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  • 计算机网络中的三种交换方式
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    2021-11-02 09:35:52

    计算机网络中的三种交换方式

    一、电路交换

    • 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换;
    • 从通信资源的分配角度来看,交换(switching)就是按照某种方式动态地分配传输路线的资源。
    • 电路交换的三个步骤:
      1. 建立连接(分配通信资源)
      2. 通话(一直占用通信资源)
      3. 释放资源(归还通信资源)

    优点:通信时间少、有序传播、没有冲突、适应范围广、实时性强、控制简单。
    缺点:建立连接时间长、线路独占,使用效率低、灵活性差、难以规格化。

    二、分组交换

    分组交换是目前最常用的交换方式
    分组交换机(路由器):所要完成的任务是缓存分组转发分组,简称为存储转发
    发送方:构造分组,发送分组
    路由器:缓存分组,转发分组
    接收方:接收分组,还原报文

    优点:无需建立连接、线路利用率高、简化了存储管理、加速传输、减少出错概率和重发数据量
    缺点:引起了转发时延、需要传输额外的信息量、对于数据包服务,存在失序,丢失或重复分组的问题;对于虚电路服务,存在呼叫建立,数据传输和虚电路释放三个过程。

    三、报文交换

    报文交换主要用于早期的电报通信网,现在较少使用,通常被较先进的分组交换方式取代。

    优点:无需建立连接、动态分配路线、提高线路可靠性、提高线路利用率、提供多目标服务。
    缺点:引起了转发时延、需要较大存储转发空间、需要传输额外的信息量。

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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 N 2 N^2 N2 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
    在这里插入图片描述

    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 m m m 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 S i , S j S_i,S_j Si,Sj,应满足:
    1 m S i ⋅ S j = { 1 , i = j 0 , i ≠ j             1 m S i ⋅ S j ‾ = { − 1 , i = j 0 , i ≠ j \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. m1SiSj={1,0,i=ji=j           m1SiSj={1,0,i=ji=j其中 S j ‾ \overline{S_j} Sj 是码片序列 S j S_j Sj 的反码。

    { d i } \{d_i\} {di} 为发送的原始数据序列,各用户的叠加向量为:
    P = ∑ i = 1 N d i ⋅ S i P=\sum_{i=1}^{N}d_i \cdot S_i P=i=1NdiSi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):
    1 m S i ⋅ P = { 1 , S i ∈ P − 1 S i ‾ ∈ P 0 , S i , S i ‾ ∉ P \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. m1SiP=1,10,SiPSiPSi,Si/P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。
    展开全文
  • 常见的该类设备电话交换机、程控数字交换系统。 特点:采用面向物理连接的工作方式;采用同步时分复用技术;对用户信息透明传输,电话网对用户的信息不做处理。 优点:传输时延小;传输效率高,不需要添加控制信息...

    1、电路交换

    电路交换是指在呼叫双方在开始通话之前,首先由交换设备在两者之间建立一条专用电路,并且在整个通话期间独占该条电路直到结束。其通信过程一般分为:电路建立阶段、通信阶段、电路拆除阶段三部分。常见的该类设备有电话交换机、程控数字交换系统。

    特点:采用面向物理连接的工作方式;采用同步时分复用技术;对用户信息透明传输,电话网对用户的信息不做处理。
    优点:传输时延小;传输效率高,不需要添加控制信息;编码方式和信息格式不受限制。
    应用场景:这是一种实时性交换,适用于对实时性要求较高的语音通话,如PSTN网络;不利于传输要求较高的突发性数据业务。

    2、报文交换

    报文交换又叫做消息交换,以报文作为传送单元。在这种交换方式中,发送方不需要提前建立起电路,不管接收方是否空闲,可随时向其所在的交换机发送消息。交换机收到的报文消息先存储于缓冲器的队列中,然后根据报文头中的地址信息计算出路由,确定输出线路。

    如下图,一条报文经过的网内路径只有一条,但是相同源点和目的点传送的报文可能会经过不同的网内路径。举个栗子,报文1要从交换机A发送到交换机B,所经过的AB之间的链路只有一条(根据报文头信息确定,此处假设为a),而报文2、3同样也从交换机A发送到交换机,但其经过的路径可能是链路b或者链路c等。
    在这里插入图片描述
    特点:采用存储转发的机制;传输时延大且时延不确定;交换机需要足够大的存储器。
    优点:不需提前建立电路;不必等待接收方空闲,电路利用率高。
    应用场景:适用于电报、信函、文本文件等报文消息。

    3、分组交换

    分组交换是将用户的消息划分为一定长度的数据分组,然后在分组数据上加上控制信息和地址,然后经过分组交换机发送到目的地址,如下图。分组交换分成虚电路Virtual Circuit和数据报Datagram两种,在第4点对比中会详细讲到。

    在分组交换中,终端还分为分组型终端和非分组型终端(一般终端),非分组型终端发送的报文需要经过分组装拆设备PAD将其拆成若干分组,接收时同理。
    分组交换
    特点:采用存储转发的机制;统计时分复用(又称异步时分);具有差错控制和流量控制。
    优点:线路利用率高、传输可靠性高。
    应用场景:路由器、7号信令都采用面向无连接的分组交换,帧中继FR采用面向逻辑连接的分组交换,ATM同样也综合有分组交换和电路交换的特点。不同的是路由器、7号信令的最小传输单元是分组,FR为帧,ATM为信元。

    4、三种交换技术的对比

    上面出现了那么多的概念,是不是都混淆了呢,我画了一张图给大家捋一捋其中的逻辑关系。
    在这里插入图片描述
    如下图,电路交换直接一次传输全部数据,报文交换以报文作为传送单元,分组交换以更小的分组作为传送单元。对于上图中的关系,我一层一层的对其做出了对比。
    在这里插入图片描述
    电路交换与存储交换
    1、存储交换中多个分组可以共享信道,线路利用率高,而电路交换使用的是专用电路,利用率低。
    2、存储交换具有差错校验,可靠性高。
    3、存储交换可以动态选择路由,确定最佳路径。

    报文交换与分组交换
    1、分组交换的颗粒度比报文交换更小,将报文拆分成了组。
    2、报文交换中的同一报文经过统一的路径到达目的交换机;分组交换中报文拆分成分组,各个分组可能经过不同的路径到达终点。
    3、分组交换相对于报文交换多了拆分和重组的开销。

    虚电路与数据报
    1、虚电路在数据传输过程需要经历建立连接、数据传输、连接拆除3个阶段,有点类似于虚拟的专路;数据报通信的每个分组都需要独立的进行选路。
    2、虚电路面向连接,数据报面向无连接。
    3、虚电路分组头简单、传输效率高、分组不会失序;数据报分组头复杂、传输效率低、可避开拥塞、可能会出现失序。

    交换虚电路与永久虚电路
    1、交换虚电路指在每次呼叫时用户通过呼叫请求分组来临时建立虚电路。
    2、永久虚电路指用户预约,网络运营者为之建立固定的虚电路,每次呼叫时可以直接进入数据传送阶段。

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  • 前一篇讲了虚电路交换方式,由于虚电路交换方式要么耗时长(1.动态建立连接方式:建立和释放虚电路的时间会耗时较长),要么浪费物理资源(2.提前建立端到端的所有连接:大量的虚电路连接都只是维持连接而不工作,...

    前一篇讲了虚电路交换方式,由于虚电路交换方式要么耗时长(1.动态建立连接方式:建立和释放虚电路的时间会耗时较长),要么浪费物理资源(2.提前建立端到端的所有连接:大量的虚电路连接都只是维持连接而不工作,浪费处理时间和存储空间),所以虚电路方式是不适合端到端通信的。

    因此,对于面向终端的通信需要对虚电路交换进行改进,主要是两方面:

    • 一是数据传输路径建立机制
    • 二是控制数据传输过程的机制

    一、数据传输路径建立机制改进

    1.虚电路中数据传输路径建立机制是什么样的?

    虚电路中,路由器转发表中记录的是两两端口的传输路径,如下图:

    交换机1中转发表记录的是(比如AD:交换机1中记录自身的端口路线:端口1-端口4,交换机2中记录端口4-端口1):

    2.将数据传输路径建立机制由【起始端口→终端】改为【终端+端口】

    交换机1的转发表中列出了所有路径的端口转发项(如AD就是端口1---->端口4),如果传输路径改为指向终端的端口号(如交换机1中转发表记录到D端口的路径就是 D 端口4),那么就能减少转发表中的记录项(如下图)。

    转发项由12项减少为了6项,对于路由转发时查询转发端口的处理时间大大减少了(如果终端对多的情况下,效果越明显)。

    二、控制数据传输过程的机制如何改进?

    1.虚电路的数据传输机制?

    虚电路交换中,会将每条传输路径分配一个数据标识符来表示这条路径(如AD之间的传输路径标记为1,BE之间的路径为2),虚电路的数据交换就是数据+标识符进行分组传输(即AD之间的数据传输就分为一个组,传输数据+路径标识符1;BE之间的数据传输分为另一个组,传输数据+标识符2)。

    2.改进数据传输过程的机制

    将数据传输时所用的标识符从【路径】改为【源地址+目的地址】,再利用标识符中的目的地址查找转发表确定传输路径(转发表改为目的终端+端口号之后,只需要目的地址就能很快找到传输到目的地址所用的端口号了)。

    三、数据报分组交换的优势

    1.数据报分组交换图解

    改进了虚电路交换的数据传输路径建立机制数据传输过程机制,数据报分组交换过程如下:

    A-B的数据传输:

    (1)各交换机的路由转发表记录目的终端和到改目的终端的转发端口号;

    (2)A-B的数据传输时使用数据+初始终端+目的终端

    (3)数据发送出去后,各交换机在路由表中查找到目的终端的端口号,转发出去,直到目的终端接收为止;

    (4)目的终端B收到数据后,通过分组数据中的初始终端A确定是A发送的数据,以此来确定与A终端的后续工作。

    2.数据报分组交换的优势

    采用初始终端+目的终端的方式,那么网络中可能存在多条传输路径,初始终端发送的多个分组会独立的选择传输路径,数据的到达也可能先后顺序不一致。

    多传输路径的优势:

    (1)网络负载均衡:一条传输路径的数据传输压力太大时,可以选择其他路径减轻压力。

    (2)提高容错性:一条传输路径不通时,可以选择其他路径。

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