（哈工大）网络核心——数据交换的三种类型

为什么需要数据交换？

如果让主机与主机直接相连，则需要维护N2规模的链路信息；

引入交换设备，主机与交换设备相连，实现主机间的通信，降低网络规模；

又为了确保连通性和适应网络规模，使用多个交换设备形成交换网络。

交换设备？

交换设备要实现动态转接、动态分配传输资源。

数据交换类型——电路交换、报文交换、分组交换。

（一）电路交换（最典型：电话网络）

三个阶段：建立连接（拨号/呼叫/电路建立）→通信→释放资源
独占资源（≠物理链路）
多路复用技术，实现链路共享

多路复用技术：

链路/网络资源划分为“资源片”，将资源片分配给各路呼叫；每路呼叫独占分配到的资源片进行通信；资源片可能闲置。

1、频分多路复用FDM（有线电视网络）

各个用户占用不同的频率带宽资源，并在通信过程中自始至终都占用这个频带。

2、时分多路复用TDM

将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每个用户再每个TDM帧中占用固定序号的时隙，只在对应时隙发送数据。

时隙周期性出现，周期为帧长；不同时隙占用相同的频带。

3、波分多路复用WDM

光的频分复用——共享光纤

WDM的实质是FDM

4、码分多路复用CDM

广泛用于无线链路共享：蜂窝网、卫星通信

每个用户分配一个唯一的码片序列，其中“0”用“-1”表示，“1”用“+1”表示。

（二）报文交换

即早期的电报使用的数据交换方式。

报文：源（应用）发送信息整体（如：一个文件）。

（三）分组交换

分组：报文拆分出来的一系列较小的数据包（加上一些报头等）

头部信息：控制信息——数据就像信纸，头部就像信封携带控制信息。

分组交换需要报文的拆分和重组，产生额外开销（写信封和拆信封的开销）。

统计多路复用——按需共享链路，并不是事先分配好不同用户独占资源。

存储-转发：路由器先缓存，再决定路由。

报文交换 vs 分组交换

设：报文长度M bits，链路带宽R bps，分组长度L bits

1、报文交换

每次转发整个报文（串行传输）；路由器理论上至少需要报文大小的缓存。

2、分组交换

不同分组在不同的链路上同时处于传输过程（各分组并行传输，所以节省了时间）；

理论上路由器至少只需要分组大小的缓存。

一般情况下分组交换的报文交付时间：

可看作整个报文通过一条链路传输时间（M/R）+ 最后一个分组经过的路由器时间（nL/R）

练习：

ps.选择最近的链路（上方的只有两个路由器的链路进行传输）

pps. 1B = 8bit

pk结果：分组交换速度更快；资源利用率更高；对路由器缓存要求低。

电路交换 vs 分组交换

例：

共享资源：多路复用

电路交换：资源独占，被分配后不在活动时间则会闲置（只能10个用户共享）。

分组交换：统计多路复用；一般场景下，对于35个用户，10个以上的用户同时活动的概率<0.0004。

因此，分组交换允许更多用户同时使用网络——网络资源充分共享！

but！

分组交换并非绝对最优：

分组交换只是更适合突发数据传输网络——资源充分共享，简单、无需呼叫建立。

突发：发邮件，浏览网页等只需要某一时段传输数据

非突发：看视频，通话等需要源源不断的传输数据

Internet就是使用分组交换。

分组交换可能产生拥塞：分组延迟和丢失（需要协议处理可靠数据和拥塞控制）。

电路交换的初衷就是满足如通讯通话数据传输，想要让分组交换提供电路级性能保障仍有很多阻碍。