前言🥝

在網絡核心部分起重要作用的是路由器(Router)，它對收到的分組進行存儲轉發來實現分組交換。要了解分組交換的原理，首先要學習電路交換和報文交換的相關概念。

電路交換🍋

?在早期專為電話通信服務的電信網絡中（傳統電話網），需要使用很多相互連接起來的電話交換機來完成全網的交換任務。電話交換機接通電話線的方式就是電路交換(Circuit Switching)。

?在電路交換網絡中，當兩個終端設備（如電話機、主機）要進行通信時，首先需要在網絡中建立一條專用的通信路徑。這條路徑會貫穿所有中間節點（如交換機），并且在通信期間，這些節點會為這次連接預留必要的資源，包括：每一段鏈路的帶寬（傳輸速率）和節點內部的緩存空間。

?從通信資源分配的角度看，交換(Switching)實際上就是以某種方式動態地分配傳輸線路的資源。使用電路交換進行通信的三個步驟如下:

1. 建立連接：開始占用通信資源
2. 通話：即傳輸數據，一直占用通信資源
3. 釋放連接：歸還通信資源

?在電路交換中，電路建立后，除源節點和目的節點外，電路上的任何節點都采取直通方式發送數據和接收數據，即不存在存儲轉發所耗費的時間。在電路交換的整個通信階段，比特流連續地從源節點直達目的節點，就好像在一個管道中傳送。

電路交換技術的優缺點

電路交換技術的優點:

• 資源預留機制：在通信開始前，系統就為該次通信分配了足夠的帶寬和緩存資源，保證了通信過程的穩定性。
• 恒定的傳輸速率：因為資源被獨占，所以發送方可以以固定速率向接收方發送數據，不會有擁堵或排隊現象。
• 低延遲、高可靠性：對于實時性要求高的應用（如語音、視頻會議），這種特性非常重要。
• 連接狀態維護：所有沿途的交換設備都會記錄當前連接的狀態信息，以便正確轉發數據流。

電路交換技術的缺點:

• 資源利用率低：即使通信雙方暫時沒有數據傳輸，所預留的資源也不能被其他用戶使用，造成浪費。
• 不適合突發性通信：例如網頁訪問、文件下載等場景，數據流量波動大，使用電路交換效率不高。
• 建立連接需要時間：對于短時間的通信來說，建立連接的時間可能占比較高，影響效率

?計算機之間的數據傳送往往是突發式(高頻、少量)的，當使用電路交換來傳送數據時，被用戶占用的通信線路資源在絕大部分時間里都是空閑的，其利用率低。

一個典型的電路交換網絡架構：
?該網絡由4臺電路交換機通過4條鏈路互聯構成，形成了一個穩定的通信骨架。每條鏈路被劃分為4條獨立的"電路"，這一設計使得每條鏈路能夠同時支持4條并行的連接，如同一條四車道的高速公路，每條車道（電路）可獨立承載數據傳輸任務。

電路交換的資源分配機制

假設每條鏈路的總傳輸速率為1Mbps，每條鏈路被劃分為4條電路。那么：

1. 單條電路的帶寬 = 1Mbps/4=250kbps
2. 端到端連接的帶寬：若通信路徑經過兩條鏈路（如鏈路1和鏈路2），則總可用帶寬為
   250kbps×2=500kbps，這條連接在通信期間獨占這兩條電路的250kbps帶寬，即使鏈路上的其他電路空閑，也不會被其他連接使用。

?在電路交換網絡中，為了在一條物理鏈路上同時傳輸多路信號，提高資源利用率，通常采用頻分復用（FDM）或時分復用（TDM）技術。這兩種技術分別通過劃分頻率或時間資源，實現多路信號的并發傳輸。

報文交換🍋

?數據交換的單位是報文，用戶數據加上源地址、目的地址等信息后，后封裝成報文(Message)。
?報文交換采用存儲轉發技術，整個報文先傳送到相鄰的節點，全部存儲后查找轉發表，轉發到下一個節點，如此重復，直至到達目的節點。每個報文都可單獨選擇到達目的端的路徑。

報文交換技術的優缺點

報文交換技術的優點：

• 無建立連接時延：通信前無須建立連接，沒有建立連接時延，用戶可隨時發送報文。
• 靈活分配線路：交換節點存儲整個報文后，選擇一條合適的空閑線路，轉發報文。若某條傳輸路徑發生故障，則可重新選擇另一條路徑傳輸數據。
• 線路利用率高：報文在一段鏈路上傳送時才占用這段鏈路的通信資源。
• 支持差錯控制：交換節點可對緩存下來的報文進行差錯檢驗。

報文交換技術的缺點：

• 轉發時延高，緩存開銷大，錯誤處理低效。

存儲轉發技術

?想象你正在通過快遞公司寄送一個包裹。快遞員不會在你剛放入包裹的一部分時就出發，而是需要等待整個包裹裝箱完成后，才開始運輸。這種“先接收完整數據再轉發”的方式，正是存儲轉發傳輸的核心思想。

?路由器的工作原理與之類似，路由器作為數據的中轉站，必須完整接收一個報文 / 分組的所有比特后，才能開始向下一跳鏈路傳輸。這一過程分為兩個關鍵階段：

1. 存儲階段：路由器緩存整個分組，確保數據完整性。
2. 轉發階段：路由器將完整分組通過出鏈路發送到下一個節點。

?當然了，這其中也包括對于數據進行必要的驗證，確認數據是完整的一個驗證的過程。

分組交換🐦?🔥

?分組交換也采用存儲轉發技術，但解決了報文交換中報文過長的問題。若報文太長，則對交換節點的緩存容量就有很大的需求，在錯誤處理方面也比較低效。

?待發送的整塊數據通常被稱為報文(Message)。將較長的報文劃分成若干個較小的等長數據段，在每個數據段前面添加一些由必要的控制信息(例如源地址和目的地址等)組成的首部(Header)，這樣就構造出了一個個的分組(Packet)。分組是在分組交換網上傳送的數據單元。

分組交換的過程

分組交換：

• 發送方：構造分組，發送分組
• 交換節點：緩存分組，轉發分組
• 接收方：接收分組，還原報文

?具體過程：源主機將分組發送到分組交換網中，分組交換網中的分組交換機收到一個分組后，先將其緩存下來，然后從其首部中提取出目的地址，按照目的地址查找自己的轉發表，找到相應的轉發接口后將分組轉發出去，把分組交給下一個分組交換機。經過多個分組交換機的存儲轉發后，分組最終被轉發到目的主機。

?在傳輸過程中，分組會經過多個分組交換機（如路由器），每個交換機會根據當前網絡狀況動態選擇最佳路徑。所以，每個數據包其實是獨立傳輸的。可能經過北京→上海→廣州的路徑。也可能選擇北京→武漢→廣州的路線。這種"智能路徑規劃"使得某條鏈路故障時，數據包可自動繞行，也可以使得整體網絡資源得到更高效的利用

分組交換解決的關鍵問題

分組交換解決了很多關鍵的問題，主要體現在：

• 故障容錯能力：比如某條路徑故障時，數據包可自動選擇備用路徑。2019年某運營商海底光纜中斷時，全球互聯網流量自動繞開故障鏈路，正是分組交換的路由重選功能發揮了作用。

• 高效資源利用：傳統電路交換需獨占通信資源，而分組交換允許多個數據流共享同一條鏈路。不同數據包可共享鏈路，如同高速公路的多車道設計，大大提高了網絡資源的使用效率。

• 按需分配帶寬：突發大流量時，可動態調整各數據包的傳輸優先級。

傳輸過程的關鍵參數

?傳輸速率與延遲 通信鏈路的傳輸速率用bps（bit per second）表示。以家庭寬帶為例，100Mbps
的網絡意味著每秒可傳輸1億比特數據。假設一個分組大小為1500字節（即12,000比特），100Mbps

?鏈路上的傳輸時間計算如下： 傳輸時間 = 分組大小 ÷ 傳輸速率 = 12,000 bit ÷ 100,000,000 bps =
0.00012秒。

?當多路數據同時通過同一鏈路時，就會發生網絡擁塞。這就像高速公路高峰時段的車流擁堵。此時路由器會進行緩沖，導致分組排隊等待傳輸，從而增加整體延遲。這種現象在視頻會議中可能表現為畫面卡頓。

工作原理

工作原理：我們以源端系統 → 路由器 → 目的端系統的簡單網絡為例。

• 數據包構成：假設每個數據包（分組）包含L比特
• 鏈路速率：R bps（比特/秒）

源端發送分組：
在時刻 t=0源端開始發送分組1的第一個比特。
由于鏈路速率為 R，傳輸完整個分組需要時間 L/R秒。
到時刻 t=L/R，源端完成發送，分組1的全部比特已到達路由器并被緩存。

路由器轉發分組：
路由器在時刻 t=L/R開始處理分組1，此時它已存儲完整的分組數據。
路由器以同樣的速率 R 向出鏈路傳輸分組1，耗時 L/R秒。
到時刻 t=2L/R，分組1的全部比特已到達目的端系統。
所以，我們的總時延為：存儲轉發總時延 = 源端傳輸時間 + 路由器轉發時間 = 2L/R 秒。

在計算機網絡中，數據以分組（Packet）為單位傳輸。每個分組的傳輸過程包含這兩個關鍵時間參數：

• 傳輸時延：將分組所有比特推入鏈路所需的時間，計算公式為 D=L/R（L為分組長度，R為鏈路帶寬）
  若分組長度L=1500字節（12000比特），鏈路速率R=2Mbps，則傳輸時延
  D=12000/(2×10⁶)=0.006秒=6毫秒
• 傳播時延：電信號在物理介質中傳播所需時間，取決于鏈路長度和傳播速度。

分組傳輸時延計算

我們以最簡單的單鏈路場景為例，分析從源主機發送第一個分組到目的地接收全部分組所需的總時間。假設：

• 分組大小為L bit
• 鏈路傳輸速率為R bit/s
• 傳輸過程中忽略傳播時延（光速傳播）和處理時延

多分組流水線傳輸，當傳輸路徑包含N條鏈路（即N-1臺路由器）時，時延計算需要考慮每條鏈路的傳輸時間。假設所有鏈路速率均為R，則：

• 單個分組的端到端時延 = N × (L/R)
• P個分組的總時延 = (P + N - 1) × (L/R)

網絡擁塞的核心問題：排隊時延與分組丟失

在分組交換網絡中，每臺路由器都扮演著"交通樞紐"的角色。當分組到達路由器時，需要經歷以下關鍵步驟：

1. 輸入處理：檢查分組目的地址并確定輸出鏈路
2. 排隊等待：若目標鏈路正在傳輸其他分組，新到達分組必須進入輸出緩存（OutputBuffer）排隊
3. 傳輸轉發：鏈路空閑時從隊列頭部取出分組進行傳輸
   這種因鏈路繁忙導致的等待時間稱為排隊時延，與固定存在的存儲轉發時延不同，排隊時延具有高度動態性，取決于網絡擁塞程度。

輸出緩存的基本作用

在分組交換網絡中，每臺路由器（或交換機）都會為連接的每條鏈路配置輸出緩存（也稱為輸出隊列）。這個緩存的作用類似于銀行柜臺前的等待隊伍：當客戶（分組）到達時，如果柜臺（鏈路）正在服務其他客戶（傳輸其他分組），新客戶必須先排隊等待。排隊通常采用先進先出（FIFO）原則，即先到達的分組優先傳輸。而路由器在完成當前分組的轉發后，才會從緩存中取出下一個分組繼續處理。（即存儲轉發）既然要排隊，那就會產生排隊時延。排隊時延 就是指分組在輸出緩存中等待傳輸的時間。

網絡擁塞的極端表現：分組丟失

轉發表與路由選擇協議

轉發表：路由器的“導航手冊”
?在因特網中，每一臺路由器都扮演著交通警察的角色，負責將數據包從源主機引導到目標主機。當數據包到達路由器時，路由器會根據其目的IP地址決定下一跳的出口鏈路。這一決策依賴于路由器內部的轉發表。

轉發表的工作原理：

• 地址匹配：IP地址具有層次結構（如 192.168.1.1 ），類似于郵政地址（國家-省-市-街道）。路由器會從目的地址中提取前綴（如 192.168.1 ），并在轉發表中查找匹配的路由條目
• 輸出鏈路選擇：每個路由條目包含一個網絡前綴和對應的輸出鏈路。例如，若目標地址匹配192.168.1.0/24 ，路由器會將數據包發送到與該網絡相連的接口
• 路由選擇協議：自動構建導航圖

轉發表的設置并非人工逐條配置，而是通過路由選擇協議自動完成。這些協議就像“道路規劃系統”，動態計算最優路徑并更新轉發表。他主要持續完成兩項核心任務：

1. 路徑發現：動態探測網絡拓撲，就像交通部門實時監測道路狀況
2. 最優路徑計算：采用最短路徑算法（如Dijkstra算法）確定最佳路由，類似導航軟件計算最快路線。

電路交換與分組交換的對比🤔

電路交換的問題與優勢

• 資源浪費問題：盡管電路交換能提供穩定的通信質量，但其資源預留機制也帶來了顯著的經濟性問題。分組交換的
  支持者常指出，電路交換在靜默期會浪費大量網絡資源。

• 電路交換的復雜性：信令開銷

  • 信令系統：在通信開始前，網絡必須通過信令協議協調所有中間節點，為連接分配資源（如FDM的頻段或TDM的時隙）。
  • 維護成本：每條連接都需要維護狀態信息（如路徑、資源分配），這對大規模網絡來說會顯著增加管理開銷。
    相比之下，分組交換采用"即發即走"模式，無需預先協調，顯著降低了網絡控制復雜度。

盡管存在上述問題，電路交換在某些場景下仍具優勢：

• 實時性要求高的業務：如語音通話、視頻會議，需保證低延遲和抖動。
• 流量穩定的應用：如工業控制、遠程醫療，需持續占用固定帶寬。

所以，電路交換通過資源預留機制保障通信穩定性，但其經濟性和靈活性較差。分組交換通過動態資源分配提高了效率，更適合現代互聯網的突發性流量需求。然而，兩者并非完全對立：

• 融合應用：現代網絡常結合兩者優勢（如5G中的QoS機制），為實時業務預留資源，同時優化突發流量的傳輸。
• 技術演進：統計時分復用（STDM）和波分復用（WDM）等技術進一步提升了電路交換的資源利用率。

分組交換的爭議

批評者認為：

分組交換不適合實時業務（如電話、視頻會議），因為其端到端時延不可預測。
原因：分組可能在路由器緩存中排隊（排隊時延），導致時延波動。
類比：就像高峰期的地鐵站，乘客可能因擁擠而無法準時到達目的地。

支持者則指出：

分組交換資源利用率更高，實現成本更低，且適合突發性流量。
原因：分組按需動態分配資源，無需預先預留。
類比：類似共享會議室，空閑時段可臨時分配給其他用戶。

分組交換的效率優勢：帶寬共享的數學模型

場景設定：
一條1Mbps鏈路被多個用戶共享

• 每個用戶：
  • 活躍期：以100kbps速率發送數據（10%時間）
  • 靜默期：不發送數據（90%時間）

電路交換的限制：

• 每用戶需獨占100kbps帶寬
• 鏈路總帶寬：1Mbps = 10 × 100kbps → 僅支持1個用戶

分組交換的靈活性：

• 用戶活躍概率為10%
• 概率模型：
  • 若有35個用戶，11個及以上同時活躍的概率僅為0.04%
  • 當活躍用戶≤10時，聚合速率 ≤ 1Mbps → 無排隊時延
  • 當活躍用戶>10時，聚合速率 > 1Mbps → 出現排隊時延，但概率極低（0.04%）

分組交換可在35個用戶的場景下實現與電路交換（僅1用戶）相同的性能（99.96%時間內無排隊）。資源利用率提升35倍，顯著降低成本。

突發流量下的性能對比：單用戶案例

場景設定：
10個用戶中，1個用戶突發發送1000個1000bit分組（共1,000,000bit），其余用戶靜默

電路交換（TDM）的限制：

• 鏈路劃分10個時隙，每個時隙100ms，包含1000bit
• 活躍用戶每幀僅能使用1個時隙（100ms），其余9個時隙空閑
• 傳輸時間：1000個分組 × 100ms = 10秒

分組交換的優勢：

• 活躍用戶可獨占1Mbps帶寬（無競爭）
• 傳輸時間：1,000,000bit ÷ 1Mbps = 1秒

電路交換因固定時隙限制，無法充分利用突發流量
分組交換按需動態分配，最大化鏈路利用率

?分組交換通過動態資源分配和高資源利用率，成為現代互聯網的基石。然而，電路交換在實時性和穩定性方面仍有獨特優勢。兩者的對比揭示了網絡設計的核心權衡：資源效率 vs 實時性保障。隨著技術發展，融合兩者優勢的混合網絡（如5G）將成為主流。

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