00 02计算机网络之网络核心

1 数据交换—电路交换

1. 网络核心

• 互联的路由器网络
• Q：如何实现数据通过网络核心从源主机到达目的主机？
  A：数据交换

2. 为什么需要数据交换？

• N²链路问题
• 连通性
• 网络规模

3. 交换？

• 动态转接
• 动态分配传输资源

4. 数据交换的类型

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

5. 电路交换的特点

• 最典型电路交换网络：电话网络
• 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）。
• 独占资源

6. 电话交换网络的链路共享？

• Q：电路交换网络如何共享中继线？
  A：多路复用（Multiplexing）

2 多路复用

1. 多路复用？

• 多路复用（multiplexing），简称复用，是通信技术中的基本概念。
• 实现信道共享最常用的技术。
  
• 多路复用（Multiplexing）：链路/网络资源（如带宽）划分为“资源片”。
  （1）将资源片分配给各路“呼叫”（calls）；
  （2）每路呼叫独占分配到的资源片进行通信；
  （3）资源片可能“闲置”（idle）（无共享）。
• 典型多路复用方法：
  （1）频分多路复用（frequency division multiplexing，FDM）；
  （2）时分多路复用（time division multiplexing，TDM）；
  （3）波分多路复用（Wavelength division multiplexing，WDM）；
  （4）码分多路复用（Code division multiplexing，CDM）。

2. 频分多路复用FDM

• 信道在频率上进行划分，最常见的是有线电视网络。
• 频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽（单位：Hz）而不是数据的发送速率）
• 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始自终都占用这个频带。

3. 时分多路复用TDM

• 信道使用时间划分
• 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙。
• 每用户所占的时隙是周期性出现（其周期就是TDM帧的长度）。
• 时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度。

4. 波分多路复用WDM

• 波分复用就是光的频分复用。

5. 码分多路复用CDM

• 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 bit码片序列（chipping sequence），其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示，例如：S站的码片序列：（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）
• 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）
  （1）如发送比特1（+1），则发送自己的m bit码片序列
  （2）如发送比特0（-1），则发送该码片序列的m bit码片序列反码
• 各用户码片序列相互正交（orthogonal）
  
• 令{ $d_i$}为原始数据序列，各用户的叠加向量为
  
• 解码：码片序列与编码信号的内积
  

6. 码分多路复用编/解码举例
   
   

3 报文交换

1. 报文交换（message switching）

• 报文：源（应用）发送信息整体。
  理解：就是指从源主机一次发送完整的信息给目标主机。
  

4 分组交换

1. 分组交换（package switching）

• 分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包
• 分组交换需要报文的拆分与重组，产生了额外开销。
• 一个分组包含头和数据。

2. 分组交换：统计多路复用（Statistical Multiplexing）
   
   A&B分组序列不确定，按需共享链路。

3. 存储-转发（store-and-forward）
   

• 报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式
• 区别：
  （1）报文交换以完整报文进行“存储-转发”。
  （2）分组交换以较小分组进行“存储-转发”。

4. 分组交换：传输延迟
   

• 发送主机
  （1）接收应用报文（消息）
  （2）拆分为较小长度为L bits的分组（packets）
  （3）在传输速率为R的链路上传输分组
  

5. 报文交换VS分组交换

• 报文交换：
  （1）报文长度为M bits
  （2）链路带宽为R bps
  （3）每次传输报文需M/R秒
• 分组交换：
  （1）报文被拆分为多个分组
  （2）分组长度为L bits
  （3）每个分组的传输延迟为L/R秒

6. 分组交换的报文交付时间

• 报文：M bits
• 链路带宽（数据传输速率）：R bps
• 分组长度（大小）：L bits
• 跳步数：h
• 路由数：n
• 公式：T=M/R+(h-1)L/R=M/R+nL/R

7. 分组交换VS电路交换

• 分组交换允许更多用户同时使用网络——网络资源充分共享。
• 适用于突发数据传输网络
  （1）资源充分共享
  （2）简单、无需呼叫建立
• 可能产生拥堵（congestion）：分组延迟和丢失
  （1）需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制
• Q：如何提供电路级性能保障/