【計算機網絡】數據交換技術和多路複用技術的正（nao）確(can)打開方式

交換的做用

 

數據交換是計算機網絡中兩個終端進行數據傳輸的方式，它又能夠分紅兩種類型：電路交換和分組交換。很顯然，問題的核心在於「交換」，那麼咱們首先要思考的是：交換的做用是什麼？

 

「交換」的做用在於藉助交換設備實現通訊線路的複用

 

咱們假設某個網絡有n個終端，那麼對於該網絡最基本的要求是「這n個終端能互相通訊」，也就是說這n個終端間各自都要擁有互相鏈接的線路，那麼讓咱們來看看「無交換」和「有交換」的網絡有什麼區別

 

「無交換」的網絡

「無交換」也就是說沒有交換設備的支持，這致使:任意一個終端都要和其餘n-1個終端直接相連。根據數學公式咱們能夠知道，總共須要n(n-1)/2條通訊線路

 

 

 

「須要的線路實在太多了！」，就算不太瞭解商業學的朋友大約也想得出：在「n」的值已經達到天文數字的今天，要搞定這n個終端的互相通訊將會在線路建設上付出多麼可怕的，難以承受的成本。

 

因而「交換」的意義就體現出來了

 

「有交換」的網絡

 

讓咱們在上面的場景中引入一臺交換設備，狀況就大相徑庭了，在這種狀況下，實現n個終端的互相通訊僅僅只須要n條線路。由於在n的值很大的時候, n(n-1)/2是遠大於n的，因此，「交換」這一方式節約（複用）了至關一部分的線路資源

 

 

固然了，交換設備可不只僅只有一臺，並且類型也有許多種，由此引出了咱們今天要介紹的兩種不一樣的數據交換方式—— 電路交換和分組交換

 

電路交換

電路交換是最先出現的通訊方式，例如咱們的電話通訊使用的就是電路交換

 

 

電路交換的過程可分爲三部分： 創建電路，傳輸數據和拆除電路

 

咱們以上圖爲例：

 

1.創建電路

A和B要進行通訊，首先A先發出呼叫請求信號，而後經由上述一系列的交換機，接通這條物理鏈路，再由B發出應答信號給A，這樣，通訊線路就接通了。從這開始，才容許進行數據傳輸

2.數據傳輸

創建電路階段完成後，便進入了數據傳輸階段。這時候：

• A能夠向B發送數據，B也能夠向A發送數據，實現雙工通訊
• 在AB通訊期間，該條鏈路被AB所佔有，任意部分的鏈路資源不能被其餘終端所使用

3. 拆除電路

數據傳輸結束後，拆除電路。這時候，AB之間的鏈路資源被從新分配了，再也不被AB獨佔，能夠被其餘的終端創建的鏈路所使用

 

 

分組交換

和電路交換相對應的是分組交換

 

分組交換是以報文交換爲基礎的，因此分組交換其實也能夠叫作「報文分組交換」。因此，先讓咱們來看看什麼是報文交換吧：

 

報文交換

 

在傳輸數據的時候沒有創建電路的過程，而是把發送的信息分紅多個報文正文，例如一個JPEG圖片或者一個MP3音頻文件，同時加上發送端和接收端地址等信息使其成文一份報文。

 

 

報文的傳送過程依賴於「存儲轉發機制」， 從發送端開始，每通過一個交換機，該交換機的任務是：

 

1.接收完整的報文，而後對報文進行緩存，此即爲「存儲」

2.等到下一個交換機節點空閒的時候，再將該報文發送給下一個交換機，此即爲「轉發」

 

接收端會將各份報文按照原來的順序組合，從而獲得完整的數據

 

分組交換

 

 

 

咱們說過，分組交換是在報文交換的基礎上實現的。分組交換其實就是把報文（Message）劃分紅更小的傳輸單元——分組（Packet）。除此以外，並沒有太大差別。或者能夠說：報文交換和分組交換的差別就僅僅是數據單元的大小不一樣罷了

 

然而，這一點小小的不一樣，卻大大改善了網絡交換的性能

相比於普通的報文交換，分組交換有什麼優點呢？

• 基於存儲轉發機制，報文交換對交換機的存儲容量的要求是很高的，而分組交換大大所要求的存儲容量很小（由於單個分組比單個報文小不少）
• 包含較短信息的分組在節點間傳輸速率高
• 分組小，在傳輸的時候出錯的機率小，出現差錯時，只需重發一個分組，而無需重發整個報文，因此可以提升傳輸效率

 

多路複用技術

 

當傳輸介質的帶寬超過了傳輸單個信號所需的帶寬，人們就經過在一條介質上同時攜帶多個傳輸信號的方法來提升傳輸系統的利用率，這就是所謂的多路複用。多路複用技術能把多個信號組合在一條物理信號組合在一條物理信道上進行傳輸，使多個終端能共享信道資源，提升信道的利用率。

 

把線路比做道路，把不一樣的用戶信號比做運輸物資的車輛：

 

 

在同一條線路下，不一樣的信號經由不一樣的信道傳輸，就好像不一樣的車輛均可以佔據道路的一部分做爲「本身的小路」，並排行駛。

 

電路交換和分組交換有它們各自的多路複用方式

 

電路交換網絡中的多路複用

 

電路交換網絡中主要採用的多路複用技術有兩種： 時分多路複用（FDM）和頻分多路複用（TDM）

這裏接上前面所作的道路的比喻，若是把電路交換網絡比做交通局的話，那麼他們迫切須要解決的問題就是怎麼劃分信道的問題。

 

劃分的依據就是：時間和頻率

 

頻分多路複用（FDM）

 

「電路交換交通局」採用的其中一種多路複用政策叫頻分多路複用（FDM）

 

 

頻分多路複用也就是將具備必定帶寬的信道分割爲若干較小頻道的子信道，每一個子信道提供給一個用戶使用，能夠看到，任意時刻各個子信道里的信號是並行傳輸的。以下圖就將一條信道分紅對應5種不一樣頻率段的子信道

 

 

 

時分多路複用（TDM）

 

「電路交換交通局」採用的另一種多路複用政策叫時分多路複用（TDM）

 

這時候，一條物理信道的傳輸時間分紅若干個時間片輪流給不一樣的信號源使用，這些時間片的時間長度是相等的，而一組時間片組成的片斷叫作一「幀」。例以下圖中A，B，C，D四個時間片（時隙）合爲一幀

 

 

 

在時分多路中，雖然就某一時刻而言，信號不是多路複用的，但就某一時間段而言，信號仍然是多路複用的。

 

總結：時分多路和頻分多路都是分割帶寬，區別在於頻分多路是連續獲得部分帶寬，時分多路是週期性地獲得全部帶寬。

 

分組交換網絡中的多路複用

 

分組交換網絡中的多路複用技術是「統計多路複用」，又叫作異步時分多路複用，它和時分多路複用相似，不一樣的信道是按時間片分配的，但統計多路複用的最大不一樣點是:它的時間片是動態分配大小的，而不是固定相等的長度，因此統計多路複用是一種根據用戶實際須要動態分配線路資源的時分複用方法。

 

和「電路交換交通局」的交通政策相比，「分組交換交通局」制定的行車政策是：並不分配固定寬度和道數的車道，而由當前道路上的車輛數動態地決定每輛車佔據的道路的寬度，若是「當前道路上只有一輛車」，那麼整條道路都爲這輛車所佔據。（每一個用戶信號的數據傳輸速率最高可達到線路總的傳輸能力）

 

 

 

 

電路交換和分組交換各自的優劣

 

由於在「軌道交通」上的施政方針不一樣，「電路交換交通局」和「分組交換交通局」產生了巨大的意見分歧

 

 

 

 

電路交換和分組交換在時延上的對比

 「電路交換交通局」的爭論議題在於「時延」

 

他們認爲：分組交換因其端到端時延是變更和難以預測的（主要是排隊時延），因此不適合實時服務（如電話）

 

什麼是排隊時延呢？

 

由於分組交換的存儲轉發機制，路由器須要檢查分組首部並決定將該分組導向何處，這須要必定的處理時延，而若是在這段時間內有下一個分組到達路由器的話，那麼這下一個分組則須要在排在隊列中等待處理，這是分組的排隊時延。

 

若是分組到達路由器時沒有其餘分組在傳輸的話，排隊時延是0，可是，若是流量很大，有不少分組也在排隊等待路由器處理的話，那麼這個時候排隊時延就很是客觀了。

 

正由於網絡流量的變化是難以預測的，因此分組交換的端到端時延也是變更和難以預測的

 

打個比方，若是把路由器比做收費站，收費站收路費的一系列的操做是「處理時延」，而你等你前面的車輛收完費開走的總時間就是「排隊時延」，若是這時候車流量很大的話，你到達收費站的時候可能前面有不少輛也在等待收費的車輛，  單次的排隊時延 × N多個收費站就會獲得很長的一段時間，但若是當前車流量不多（假設就只有你這一輛車），那麼這時候排隊時延就爲零，總而言之， 時延變更而難以預測

 

 

而對於電路交換而言，在電路創建後到拆除電路前，信號將一直穩定地傳輸，時延幾乎是固定的

 

電路交換和分組交換在效率上的對比

 

「分組交換交通局」的爭論議題在於「效率」

 

「分組交換交通局」認爲：電路交換的效率是很是低下的

緣由可歸結爲兩點：

1. 對於電路交換而言，創建電路後，在其靜默期（不傳輸信號），所佔據的鏈路資源也不能爲其餘鏈接所用，這是一種資源浪費

 

例如：在撥打電話的時候，即便中途中止講話，鏈路資源也不會所以而被釋放，除非主動掛斷。因此「分組交換交通局」認爲，電路交換的這種「佔着茅坑不XX」，「在其位不謀其政」的做風問題，違反了勤儉節約的精神，背離了羣衆路線。

 

2. 電路交換的多路複用方式也一樣存在資源浪費的問題，對於時分多路複用而言，單條信道所能分享的最大傳輸速率是受到時隙分配的限制的，同一線路下的某條信道不能利用該線路下其餘空閒信道的資源

 

例如： 對某電路交換/時分多路的線路，其一幀包含10個時間片（時隙），假設當前線路的總傳輸速率是1M bps, 那麼用戶經過其中一條信道傳輸1M 的數據，所需的時間是10s，由於該用戶信道所能分享到的傳輸速率是1M bps / 10  = 0.1M bps,。

 

請注意，即便其餘9個時隙對應的信道都保持空閒（不產生數據）， 該用戶信道的傳輸速率也不會超過0.1M bps, 這不意味着，咱們不是白白浪費了0.9M bps的速率嗎？這不一樣樣犯了 「佔着茅坑不XX」的錯誤嗎？

 

而相對應的，分組交換卻能夠很好地解決上面所遇到的問題，由於分組交換網絡採用的是統計多路複用，因此當其餘9個時隙對應的信道都保持空閒（不產生數據）的時候， 活動用戶的信道速率可達到1M bps, 將全部的資源都利用起來，這時候， 只要1s的時間就能夠傳輸完畢了。

 

咱們仍是一樣打個比方， 對電路交換而言，其時（頻）分多路的複用方式就比如將一條道路提早用白線分割爲一條條車道，那麼某個車輛在車道A上行駛的時候，即便車道B和C上無車輛，它也不能跨過白線使用車道B和C的道路資源，而受到車道寬窄的限制，單位時間內的「貨運量」也就受到了限制

 

而分組交換的統計多路複用則能夠「儘量地利用道路資源」

 

 

 

 

兩種數據交換技術的現狀

 

在上面，「分組交換交通局」和「電路交換交通局」的那一番爭論到底誰最終贏了呢？ 整體來講，大部分的人民羣衆都站在了分組交換這一邊。現現在，咱們的因特網和計算機網絡都是採用分組交換的，而只有傳統的電話網絡採用的纔是電路交換。

 

【完】