計算機網路中的資料交換

計算機網路中，資料交換的型別有：電路交換、報文交換、分組交換。

☞資料交換–電路交換

Q：如何實現資料通過網路核心從源主機到達目的主機？

A：資料交換。(現在網路主要採用的技術是資料交換)

2臺主機之間d通訊基礎是：2臺主機之間有物理鏈路相連。

為何需要資料交換？

這裡會出現的問題：

1、主機數量增多，需要的鏈路數量就會增多，每個主機需要維護的鏈路數就急劇增加；–N^2鏈路問題(主機數是N，則需要的鏈路數是N(N-1)/2)，經濟和技術上實現是很難的。

–>引入“交換裝置”，讓我們的主機和交換裝置相連，這時，每個主機只需一個鏈路即可。交換裝置可在這些主機之間實現動態的資料交換。這種解決方案的侷限性：若主機數量特別多，交換裝置埠就需要特別大；若網路規模特別大，主機距離特別遠，也很難都連在一個主機上。

2、為了保證連通性、維護和適應不同的網路規模，可以這樣做：

將交換裝置互連在一起，構成交換網路。讓主機和交換網路裡的某一個交換裝置相連，交換網路能幫助我們把資料進行轉發、接續，最終將資料傳送到目的地。

交換？

1、 動態轉接 2、動態分配傳輸資源(交換網路層面上)

可在所有交換裝置埠之間動態地在物理上或邏輯上建立埠之間的連線，將一個埠的資料轉移到另一個埠，且這種連線，在很多裝置裡可並行進行。

電路交換的特點：

電路交換過程中最顯著的特點：資源獨享。(1條電路一定獨佔所經過的物理鏈路)

2個電話之間在通話過程中建立起的電路所佔有的通訊資源(通道資源)是不能被第3方共享的。除非它掛機了，把整個電路釋放、拆除了，才可讓第3方使用。

電路交換網路的鏈路共享？–多路複用。

頻分多路複用FMD：將通道資源在頻率上進行劃分，分成一個個頻帶的子通道，讓每路訊號只是去使用其中的某一個頻帶的子通道，因為頻率相互之間是隔離開的。有線電路網路。

時分多路複用TDM

波分多路複用WDM

不同的使用者用不同波長的光，只要這2個波長的光在波長上隔離開來，就可在一個共享的光纖上進行傳輸，到了目的之後再把它分離開來。

碼分多路複用CDM

既不分割時間，也不分割頻率，而是分割碼。碼片序列是一個二進位制序列。想要共享通道又不相互干擾，對碼片序列有要求。

原理如下：

☞資料交換–報文交換

整個資料傳輸過程中，要以整個報文作為一個整體，一次性將其轉發到下一個相鄰節點上。如早期通訊方式：電報。在一個站點把電報傳送出去，下一個站點把電報收取，再進行轉發，以此類推。

☞資料交換–分組交換

每個小的資料包實際相當於分組，拆分出來的報文的原始資料通常還會在原始資料上加一個頭部資訊，頭部資訊通常會加什麼？–控制類資訊，如地址資訊。

把報文拆分成一個個小的資料塊，每個小的資料塊上要加一些頭部資訊，此時才構成一個分組。把分組發出去，到了目的地之後，目的地要想接收完整的報文–>目的主機把各個小的分組所攜帶的報文的其中一部分資料按順序重新組裝在一起，此時才能還原原始報文。這樣，一個報文的傳輸就完成了。(加上的頭部資訊也屬於額外開銷，如寄一封信，信件的重量是要包含信封的，這個額外開銷必不可少。)

注意：當中間路由器向目的主機轉發第1個分組時，同時，源主機也在向路由器傳送第2個分組。

在分組交換網路中並不是事先分配好的，具有很強的隨機性。把這種鏈路共享成為統計多路複用。最大的特點：按需共享鏈路。

分組交換：傳輸延遲

當傳送1個分組的第1個bit開始到最後一個bit傳送結束，這段時間稱之為傳輸延遲(時延)。

報文交換 vs 分組交換

思考：採用報文交換這種儲存-轉發方式進行工作時，中間的路由器需多大的快取？

–>上例中，中間的路由器需7.5Mbits的快取，因為至少要能將7.5Mbits的報文接收下來，它才能儲存之後轉發。

過程描述：將7.5Mbits報文拆成5000個分組，每個分組大小是1500bits，經過1ms，第1個分組就傳到了第1個路由器，從第1ms開始，第1個路由器可向第2個路由器傳送第1個分組，(注意：同時，源主機就可向第1個路由器傳送第2個分組。)再經1ms，第1個分組到達了第2個路由器，第2個分組到達了第1個路由器……

分組交換每一個節點大部分時間可並行地轉發分組，而報文交換是序列的。

思考：分組交換過程中，中間的路由器需多大的快取？–上例中，理論上說，只需1500bits的快取即可。

現代計算機網路、資料通訊網路主要採用分組交換技術。

分組交換的報文交付時間

電路交換 vs 分組交換

分組交換絕對優於電路交換嗎？

不能這麼認為，否則，電話網路早改了。

適合於突發資料傳輸網路–資源充分；簡單、無需呼叫建立。

“突發”–>短時間內大量使用網路資源，一段時間之後又不使用網路資源。如發郵件–突發；而不具備突發性的，如網上看視訊，源源不斷地傳送；接通電話。

分組交換的不足：

通訊之前並未預約或佔用網路/鏈路資源，大家構造分組，向網路大量傳送，勢必會出現使用者大量向網路傳送資料，超越了網路的傳輸能力，此時，會出現一種現象–擁塞(分組延遲和丟失)，該現象出現後，陣列分組可能會在網路核心的路由器上排隊等待，甚至出現資料丟失。需要協議處理可靠資料傳輸和擁塞控制。