网络交换技术

什么是计算机网络

以实现资源共享为目的,一些互相连接的、独立自治的计算机的集合。

计算机网络特征

  • 共享资源:包括软件、硬件和资源
  • 自治系统:能够独立运行并提供服务的系统
  • 准守统一的通信标准:交换数据就必须准守统一的通信标准

网络的速度描述

我们用数据传输速率来描述网络的速度:网络中每秒发送或接受二进制位数,单位为比特每秒,缩写为b/s(bps),有时也成为比特率。不同的传输速率单位之间换算为:

1kb/s=10^3b/s

1Mb/s=10^3kb/s

1Gb/s=10^3Mb/s

1Tb/s=10^3Gb/s

计算题

如果链路的数据传输速率为1Gb/s,假定信号传播速度是(2/3)c ,完成以下计算:

  1. 每一位二进制数的时间宽度,即比特时间T
    • 即传输一个bit所需要的时间T = 1/10^9s
  2. 每一位二进制数的物理长度L
    • L = 比特时间 信号传播速度 = 1/10^9s 2*10^8 = 0.2米
  3. 一条1km的电缆能容纳多少位二进制数N
    • N=1000/0.2=5000b

数据传播速率与信号传播速率没有关联,数据传播速率不依赖信号传播速率

交换技术

网络的目的是实现网络上终端之间的数据通信,要使终端之间通信,就必须在终端之间交换数据,要交换数据有必要的两个条件

  • 建立连接在网络上的任何两个终端之间的数据传输通路的机制
  • 控制数据沿着源终端至目的终端传输通路完成传输过程的机制

简单来说就是建立通路然后传输数据。

信道

数据的传输通道,我们称为信道,在数据传输过程中,必须将数据转化为信号,因此信道就是传输信号的通道。如果我们要在两个终端之间通信,最容易想到的就是在终端之间一一的建立信道,这样做缺点是显而易见的,我们需要建立无数的信道才能满足我们的通信需求,这是不可能的。

电路交换

于是我们采用按需建立信道的方式构建我们的网络,这种方式叫着电路交换方式,动态建立信道的过程称为电路交换过程(连接建立过程)。

图中,我们B和F需要通信时,电路交换机帮助我们建立端口2到端口6的信道,这时候2到6的信道就建立了,分为三段:终端B到端口2、端口2到端口6、端口6到终端F。但是端口2现在是被独享的,在终端B和终端F通信完成以后,我们需要释放连接,也就是释放端口2到端口6的连接。电路交换的优势:

  • 无需建立控制数据传输过程的机制
  • 终端之间信道具有固定的数据传输速率,适合语音传输

电路交换实例PSTN

PSTN(Public Switched Telephone Network)是公共电话交换网,它就是典型的电路交换网络,拨号的过程就是建立连接的过程,挂机就是释放连接。建立连接以后,信道是独享的,哪怕是没有通话。

电路交换缺点

  • 独占两个终端之间的信道,导致信道经过的物理链路利用率低
  • 不能保证多对终端之间同时进行通信
  • 信道经过的物理链路要求相同的传输速率,物理链路的连接方式受到严格限制

虚电路交换

虚电路交换是为了解决了电路交换的缺点,使用共享物理链路的方式进行交换

但是共享链路会引发一些问题:

  1. 交换机如何转发数据:比如终端A和终端D通信,我们的交换机如何知道应该从哪个端口转发出去
  2. 平滑流量问题:如果终端A、B、C同时通过交换机端口4传输信号,那么就会造成拥塞

如何解决转发和平滑流量问题呢?可以通过以下方式

  • 标识符和分组
  • 转发表
  • 存储转发

在电路交换中,我们建立了信道后,信号的传输机制是不用建立的,因为电路交换独占了信道。但是在虚电路交换中,我们信道不是独享的,所以我们的信号必须进行标识,然后交换机可以通过标识来进行分组,标识符也称为分组的控制信息。然后我们需要在交换机中建立一个转发表:

建立不同终端对之间的传输路径,并将数据标识符与传输路径绑定在一起,有了标识符和转发表以后,我们就能解决交换机的转发问题了。例如:终端A和终端D进行通信,终端A首先将数据和标识符组装成新的数据传输到交换机1,交换机1通过查询转发表,知道标识为1从端口1来的数据,需要从端口4转发出去,数据到达交换机2后,交换机通过查表,知道标识符为1,从端口4来的数据需要从端口1转发出去,于是数据就到达终端D了。解决了转发问题,还有平滑流量问题。我们可以通过下图的方式来解决:

交换机首先通过输入端口,将信号还原成分组,并储存在输入队列中,然后从分组中分离出标识符,从转发表中查找转发项,根据转发项将分组从输入队列转移到输出队列,输出队列按照先后顺序进行输出。分组交换机采用存储转发的原因:

  1. 由于多个端口输入的分组需要从同一个端口输出的情况,可能交换结构和输出端口来不及处理多个来自不同端口的分组,需要将来不及处理的分组存储在输入队列或者输出队列

  2. 由于端口之间没有连接,无法将从一个端口输入的信号直接从另一个端口输出,需要完成将信号还原成分组,从分组中分离出标识符,根据标识符和接收分组的端口确定分组输出端口,并将分组从输入端口转移到输出端口的过程

虚电路是指一对终端间的传输路径,且该传输路径通过转发表建立,并与唯一标识该对终端之间传输的数据的标识符绑定在一起。通过建立虚电路实现数据交换的方式成为虚电路交换。数据标识符能够唯一确定数据传输路径,因此也称为虚电路标识符。虚电路交换的优点:

  • 多对终端间可以共享物理链路

缺点:

  • 动态建立和释放虚电路非常耗时
  • 两两之间建立虚电路转发表数目大,处理时间较长

缺陷实例:

上图说明,虚电路交换方式不适用于终端之间的通信。

数据报交换

数据报交换就是在虚电路交换的基础上进行改进,主要从两方面进行改进

  • 数据传输路径建立机制
  • 控制数据传输过程的机制

首先,我们通过改变转发表和数据的分组格式来改变数据传输路径的建立机制,我们可以将上图的转发表和分组格式修改为:

这样,转发表里的转发项减少了一半,我们在进行通信时,可以通过数据的分组信息在转发表中查出相应的端口。例如从A到E的通信:首先分组信息到达交换机1以后,交换机1通过数据的目的地址知道应该从端口4中转发出去,到达交换机2后,同样通过目标地址E知道应该从端口2转发,然后到达终端E。这样虚电路的标识符用源地址和目的终端地址取代。上述步骤可以总结为三点:

  1. 为终端分配地址,修改分组格式
  2. 转发表中的转发项给出通往每一个终端的传输路径
  3. 以分组目的地址查找转发表,确定分组转发端口

具有以上特征的交换方式就是数据报分组交换方式,简称数据报交换

上图可以看出,分组可以独立选择传输路径,分组发送与接收顺序可能不一致,这样可以更好的均衡网络负载,容错性也会提高,数据报交换适合终端之间的通信。数据报交换多条传输路径共享物理链路带宽

交换技术分类和比较

应用方式比较

  1. 电路交换:适合密集的、持续的数据通信方式,比如说路由器之间
  2. 虚电路:适用于节点数较少且节点固定的数据通信方式,比如路由器之间,这种互连路由器方式逐渐被SDH取代
  3. 数据报交换:最适合终端间通信,而网络最终目的是终端间通信,数据报交换是现代网络的技术基础
坚持原创分享,您的支持将鼓励我不断前行!