【计算机网络】1.3 网络核心的数据交换

第一章第三节 网络核心的数据交换

　　在学习了网络边缘之后，我们深入研究网络核心，本节对在网状网络中的数据交换进行介绍。

Outline

• 数据交换
• 电路交换
• 多路复用技术
  • FDM
  • TDM
  • WDM
  • CDM
• 分组交换
• 分组交换与电路交换的对比

 Notes

## 数据交换

• 若任意两个主机之间需要建立通信，最简单的想法就是在两个主机之间建立链路，若有n个主机，则需要O(n²)条链路，这在技术和经济上都是不可行的，故引入交换设备，实现主机之间的动态链接；
• 为了保证连通性，我们还可以将交换设备相连接构成交换网络
• 数据交换可以具体实现以下功能：
  • 交换设备能动态地分发匹配端口线路（动态转接）
  • 动态分配传输资源

• 通过网络链路和交换机移动数据有两种基本方法：电路交换（circuit switching）和分组交换（packet swiitching）。
  • 电路交换网络中，沿着端系统通信路径，为端系统之间通信所提供的资源在通信会话期间会被预留。例子有电话网络。
  • 分组交换网络中，这些资源不被预留。例子有因特网网络。（报文交换包括在内）

## 电路交换

• 典型代表：电话网络
• 三个阶段：建立链接，通信，释放链接
• 特点：预留了端系统间通信沿路径所需要的资源(带宽、缓存等)，资源独占
• 多个链路之间通过多路复用技术共享 中继线（多条链路共用的部分，如下图红蓝重叠部分）

## 多路复用技术

• 多路复用即一个信道传输多路信号，通过复用器和分用器实现“共享信道”
• 基本原理：
  • 将链路/网络资源划分成“资源片”
  • 将资源片分配给各路“建立链接”
  • 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信
  • 资源片可能被闲置
• 分类：
  • 频分多路复用（Frequency division multiplexing——FDM）
  • 时分多路复用（Time division multiplexing——TDM）
  • 波分多路复用（Wavelength division multiplexing——WDM）
  • 码分多路复用（Code division multiplexing——CDM）

【频分多路复用】

• 按频率分成多个互不干扰的子频带，频带的宽度称为带宽
• 各用户占用不同的带宽资源，用户在分配到一定的频带之后，在通信过程中自始至终占用这个频带

【时分多路复用】

• 原理：时分复用是将时间划分为一段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TMD帧中占用固定序号的时隙。
• 特点：每用户所占用的时隙是周期性出现的（周期为TMD帧长度）。
• 实质：时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度。

 

【波分多路复用】

• 波分复用就是光的频分复用，按照波长的不同进行分离
• 波分复用模型

 

• 波分多路复用示意图

 【码分多路复用】

• 应用背景：码分多路复用广泛应用于无线通信网络，如卫星通信
• 原理：为每个用户分配一个唯一的码片序列（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)
  • 如发送比特1（+1），则发送自己的mbit码片序列
  • 如发送比特0（-1），则发送该码片序列的mbit码片序列的反码
• 各用户码片序列相互正交(orthogonal)

　　

• 解码：将码片序列与编码信号做内积

　　

一个小栗子：

　　

## 分组交换

• 应用发送信息的整体为一个报文，报文能够包含协议设计者需要的任何东西，可以包含控制功能，也可以包含数据。
• 分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包，报文位置变成头文件，构成完整分组；
• 分组交换需要报文的拆分与重组，产生额外的开销，但开销很小。
• 在源和目的之间，每个分组通过通信链路和分组交换机（路由器或链路层交换机）传送。
• 存储转发传输机制：在交换机能够开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须接收到整个分组
  • 报文交换以完整的“报文”进行“存储-转发”
  • 分组交换以较小的“分组”进行存储转发
• 分组的包里面有目的地址，路由器有一个转发表，记录着转发地址应该转到哪个路由器去

 ## 分组交换与电路交换的对比

【传输延迟】

• 分组传输延迟（时延）=  L / R （L为每个分组的较小长度；R为传输速率）
• 分组交换传输所需的时间：T = M/R + (h - 1)L/R = M/R + n L/R　其中 报文M bits，带宽 R bps，分组长度 L bits，路由器数 n，跳步数 h；

【两种交换的区别】

• 分组交换适用于突发数据传输网络：
  • 分组交换提供了比电路交换更好的带宽共享；
  • 分组交换比电路交换更简单、更有效，实现成本更低；
• 分组交换可能产生拥塞(congestion)：分组延迟和丢失
  • 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制；

 

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