网络传输之电路交换、报文交换、分组交换、多路复用

目录

• 数据交换类型
• 电路交换
  • 说明
  • 多路复用技术
    • 频分多路复用
    • 时分多路复用
    • 码分多路复用
    • 波分多路复用
• 报文交换、分组交换
  • 统计多路复用
  • 存储转发（store-and-forward）
  • 报文交换和分组交换比较
  • 分组交换和电路交换比较

数据交换类型

从主机A把数据送到主机B最简单的技术便是AB之间连接一条链路，直接通信即可，但是网络接入边缘（终端）越来越多，网络越来越复杂，如果采用主机之间直接相连的方式，最终需要的链路数量是(N为主机数量)

[N(N-1)/2 ]

这个成本（经济，技术）非常高且复杂，为了解决这个技术，引入了交换机。

这就需要交换技术。目前主要有三类数据交换类型：

1. 电路交换
2. 报文交换
3. 分组交换

电路交换

说明

最典型的电路交换网络：电话网络。

电路交换的三个阶段：

1. 建立连接（呼叫/电路建立）
2. 通信
3. 释放连接（拆除电路）

电路交换最显著的特点：独占资源。独占后如何被多路通信进行共享呢，这类技术便是多路复用技术。

多路复用技术

多路复用multiplexing。物理链路的通信能力远远大于一路通信所需要的能力，通过复用提高信道利用率，同时各个通信线路之间又互不影响，这便是多路复用所要解决的问题。

1. 将整个链路资源划分为资源片
2. 将资源片分配给各路呼叫
3. 每路呼叫独占分配到的资源片
   
   目前典型的多路复用技术有三种：
4. 频分多路复用（frequency division multiplexing FDM）
5. 时分多路复用（time division multiplexing TDM）
6. 码分多路复用（code division multiplexing CDM）
7. 波分多路复用（Wavelength division multiplexing WDM）

频分多路复用

将信道资源按照频率进行划分成子信道，频率之间相互隔离，互不干扰，让每个使用方独占某个子信道（每个频率）。当使用方被分配到某个频率后，可以一直使用这个频率。

典型应用，有线电视，fm调频收音机等。

时分多路复用

时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙，时隙周期性出现。

时分复用用户在不同时间占用相同的频带带宽。

码分多路复用

既不划分时间，也不划分频率。

给每一个用户分配一个唯一的m bit的码片序列（chipping sequence），其中0用-1表示，1用+1标识。eg，某站的码片序列为（-1-1-1+1+1-1+1+1）。

每个用户使用相同的频率进行发送。但是需要对数据用各自的码片序列进行数据编码。

编码信号=（原始数据）*（码片序列）

1. 如发送比特1（+1），则发送m bit的码片序列
2. 如发送比特0（-1），则发送m bit的码片序列的反码

如何保证共享信道互不干扰，数据不碰撞，不重复：需要各用户的码片序列相互正交。

所有用户同时采用相同的频率进行发送，所以接收方收到数据是一个所有用户的叠加数据，如果接收方想收取某用户的数据，而不受其他用户的影响，该如何接收呢：数据解码

解码：发送方用户的码片序列和收到叠加数据进行内积用算。内积结果：

1. 1 说明发送方发送了1
2. -1 说明发送方发送了0
3. 0 说明不是该码片序列对应的发送方发送的数据。

典型应用：蜂窝网，卫星通信。

波分多路复用

波分复用其实就是频分复用，不过是以光波的波长进行了划分。

报文交换、分组交换

在整个数据传输过程中，整个报文一次性从源主机发送到下一个相邻节点。典型应用：电报。

将整个报文拆分为一系列相对比较小的数据包，然后进行传输。最终在接收方再进行重组，目前Internet传输就采用的分组交换。

统计多路复用

报文交换和分组交换都无需提前建立连接，而是直接进行发送，这种技术叫做统计多路复用（statistical multiplexing），按需使用，占用全部链路带宽，有很强的随机性。

存储转发（store-and-forward）

接收到数据后先存储，然后进行路由，确定发送链路，如果发现链路可用，则进行发送。

报文交换和分组交换比较

结论：性能问题，分组使得网络资源进一步得到应用（大量设备在同时发送数据）。

报文交换中，如果传输路径是A，B，C，D。

1. 报文交换中，A在传输的时候，BCD都在闲置状态
2. 分组交换中，A、B、C、D都在同时传输报文。
   

一般性公式

报文大小：M bits

链路带宽：R bps

分组大小：L bits

跳步数量：h

路由器数:n，n=h-1

分组交换需要的时间：

[T=M/R+(h-1)L/R=M/R+nL/R ]

报文交换需要的时间：

[T=hM/R=(n+1)M/R ]

由此可见随着网络链路的增加，路由器数量的增加，报文交换的性能急剧下降，分组交换势在必行

分组交换和电路交换比较

网络应用的突发性，大部分时间并不需要一直占用链路，比如上网浏览网页，只需要在网页下载的时候才需要网络，浏览网页的时间是不需要网络链路的。

分组交换允许更多用户同时使用网络。网络资源利用率高。

分组交换适用于突发性的数据网络传输网络。上网，发邮件。

由于没有提前建立链接，没有提前分配资源，分组交换很可能会导致网络拥塞，最终产生分组延迟和丢失（需要相关协议进行保证和处理比如TCP）。