【计算机网络笔记】数据交换之电路交换

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什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构

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前面提到，计算机网络结构中，网络核心要解决的基本问题是如何实现数据从源主机通过网络核心送达正确的目的主机。现代网络采用的主要技术就是数据交换。

为什么需要数据交换

如果两台主机直接通过物理链路连接，那么每台主机都需要和其他主机连接，如果主机数量增多，那么就需要更多的链路。无论是从经济还是技术角度来看，这样都是不行的。

为了解决这样的问题，现代网络中引入了特殊的交换设备。主机和交换设备连接，这时每个主机只需要一个链路，交换设备在这些主机之间实现动态的数据转换。不过这样也有局限性。局限性在于如果主机数量很多，交换设备端口就需要特别大；如果网络规模特别大、主机距离很远，也很难都连到一个交换设备。

那么出于连通性的考虑，并且为了维护和适应不同的网络规模，可以把交换设备互连在一起，构造成交换网络，让主机和交换网络中的某个交换设备连接。交换网络能够对数据进行转发最终送到目的地。

数据交换中的交换有两层含义：

• 一层含义在于交换设备。交换设备具有动态转接的功能。能够将一个端口的数据转移到另一个端口，并且这样的转接在很多设备中可以并行。

• 另一层含义在于交换网络。解决如何将数据从源主机穿越交换网络送往正确的目的主机这样的问题。

数据交换的类型

数据交换的类型有三种：

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

本篇文章介绍电路交换。

电路交换

最典型电路交换网络就是电话网络。

任意两台电话机之间进行通信时要拨号以建立电路，然后对方接听进行通信，通信结束后挂掉电话。所以电路交换有三个阶段：

• 建立连接（呼叫/电路建立）
• 通信
• 释放连接（拆除电路）

同时，通信网络对于电路资源的使用是独占的。比如两个人通话过程中同时沉默了，这时电路上没有语音数据进行传输，但是所占用的电路资源不会被第三方使用。只有释放连接后，别人才有可能使用这条电路。

但是中继线是共享的。也就是说并不能保证每一对通信之间都有单独的物理链路。电路交换网络采用多路复用技术实现共享中继线。

什么是多路复用？

多路复用(multiplexing)，简称复用，是通信技术中的基本概念。就是多路通信共用一路信道。

多路复用技术就是最典型的共享信道技术。

在多路复用(Multiplexing)技术中，链路/网络资源（如带 宽）划分为“资源片”，然后将资源片分配给各路通信（在电路交换中叫呼叫），每路呼叫独占分配到的资源片进行通信。

典型的多路复用技术有：

• 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（FDM）

频分多路复用将信道资源在频率上进行划分，分成一个个频带的子信道，让每路信号使用其中某个频带的子信道，因为频率不同，所以子信道之间是隔离的。比如有线电视网络，电视信号通过频分多路复用方法进行传输，我们就能看到一个个频道。

比如有四个用户共享一个信道，这个信道就可以在频率上划分四个子频带，将每个用户的信号调制到子频带上去，那么在这样的信道上传输的过程中，由于每个用户所占用的载波频率不同，所以相互隔离，互不干扰，就能实现共享信道。

• 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，在通信过程中自始至终都占用这个频带

时分多路复用（TDM）

时分复用是在使用时间上划分。把信道的使用时间划分为一段一段等长的时间段，称为帧（时分复用帧）。每一个帧又划分为小的时隙。每个时隙允许用户发送一定量的数据，这样每个用户只占用每个复用帧里的某一个时隙。只在对应的时隙传输数据。这样大家在一个复用帧里面都发一部分数据，到下一个复用帧再发一部分数据，以此类推，每个用户就可以周期性的发送数据了。

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。

比如有四个用户，在时分多路复用系统中，大家使用相同的频带资源，只是在时间上进行划分，每个用户只在对应的时隙里传输数据。这样就能实现信道的共享。

波分多路复用（WDM）

在光通信中，更多时候使用光的波长来描述光。所以把在光通信中的频分复用称为波分多路复用。

比如某个用户使用一种波长的光，另一个用户使用另外一种波长的光。就可以在一个共享的光纤上进行传输，到了目的地之后再分离开来。在实际使用中，每一个用户的数据被调制到不同的波长，通过WDM复用器，在共享的光纤链路中进行传输。

码分多路复用（CDM）

广泛用于无线通信网络 (如蜂窝网,卫星通信等)。码分多路复用并不去划分频率，也不去划分时间，而是去划分码。各用户使用相同频率载波，但是要求用户利用各自的码片序列对原始数据进行编码，其中 “0” 用 “-1” 表示、 “1” 用 “+1” 表示。编码的规则就是(原始数据) × (码片序列)。

比如，如果用户要发送二进制数1（在CDM中用+1表示），那么发送的就是送自己的 m bit 码片序列，如果用户要发送二进制数0（在CDM中用-1表示），那么发送的就是送自己的 m bit 码片序列的反码（也就是说1对应-1，-1对应1）。

因为大家使用相同频率的信道，彼此的数据势必会重叠，那么为了让彼此的编码数据互不干扰，就要对码片序列有要求。要求就是各用户码片序列相互正交（若两个用户的码片序列内积运算结果为1，那它们的码片序列就是相同的，那就不对了。必须保证和别人的码片序列结果为0，也就是正交才可以）。这样就可以保证大家共享信道。