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  • 数据交换 网络核心解决的基本问题:通过数据交换来实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机。 为什么需要数据交换?如果两台主机需要通信的话,最直接的方法是使用通信链路连接任意一对主机,这会导致 N2N^2N2 ...

    数据交换

    网络核心解决的基本问题:通过数据交换来实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机。

    为什么需要数据交换?如果两台主机需要通信的话,最直接的方法是使用通信链路连接任意一对主机,这会导致 N2N^2 链路问题,在成本和技术方面都是不可行的;如果将每台主机与一台交换设备相连,这样每台主机仅需要一条链路,交换设备可以实现这些主机之间的数据转发,但局限于网络规模及主机间的距离;为了保证连通性并且适应不同的网络规模,于是将交换设备互连在一起形成交换网络,主机与交换网络中的某台交换设备相连,交换网络负责将数据转发至目的主机。
    在这里插入图片描述

    数据交换从技术分类上来看,可以大致分为三大类:电路交换、报文交换、分组交换。

    电路交换

    最典型电路交换网络:电话网络
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    电路交换的三个阶段:
    (1)建立连接(呼叫、电路建立)
    (2)通信
    (3)释放连接(拆除电路)

    电路交换在通信过程中最显著的特点是资源独占,通信连接通过多路复用技术(Multiplexing)来共享中继线,因此电路交换网络才能够同时进行多路通信。

    多路复用技术

    多路复用(Multiplexing),简称复用,将链路、网络资源(如带宽)划分为“资源片”,将资源片分配给各路通信,每路通信独占其分配到的资源片进行通信。
    也就是说资源独占其实是多路复用技术的特点,电路交换网络由于采用了多路复用技术,所以也具有资源独占的特点。
    在这里插入图片描述

    缺点:由于资源片被独占,当建立的连接不使用该资源传输数据时,这样的资源片被闲置(idle)。

    典型的多路复用技术:频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用。

    频分多路复用 FDM

    频分多路复用(Frequency-division multiplexing,FDM),是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道,每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术(共享时间)
    用户在分配到一定的频带后,在通信过程中始终都占用这个频带,例如下图中四个不同颜色代表四个用户所占用的频带。
    在这里插入图片描述

    时分多路复用 TDM

    时间域被分成周期循环的等长的时分复用帧(TDM 帧),每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙,每个用户所占用的时隙是周期性出现(其周期就是 TDM 帧的长度)。
    时分多路复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度(共享信道的频率)
    在这里插入图片描述

    波分多路复用 WDM

    波分复用就是光的频分复用,波分复用的实质就是频分复用。

    码分多路复用 CDM

    CDM 与 FDM(频分多路复用)和 TDM(时分多路复用)不同,它划分编码空间,它既共享信道的频率,也共享时间,是一种真正的动态复用技术。码分多路复用广泛应用于无线链路共享,如蜂窝网、卫星通信等。
    每个用户分配一个唯一的 mm 比特码片序列(chipping sequence),其中 “0” 用 “-1” 表示,“1” 用 “+1” 表示,各用户使用相同频率载波,利用各自码片序列编码数据,编码信号=(原始数据)× (码片序列):

    • 发送比特 1(+1) 时站点就发送码片序列;
    • 发送比特 0(-1) 时就发送码片序列的反码。

    当两个或多个用户同时发送时,各路数据在信道中被线性相加。为了从信道中分离出各路信号,要求各用户的码片序列是相互正交的,即对任意两个用户的码片序列 Si,SjS_i,S_j,应满足:
    1mSiSj={1,i=j0,ij           1mSiSj={1,i=j0,ij \frac{1}{m}S_i \cdot S_j = \left\{ \begin{array}{ll} 1, & i=j \\ 0, & i \neq j \end{array} \right. \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \frac{1}{m}S_i \cdot \overline{S_j} = \left\{ \begin{array}{ll} -1, & i=j \\ 0, & i \neq j \end{array} \right. 其中 Sj\overline{S_j} 是码片序列 SjS_j 的反码。

    {di}\{d_i\} 为发送的原始数据序列,各用户的叠加向量为:
    P=i=1NdiSi P=\sum_{i=1}^{N}d_i \cdot S_i 接收用户利用发送用户的码片序列与信道中的叠加向量进行内积运算,就可以得到对应用户发送的数据(解码):
    1mSiP={1,SiP1SiP0,Si,SiP \frac{1}{m}S_i \cdot P= \left\{ \begin{array}{ll} 1, & S_i \in P \\ -1 & \overline{S_i} \in P \\ 0, & S_i,\overline{S_i} \notin P \end{array} \right. 举例:
    在这里插入图片描述

    报文交换

    报文指源主机(应用)发送的信息整体,如一个文件,报文整个地发送,一次一跳,报文交换是分组交换的前身

    每一个结点接收整个报文,检查目标结点地址,然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。经过多次的存储——转发,最后到达目标,因而这样的网络叫存储——转发网络。其中的交换结点要有足够大的存储空间(一般是磁盘),用以缓冲收到的长报文
    在这里插入图片描述

    分组交换

    分组:报文分拆出来的一序列相对较小的数据包,在拆分出的原始数据加上头部信息形成一个分组。因此,分组交换需要报文的拆分(源主机处)和重组(目的主机处),也会产生额外开销。

    分组交换采用的是统计多路复用(Statistical Multiplexing)各用户所占用的共享链路带宽并不是事先分配好的,而是采用动态分配带宽的方式:对于分组队列中的每一个分组,都是使用链路的全部带宽进行传输;但从统计角度来说,如果某用户发送的数据多,那么它所占用的共享链路带宽也要多,即按需共享链路
    在这里插入图片描述

    分组交换与报文交换都采用了存储-转发交换方式:

    • 报文交换以完整报文进行“存储-转发”
    • 分组交换以较小的分组进行“存储转发”
    • 分组交换中的交换节点(路由器)大部分时间可以并行地转发分组,而报文交换只能串行转发报文,且分组交换交换节点所需的缓冲空间要小于报文交换,从这点来看,分组交换要优于报文交换。

    分组交换与电路交换

    • 电路交换采用 FDM、TDM 等多路复用技术,而分组交换采用的是统计多路复用。
    • 分组交换允许更多用户同时使用网络,网络资源充分共享,因此分组交换适用于突发数据传输网络。
    • 分组交换无需呼叫建立、拆除,技术相对简单。
    • 分组交换可能产生拥塞:分组延迟和丢失,需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制。
    • 电路交换是面向语音实时交互通信提出的,在分组交换网络中实现电路级性能保障还有很多问题需要解决。
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  • 数据交换技术

    2013-07-16 00:31:31
     从交换技术的发展历史看,数据交换经历了电路交换、报文交换、分组交换和综合业务数字交换的发展过程。分组交换实质上是在“存储—转发”基础上发展起来的。它兼有电路交换和报文交换的优点。  常说的分组交换也...

    广域网研究的重点就是宽带核心交换技术。

           从交换技术的发展历史看,数据交换经历了电路交换报文交换、分组交换和综合业务数字交换的发展过程。分组交换实质上是在“存储—转发”基础上发展起来的。它兼有电路交换报文交换的优点。

          常说的分组交换也就是存储-转发方式中的报文分组交换方式。包括数据包方式和虚电路方式。数据报类似与报文交换不需要建立线路,虚电路类似与电路交换需要建立线路。

    分组交换数据网是由分组交换机、网路管理中心、远程集中器、分组装拆设备以及传输设备等组成。

    1.电路交换

    电路交换就是计算机终端之间通信时,一方发起呼叫,独占一条物理线路。当交换机完成接续,对方收到发起端的信号,双方即可进行通信。在整个通信过程中双方一直占用该电路。它的特点是实时性强,时延小,交换设备成本较低。但同时也带来线路利用率低,电路接续时间长,通信效率低,不同类型终端用户之间不能通信等缺点。电路交换比较适用于信息量大、长报文,经常使用的固定用户之间的通信。

    2.报文交换

    将用户的报文存储在交换机存储器中。当所需要的输出电路空闲时,再将该报文发向接收交换机终端,它以“存储——转发”方式在网内传输数据。报文交换的优点是中继电路利用率高,可以多个用户同时在一条线路上传送,可实现不同速率、不同规程的终端间互通。但它的缺点也是显而易见的。以报文为单位进行存储转发网络传输时延大,且占用大量的交换机内存和外存,不能满足对实时性要求高的用户报文交换适用于传输的报文较短、实时性要求较低的网络用户之间的通信,如公用电报网。

    3.分组交换

    分组交换实质上是在“存储——转发”基础上发展起来的。它兼有电路交换和报文交换的优点。分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为许多小段的数据——分组。每个分组标识后,在一条物理线路上采用动态复用的技术,同时传送多个数据分组。把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内,接着在网内转发。到达接收端,再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。分组交换比电路交换的电路利用率高,比报文交换的传输时延小,交互性好。

    4.异步传输模式

    综合业务数字网是集语音、数据、图文传真、可视电话等各种业务为一体的网络,适用于不同的带宽要求和多样的业务要求。异步传输模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)就是用于宽带综合业务数字网的一种交换技术。ATM是在分组交换基础上发展起来的。它使用固定长度分组,并使用空闲信元来填充信道,从而使信道被等长的时间小段。由于光纤通信提供了低误码率的传输通道,因而流量控制和差错控制便可移到用户终端网络只负责信息的交换和传送,从而使传输时延减小。所以ATM适用于高速数据交换业务。

    进网方式

    电话拨号入网:用户采用X.28规程或X.32规程,用一个调制解调器通过公用电话网(PSTN)连到分组交换网上。
    专线入网:专线用户可租用市话模拟线或数字数据专线,采用X.28或X.25规程。方便地进入CHINAPAC。CHINAPAC向用户提供两种基本业务功能:
    交换虚电路——指在两个用户之间建立的临时逻辑连接。
    永久虚电路——指在两个用户之间建立的永久性的逻辑连接。用户一开机,一条永久虚电路就自动建立起来了



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  • 一、数据交换技术 是什么 数据交换技术是实现网络边缘的主机在大规模网络核心进行数据交换的基础 网络边缘:连接到网络的所有端设备(包含主机) 网络核心:交换节点(如路由器)及传输介质(通信链路)的集合,也称为...

    一、数据交换技术

    是什么
    数据交换技术是实现网络边缘的主机在大规模网络核心进行数据交换的基础

    • 网络边缘:连接到网络的所有端设备(包含主机)
    • 网络核心:交换节点(如路由器)及传输介质(通信链路)的集合,也称为通信子网

    网络如图所示:
    在这里插入图片描述
    通俗理解下,数据交换技术是为了让两台主机进行数据传输,消息交换

    二、数据交换技术三种方式

    2.1电路交换

    传输数据三个步骤如图
    在这里插入图片描述

    • 建立电路:通过中间交换结点为两台主机之间建立一条专用物理链路
    • 传输数据:利用电路通信
    • 拆除电路:释放信号经过物理链路各个结点

    最大的电路交换就是电话网络,
    如图所示
    在这里插入图片描述

    电路交换优缺点
    优点

    • 实时性高:电路建立固定速率传输数据
    • 时延较小:中间节点不对数据处理

    缺点

    • 信道利用率低:建立连接为专用电路,没有数据传输也要占用电路
    • 传输速率单一:固定速率传输数据

    综上
    电路交换是有连接的,适用于语音和视频实时性强的业务

    2.2报文交换

    为什么有?
    主机间交换突发性数据,采用电路交换会浪费信道容量,提出报文交换

    什么是?
    报文=数据+发送/接受主机地址及其他控制信息
    以报文为单位在各个节点以存储—转发方法传送

    • 存储——转发:整个报文传送到相邻结点,全部存储后查找转发表,转发下一个结点

    在各个节点传输过程如下
    在这里插入图片描述

    报文交换相对于电路交换的优缺点
    优点:
    信道利用率高:只有报文转发时才占用信道,不存在空闲占用

    缺点:
    时延长:结点缓存报文,报文排队发送
    丢包:当结点缓存满时,便丢弃报文

    2.3分组交换

    是什么

    • 分组是将报文分割成小数据块,每个块上加上地址等控制信息
    • 每个分组独立传输到目的地,在目的地将分组重组,还原成报文

    报文与分组的关系
    在这里插入图片描述
    分组交换的传输过程
    在这里插入图片描述
    相对于报文交换的优缺点
    优点
    1.交换设备存储容量要求低

    • 报文交换缓存整个报文
    • 分组交换只缓存小分组

    2.交换速度快

    • 报文比较大时有可能存储到外存,读取速度低
    • 分组小存储到内存,读取速度块

    3.可靠传输率高

    • 报文出错将重传整个报文
    • 分组只重传小分组

    4.更加公平:

    • 报文交换不公平:如果大小报文沿相同路径到相同目的,并且大报文在前,在交换过程中,小报文只有等到大报文传输完,路由器结点接收,才传送。小报文需要更多的时间到达目的地

    • 分组交换公平:将大小报文全部拆分为分组,独立传送,总体上小报文比大报文先到达目的地

    缺点:
    消耗资源:分组在拆分组装时附加更多控制信息

    三、数据交换技术总结

    在这里插入图片描述
    电路交换

    • 整个数据(报文)的比特流连续从源点到终点

    报文交换

    • 整个报文先送到相邻结点,全部存储后查找转发表,转发到下一结点(等传输完,下一个传输)

    分组交换

    • 单个分组(报文一部分)传送到相邻结点,存储下来后找转发表,转发下一结点(流水线式)

    三种方式的优缺点都是相对于前一个来说的,那么分组交换一定优于电路交换吗?
    不一定,在要求实时性的通信时,电路交换依旧有它的用武之地

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    摘要
    本文主要讲讲网络数据交换技术,从链路资源是否可以共享的角度,主要分别为电路交换和报文交换。

    1. 电路交换
    即通过网络,在两个站点之间建立一条专用的通信线路进行通信的过程。任何两点要进行通信和数据交换之前,必须建立一个物理连接的信道;并且在通信的过程中,该信道一直处于占用状态;直到通信介绍,信道释放。最后,在技术主要应用于电话网络。

    2. 报文交换
    报文和电路交换技术恰好相反——即报文交换不需要在两个站点之间建立专业的信道,换句话说,可以更加有效地利用信道资源。基本原理实际上采用了“存储-处理转发”的机制。报文交换传输的基本单元是报文,报文大小可变,且包含始发IP地址,目标IP地址,生命周期等路由信息。最后,该技术发展变体主要有分组交换(包括各种出错校验重传机制),高速交换(主要用于视频传输,弱化了出错重传等机制)。

    3. 总结
    大体上,网络数据交换技术可以分为两种:电路交换和报文交换。前者通信需要建立专用信道,预留资源;后者通信大家共享同一个信道,资源利用率高,但也较大地会受到网络拥塞,数据包丢失,数据延迟等影响。

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