【計算機網絡】1.3 網絡核心的數據交換

第一章第三節 網絡核心的數據交換

　　在學習了網絡邊緣以後，咱們深刻研究網絡核心，本節對在網狀網絡中的數據交換進行介紹。

Outline

• 數據交換
• 電路交換
• 多路複用技術
  • FDM
  • TDM
  • WDM
  • CDM
• 分組交換
• 分組交換與電路交換的對比

 Notes

## 數據交換

• 若任意兩個主機之間須要創建通訊，最簡單的想法就是在兩個主機之間創建鏈路，如有n個主機，則須要O(n²)條鏈路，這在技術和經濟上都是不可行的，故引入交換設備，實現主機之間的動態連接；
• 爲了保證連通性，咱們還能夠將交換設備相鏈接構成交換網絡
• 數據交換能夠具體實現如下功能：
  • 交換設備能動態地分發匹配端口線路（動態轉接）
  • 動態分配傳輸資源

• 經過網絡鏈路和交換機移動數據有兩種基本方法：電路交換（circuit switching）和分組交換（packet swiitching）。
  • 電路交換網絡中，沿着端系統通訊路徑，爲端系統之間通訊所提供的資源在通訊會話期間會被預留。例子有電話網絡。
  • 分組交換網絡中，這些資源不被預留。例子有因特網網絡。（報文交換包括在內）

## 電路交換

• 典型表明：電話網絡
• 三個階段：創建連接，通訊，釋放連接
• 特色：預留了端系統間通訊沿路徑所須要的資源(帶寬、緩存等)，資源獨佔
• 多個鏈路之間經過多路複用技術共享 中繼線（多條鏈路共用的部分，以下圖紅藍重疊部分）

## 多路複用技術

• 多路複用即一個信道傳輸多路信號，經過複用器和分用器實現「共享信道」
• 基本原理：
  • 將鏈路/網絡資源劃分紅「資源片」
  • 將資源片分配給各路「創建連接」
  • 每路呼叫獨佔分配到的資源片進行通訊
  • 資源片可能被閒置
• 分類：
  • 頻分多路複用（Frequency division multiplexing——FDM）
  • 時分多路複用（Time division multiplexing——TDM）
  • 波分多路複用（Wavelength division multiplexing——WDM）
  • 碼分多路複用（Code division multiplexing——CDM）

【頻分多路複用】

• 按頻率分紅多個互不干擾的子頻帶，頻帶的寬度稱爲帶寬
• 各用戶佔用不一樣的帶寬資源，用戶在分配到必定的頻帶以後，在通訊過程當中自始至終佔用這個頻帶

【時分多路複用】

• 原理：時分複用是將時間劃分爲一段等長的時分複用幀（TDM幀），每一個用戶在每一個TMD幀中佔用固定序號的時隙。
• 特色：每用戶所佔用的時隙是週期性出現的（週期爲TMD幀長度）。
• 實質：時分複用的全部用戶是在不一樣的時間佔用相同的頻帶寬度。

 

【波分多路複用】

• 波分複用就是光的頻分複用，按照波長的不一樣進行分離
• 波分複用模型

 

• 波分多路複用示意圖

 【碼分多路複用】

• 應用背景：碼分多路複用普遍應用於無線通訊網絡，如衛星通訊
• 原理：爲每一個用戶分配一個惟一的碼片序列（chipping sequence），其中「0」用「-1」表示、「1」用「+1」表示。各用戶使用相同頻率載波，利用各自碼片序列編碼數據。
• 編碼信號=(原始數據)×(碼片序列)
  • 如發送比特1（+1），則發送本身的mbit碼片序列
  • 如發送比特0（-1），則發送該碼片序列的mbit碼片序列的反碼
• 各用戶碼片序列相互正交(orthogonal)

　　

• 解碼：將碼片序列與編碼信號作內積

　　

一個小栗子：

　　

## 分組交換

• 應用發送信息的總體爲一個報文，報文可以包含協議設計者須要的任何東西，能夠包含控制功能，也能夠包含數據。
• 分組：報文分拆出來的一系列相對較小的數據包，報文位置變成頭文件，構成完整分組；
• 分組交換須要報文的拆分與重組，產生額外的開銷，但開銷很小。
• 在源和目的之間，每一個分組經過通訊鏈路和分組交換機（路由器或鏈路層交換機）傳送。
• 存儲轉發傳輸機制：在交換機可以開始向輸出鏈路傳輸該分組的第一個比特以前，必須接收到整個分組
  • 報文交換以完整的「報文」進行「存儲-轉發」
  • 分組交換以較小的「分組」進行存儲轉發
• 分組的包裏面有目的地址，路由器有一個轉發表，記錄着轉發地址應該轉到哪一個路由器去

 ## 分組交換與電路交換的對比

【傳輸延遲】

• 分組傳輸延遲（時延）=  L / R （L爲每一個分組的較小長度；R爲傳輸速率）
• 分組交換傳輸所需的時間：T = M/R + (h - 1)L/R = M/R + n L/R　其中 報文M bits，帶寬 R bps，分組長度 L bits，路由器數 n，跳步數 h；

【兩種交換的區別】

• 分組交換適用於突發數據傳輸網絡：
  • 分組交換提供了比電路交換更好的帶寬共享；
  • 分組交換比電路交換更簡單、更有效，實現成本更低；
• 分組交換可能產生擁塞(congestion)：分組延遲和丟失
  • 須要協議處理可靠數據傳輸和擁塞控制；