20190511

交换原理：电路交换、分组交换

电路交换早于分组交换，工作原理起源于第一代电话网络。主要局限：无法动态重新分配物理链路的带宽。

分组交换原理由计算机网络工程师发明，考虑到计算机数据传输的特征，列如数据的突发性。

网路技术中任何优点和缺点都是相对的。在传输突发性数据时，使用分组交换网路交换机中的缓存，可以更为有效的利用链路的带宽。但这也导致了分组传递中的不确定的延迟。对实时数据，这些延迟是一种不足。这类数据习惯上都使用电路交换技术来传输。

电路交换 

交换机用通信链路连接，构成交换机网络，每一条链路都有相同的带宽。

 这些终端设备以等于链路带宽的恒定的速度向网络发送信息。如果在某段时间内，负载比链路带宽低，终端设备通过在用的用户信息中加入空白的无意义的数据的方式，以一个恒定的速率持续向网络送出数据，而接收的终端设备知道那部分是有用的信息，那部分是填充信息。并且必须丢弃无意义的信息，只将发送端发送的数据提供给用户。

数据交换是在连接建立(connection setup)之后开始。假设两个电话用户(A,B)希望交换一些数据，在向网络发送数据前（即，开始对话），A向交换网络发送一个请求（需要指定B的地址，PhoneNum)以便在A和B之间通过一条信息链路建立连接（持续的通信链路，以一个固定的速度，在整条链路长度上传输数据，意味着中间交换机不需要缓存用户数据）。为了建立这样一条链路，请求必须用过从A到B的一系列交换机，保证所有要求的路由部分（通信链路）都可用。并且，终端节点B必须是空闲的。为了固定这一连接，在从A到B 的路径上，每一个参与的交换机都存储着为A-B连接的适当的路由信息，在每个交换机内部，建立起了与数据路由相对应的内部接口之间的连接。

建立请求阻塞（setup request blocking)在网络中，任何其他用户请求网络建立一个连接，如果这一连接需要已经保留的连接路由的至少一部分，那么网络会拒绝这一请求。（也可以不通过路由直接发生在终端部分）

 保证带宽，在连接建立后，两个用户可以使用这一固定带宽的电路，以固定速率向网络发送数据，同时网络保证以同样的速率无损的将这些数据传输到被呼叫的用户，这与此时网络中是否存在其他连接无关。用户不能以超过链路带宽的速率向网络传输数据，网络也不能降低用户数据的传输速率。（网路负载只会影响建立请求阻塞的可能性）网络以一个小的，固定的延迟进行数据传输其实是一件好事，保证了对高延迟非常敏感的数据的高质量传输。（实时流量（real-time traffic))其典型代表是语音和视频

多路复用  为了提高电路交换网络的效率，使用多路复用。使用一条物理链路，从多个逻辑连接同时传输数据。每个链路的带宽被划分为相同部分，就是所谓子信道（subcannel)，（阻塞可能性减少）。这样连接被建立在子信道层，而不是链路层，可能会保留多个子信道，以防单个信道的带宽不够。现在需要将数据传输到需要的信道，而不是端口间直接交换。（使用时分多路复用时，需要做一个高层次的同步，频分多路复用，需要使用频率转换）

传送突发流量的低效率 个人网络用户的流量脉冲系数（traffic pulsation coefficient)等于数据交换的平均强度和最大可能强度的比值，可以到达1：100.如果用户计算机和服务器之间的电路交换建立起来之后，在这一会话的大部分时间里，电路是无效运行的，另一方面，网络性能的某些部分会专属于这对终端节点。可以比作地铁站中无人乘坐的自动扶梯，电梯始终在运作，虽然它并没有完成任何有用的工作。

分组交换（Packet switching)

网络用户的所有传输数据都被分位相对较小的片段，称为packet,有时也叫帧（frame)或信元（cell)。这一划分分组的操作在传输节点完成。每一分组都有一个头部（header)，包含地址，以便将分组传送的目的节点。因为每个分组有可能独立于信息流中的其他任何分组，被某个交换机处理。所以还要一个辅助的域，往往在分组的末尾，称为尾部（trailer)包含校验和，检查信息在传输过程中是否被破坏。分组发送到网络时，并不是先保留通信链路，分组以数据源生成数据的速率传输到网络。这一速率不能超过接入链路的带宽。以电路交换网络相反，分组交换网络被认为能随时从任何终端节点接收数据。（带宽保留，在分组交换网络中的应用（与电路区别）：根据每一信息流的当前需求，分组交换网络的信道带宽可以在信息流间动态的重新分配）

缓存与队列 

分组交换机带有内置缓存，可以临时存储分组。首先只是由于交换机需要分组的所有布冯，才能做出转发的决定。这些部分带有目的地址的头部、数据域、以及带有校验和的尾部。交换机检查校验和，并且只有当分组数据没有被破坏时，才开始分组处理。每一个分组都被放置到输入缓存（input buffer)（也就是说，他被一比特一比特、顺序的放置到分配给这个分组的内存中）。我们可以说分组交换网络使用了存储转发技术（store-and-forward technique)需要注意的时，为了实现这一目的，我们需要有一个和单个分组大小相同的缓存。所以，缓存可以被用来协调报文到达的速度和他们交换的速度。如果进行分组交换的设备（交换结构）跟不上分组处理的速度，那么交换机的接口部分就会建立输入队列（我个人感觉缓存像是电容）为了存储这一输入队列，缓存的大小必须超出单个报文的大小。创建交换结构有不同的方法，传统的方法基于单个中央处理器，为交换机的所有输入队列服务，（多个队列共享处理器的性能）但可能产生很长的的队列。所以采用多处理器的方式，每个接口都有自己的内置处理器，用以进行分组处理。除此之外，还有一个中央处理器，负责协调接口处理器的运作。但中央处理器可能成为瓶颈。最后，缓存被用来协调连接到特定分组交换机的链路的速率。如果从某链路到交换机的分组速率超出这些分组需要的被转发的链路的带宽，那么，为了避免分组丢失，需要在目的接口建立输出队列（output queue)

于是分组会在交换机的缓存中保存一段时间，然后通过输出接口，转发到下一个交换机，可以在交换机之间的主干链路上平缓流量的突发性，增加了网络的整体性能。

由于交换机中的缓存大小是有限的，有时候分组会丢失。拥塞（congestion)指某些网络部分的暂时超负载。通常发生在多个信息流的高峰恰好同时到达时。时分组交换网络的内在性质，于是开发了一套弥补这一不足的机制。称为服务质量（Quality of Service,QoS)

和流量工程 （Traffic Engineering)

分组转发方法（packet-forwarding method)

无连接（connectless),数据报（datagram)、面向连接的传输(Connection-oriented transmission)面向连接的数据传输过程被划分为会话（session),也叫逻辑连接、虚电路（virtual circuit),连接参数的列表包含路由。

相同的网络技术可以使用不同的数据传输方法。例如，IP数据报协议用来在构成整个因特网的不同网络之间传输数据。因特网终端节点之间可靠的数据传输由面向连接的TCP协议完成，他将建立不含固定路由的逻辑连接。最后因特网时使用虚电路网络的一个典型例子，应为它包含了许多ATM网络和帧中继网络，他们都支持虚电路。