计算机网络 交换技术

在大型网络中，发送者到接收者可能有多条路径。交换技术将决定数据传输的最佳路径。

交换技术用于连接系统以进行一对一的通信。

交换技术的分类

电路交换

• 电路交换是一种建立发送器和接收器之间专用路径的切换技术。
• 在电路交换技术中，一旦建立连接，专用路径将一直存在，直到连接终止。
• 电路交换在网络中的运作方式类似于电话的工作方式。
• 在通信发生之前，必须存在完整的端到端路径。
• 对于电路交换技术，当任何用户想要发送数据、语音、视频时，会发送一个请求信号给接收方，然后接收方发送回确认信号以确保专用路径的可用性。收到确认信号后，专用路径传输数据。
• 电路交换用于公共电话网络。它用于语音传输。
• 在电路交换技术中，可以一次传输固定数据。

通过电路交换进行通信有三个阶段：

• 电路建立
• 数据传输
• 电路断开

电路交换可以使用以下两种技术之一：

空间分割交换：

• 空间分割交换是一种在交换机中通过使用物理上分别的交叉点集来实现单个传输路径的电路交换技术。
• 可以通过使用交叉点交换来实现空间分割交换。交叉点交换是一种金属交叉点或半导体门，可以由控制单元启用或禁用。
• 交叉点交换由半导体制成。例如，Xilinx使用FPGA来制造交叉点交换。
• 空间分割交换具有高速、高容量和非阻塞交换机。

空间分割交换可以分为两种类型：

• 交叉点交换
• 多级交换

交叉点交换

交叉点交换是一种具有n个输入线路和n个输出线路的交换机。交叉点交换具有n2个交叉点，称为 交叉点。

交叉点交换的缺点：

交叉点的数量随着站点数量的增加而增加。因此，对于大型交换机而言，成本非常昂贵。解决这个问题的方法是使用多级交换。

多级交换

• 多级交换是通过将交叉点交换拆分为较小的单元并进行连接来实现的。
• 它减少了交叉点的数量。
• 如果一个路径失败，那么将有另一条路径可用。

电路交换的优点：

• 在电路交换技术中，通信通道是专用的。
• 它具有固定的带宽。

电路交换的缺点：

• 一旦建立了专用路径，数据传输的速度只受到延迟的影响。
• 建立连接需要很长时间，大约10秒，在此期间无法传输数据。
• 它比其他交换技术更昂贵，因为每个连接都需要一个专用路径。
• 它使用效率低下，因为一旦建立路径并且没有传输数据，路径的容量就被浪费了。
• 在这种情况下，连接是专用的，因此即使通道是空闲的，也无法传输其他数据。

报文交换

• 报文交换是一种交换技术，其中一条消息作为完整的单元传输，并通过中间节点进行存储和转发。
• 在报文交换技术中，发送方和接收方之间没有建立专用路径。
• 目的地地址附加到消息中。报文交换提供动态路由，因为消息根据消息中的信息在中间节点路由。
• 报文交换器编程以提供最有效的路由。
• 每个节点都存储整个消息然后将其转发到下一个节点。这种类型的网络称为 存储转发网络。
• 报文交换将每个消息视为独立的实体。

消息切换的优点

• 数据通道在通信设备之间共享，提高了使用可用带宽的效率。
• 可以减少交通拥堵，因为消息被临时存储在节点中。
• 可以使用消息优先级来管理网络。
• 发送到网络的消息的大小可以变化。因此，它支持无限大小的数据。

消息切换的缺点

• 消息切换必须配备足够的存储空间，以便可以存储消息直到消息被转发。
• 由于消息切换技术提供的存储和转发功能，可能会发生长时间的延迟。

分组交换

• 分组交换是一种交换技术，其中消息一次性发送，但被分成较小的片段，并逐个发送。
• 消息被分成较小的片段，称为分组，并为分组分配唯一编号，以在接收端标识它们的顺序。
• 每个分组的头部都包含一些信息，如源地址、目标地址和序列号。
• 分组将按尽可能短的路径在网络中传输。
• 所有的分组在接收端按正确的顺序重新组装。
• 如果有任何分组丢失或损坏，那么将重新发送消息。
• 如果分组的正确顺序已达到，那么将发送确认消息。

分组交换的方法：

有两种分组交换的方法：

数据报分组交换：

• 它是一种分组交换技术，其中包被称为数据报，并被视为独立的实体。每个数据报都包含有关目的地的信息，交换机使用这些信息将数据报转发到正确的目的地。
• 接收端对数据报进行重新组装以正确的顺序。
• 在数据报分组交换技术中，路径是不固定的。
• 中间节点根据路由决策来转发数据报。
• 数据报分组交换也被称为无连接交换。

虚拟电路交换

• 虚拟电路交换也被称为面向连接的交换。
• 在虚拟电路交换的情况下，在发送消息之前建立了预先规划的路由。
• 呼叫请求和呼叫接受数据包用于建立发送方和接收方之间的连接。
• 在这种情况下，路径在逻辑连接的持续时间内是固定的。

让我们通过一张图来理解虚拟电路交换的概念：

• 在上图中，A和B分别是发送方和接收方。1和2是节点。
• 呼叫请求和呼叫接受数据包用于建立发送方和接收方之间的连接。
• 当建立一个路径后，数据将被传输。
• 在传输数据之后，接收方发送一个确认信号，表示已经接收到消息。
• 如果用户希望终止连接，会发送一个清除信号以进行终止。

数据报途径和虚拟电路途径之间的差异

数据报方法	虚拟电路方法
节点根据路由决策转发数据包。	节点不做任何路由决策。
由于所有数据包都在不同的方向上传输，因此不会发生拥塞。	当节点繁忙时，可能会发生拥塞，并且不允许其他数据包通过。
数据报方法更具灵活性，因为所有数据包被视为独立实体。	虚拟电路方法不太灵活。

数据包交换的优点：

• 成本效益高： 在数据包交换技术中，交换设备不需要大规模的辅助存储来存储数据包，因此在一定程度上减少了成本。因此，我们可以说数据包交换技术是一种成本效益高的技术。
• 可靠性高： 如果任何一个节点忙碌，那么数据包可以重新路由。这确保了数据包交换技术提供可靠的通信。
• 效率高： 数据包交换是一种高效的技术。它在传输前不需要任何建立的路径，并且许多用户可以同时使用同一通信信道，因此非常有效地利用可用带宽。

数据包交换的缺点：

• 数据包交换技术无法在需要低延迟和高质量的应用中实现。
• 数据包交换技术中使用的协议非常复杂，实施成本高。
• 如果网络过载或者损坏，那么需要重新传输丢失的数据包。如果错误没有恢复，还可能导致关键信息的丢失。