【計算機網絡】數據交換技術和多路復用技術的正（nao）確(can)打開方式
阿新 • • 發佈：2017-10-18
分割 image user 信號 也不能 soft 所有 什麽是 收費 “無交換”的網絡
“無交換”也就是說沒有交換設備的支持，這導致:任意一個終端都要和其他n-1個終端直接相連。根據數學公式我們可以知道，總共需要n(n-1)/2條通信線路
“需要的線路實在太多了！”，就算不太了解商業學的朋友大約也想得出：在“n”的值已經達到天文數字的今天，要搞定這n個終端的互相通信將會在線路建設上付出多麽可怕的，難以承受的成本。
於是“交換”的意義就體現出來了
當然了，交換設備可不僅僅只有一臺，而且類型也有許多種，由此引出了我們今天要介紹的兩種不同的數據交換方式—— 電路交換和分組交換
電路交換的過程可分為三部分： 建立電路，傳輸數據和拆除電路
我們以上圖為例進行分析：
1.建立電路
A和B要進行通信，首先A先發出呼叫請求信號，然後經由上述一系列的交換機，接通這條物理鏈路，再由B發出應答信號給A，這樣，通信線路就接通了。從這開始，才允許進行數據傳輸
2.數據傳輸
建立電路階段完成後，便進入了數據傳輸階段。這時候： 
在傳輸數據的時候沒有建立電路的過程，而是把發送的信息分成多個報文正文，例如一個JPEG圖片或者一個MP3音頻文件，同時加上發送端和接收端地址等信息使其成文一份報文。
在同一條線路下，不同的信號經由不同的信道傳輸，就好像不同的車輛都可以占據道路的一部分作為“自己的小路”，並排行駛。
電路交換和分組交換有它們各自的多路復用方式
頻分多路復用也就是將具有一定帶寬的信道分割為若幹較小頻道的子信道，每個子信道提供給一個用戶使用，可以看到，任意時刻各個子信道裏的信號是並行傳輸的。如下圖就將一條信道分成對應5種不同頻率段的子信道
這時候，一條物理信道的傳輸時間分成若幹個時間片輪流給不同的信號源使用，這些時間片的時間長度是相等的，而一組時間片組成的片段叫做一“幀”。例如下圖中A，B，C，D四個時間片（時隙）合為一幀
交換的作用
數據交換是計算機網絡中兩個終端進行數據傳輸的方式，它又可以分成兩種類型：電路交換和分組交換。很顯然，問題的核心在於“交換”，那麽我們首先要思考的是：交換的作用是什麽？ “交換”的作用在於借助交換設備實現通信線路的復用 我們假設某個網絡有n個終端，那麽對於該網絡最基本的要求是“這n個終端能互相通信”，也就是說這n個終端間各自都要擁有互相連接的線路，那麽讓我們來看看“無交換”和“有交換”的網絡有什麽區別“無交換”的網絡
“無交換”也就是說沒有交換設備的支持，這導致:任意一個終端都要和其他n-1個終端直接相連。根據數學公式我們可以知道，總共需要n(n-1)/2條通信線路
“需要的線路實在太多了！”，就算不太了解商業學的朋友大約也想得出：在“n”的值已經達到天文數字的今天，要搞定這n個終端的互相通信將會在線路建設上付出多麽可怕的，難以承受的成本。
於是“交換”的意義就體現出來了
“有交換”的網絡
讓我們在上面的場景中引入一臺交換設備，情況就截然不同了，在這種情況下，實現n個終端的互相通信僅僅只需要n條線路。因為在n的值很大的時候, n(n-1)/2是遠大於n的，所以，“交換”這一方式節約（復用）了相當一部分的線路資源
當然了，交換設備可不僅僅只有一臺，而且類型也有許多種，由此引出了我們今天要介紹的兩種不同的數據交換方式—— 電路交換和分組交換
電路交換
電路交換是最早出現的通信方式，例如我們的電話通信使用的就是電路交換
電路交換的過程可分為三部分： 建立電路，傳輸數據和拆除電路
我們以上圖為例進行分析：
1.建立電路
A和B要進行通信，首先A先發出呼叫請求信號，然後經由上述一系列的交換機，接通這條物理鏈路，再由B發出應答信號給A，這樣，通信線路就接通了。從這開始，才允許進行數據傳輸
2.數據傳輸
建立電路階段完成後，便進入了數據傳輸階段。這時候：- A可以向B發送數據，B也可以向A發送數據，實現雙工通信
- 在AB通信期間，該條鏈路被AB所占有，任意部分的鏈路資源不能被其他終端所使用
分組交換
和電路交換相對應的是分組交換 分組交換是以報文交換為基礎的，所以分組交換其實也可以叫做“報文分組交換”。所以，先讓我們來看看什麽是報文交換吧： 報文交換
在傳輸數據的時候沒有建立電路的過程，而是把發送的信息分成多個報文正文，例如一個JPEG圖片或者一個MP3音頻文件，同時加上發送端和接收端地址等信息使其成文一份報文。
報文的傳送過程依賴於“存儲轉發機制”， 從發送端開始，每經過一個交換機，該交換機的任務是： 1.接收完整的報文，然後對報文進行緩存，此即為“存儲” 2.等到下一個交換機節點空閑的時候，再將該報文發送給下一個交換機，此即為“轉發” 接收端會將各份報文按照原來的順序組合，從而得到完整的數據 分組交換
我們說過，分組交換是在報文交換的基礎上實現的。分組交換其實就是把報文（Message）劃分成更小的傳輸單元——分組（Packet）。除此之外，並無太大差異。或者可以說：報文交換和分組交換的差異就僅僅是數據單元的大小不同罷了 然而，這一點小小的不同，卻大大改善了網絡交換的性能 相比於普通的報文交換，分組交換有什麽優勢呢？
- 基於存儲轉發機制，報文交換對交換機的存儲容量的要求是很高的，而分組交換大大所要求的存儲容量很小（因為單個分組比單個報文小很多）
- 包含較短信息的分組在節點間傳輸速率高
- 分組小，在傳輸的時候出錯的概率小，出現差錯時，只需重發一個分組，而無需重發整個報文，所以能夠提高傳輸效率
多路復用技術
當傳輸介質的帶寬超過了傳輸單個信號所需的帶寬，人們就通過在一條介質上同時攜帶多個傳輸信號的方法來提高傳輸系統的利用率，這就是所謂的多路復用。多路復用技術能把多個信號組合在一條物理信號組合在一條物理信道上進行傳輸，使多個終端能共享信道資源，提高信道的利用率。 把線路比作道路，把不同的用戶信號比作運輸物資的車輛：
在同一條線路下，不同的信號經由不同的信道傳輸，就好像不同的車輛都可以占據道路的一部分作為“自己的小路”，並排行駛。
電路交換和分組交換有它們各自的多路復用方式
電路交換網絡中的多路復用
電路交換網絡中主要采用的多路復用技術有兩種： 時分多路復用（FDM）和頻分多路復用（TDM） 這裏接上前面所做的道路的比喻，如果把電路交換網絡比作交通局的話，那麽他們迫切需要解決的問題就是怎麽劃分信道的問題。 劃分的依據就是：時間和頻率 頻分多路復用（FDM） “電路交換交通局”采用的其中一種多路復用政策叫頻分多路復用（FDM）
頻分多路復用也就是將具有一定帶寬的信道分割為若幹較小頻道的子信道，每個子信道提供給一個用戶使用，可以看到，任意時刻各個子信道裏的信號是並行傳輸的。如下圖就將一條信道分成對應5種不同頻率段的子信道
時分多路復用（TDM） “電路交換交通局”采用的另外一種多路復用政策叫時分多路復用（TDM）
這時候，一條物理信道的傳輸時間分成若幹個時間片輪流給不同的信號源使用，這些時間片的時間長度是相等的，而一組時間片組成的片段叫做一“幀”。例如下圖中A，B，C，D四個時間片（時隙）合為一幀
在時分多路中，雖然就某一時刻而言，信號不是多路復用的，但就某一時間段而言，信號仍然是多路復用的。 總結：時分多路和頻分多路都是分割帶寬，區別在於頻分多路是連續得到部分帶寬，時分多路是周期性地得到所有帶寬。
分組交換網絡中的多路復用
分組交換網絡中的多路復用技術是“統計多路復用”，又叫做異步時分多路復用，它和時分多路復用類似，不同的信道是按時間片分配的，但統計多路復用的最大不同點是:它的時間片是動態分配大小的，而不是固定相等的長度，所以統計多路復用是一種根據用戶實際需要動態分配線路資源的時分復用方法。 和“電路交換交通局”的交通政策相比，“分組交換交通局”制定的行車政策是：並不分配固定寬度和道數的車道，而由當前道路上的車輛數動態地決定每輛車占據的道路的寬度，如果“當前道路上只有一輛車”，那麽整條道路都為這輛車所占據。（每個用戶信號的數據傳輸速率最高可達到線路總的傳輸能力）
電路交換和分組交換各自的優劣
因為在“軌道交通”上的施政方針不同，“電路交換交通局”和“分組交換交通局”產生了巨大的意見分歧
電路交換和分組交換在時延上的對比
“電路交換交通局”的爭論議題在於“時延” 他們認為：分組交換因其端到端時延是變動和難以預測的（主要是排隊時延），所以不適合實時服務（如電話） 什麽是排隊時延呢？ 因為分組交換的存儲轉發機制，路由器需要檢查分組首部並決定將該分組導向何處，這需要一定的處理時延，而如果在這段時間內有下一個分組到達路由器的話，那麽這下一個分組則需要在排在隊列中等待處理，這是分組的排隊時延。 如果分組到達路由器時沒有其他分組在傳輸的話，排隊時延是0，但是，如果流量很大，有很多分組也在排隊等待路由器處理的話，那麽這個時候排隊時延就非常客觀了。 正因為網絡流量的變化是難以預測的，所以分組交換的端到端時延也是變動和難以預測的 打個比方，如果把路由器比作收費站，收費站收路費的一系列的操作是“處理時延”，而你等你前面的車輛收完費開走的總時間就是“排隊時延”，如果這時候車流量很大的話，你到達收費站的時候可能前面有很多輛也在等待收費的車輛， 單次的排隊時延 × N多個收費站就會得到很長的一段時間，但如果當前車流量很少（假設就只有你這一輛車），那麽這時候排隊時延就為零，總而言之， 時延變動而難以預測 而對於電路交換而言，在電路建立後到拆除電路前，信號將一直穩定地傳輸，時延幾乎是固定的電路交換和分組交換在效率上的對比
“分組交換交通局”的爭論議題在於“效率” “分組交換交通局”認為：電路交換的效率是非常低下的 原因可歸結為兩點： 1. 對於電路交換而言，建立電路後，在其靜默期（不傳輸信號），所占據的鏈路資源也不能為其他連接所用，這是一種資源浪費 例如：在撥打電話的時候，即使中途停止講話，鏈路資源也不會因此而被釋放，除非主動掛斷。所以“分組交換交通局”認為，電路交換的這種“占著茅坑不XX”，“在其位不謀其政”的作風問題，違反了勤儉節約的精神，背離了群眾路線。 2. 電路交換的多路復用方式也同樣存在資源浪費的問題，對於時分多路復用而言，單條信道所能分享的最大傳輸速率是受到時隙分配的限制的，同一線路下的某條信道不能利用該線路下其他空閑信道的資源 例如： 對某電路交換/時分多路的線路，其一幀包含10個時間片（時隙），假設當前線路的總傳輸速率是1M bps, 那麽用戶通過其中一條信道傳輸1M 的數據，所需的時間是10s，因為該用戶信道所能分享到的傳輸速率是1M bps / 10 = 0.1M bps,。 請註意，即使其他9個時隙對應的信道都保持空閑（不產生數據）， 該用戶信道的傳輸速率也不會超過0.1M bps, 這不意味著，我們不是白白浪費了0.9M bps的速率嗎？這不同樣犯了 “占著茅坑不XX”的錯誤嗎？ 而相對應的，分組交換卻可以很好地解決上面所遇到的問題，因為分組交換網絡采用的是統計多路復用，所以當其他9個時隙對應的信道都保持空閑（不產生數據）的時候， 活動用戶的信道速率可達到1M bps, 將所有的資源都利用起來，這時候， 只要1s的時間就可以傳輸完畢了。 我們還是同樣打個比方， 對電路交換而言，其時（頻）分多路的復用方式就好比將一條道路提前用白線分割為一條條車道，那麽某個車輛在車道A上行駛的時候，即使車道B和C上無車輛，它也不能跨過白線使用車道B和C的道路資源，而受到車道寬窄的限制，單位時間內的“貨運量”也就受到了限制 而分組交換的統計多路復用則可以“盡可能地利用道路資源”
兩種數據交換技術的現狀
在上面，“分組交換交通局”和“電路交換交通局”的那一番爭論到底誰最終贏了呢？ 總體來說，大部分的人民群眾都站在了分組交換這一邊。現如今，我們的因特網和計算機網絡都是采用分組交換的，而只有傳統的電話網絡采用的才是電路交換。 【完】
【計算機網絡】數據交換技術和多路復用技術的正（nao）確(can)打開方式