保證
- 每個封包 Header 較大
Virtual Circuit（虛擬電路）
屬於封包交換，但具有像電話一樣的連線導向行為。
特性：
- 需建立連線（Setup → 傳輸 → Teardown）
- 固定路徑（所有封包走同一路）
- 使用 VCI（Virtual Circuit Identifier）
- Header 精簡，不需完整 IP
優點：
- 封包順序固定
- 轉發速度較快（查 VCI 速度勝過查 IP）
- 可較容易維持 QoS
缺點：
- 某節點壞掉會導致整條虛擬電路失效
- 路由器需維護虛擬電路狀態，增加負擔
參考資料
Virtual Circuit in Computer Network - GeeksforGeeks
Circuit Switching in Computer Network - GeeksforGeeks
Packet Switching and Delays in Computer Network - GeeksforGeeks
User Datagram Protocol - UDP - GeeksforGeeks
a cai 雜記: Circuit Switching V.S. Packet switching
