【计算机网络】数据交换技术和多路复用技术的正（nao）确(can)打开方式

交换的做用

 

数据交换是计算机网络中两个终端进行数据传输的方式，它又能够分红两种类型：电路交换和分组交换。很显然，问题的核心在于“交换”，那么咱们首先要思考的是：交换的做用是什么？

 

“交换”的做用在于借助交换设备实现通讯线路的复用

 

咱们假设某个网络有n个终端，那么对于该网络最基本的要求是“这n个终端能互相通讯”，也就是说这n个终端间各自都要拥有互相链接的线路，那么让咱们来看看“无交换”和“有交换”的网络有什么区别

 

“无交换”的网络

“无交换”也就是说没有交换设备的支持，这致使:任意一个终端都要和其余n-1个终端直接相连。根据数学公式咱们能够知道，总共须要n(n-1)/2条通讯线路

 

 

 

“须要的线路实在太多了！”，就算不太了解商业学的朋友大约也想得出：在“n”的值已经达到天文数字的今天，要搞定这n个终端的互相通讯将会在线路建设上付出多么可怕的，难以承受的成本。

 

因而“交换”的意义就体现出来了

 

“有交换”的网络

 

让咱们在上面的场景中引入一台交换设备，状况就大相径庭了，在这种状况下，实现n个终端的互相通讯仅仅只须要n条线路。由于在n的值很大的时候, n(n-1)/2是远大于n的，因此，“交换”这一方式节约（复用）了至关一部分的线路资源

 

 

固然了，交换设备可不只仅只有一台，并且类型也有许多种，由此引出了咱们今天要介绍的两种不一样的数据交换方式—— 电路交换和分组交换

 

电路交换

电路交换是最先出现的通讯方式，例如咱们的电话通讯使用的就是电路交换

 

 

电路交换的过程可分为三部分： 创建电路，传输数据和拆除电路

 

咱们以上图为例：

 

1.创建电路

A和B要进行通讯，首先A先发出呼叫请求信号，而后经由上述一系列的交换机，接通这条物理链路，再由B发出应答信号给A，这样，通讯线路就接通了。从这开始，才容许进行数据传输

2.数据传输

创建电路阶段完成后，便进入了数据传输阶段。这时候：

• A能够向B发送数据，B也能够向A发送数据，实现双工通讯
• 在AB通讯期间，该条链路被AB所占有，任意部分的链路资源不能被其余终端所使用

3. 拆除电路

数据传输结束后，拆除电路。这时候，AB之间的链路资源被从新分配了，再也不被AB独占，能够被其余的终端创建的链路所使用

 

 

分组交换

和电路交换相对应的是分组交换

 

分组交换是以报文交换为基础的，因此分组交换其实也能够叫作“报文分组交换”。因此，先让咱们来看看什么是报文交换吧：

 

报文交换

 

在传输数据的时候没有创建电路的过程，而是把发送的信息分红多个报文正文，例如一个JPEG图片或者一个MP3音频文件，同时加上发送端和接收端地址等信息使其成文一份报文。

 

 

报文的传送过程依赖于“存储转发机制”， 从发送端开始，每通过一个交换机，该交换机的任务是：

 

1.接收完整的报文，而后对报文进行缓存，此即为“存储”

2.等到下一个交换机节点空闲的时候，再将该报文发送给下一个交换机，此即为“转发”

 

接收端会将各份报文按照原来的顺序组合，从而获得完整的数据

 

分组交换

 

 

 

咱们说过，分组交换是在报文交换的基础上实现的。分组交换其实就是把报文（Message）划分红更小的传输单元——分组（Packet）。除此以外，并没有太大差别。或者能够说：报文交换和分组交换的差别就仅仅是数据单元的大小不一样罢了

 

然而，这一点小小的不一样，却大大改善了网络交换的性能

相比于普通的报文交换，分组交换有什么优点呢？

• 基于存储转发机制，报文交换对交换机的存储容量的要求是很高的，而分组交换大大所要求的存储容量很小（由于单个分组比单个报文小不少）
• 包含较短信息的分组在节点间传输速率高
• 分组小，在传输的时候出错的几率小，出现差错时，只需重发一个分组，而无需重发整个报文，因此可以提升传输效率

 

多路复用技术

 

当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽，人们就经过在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提升传输系统的利用率，这就是所谓的多路复用。多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信号组合在一条物理信道上进行传输，使多个终端能共享信道资源，提升信道的利用率。

 

把线路比做道路，把不一样的用户信号比做运输物资的车辆：

 

 

在同一条线路下，不一样的信号经由不一样的信道传输，就好像不一样的车辆均可以占据道路的一部分做为“本身的小路”，并排行驶。

 

电路交换和分组交换有它们各自的多路复用方式

 

电路交换网络中的多路复用

 

电路交换网络中主要采用的多路复用技术有两种： 时分多路复用（FDM）和频分多路复用（TDM）

这里接上前面所作的道路的比喻，若是把电路交换网络比做交通局的话，那么他们迫切须要解决的问题就是怎么划分信道的问题。

 

划分的依据就是：时间和频率

 

频分多路复用（FDM）

 

“电路交换交通局”采用的其中一种多路复用政策叫频分多路复用（FDM）

 

 

频分多路复用也就是将具备必定带宽的信道分割为若干较小频道的子信道，每一个子信道提供给一个用户使用，能够看到，任意时刻各个子信道里的信号是并行传输的。以下图就将一条信道分红对应5种不一样频率段的子信道

 

 

 

时分多路复用（TDM）

 

“电路交换交通局”采用的另一种多路复用政策叫时分多路复用（TDM）

 

这时候，一条物理信道的传输时间分红若干个时间片轮流给不一样的信号源使用，这些时间片的时间长度是相等的，而一组时间片组成的片断叫作一“帧”。例以下图中A，B，C，D四个时间片（时隙）合为一帧

 

 

 

在时分多路中，虽然就某一时刻而言，信号不是多路复用的，但就某一时间段而言，信号仍然是多路复用的。

 

总结：时分多路和频分多路都是分割带宽，区别在于频分多路是连续获得部分带宽，时分多路是周期性地获得全部带宽。

 

分组交换网络中的多路复用

 

分组交换网络中的多路复用技术是“统计多路复用”，又叫作异步时分多路复用，它和时分多路复用相似，不一样的信道是按时间片分配的，但统计多路复用的最大不一样点是:它的时间片是动态分配大小的，而不是固定相等的长度，因此统计多路复用是一种根据用户实际须要动态分配线路资源的时分复用方法。

 

和“电路交换交通局”的交通政策相比，“分组交换交通局”制定的行车政策是：并不分配固定宽度和道数的车道，而由当前道路上的车辆数动态地决定每辆车占据的道路的宽度，若是“当前道路上只有一辆车”，那么整条道路都为这辆车所占据。（每一个用户信号的数据传输速率最高可达到线路总的传输能力）

 

 

 

 

电路交换和分组交换各自的优劣

 

由于在“轨道交通”上的施政方针不一样，“电路交换交通局”和“分组交换交通局”产生了巨大的意见分歧

 

 

 

 

电路交换和分组交换在时延上的对比

 “电路交换交通局”的争论议题在于“时延”

 

他们认为：分组交换因其端到端时延是变更和难以预测的（主要是排队时延），因此不适合实时服务（如电话）

 

什么是排队时延呢？

 

由于分组交换的存储转发机制，路由器须要检查分组首部并决定将该分组导向何处，这须要必定的处理时延，而若是在这段时间内有下一个分组到达路由器的话，那么这下一个分组则须要在排在队列中等待处理，这是分组的排队时延。

 

若是分组到达路由器时没有其余分组在传输的话，排队时延是0，可是，若是流量很大，有不少分组也在排队等待路由器处理的话，那么这个时候排队时延就很是客观了。

 

正由于网络流量的变化是难以预测的，因此分组交换的端到端时延也是变更和难以预测的

 

打个比方，若是把路由器比做收费站，收费站收路费的一系列的操做是“处理时延”，而你等你前面的车辆收完费开走的总时间就是“排队时延”，若是这时候车流量很大的话，你到达收费站的时候可能前面有不少辆也在等待收费的车辆，  单次的排队时延 × N多个收费站就会获得很长的一段时间，但若是当前车流量不多（假设就只有你这一辆车），那么这时候排队时延就为零，总而言之， 时延变更而难以预测

 

 

而对于电路交换而言，在电路创建后到拆除电路前，信号将一直稳定地传输，时延几乎是固定的

 

电路交换和分组交换在效率上的对比

 

“分组交换交通局”的争论议题在于“效率”

 

“分组交换交通局”认为：电路交换的效率是很是低下的

缘由可归结为两点：

1. 对于电路交换而言，创建电路后，在其静默期（不传输信号），所占据的链路资源也不能为其余链接所用，这是一种资源浪费

 

例如：在拨打电话的时候，即便中途中止讲话，链路资源也不会所以而被释放，除非主动挂断。因此“分组交换交通局”认为，电路交换的这种“占着茅坑不XX”，“在其位不谋其政”的做风问题，违反了勤俭节约的精神，背离了群众路线。

 

2. 电路交换的多路复用方式也一样存在资源浪费的问题，对于时分多路复用而言，单条信道所能分享的最大传输速率是受到时隙分配的限制的，同一线路下的某条信道不能利用该线路下其余空闲信道的资源

 

例如： 对某电路交换/时分多路的线路，其一帧包含10个时间片（时隙），假设当前线路的总传输速率是1M bps, 那么用户经过其中一条信道传输1M 的数据，所需的时间是10s，由于该用户信道所能分享到的传输速率是1M bps / 10  = 0.1M bps,。

 

请注意，即便其余9个时隙对应的信道都保持空闲（不产生数据）， 该用户信道的传输速率也不会超过0.1M bps, 这不意味着，咱们不是白白浪费了0.9M bps的速率吗？这不一样样犯了 “占着茅坑不XX”的错误吗？

 

而相对应的，分组交换却能够很好地解决上面所遇到的问题，由于分组交换网络采用的是统计多路复用，因此当其余9个时隙对应的信道都保持空闲（不产生数据）的时候， 活动用户的信道速率可达到1M bps, 将全部的资源都利用起来，这时候， 只要1s的时间就能够传输完毕了。

 

咱们仍是一样打个比方， 对电路交换而言，其时（频）分多路的复用方式就比如将一条道路提早用白线分割为一条条车道，那么某个车辆在车道A上行驶的时候，即便车道B和C上无车辆，它也不能跨过白线使用车道B和C的道路资源，而受到车道宽窄的限制，单位时间内的“货运量”也就受到了限制

 

而分组交换的统计多路复用则能够“尽量地利用道路资源”

 

 

 

 

两种数据交换技术的现状

 

在上面，“分组交换交通局”和“电路交换交通局”的那一番争论到底谁最终赢了呢？ 整体来讲，大部分的人民群众都站在了分组交换这一边。现现在，咱们的因特网和计算机网络都是采用分组交换的，而只有传统的电话网络采用的才是电路交换。

 

【完】