分组交换比报文交换的传输时延更低

分组交换比报文交换的传输时延更低，主要原因是其采用了更小的传输单元（分组）​ 和并行处理机制。以下是详细解释：

🔍 核心机制差异导致的时延降低

1. ​更小的传输单元 = 更低的“串行化延迟”：​

   • ​串行化延迟：​ 这是将数据比特流装载到物理链路上所需的时间。计算公式为：串行化延迟 = 数据长度 / 链路带宽。
   • ​报文交换：​ 将整个文件或消息作为一个完整的报文单元传输。如果一个报文很大（例如 10MB），那么它在链路上传输所占用的时间就会很长。
   • ​分组交换：​ 将报文拆分成许多较小的、固定或可变长度的分组（Packet）（例如 1500 Bytes）。即使传输相同总量的数据，每个小分组在链路上的串行化延迟要低得多。
   • ​结果：​ 当多个报文需要穿越同一个节点或链路时：
     • ​报文交换：​ 一个大报文会长时间占据输出链路（产生高串行化延迟），后面的报文必须排队等待这个长时间传输完成，导致后续报文的总等待时间（排队时延 + 传输时延）剧增。
     • ​分组交换：​ 一个小分组很快就能传完（低串行化延迟）。后续分组或者来自其他报文的分组，​不必等待整个原始报文传输完毕就能开始传输。资源（链路）被更快地释放并被下一个分组使用。

2. ​并行处理与流水线效应：​

   • ​报文交换：​ 采用存储-转发机制，但转发单位是整个报文。这意味着：一个节点必须先接收完整的报文，再进行差错校验、查路由表，最后才开始向下一跳传输整个报文。在这个报文完全到达下一个节点之前，后续报文无法处理。
   • ​分组交换：​ 也采用存储-转发，但转发单位是小的分组。关键在于：
     • 当一个节点完成接收第一个分组后，它就可以立即开始处理这个分组（查路由、差错校验等），并开始将其转发给下一跳节点。它不需要等待同一个报文的所有后续分组都到达。
     • 与此同时，​第二个分组已经到达该节点并开始被接收。第一个分组正在转发中时，第二个分组已在处理。
     • 这种机制就像一个流水线：​接收、处理、转发三个环节对不同的分组是同时并行进行的。数据流在网络中像流水一样连续流动。
   • ​结果：​ 分组交换有效地重叠了传输路径上不同节点的处理时间和不同分组在链路上的传输时间，显著提升了整体的数据通过速率，大大降低了报文从起点到终点所经历的总时延。

🧩 图解说明

假设路径 A -> B -> C 要传递一个报文（10000比特），链路速率 1000 bps。

• ​报文交换：​
  • A 传输给 B：传输时间 = 10000 bit / 1000 bps = 10 秒。然后 B 开始接收。
  • B 完全接收后，再花点时间处理，然后传输给 C：又是 10 秒传输时间。
  • ​总时延 ≈ 10秒 (A->B) + 处理时间 + 10秒 (B->C) + 处理时间 ≈ 至少 20秒+。​
• ​分组交换（分成2个5000 bit分组）：​
  • ​时间 0：​ A 开始传输分组1 到 B。
  • ​时间 5秒：​ A 完成分组1传输。分组1完全到达 B。B ​立即开始处理分组1，并准备开始向 C 传输分组1。
  • ​同时，时间 5秒：​ A 已经开始传输分组2给 B！
  • ​时间 5秒+处理时间(很小，如1ms)：​ B 开始向 C 传输分组1。
  • ​时间 10秒：​ A 完成分组2传输给 B。B 收到分组2。
  • ​时间 10秒+处理时间：​ B 开始向 C 传输分组2。
  • ​时间 15秒+微小处理：​ C 收到分组1。
  • ​时间 15秒+微小处理+5秒=约20秒：​ C 收到分组2（假设B->C传输无等待）。
  • ​总时延 ≈ 分组2到达C的时间 ≈ 20秒 + 处理时间。​
  • ​关键点：​ ​分组1在时间5秒多点就已离开B前往C，而分组2这时才刚到B。它们在传输路径上是重叠的，没有像报文交换那样一个报文必须完全离开A才能开始传下一个报文或该报文才能开始传下一段。

📌 即使在这个2分组的小例子中，报文交换总时延至少20秒（纯粹的串行），而分组交换的总时延也是约20秒。但当分组更多（如分成100个分组）时：

• 报文交换总时延仍为 10秒 (A->B) + 10秒 (B->C) = 20秒（忽略处理）。
• 分组交换总时延 ≈ （第一个分组从A->B->C的时间） + （后续99个分组在最后一个链路上排队传输一点时间）。第一个分组A->B传输5ms，B处理一点时间后传输到C再5ms。后续分组紧挨着传。总时延 ≈ 10ms (第一个分组走完全程) + 99 * 0.005秒（分组在B->C链路上的间隔） ≈ 10ms + 0.495秒 ≈ 0.505秒！远小于报文交换的20秒。这就是小分组和流水线的巨大威力。

📊 总结：为什么分组交换时延更低

🔎 需要注意的点

• ​分组头开销：​ 每个分组需要添加头部信息（地址、序号等），这增加了需要传输的总比特数。虽然这会略微增加一点传输时间，但相对于小分组带来的巨大并行性和低串行化延迟优势来说，这个开销通常可以忽略不计。
• ​处理延迟假设：​ 以上分析简化了节点的处理延迟。现实中，每个节点的处理（查路由、校验等）也需要时间。但由于分组更小、处理单位更小，通常分组交换的处理延迟优势也能体现（例如，在第一个分组到达时就可以开始路由计算，而不是等整个大报文）。
• ​排队延迟：​ 在拥塞情况下，排队延迟对两者都有影响。但分组交换的小单元特性意味着即使排队，单个分组等待的时间也更容易比一个大报文等待整个传输时间短。

🌟 结论

分组交换通过将数据分割成小单元进行传输，显著降低了关键路径上的串行化延迟（每段链路的传输时间），并利用了存储-转发流水线机制，使得不同分组在网络中不同节点和链路上的传输与处理能够并行/重叠进行。而报文交换处理庞大的数据单元必然导致更高的串行化延迟和串行处理延迟。因此，对于绝大多数网络流量来说，分组交换的总传输时延远低于报文交换。💡 这种设计是现代互联网（如TCP/IP）高效运行的核心基础之一。