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  • 本文给大家介绍了电路交换与分组交换的区别。
  • 分组交换

    千次阅读 2020-10-31 12:23:22
    什么是分组交换? 电路交换 电路交换最早用于电话网络,两台电话之间用专有电线连接,一台电话只能和连在电线上的另一台电话通信。 但实际上,为了能和其他人通信,专有电线会连接到交换中心。在交换中心,操作员会...

    1、什么是分组交换?

    电路交换

    电路交换最早用于电话网络,两台电话之间用专有电线连接,一台电话只能和连在电线上的另一台电话通信。
    在这里插入图片描述
    但实际上,为了能和其他人通信,专有电线会连接到交换中心。在交换中心,操作员会手工将输入的专有电线连接到待连接的电话的专有电线上。这里的重点是电线从通话开始到结束都是专有的。
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    今天使用的电路交换网都是自动切换的。
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    容易想到,打一个电话要经过三个阶段。首先,我们拿起听筒并拨号,拨打的号码说明了我们要连接的地方。这样就形成了从一端到另一端到专有电路,这样一来,专有电路将遍历所有电路,系统告知了每段电路将输入线连接到输出线。每个电路交换机都要维持状态以将输入电路映射到正确的输出电路上。
    第二阶段,在大多数像电话一样的数字电话系统中,我们的声音在第一个交换机处被采样和数字化。然后,通过专有电路将其作为64Kb信道的语音发送。因此,我们的电话通信在整个通信过程中都有专用的电路或信道,电路不与其他人共享。
    最后,当我们挂断电话后,电路必须被移除,并且沿着路径上的交换机的状态也必须被移除。
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    实际上,在交换机间存在中继线,它们非常非常快,即很高的比特率。即使是最慢的也有2.5Gb/s,最快的有40甚至100Gb/s。如图所示,这个干线看起来很大,实际上它比头发还细,所有的电话呼叫都使用这条干线。但每个电话呼叫都有专用的64Kb/s的电路,不与他人共享。
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    总结

    • 每个电话呼叫都有自己的私有、有保证的、端到端的独立数据传输速率
    • 一次电话呼叫有三个阶段:
      1. 建立端到端的电路(拨号)
      2. 通话
      3. 关闭电路(拆卸)
    • 最初,电路是端到端的物理电线
    • 如今,电路就像一根虚拟的私人电线,实际使用的电线会与其他人共享,但在电线内部有自己的专用电路

    问题

    1. 效率低下。计算机通信往往是非常突发的。例如,通过ssh连接键入,或查看一系列网页。如果每个通信都有一个专用电路,它的使用效率将非常低。
    2. 不同的速率。计算机以许多不同的速率通信。例如,一个6Mb/s的流媒体视频服务器,或者我以每秒1个字符的速度打字。固定速率的电路用处不大。
    3. 状态管理。电路交换需要维护每一个通信的必须管理的状态。

    分组交换

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    在分组交换中没有专用的电路来传输数据。相反,我们可以通过添加一个标头,在数据准备好的任何时候发送一块数据,它就是分组或数据包(packet)。标头里包含了数据包的目标地址。
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    分组交换网络由终端、链路和分组交换机组成。
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    当我们发送数据包时,它从源被逐跳地路由到目的地。
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    沿途的每次分组交换都要在交换机的转发表中查找下一跳的地址。
    在互联网中,存在许多不同类型的分组交换机。其中一些称为路由器,因为它们处理的是因特网地址,并且其中的还包含我们办公桌上的小型路由器或大型配线间的大型路由器。还有一些称为以太网交换机。
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    分组交换机还有缓冲区。
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    如果两个包同时到达,交换机必须安置其中一个,因为无法同时发送它们,它只能一次发送一个。
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    缓冲区保留数据包:

    • 当两个或以上的数据包同时到达
    • 在拥塞期间

    总结

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    • 数据包通过在路由器本地的转发表中查找地址来独立路由
    • 所有数据包共享链路的全部容量
    • 路由器不维护每个通信的状态

    为什么互联网使用分组交换

    有效利用昂贵的链路

    • 链路被认为是昂贵和稀缺的
    • 分组交换允许很多突发流有效地共享同一链路
    • “电路交换很少用于数据网,…因为网络的使用效率很低” —— Bertsekas/Gallager

    对链路和路由器的故障具有弹性

    • “为了高可靠性,…互联网将成为数据报子网,因此,如果某些线路或路由器被破坏,则信息很容易被重新路由。“ —— Tanenbaum

    互联网最初被设计为现有网络的互连。那时,几乎所有广泛使用的通信网络使用的是分组交换,所以互联网也需要设计为分组交换网。

    2、端到端时延

    传播时延

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    包装时延(传输时延)

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    注意:示例2中,1kbit为1024bit,1kb/s为1000bit/s

    端到端时延

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    当来自不同链路上的数据包同时进入一个交换机并都想从同一条链路出去时,某些数据包必须在路由器的队列中等待。队列也被称为数据包缓冲区。通常,队列是先进先服务的。数据包缓冲区可以防止数据包被丢弃,每个交换机都有自己的数据包缓冲区,它们是分组交换的基础。如果没有数据包缓冲区,每当两个数据包同时出现时,我们都不得不丢弃其中一个。
    但是数据包缓冲区改变了端到端时延的表达式。如果我们的数据包到了,队列里还有一些数据包,它将延迟转发到下一条链路的时间,因为它不得不等待它前面的数据包先离开。
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    这里要注意的是,除了排队时延,其它时延都是确定的。
    下面是从斯坦福大学ping普林斯顿大学和清华大学的累计分布关于RTT的函数图。
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    斯坦福大学距离普林斯顿大学约4000公里,距离清华大学约10000公里,因此对于前者,传播时延更低。同时可以注意到图中圈住的部分,到普林斯顿的RTT区间范围比到清华大学要小,前者大约为100-200,后者约为320-500。这是因为随着通信距离变长,途中的排队时延也增加的缘故。排队时延可能占了整个端到端时延的一半。

    总结

    端到端时延由三个主要部分组成:

    • 沿链路的传播时延(固定)
    • 将数据包放到链路上的包装时延(固定)
    • 路由器数据包缓冲区中的排队时延(不定)

    3、播放缓冲区

    问题描述

    有一些应用程序必须关心排队时延,特别是例如流视频和语音等实时应用程序。基本上,因为这些应用程序无法确切地知道数据包何时出现,所以它们不能确定能否及时提供语音或视频样本给用户。因此,它们在所谓的播放缓冲区中积累了很多数据包。通过预先积累数据包,可以防止某些数据包没有及时到达而影响体验的情况。
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    在设计播放缓冲区的时候,必须考虑缓冲区能走多远。
    在这里插入图片描述
    假设我们使用下图中右边的笔记本观看来自左边服务器上的视频。为了方便,服务器的传输速率(单位时间内被送到链路上的比特数)为1Mb/s,路径上只有3个路由器。下面的函数图中,自变量为时间,因变量为累计的字节数。左边的函数为服务器随时间发送的字节数,因为传输速率恒定,所以显然是线性函数。右边的曲线为笔记本累计接收到的字节数,由于排队时延的不定性,因此函数呈无规则曲线状。
    两曲线间的水平距离表示每个特定的字节从它被发送到它被接收的总时延。由于排队时延的不定性,因此总时延也是不定的。两曲线间的竖直距离表示还在传输路径上的字节数。
    从图中我们还可以获取很多有用的信息。首先,端到端的总时延不能小于分组时延和传播时延,因此两曲线间的水平距离有一个下限。然后,它还有一个上限。因为每个路由器的缓冲区都是有限大小的,所以可以假设一个数据包经过每一个路由器时都排了最长的队,将这些最大值添加到总时延中就得到了上限。但是上限没什么用,因为它通常非常非常大。最后,对于右边的接收曲线,它每一点的斜率都为正且不应超过最后一个路由器到笔记本之间的链路的数据率。
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    最右边的直线表示随时间播放的字节数。中间的黄线表示的是一个特定字节从开始发送到开始播放之间的时延。
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    下图的水平黄线表示的是一个特定字节已缓冲的时间。
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    同理,竖直黄线表示的是当前缓冲区中的使用量。从图中可以看出,一开始缓冲区里的字节一直在积累,然后随着视频开始播放,积累的字节数开始减少,缓冲区甚至差点空了,幸运的是缓冲区里的字节数又开始增多了,最终一切顺利。
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    粗略地看一下客户端的内部,playback point指向的是已到达的位置,它就是视频播放器中进度条上的点。从播放缓冲区中取出字节后,将它们交给视频解码器,最终在屏幕上播放。
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    下面看一个糟糕的情况。如果我们在播放第一个字节前没有等待足够长的时间,就会导致缓冲区生产的速度低于消费的速度,缓冲区变空,意味着我们没有要解码并在屏幕上播放的字节。
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    客户端要怎么做呢?它必须让缓冲区更大一些,并重新缓存。为了做到这一点,屏幕会被“冻结”,等待一些字节积累,然后它才能继续播放。
    在这里插入图片描述

    总结

    • 在分组交换中,端到端的延迟是可变的
    • 我们使用播放缓冲区来吸收这种变化
    • 我们可以把播放缓冲区设得很大,但是这也会导致我们等待缓冲区被填充的时间变长,也就是我们不得不延迟我们开始观看视频的时间
    • 因此,应用程序会估计延迟,设置延迟缓冲区,并在延迟改变时调整缓冲区大小。

    4、队列模型

    简单的确定性队列模型

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    A(t):到时间t为止累计到达的字节数
    Q(t):t时刻队列中的字节数
    D(t):到时间t为止累计离开的字节数
    如图,这就像一个水桶,上面有水流入,下面有水流出,中间的部分就是累计量,即队列。
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    上图使用的是存储转发模型。
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    看一个例子:
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    上图中的平均值计算可以用积分,结果是一样的。

    小型数据包减少了端到端的延迟

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    上图右边的表达式的第二项严格来讲应该为 ( M P − 1 ) ∗ r 3 (\frac{M}{P}-1)*r_3 (PM1)r3,因为第1个数据包已经计算在第一项中了,不过这里不影响理解。从左图中可以看出,如果整个报文以一个数据包发出,在开始第2段链路传输时,必须等待所有比特到达;而如果分成更小的数据包,那么每个数据包都是独立传输,不必等待其它数据包,这样就形成了流水线的效果,增强了并行性,减少了端到端延迟。

    统计复用

    如图,如果所有链路都以全速率R运行,那么输出链路将不堪重负,并且很快开始丢弃数据包。实际上,将有NR的速率输入,而只有R的输出速率。但由于统计复用和到达的突发性,如果平均速率较低,我们有可能避免这种情况。
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    下面有两条不同的链路输入同一个路由器,其中一个的比特率为A,另一个为B,输出链路的比特率为C。从图中可以看出,两峰重叠的时刻是很少的。
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    将两者的速率相加,因为峰值没有重叠,所以加起来的和小于两曲线的最值和。注意这里我们没利用缓冲区的存在这一条件。
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    下图考虑R‘,这时,输出顶不住输入的压力,会讲多的部分放入缓冲区中。
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    总结

    • 通常,我们可以使用简单的确定性队列模型来理解网络中的包动态
    • 我们将消息分成数据包,因为它允许我们通过流水线传输消息,并减少端到端的延迟
    • 统计复用使我们能够在一个链路上高效地传输多个流

    5、有用的队列特性

    通常情况下,到达过程是复杂的,所以我们通常使用随机过程来建模。
    研究具有随机到达过程的队列称为排队论
    具有随机到达过程的队列有一些有趣的特性。

    队列随时间的变化

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    蓝色箭头表示一个数据包到达,红色箭头表示离开,队列的占用情况由最下方的Q(t)和数字表示。图中的虚线红箭头表示队列为空时不能发送数据包。

    队列属性1:突发性到达会增加延迟

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    假设这是一个均匀到达的数据包序列,如图,每1秒到达一个数据包,在这种情况下,队列占用为0或1,即小于等于1,平均占用情况介于0和1。
    在这里插入图片描述
    和刚刚类似,到达链路和输出链路的数据率都不变,不过这一次是每N秒会有来自N个不同链路上的N个数据包同时到达(突发性),队列的占用情况Q(t)如图所示。可以看到,范围变大了,为0-5,并且整个过程一直在变化,均值和方差都变大了。
    总的来说,突发性到达会增加延迟,虽然这个简单的例子不能真正证明这一点,但我们也可以从直观上了解到它。

    队列属性2:确定性使延迟最小化

    这和第1个属性是刚好平衡的。随机到达的平均等待时间比简单的周期性到达要长。

    队列属性3:Little’s Result

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    λ为平均到达速率,L为平均队列长度,d为平均排队延迟。上面看似简单的结论适用于任何没有客户丢失或被丢弃的队列。

    泊松过程

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    泊松是许多独立随机事件的集合,例如

    • 新到达电话交换机的电话呼叫
    • 许多独立核粒子的衰变
    • 电路中的散粒噪声

    它使数学变得容易

    警示

    1. 网络流量非常具有突发性
    2. 数据包到达不是泊松分布的
    3. 但它很好地模拟了新流量的到来

    M/M/1队列

    在这里插入图片描述
    第1个M:Markovian arrival process(马尔可夫到达过程),在这里是泊松过程
    第2个M:Markovian service process(马尔可夫服务过程),在这里是指数过程
    1:1个服务者,即图中为队列服务的输出链路
    这个模型很简单,但也经常用来模拟各种复杂的排队系统。
    平均排队延迟: d = 1 μ − λ d=\frac{1}{μ-λ} d=μλ1
    可以看出,随着负载的增加,即 λ u \frac{λ}{u} uλ越趋近于1,平均延迟会越来越大
    由Little’s Result, L = λ d L=λd L=λd,所以 L = λ u − λ = λ u 1 − λ u L=\frac{λ}{u-λ}=\frac{\frac{λ}{u}}{1-\frac{λ}{u}} L=uλλ=1uλuλ,当λ逐渐增加越趋近于u,队列就越来越长,延迟就越来越大。
    因此,尽管M/M/1永远不可能是实际排队系统的队列占用率或平均延迟的性能度量,但它仍为我们提供了很好的直观感受。

    总结

    队列特性

    • 突发性到达会使延迟增加
    • Little’s Result L = λ d L=λd L=λd

    数据包的到达不是泊松的,但一些事件是,例如web请求和和一些新流量到达
    M/M/1队列是一个简单的队列模型

    6、分组交换机的工作方式(1)

    通用分组交换机

    在这里插入图片描述
    一个数据包到达后,先通过转发表查询目的地址对应的输出链路,然后可能要更新数据包的头信息(例如,对于互联网路由器,TTL要减1,然后重新计算校验和),接下来可能要在缓冲区中排队,轮到它后才被发送到输出链路。

    下面看看多个数据包的情况。
    在这里插入图片描述
    如图,红色的数据包会选择从红色圆点出去,蓝色数据包会从蓝色圆点出去,圆点表示链路。
    在这里插入图片描述
    如图,蓝色数据包被送出,红色数据包的一个被送出,另一个进入缓冲区排队。
    在这里插入图片描述
    一旦前面的数据包离开了,它就可以继续向前传输了。

    以太网交换机

    1. 检查每个到达帧的报头
    2. 如果以太网目标地址在转发表中,则转发帧到正确的输出端口
    3. 如果以太网目标地址不在表中,则广播帧到所有端口(帧到达的端口除外)
    4. 表中的条目是通过检查到达包的以太网源地址

    互联网路由器

    1. 如果到达帧的以太网目的地址(MAC地址)属于路由器,接受帧;否则丢弃
    2. 检查数据报的IP版本号和长度
    3. 减少TTL,更新IP报头校验和
    4. 检查TTL是否为0
    5. 如果IP目的地址在转发表中,则转发到下一跳的输出端口
    6. 找到下一跳路由器的以太网目的地址(ARP协议)
    7. 创建一个新的以太网帧并发送它

    基本操作

    1. 查找地址:在转发表中如何查找地址?
    2. 交换:如何将数据包发送到正确的输出端口?

    查找地址:以太网

    完全匹配:
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    查找地址:IP

    最长前缀匹配:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    最长前缀匹配的实现1:Trie树

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    这有点像哈夫曼树,0往左走,1往右走,可以到达唯一的叶节点。如果我们到达一个叶子结点发现那里为空,则回退到最近的匹配点

    最长前缀匹配的实现2:TCAM

    在这里插入图片描述
    连续X前面的位表示需要匹配的前缀,X表示表示无需匹配。掩码用来说明这一点。用这个实现的匹配是暴力匹配,即和表中的每一项都要去匹配。

    查找地址:通用

    现在的分组交换机被设计为可以完成不同层上的转发任务。
    在这里插入图片描述

    总结

    分组交换机执行两种基本操作:

    • 在转发表中查找地址
    • 切换到正确的输出端口

    在高层次上,以太网交换机和因特网路由器执行类似的操作
    地址查找在交换机和路由器中表现得非常不同

    7、分组交换机的工作方式(2)

    输出队列的分组交换

    如图,在每个输出链路上都有缓冲区,当发生拥塞时数据包被缓存在此。
    在这里插入图片描述
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    当前面的数据包离开后它才能离开。(FIFO)
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    考虑非常糟糕的情况,所有链路上同时到达的数据包都想从同一条链路输出。
    在这里插入图片描述
    假设所有链路的数据率均为R,则对于队列来说,输入速率为NR,输出速率为R,对于这块内存来说,它的总运行速率就要为(N+1)R。当N可能非常非常大时,建立可伸缩的队列内存是极为困难的。我们期望的总速率应该是2R,即输入R,输出R。

    输入队列的分组交换

    解决上述问题的一种方法是将队列移动到输入中。
    在这里插入图片描述
    和刚刚一样的例子:
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    另一个红色数据包被缓存:
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    当前面的包离开后,它才能继续:
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    这里的好处在于,同一时间队列中只会有一个数据包(不可能有多个数据包同时从一条链路上到达),这样一来输入的速率为R,输出速率为R,那么总速率就从(N+1)R减少为了我们期望的2R。
    但这个办法同样有问题。

    队头阻塞

    如图为所有链路的输入队列情况,此时所有队列的队头数据包都想要从红色链路输出。
    1.
    在这里插入图片描述
    2.
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    3.
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    尽管队列中有要发送到其它链路的数据包,但由于队头元素的阻塞,导致这一轮发不出去。

    虚拟输出队列

    解决队头阻塞的一个办法是使用虚拟输出队列,其中每个输入为每个输出维护一个单独的队列。
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    如图,三个输入,三个输出,因此在每个输入中有三个队列。
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    如图,对每个输入中的数据包,根据要输出的链路分别安排在对应的队列中。
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    这样一来,就不会发生队头阻塞了。
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    虚拟输出队列实际上在生活中很常见,如图,左转车道的车在对面有车过来时不能通行,即被阻塞,而右边的直行车道和右转车道上的车都不受影响。
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    总结

    分组交换机执行两种基本操作:

    • 在转发表中查找地址
    • 切换到正确的输出端口

    最简单和最慢的交换机使用输出队列,这将使数据包延迟最小化
    高性能交换机通常使用输入队列,通过虚拟输出队列来最大化吞吐量

    8、严格的优先级和有保证的流量率

    展开全文
  • 本文给大家介绍了电路交换与分组交换的区别。
  • 主要为大家介绍了分组交换技术的含义、分组交换和其他交换的比较、分组交换的组成、网络结构、及应用范围,需要的朋友可以参考下
  • 本文主要对一个多重访问的计算机分组交换排队网路运行应答时间的受约情况进行了描述。提出了一个较完善的分组排队网路的最小成本算法;并对该算法的复杂度进行了分析。最后,在附录中,提供了相关的定理和证明,可供...
  • 通过仿真实验的方法,研究了B-Reno协议在分组交换网络中的性能。实验使用了不同的网络拓扑和链路参数,全面考察了B-Reno的吞吐率和TCP友好性,并将实验结果与其他TCP协议版本相比较。实验结果显示,B-Reno在分组交换...
  • 电路交换、报文交换、分组交换

    万次阅读 2020-11-26 17:40:14
    文章目录电路交换概念过程特点缺点分组交换概念过程特点优点缺点报文交换概念三种交换技术对比 电路交换 概念 在电话问世后不久,人们就发现,要让所有的电话机都两两直接相连是不现实的。 (a) 两部电话只需要用一对...

    电路交换

    概念

    在电话问世后不久,人们就发现,要让所有的电话机都两两直接相连是不现实的。
    (a) 两部电话只需要用一对电线就能够互相连接起来。
    (b) 但若有 5 部电话要两两相连,则需要 10 对电线。显然,若 N 部电话要两两相连,就需要 N(N-1)/2 对电线。当电话机的数量很大时,这种连接方法需要的电线数量就太大了,难以实现。
    (c) 后来,人们认识到,要使得每一部电话能够很方便地和另一部电话进行通信,就应当使用电话交换机将这些电话连接起来。交换机使用交换的方法,让电话用户彼此之间可以很方便地通信。电话交换机使用的就是电路交换(circuit switching)
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    交换(switching)就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

    过程

    建立连接(占用通信资源)→ 通话(一直占用通信资源)→ 释放连接(归还通信资源)

    特点

    在通话的全部时间内,通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

    缺点

    1. 电路交换的平均建立时间对计算机通信来说嫌长。
    2. 电路交换建立连接后,物理通路被通信双方独占,即使此时不进行数据传输(通信线路空闲),也不能供其他用户使用,因而线路利用率低。
    3. 电路交换时,数据直达,不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信,也难以在通信过程中进行差错控制。

    分组交换

    概念

    分组交换采用存储转发技术。如下图所示,把一个报文划分为几个分组后再进行传送。
    每一个数据段前面,加上一些由必要的控制信息组成的首部(header)后,就构成了一个分组(packet)。分组又称为“包”,而分组的首部也可以称为“包头”。分组是在互联网中传送的数据单元。分组中的“首部”是非常重要的,正式由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息,每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径,并被正确地交付到分组传输地终点。
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    过程

    主机是为用户进行信息处理的,并且可以和其他主机通过网络交换信息。
    路由器则是用来转发分组的,即进行分组交换的。
    路由器收到一个分组,先暂时存储一下,检查其首部,查找转发表,按照首部中的目的地址,找到合适的接口转发出去,把分组交给下一个路由器。这样一步一步地(有时会经过几十个不同的路由器)以存储转发的方式,把分组交付最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息,以便创建和动态维护路由器中的转发表,使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新。
    在这里插入图片描述

    特点

    分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的链路的通信资源。分组在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源,如,主机 H1 将分组发送给路由器 A 时,只占用 H1-A 这条通信线路,其他线路可以同时进行其他分组转发。
    分组到达一个路由后,先暂时存储下来,查找转发表,然后从一条合适的链路转发出去。分组在传输时就这样一段一段地断续占用通信资源,而且还省去了建立连接和释放连接地开销,使得通信线路地利用率大大提高。

    优点

    在这里插入图片描述

    缺点

    分组交换也带来一些新的问题。例如,分组在各路由器存储转发时需要排队,这就造成了一定的延时。此外,由于分组交换不像电路交换那样通过建立连接来保证通信时所需的各种资源,因而无法确保通信时端到端所需的带宽。
    分组交换带来的另一个问题是各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销(overhead)。整个分组交换网还需要专门的管理各控制机制。

    报文交换

    概念

    从本质上讲,分组交换这种断续分配传输带宽的存储转发原理并非是完全新的概念。自古代就有的邮政通信,就其本质来说也属于存储转发方式。而在 20 世纪 40 年代,电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。在报文交换中心,一份份电报被接收下来,并穿成纸带。操作员以每份报文为单位,撕下纸带,根据报文的目的站地址,拿到相应的发报机转发出去。这种报文交换的时延较长,从几分钟到几小时不等。现在报文交换已不使用了。分组交换虽然采用了这个古老的交换原理,但是由于计算机的算力加持,实际上已经变成了一种崭新的交换技术。

    三种交换技术对比

    电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点,好像在一个管道中传送。
    报文交换——整个报文先传送到相邻节点,全部存储下来后查找转发表,转到下一个结点。
    分组交换——单个分组(这只是整个报文地一部分)传送到相邻结点,存储下来后查找转发表,转发到下一个结点。
    在这里插入图片描述
    从上图可以看出,若要连续传送大量的数据,且其传送时间远大于连接建立时间,则电路交换的传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽,在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度,因此分组交换比报文交换的时延小,同时也具有更好的灵活性。

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    谈到网络通信,就不得不说一下分组交换,因为网络通信就是使用的分组交换技术。而为了弄清分组交换,我们必须了解一下电路交换。 电路交换 所谓交换,我理解的就是指双方通信时,数据的交换。数据传输的方式有几种...

    谈到网络通信,就不得不说一下分组交换,因为网络通信就是使用的分组交换技术。而为了弄清分组交换,我们必须了解一下电路交换。

    电路交换

    所谓交换,我理解的就是指双方通信时,数据的交换。数据传输的方式有几种,而电路交换便是其中的一种。

    1.原理

    假如A和B之间要通信,如果采用电路交换的方式,那么首先要找到从A到B的一条可行路径,建立好传输通道,然后再进行数据的传输。我们把找到一条可行路径并建立会话的过程,称为电路交换的第一阶段--建立连接。之后A和B在通信的过程中会始终霸占着这条路径,数据传输的过程称为电路交换的第二阶段--数据传输。接着,双方通信完毕,就会进入电路交换的第三阶段,也就是最后一个阶段--释放连接。通过图片会更加容易理解其过程:

    2.应用

    电路交换应用在我们熟悉的打电话的场景。在使用电话交换线路之前,必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到交换机送来的振铃音并摘机后,从主叫端到被叫端就建立了一条连接,也就是一条专用的物理线路,然后双方才能进行正常通话,直到有一方挂断了电话。整个过程经历了"建立连接(占用通信资源)->数据传输(通话过程一直占用通信资源)->释放连接(归还通信资源)"三个步骤。

    3.分析

    电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内,通话的两个用户始终占用端到端的通信资源,而已被占用的通信线路资源又在绝大部分时间里是空闲的,这造成传输效率往往很低。所以,电路交换的缺点很明显,通信资源利用率低。而优点是数据传输速度快,实时到达。

    好了,了解电路交换之后,接下来详细说一下分组交换。这时候我们可以思考下,网络通信采取电路交换应该是怎么样的?

     

    分组交换

    提到分组交换,必须要先说一下路由器,路由器是实现分组的关键构件,其任务是转发收到的分组。如果还不知道路由器是什么的,可以先去了解一下。

    1.分组的概念

    我们把要发送的整块数据称为报文,在发送报文之前,先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段,在每一个数据段前面,加上一些由必要的控制信息组成的首部(header),就构成了一个分组(packet)。分组是在互联网中传送数据的单元。分组中的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息,每一个分组才能在互联网中独立地选择传送路径,并被正确地交付到分组传输的终点。

    2.原理

    互联网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成的,而主机处在互联网的边缘部分。分组交换的核心是采用存储转发技术,把一个报文划分为几个分组后再利用路由器来进行转发。路由器收到一个分组,先暂时存储一下,检查其首部,查找转发表,按首部中的目的地址,找到合适的接口转发出去,把分组交给下一个路由器。这样一步一步地以存储转发的方式,把分组交付给最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换批次掌握的路由信息,以便创建和动态维护路由器中的转发表,使得转发表能够在网络拓扑发送变化时及时更新。

    当主机H1向H5发送数据时,H1->A->C->E->H5或H1->A->B->E->H5,根据某个路由器的繁忙程序选择合适的路由把数据传给H5主机(网络拓扑的存在)。需要注意的是,当分组在H1和A之间传送时,只占用H1->A这条链路,其他链路均不占用。当数据在A->B之间传送时,H1->A又可以被其他分组占用。分组在传输时这样一段一段地占用通信资源,而且省去建立连接和释放连接的开销(路由器会查找转发表,来寻找合适的链路),因此数据的传输效率更高。

    3.特点 

    从分组交换的机制,我们可以看出以下几个特点:

    • 每个分组的首部都携带有目的地址和源地址等重要控制信息,可以独立地选择传送路径,也就是说每个分组可能走不同的路径到达目的主机。
    • 无法保证分组到达目的主机的时序性,无法保证某个分组一定比另外一个分组先到达或者后达到。
    • 路由器的容量是有限的,分组有可能被路由器丢弃。
    • 路由器解析分组携带的控制信息会造成一定开销,分组在路由器中排队转发,有一定时延。

    4.分析

    路由器暂时存储的是一个个短的分组,而不是整个报文。分组在路由器的内存中而不是在磁盘中。这就保证了较高的交换效率。分组交换的优点:

    • 高效:动态分配传输带宽,对通信链路是逐段占用
    • 灵活:分组独立选择合适的路由
    • 迅速:可以不建立连接就能向其他主机发送数据
    • 可靠:保证可靠的网络协议;分布式多路由的分组交换网,使网络有很好的生存性

    分组交换的缺点:

    分组交换会带来一些时延,因为分组在路由器存储转发时需要排队。分组携带的控制信息也造成了一定的开销。

     

    总结一下:分组是将报文分为一个个小的数据段;交换指分组在各个路由器之间相互转发。

     

     

     

    参考:https://blog.csdn.net/ma2595162349/article/details/91406690

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    电路交换

    电路交换要在通信双方建立一条被双方独占的物理通路,主要是 建立连接----> 通信---->  释放连接三个过程。

    优点

    (1)由于通信线路为通信双方用户专用,数据直达,所以传输数据的时延非常小

    (2)通信双方之间的屋里通路一旦建立,双方可以随时通信,实时性强。

    (3)双方通信时按发送顺序传送数据,不存在失序问题。

    (4)电路交换既适用于传输模拟信号,也适用于传输数字信号。

    (5)电路交换的交换设备及控制均比较简单。

    缺点

    (1)电路交换平均连接建立时间对计算机通信来说较长。

    (2)电路交换家里连接后,物理通路被通信双方独占,即使通信线路空闲,也不能供其他用户使用,因而信道利用率低。

    (3)电路交换时,数据直达,不同类型,不同规格,不同速率的终端很难相互进行通信,也难以在通信过程中进行差错控制。

    报文交换

          报文交换是以报文为数据交换的单位,采用存储---转发的交换方式,即将到达交换机的报文先送到存储器暂时存储和处理,等到相应的输出电路有空闲时再送出。报文携带有目标地址,源地址等信息。

    优点:

    (1)报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路,不存在连接建立时延,用户可随时发送报文。  

    (2)由于采用存储转发的传输方式,使之具有下列优点:

        a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施,加之交换结点还具有路径选择,就可以做到某条传输路径发生故障时,重新选择另一条路径传输数据,提高了传输的可靠性;

        b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配,甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信;

        c.提供多目标服务,即一个报文可以同时发送到多个目的地址,这在电路交换中是很难实现的;

        d.允许建立数据传输的优先级,使优先级高的报文优先转换。

    (3)通信双方不是固定占有一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路,因而大大提高了通信线路的利用率。  

    缺点:  

    (1)由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程,从而引起转发时延,网络的通信量愈大,造成的时延就愈大,因此报文交换的实时性差,不适合传送实时或交互式业务的数据。  
    报文交换只适用于数字信号。  

    (2)由于报文长度没有限制,而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文,当输出线路不空闲时,还可能要存储几个完整报文等待转发,要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本,减少结点的缓冲存储器的容量,有时要把等待转发的报文存在磁盘上,进一步增加了传送时延
     

    分组交换:

        分组交换是基于报文交换,将报文划分为更小的数据单位。以分组为单位进行传输和交换的,它同样采用种存储—转发交换方式。

    优点

    除了具有报文交换的优点外,还有以下优点:

    (1)加速了数据在网络中的传输。因而分组是逐个传输,可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行,这种流水线式传输方式减少了传输时间。

    (2)分组长度固定,相应的缓冲区的大小也固定,所以简化了交换节点中存储器的管理。

    (3)分组较短,出错几率减少,每次重发的数据量也减少,不仅提高了可靠性,也减少了时延。

    缺点:

    (1)由于数据进入交换节点后要经历存储转发这一过程,从而引起的转发时延(包括接受分组、检验正确性、排队、发送时间等),而且网络的通信量越大,造成的时延就越大,实时性较差

    (2)分组交换只适用于数字信号。

    (3)分组交换可能出现失序,丢失或重复分组,分组到达目的节点时,对分组按编号进行排序等工作,增加了麻烦。

    总之,若要传送的数据量很大,且其传送时间远大于呼叫时间,则采用电路交换较为合适;当端到端的通路有很多段的链路组成时,采用分组交换传送数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看,报文交换和分组交换优于电路交换,其中分组交换比报文交换的时延小,尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。传输时延:报文交换>分组交换>电路交换。

    信元交换

    信元交换又叫异步传输模式(ATM,Asynchronous Transfer Mode),是一种使用异步 时分多路复用 的面向分组交换的传输方式。结合了电路交换技术延迟小和 分组交换技术 灵活的优点

    ATM交换中的信元交换与电路交换中的 时隙交换 的根本区别要从各自交换的特征去区别: 

    ATM交换的特征有:

     1)采用固定长度的短分组 

    2)采用 统计复用 方式,异步时分多路复用

     3)采用面向连接并预约传输资源的方式工作 

    4)取消逐段链路的差错控制和流量控制 

    5)ATM信头的功能被简化 信元交换是综合电路交换和分组交换的优点综合发展而来的。 

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空空如也

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