现代交换原理

2024-03-02 15:23:00 #笔记 #现代交换原理

现代交换原理

chapter1 交换概论

1. 交换的概念

交换

Exchange vs. Switch

Switch 偏指“转换”，狭义上指某个设备（交换机）中，数据从一个端口、网络到另一个端口、网络的过程。
通信系统

通信网的组成：
- 终端设备
- 传输设备
- 交换设备
无交换：点到点通信（全互连方式）， $N$ 个终端需要 $N^{2}$ 级对线路。

交换：简化网络，实现可拓展广覆盖。

交换：负责建立通信信道、传送通信信息

2. 通信网三对基本概念

1.1 信息传送

面向连接工作方式（物理连接、逻辑连接）
- 物理连接：对应物理线路，独占信道（未必是独占某条物理线路，比如可以是独占时分复用后一条线路上的一个时隙）。
- 逻辑连接：又称虚连接，按需占用信道，是虚电路（Virtual Circuit）的工作方式。
Important

无论物理连接（独占信道）还是逻辑连接（按需使用信道），一旦连接建立，其信道都不会再改变的。

虚电路的详细介绍&逻辑连接与物理连接对比
无连接工作方式

Note

可以与TCP/UDP中的面向连接-无连接概念进行类比，但要注意两者的区别。

TCP、UDP运行在更高的层次上，它们的连接是端到端的概念，不关心底层的路由与转发，因此不适用通信网信息传送中的概念。它们底层都基于IP协议，在通信网中都是无连接的。

不过两对概念有着类似的思想，即数据包是否按照正确的顺序发送接收，并且保证数据传输的可靠性。

此外，它们有类似的特征，即包含“建立”、“传送”、“连接”三个阶段。

2.2 时分复用

同步时分复用
- 位置化信道：依据数字信号在时间轴上的位置区别各路信号
- 用于电路交换
- 发送端与接收端时钟同步
例子：30/32路PCM系统。一帧均分为32时隙（TS）。话音信号使用固定频率采样编码，数字信号固定64kbit/s。每TS传输8bit，其中30TS用于话路，其余2TS分别用于帧同步和传送信令（后面详细说明）。
统计/异步时分复用
- 标志化信道：每个分组前附加标志码，标示分组的输出端或传送路径
- 用于分组交换和 ATM 交换
例子：IP网络是统计时分复用。

对比：在传统的同步时分复用系统中，每个低速数据终端都固定地对应于共用信道中的一个时隙，而不管这些终端是否在工作，因而一帧中的有些时隙被闲置浪费了。而统计TDM只对那些正在工作的终端才分配时隙，从而可为多于时隙数的终端服务。

Important

通常语境下统计时分复用==异步时分复用。但在讨论交换方式时，两者略有不同。

2.3 带宽分配

固定带宽分配

适用于固定比特率业务（如话音），需资源预留。
动态带宽分配

用于时变比特率业务，需资源动态分配或竞争。

Tip

可以类比成交通车道，固定车道/高峰加宽车道。

同步时分复用通常意味着固定带宽分配，统计/异步时分复用通常意味着动态带宽分配。

3.各种交换方式

仅记录几种重要的交换方式，其序号继承课件

Note

不要把交换方式和三对基本概念弄混，它们没有可比性。这些基本概念仅仅是对于一些专业名词的说明，它们在下面介绍交换方式所具备的特点时出现（以后也会经常出现）。

另外，在介绍一些交换方式时，课件没有给出一个精准明确的“定义”，它们更像是某（几）种过程或机制模型的归纳，可能存在多种实现方式，在一些细节不必纠结。

这一章仅作概述，后面会对一些交换方式进行详细学习。

3.1 电路交换

主要用于电话通信网（PSTN—Public Switched Telephone Network）。

话信的特点在下一代Internet课给我们读的“END-TO-END ARGUMENTS IN SYSTEM DESIGN”中有被提到：其可以几乎不在意可靠性与准确性，但要求高实时性。该特性使得它成为了一个完美符合端到端原则的模型，即底层通信网络可以不作任何差错控制或其它处理，这能同时满足两个要求。

电话通信的另一个特性是，一旦建立通信，就以恒定速率传输信号（电话不知道你有没有说话，它只是全盘接收所有声音信号并将其转为数字信号，因此其采样频率是固定的）。

不知道是电话先被设计出来还是电路交换先被设计出来，但总之，电路交换好像就是为了电话通信而设计一般。

电路交换的特点：

面向连接的工作方式（物理连接）
同步时分复用（信息传送的最小单位是时隙）
固定带宽分配
无差错控制机制
对通信信息不作处理（透明传输）
流量控制基于呼叫损失制（流量满了新的呼叫请求就被拒绝）

3.4 报文交换

主要用于公用电信网的电报自动交换。

3.5 分组交换

其基本过程与报文交换类似，只不过把数据进行了分组，其信息传送的最小单位变成了分组，这么做可以减小存储时延，实现存储和转发并行。

存储—转发是这两种交换方式都具备的机制。它的意思是，交换机（中间节点）会把接收到的最小交换单位存储在交换机中，等处理完毕、排队结束后再转发。这相当于提供了一个缓存。

在分组的形成中，需要关注以下两点：

分组头：选路信息及其它控制信息
分组大小：可变长，长度兼顾时延和开销

分组交换又可以被细分成两种具体的形式。

3.5.1 虚电路 Virtual Circuit （VC）

逻辑连接是虚电路的连接方式。狭义地讲，它指通过路由表等方式为通信双方建立一条逻辑上的固定信道。

结合图片可以更好理解，节点A、B之间的信道在物理上既不属于DTE1-DTE3，也不属于DTE2-DTE4，这两个连接需要使用的完整信道都是通过路由表定义的——也就是说仅存在于逻辑中。事实上，只要删除路由表，连接就不存在了。

从与物理信道的区别角度来看，A、B间的信道在任何连接需要时都可以被暂时占用（按需占用），没有哪个连接能够独占信道（这里需要注意”信道“与物理电路的区别，信道可以是逻辑的，比如在时分复用下，一条电路可以被分成多个信道，只要固定占用时间轴上一个位置，仍然是物理连接）。

虚电路有两种类型：

在上面的例子中，我们可以根据路由表是否可以更改来进行分类。

3.5.2 数据报 Datagram（DG）

路由选择和数据转发同时进行。
典型应用：IP网络。

3.5.3 对比

共同点：都应用了统计时分复用（分组头有标识），竞争使用资源，因此也都是动态带宽分配（可变速率）。

3.5.4 总结

详解：由于是数据业务（与话音等对比），对可靠性要求高，有差错控制（体现在二层链路层，是点到点的差错控制）。为了实现转发和差错控制，需要解析分组头，因此是非透明的。呼叫延迟与呼叫损失对比，不管网络是否拥挤，存储在缓存中，保证能够完成通信（多等一会儿），这是高可靠性与低实时性要求下的机制。

Note

虽然现代分组交换应用于某些语音服务（如微信电话底层使用IP服务），但分组交换实际上不适合传输实时性高的内容。

电路交换现在基本已经被淘汰，即使传统的由电信运营商提供的话音业务也不采用电路交换，但为了保证高实时性也并不使用分组交换，而是在骨干网使用IP交换（后面介绍）。IP交换≠分组交换

3.7 ATM（异步传送模式）交换

思想：不同业务能否共用一个网？结合电路和分组的优点。

固定信元长度，使用较短信元。

方便硬件控制；节省缓冲容量、降低存储时延。数据交换单元为信元。
逻辑连接

两层逻辑信道标识，VPI+VCI，使得交换更加灵活，原理与虚电路基本相同。
异步时分复用

标志化信道+相同时隙（等长信元），结合同步时分复用和统计时分复用的部分特点。当然实际上还是统计时分复用的一种特例，可以动态分配带宽。

Note

通常语境下统计时分复用和异步时分复用是同一种东西。但在讨论交换方式时，为了与其它交换方式作区分，认为异步时分复用是ATM独有的。
端到端差错控制，增加效率。

Note

这里的差错控制可能更偏顶层架构，不在交换方式本身的范畴，因此不认为ATM具有可靠性。
同时支持话音与数据业务。