计算机网络(3)——三种常见的数据交换技术

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数据交换

网络核心解决的基本问题:通过数据交换来实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机。

为什么需要数据交换?如果两台主机需要通信的话,最直接的方法是使用通信链路连接任意一对主机,这会导致 N 2 N^2 N2 链路问题,在成本和技术方面都是不可行的;如果将每台主机与一台交换设备相连,这样每台主机仅需要一条链路,交换设备可以实现这些主机之间的数据转发,但局限于网络规模及主机间的距离;为了保证连通性并且适应不同的网络规模,于是将交换设备互连在一起形成交换网络,主机与交换网络中的某台交换设备相连,交换网络负责将数据转发至目的主机。
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数据交换从技术分类上来看,可以大致分为三大类:电路交换、报文交换、分组交换。

电路交换

最典型电路交换网络:电话网络
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电路交换的三个阶段:
(1)建立连接(呼叫、电路建立)
(2)通信
(3)释放连接(拆除电路)

电路交换在通信过程中最显著的特点是资源独占,通信连接通过多路复用技术(Multiplexing)来共享中继线,因此电路交换网络才能够同时进行多路通信。

多路复用技术

多路复用(Multiplexing),简称复用,将链路、网络资源(如带宽)划分为“资源片”,将资源片分配给各路通信,每路通信独占其分配到的资源片进行通信。
也就是说资源独占其实是多路复用技术的特点,电路交换网络由于采用了多路复用技术,所以也具有资源独占的特点。
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缺点:由于资源片被独占,当建立的连接不使用该资源传输数据时,这样的资源片被闲置(idle)。

典型的多路复用技术:频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用。

频分多路复用 FDM

频分多路复用(Frequency-division multiplexing,FDM),是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道,每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术(共享时间)
用户在分配到一定的频带后,在通信过程中始终都占用这个频带,例如下图中四个不同颜色代表四个用户所占用的频带。
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时分多路复用 TDM

时间域被分成周期循环的等长的时分复用帧(TDM 帧),每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙,每个用户所占用的时隙是周期性出现(其周期就是 TDM 帧的长度)。
时分多路复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度(共享信道的频率)
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波分多路复用 WDM

波分复用就是光的频分复用,波分复用的实质就是频分复用。

码分多路复用 CDM

CDM 与 FDM(频分多路复用)和 TDM(时分多路复用)不同,它划分编码空间,它既共享信道的频率,也共享时间,是一种真正的动态复用技术。码分多路复用广泛应用于无线链路共享,如蜂窝网、卫星通信等。
每个用户分配一个唯一的 m m m 比特码片序列(chipping sequence),其中 “0” 用 “-1” 表示,“1” 用 “+1” 表示,各用户使用相同频率载波,利用各自码片序列编码数据,编码信号=(原始数据)× (码片序列):

  • 发送比特 1(+1) 时站点就发送码片序列;
  • 发送比特 0(-1) 时就发送码片序列的反码。

当两个或多个用户同时发送时,各路数据在信道中被线性相加。为了从信道中分离出各路信号,要求各用户的码片序列是相互正交的,即对任意两个用户的码片序列 S i , S j S_i,S_j S<span

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