《计算机网络》深入学：虚电路

在计算机网络的分组交换（Packet Switching）技术中，存在两种基本的网络层架构设计思路：数据报网络（Datagram Network）与虚电路网络（Virtual Circuit Network）。虽然现代互联网（Internet）主要基于数据报模式（即 IP 协议），但在核心骨干网、电信级传输网络以及现代数据中心网络中，虚电路的设计思想依然占据着至关重要的地位。

本文将从原理机制、工作流程、与数据报的对比以及现代演进（如 MPLS）四个维度，深入剖析虚电路技术。

1. 虚电路的定义与核心思想

虚电路（Virtual Circuit, VC） 是一种面向连接（Connection-Oriented）的分组交换服务。它的核心思想是：在数据传输开始之前，必须在源主机和目的主机之间建立一条逻辑上的连接（即虚电路）。

这里的"虚"字非常关键，它用于区分传统的电话网络中的"电路交换"（Circuit Switching）：

电路交换：在物理层通过频分复用（FDM）或时分复用（TDM）预留固定的物理带宽资源。
虚电路 ：在链路层或网络层建立逻辑路径。分组依然采用 存储-转发（Store-and-Forward） 机制，但在转发时不需要为每个分组独立进行路由决策，而是沿着预先建立的路径传输。

2. 虚电路的工作机制

虚电路网络的工作过程严格遵循三个阶段：建立连接（Setup） 、数据传输（Data Transfer） 、连接释放（Teardown）。

2.1 虚电路标识符 (VCI)

在虚电路网络中，分组不需要携带完整的源 IP 地址和目的 IP 地址，而是携带一个简短的标识符，称为虚电路标识符（Virtual Circuit Identifier, VCI）。

关键科学特性 ：VCI 具有链路本地性（Link-Local Scope） 。

这意味着 VCI 的数值仅在一段特定的链路上有效，而不是全局唯一的。当分组从一台交换机转发到下一台交换机时，其 VCI 通常会被修改。

虚电路标识符的链路本地性示意图

2.2 转发表与标签交换

虚电路交换机维护着一张转发表（Forwarding Table），也被称为 VC 表。与数据报网络中基于"目的地址"的最长前缀匹配不同，虚电路交换机基于"入接口 + 入 VCI"进行精确匹配。

转发表的每一项通常包含四个字段：
{Input Interface,Input VCI,Output Interface,Output VCI} \{ \text{Input Interface}, \text{Input VCI}, \text{Output Interface}, \text{Output VCI} \} {Input Interface,Input VCI,Output Interface,Output VCI}

转发逻辑如下：

分组到达交换机的输入接口 IinI_{in}Iin，携带 VCI 为 VinV_{in}Vin。
交换机查询转发表，找到匹配项 (Iin,Vin)(I_{in}, V_{in})(Iin,Vin)。
交换机将分组的 VCI 重写为表项中对应的 VoutV_{out}Vout。
将分组转发到输出接口 IoutI_{out}Iout。

这种机制被称为标签交换（Label Swapping）。

2.3 三个阶段的详细流程

建立连接 (Setup)：
- 源主机发送一个"呼叫请求"（Call Request）分组。
- 该分组包含目的地址。网络中的交换机根据路由算法选择路径，并在沿途每台交换机的转发表中创建条目，分配未使用的 VCI。
- 资源预留：在此阶段，高级的虚电路网络可以预留带宽、缓冲区等资源，从而保证服务质量（QoS）。
数据传输 (Data Transfer)：
- 所有数据分组仅携带 VCI。
- 分组严格按照建立的路径顺序到达，不会乱序。
- 路由器无需进行复杂的路由查找，只需进行简单的查表和替换操作，转发效率极高。
连接释放 (Teardown)：
- 通信结束后，源主机发送"释放请求"。
- 沿途交换机删除对应的转发表条目，释放 VCI 和预留的资源。

3. 虚电路与数据报网络的科学对比

为了严谨地理解虚电路，必须将其与数据报（Datagram）模式进行对比：

特性	虚电路 (Virtual Circuit)	数据报 (Datagram)
连接方式	面向连接 (Connection-Oriented)	无连接 (Connectionless)
状态信息	交换机需维护每条连接的状态 (Stateful)	交换机无连接状态 (Stateless)
分组头部	开销小 (仅含 VCI)	开销大 (含完整源/目地址)
路由决策	仅在建立连接时进行一次	每个分组独立进行路由
分组顺序	保证按序到达	可能乱序，需上层重组
故障适应性	弱：若节点故障，经过该节点的虚电路全部中断	强：节点故障后，分组可自动绕行其他路径
QoS 支持	易于实现 (可预留资源)	较难实现 (尽力而为服务)

深入分析 ：

虚电路的致命弱点在于状态信息的维护。在核心网络中，如果有数百万条并发连接，交换机需要维护巨大的状态表，且一旦设备重启，所有经过的连接都会断开。这违背了互联网设计初期追求的"生存性"原则，因此 IP 协议选择了数据报模式。

4. 虚电路的现代演进与应用：从 ATM 到 MPLS

虽然纯粹的虚电路网络（如历史上的 X.25 和 ATM）在与 IP 的竞争中失去了通用网络层的主导地位，但虚电路的思想在现代核心网技术中得到了重生和升华。

4.1 历史背景：ATM (Asynchronous Transfer Mode)

在 20 世纪 90 年代，ATM 被视为下一代网络核心技术。它是一种典型的虚电路技术，使用固定的 53 字节信元（Cell）。ATM 试图将电信网的 QoS 优势与计算机网的灵活性结合，但因协议过于复杂（被称为"该死的复杂技术"）且 IP 技术飞速发展而未能普及到终端。

4.2 现代应用：MPLS (Multiprotocol Label Switching)

MPLS 是虚电路思想在现代 TCP/IP 网络中的完美应用。

MPLS 位于第 2 层（链路层）和第 3 层（网络层）之间，通常被称为"2.5 层协议"。

标签即 VCI：MPLS 给 IP 分组加上一个 32 位的标签头（Label Header）。这个标签在功能上等同于虚电路中的 VCI。
LSR 即虚电路交换机：MPLS 的路由器称为标签交换路由器（LSR），通过查找标签转发表（LFIB）进行转发，通过标签分发协议（LDP）或 RSVP-TE 来建立路径。
流量工程 (Traffic Engineering)：IP 路由通常基于最短路径优先（SPF），这可能导致某些链路拥塞而其他链路空闲。MPLS 允许网络管理员显式地建立一条跨越网络的"虚电路"（称为 LSP，标签交换路径），强制流量走指定的路径，从而优化网络资源利用率。

MPLS 标签交换路径示意图

4.3 软件定义网络 (SDN) 中的流表

在现代 SDN 架构（如 OpenFlow）中，虽然不一定显式使用 VCI 术语，但其"流（Flow）"的概念与虚电路异曲同工。控制器下发流表项，交换机对匹配特定"流"的数据包执行统一动作。这也是一种逻辑上的连接建立与转发分离的思想。

5. 总结

虚电路不仅仅是一个历史名词，它代表了一种高效、可控的数据转发哲学。

核心机制：通过连接建立、资源预留和标签交换（VCI），实现高效转发。
科学权衡：以维护网络状态为代价，换取了更低的分组头部开销和更强的 QoS 保证能力。
技术演进 ：虽然纯 IP 网络赢得了边缘接入，但在互联网的骨干核心，基于虚电路思想的 MPLS 和 Segment Routing 依然是支撑全球流量调度的基石。

对于专业学习者而言，理解虚电路不仅是为了了解 X.25 或 ATM 的历史，更是为了掌握 MPLS、VPN 以及现代数据中心流量调度背后的底层逻辑。