网络核心
# 网络核心
网络核心的主要功能是实现数据交换
# 为什么需要数据交换
相互连接:两两相连
链路问题 随着主机设备的增加,技术上难以实现
两两相连示意图
为了减小两两相连的复杂性,引入了交换设备
交换设备示意图
为了保证连通性和适应不同的网络规模,将交换设备互联起来,形成交换网络
交换网络示意图
# 什么是交换
动态转接
动态转接示意图
动态转接能动态分配传输资源
- 从交换网络的层面上看
动态分配传输资源示意图
数据交换的类型
- 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
电路交换的三个阶段
- 建立连接
- 呼叫/电路建立
- 通信
- 释放连接
- 拆除电路
独占资源
A, B 之间通信时会独占一条通信链路
电路交换网络会通过多路复用(Multiplexing)共享中继线
电路交换网络示意图
# 多路复用
多路复用(multiplexing),简称复用,是通信技术中的基本概念
多路复用示意图
多路复用(Multiplexing)的基本特征
- 链路/网络资源(如带宽)划分为“资源片”
- 将资源片分配给各路“呼叫”(calls)
- 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信
- 资源片可能“闲置”(idle)(无共享)
典型多路复用方法:
- 频分多路复用( frequency division multiplexing-FDM )
- 时分多路复用( time division multiplexing-TDM )
- 波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)
- 码分多路复用( Code division multiplexing-CDM )
# 频分多路复用FDM
频分多路复用原理图
特点
- 频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽(单位:Hz)而不是数据的发送速率)
- 用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带
示意图
# 时分多路复用TDM
时分复用帧
- 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧),每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙
时分复用帧示意图
特点
- 每用户所占用的时隙是周期性出现(其周期就是TDM 帧的长度)
- 时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度
时分多路复用示意图
- 四个用户 A, B, C, D
# 波分多路复用 WDM
波分复用就是光的频分复用
波分复用示意图
# 码分多路复用 CDM
广泛应用于无线链路共享 (如蜂窝网,卫星通信等)
原理
每个用户分配一个唯一的
bit 码片序列(chippingsequence),其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示,例如: 站的码片序列:
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)
- 如发送比特 1(+1),则发送自己的
bit 码片序列 - 如发送比特 0(-1),则发送该码片序列的
bit 码片序列的反码
- 如发送比特 1(+1),则发送自己的
各用户码片序列相互正交(orthogonal)
令
为各个用户的原始数据序列,各用户的叠加向量为- 注意
是一个码片序列- 其每个 bit 的取值范围为
- 其每个 bit 的取值范围为
- 注意
解码: 码片序列与编码信号的内积
码分多路复用编/解码举例
单用户
多用户
# 报文交换
报文:源(应用)发送信息整体
报文交换示意图
# 分组交换(package switching)
分组:报文分拆出来的一系列相对较小的数据包
分组交换需要报文的拆分与重组
产生额外开销
- 原报文
- 拆分为分组
按分组发送
在目的主机进行重组
# 统计多路复用(Statistical Multiplexing)
# 存储-转发(store-and-forward)
报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式
- 区别:
- 报文交换以完整报文进行“存储-转发”
- 分组交换以较小的分组进行“存储-转发
# 传输延迟
- 发送主机:
- 接收应用报文(消息)
- 拆分为较小长度为
bits的分组(packets)
- 在传输速率为
的链路上传输分组
$$ 分组传输延迟(时延)(delay) = \frac{L (bits)}{R (bits/sec)} $$
# 报文交换 vs 分组交换 的传输时延
- 报文交换:
- 报文长度为
- 链路带宽为
- 每次传输报文需要
秒
- 报文长度为
- 分组交换:
- 报文被拆分为多个分组
- 分组长度为
- 每个分组传输时延为
秒
,传输过程示意图,路由器的缓存至少要为
,传输过程示意图,路由器的缓存大小至少需要为
# 分组交换的报文交付时间
- 报文:
- 链路带宽(数据传输速率):
- 分组长度(大小):
- 跳步数:
- 路由器数:
- 分组交换的交付时间为:
为最后一个分组到达第一个路由器时所用的时间(此时信源完成信号的发送) 相当于最后一个分组从第一个路由器到达信宿所用的时间
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