网络通信

• 一个通信系统的目的是在两个或多个设备之间交换信息，此类系统可用于传输语音、数据等。
• 一个通信系统建立在两个节点（或站点）之间，它们直接通过一条点对点的传输介质直接相连。站点可能是一台个人电脑、电话、传真机、大型机或其他任何通信设备。如果为每一对通信终端系统都建立一条物理独立的路径是低效的

1.概念

• 为了解决上面的问题，我们采取另一种点对点的连接方法是建立一个通信网络。在通信网络中，每个通信设备（站点、节点、主机）都连接到一个网络节点，这些互连的节点能够在站点之间传输数据

2.分类

根据用于传输数据的体系结构与技术不同，通信网络分为两个基本类别：

• 广播网络
• 交换网络

一、广播网络

1.概念

• 在广播网络中，一个节点会给所有其他节点发送信息，这样其他所有节点都会接收到数据

2.应用场景

• 此类网络的一个例子就是简单的无线系统。在该系统中，所用采用相同通信的用户可以互相通信。
• 其他广播网络的例子包括卫星链路、基于以太的局域网
• 在上面这些网络中任何站点的传输都会传播到整个网络，而且所有其他站点都会接收到消息

3.特点

• 广播是在多个节点能够听到某一发送节点的环境下发送信号的方法
• 承上，如果一端向外给其他人广播信息，其他人都可以接收到，如果接收到了也可以选择处理或者不处理

二、交换网络

引入：为什么使用交换网络？？？

网络就是一系列互连的设备，当网络中包含多台设备时，他们之间互连的难度会随着设备数量的增加而增大。一些互连设备的常规方法是

• 像网状扩扑一样在设备之间点对点连接
• 像星型扩扑一样，通过一个中心设备和其他设备连接
• 在设备距离很远时，总线拓扑并不实用

解决上面的互连问题的方法就是交换

1.概念

• 交换网络由一系列称为交换机的互连节点构成

2.特点

• 交换机是创建两个或多个系统之间临时连接的设备。一些交换机连接到终端设备（计算机与电话），其他的仅用于路由
• 在交换网络中，要传输的数据不会传播到整个介质中。相反，数据通过一系列的交换节点从源传输到目的地。这些中间节点只需要考虑在数据到达目的节点之前如何将其从一个节点发送到另一个节点

3.分类

交换网络分为

• 电路交换
• 分组交换
• 消息交换

电路交换网络

1.概念

• 电路交换（也称线路交换网络）这一术语是指在发送发和接收方之间建立一条路径，并保证该路径与其他发送和接收方的路径相隔的通信机制

2.应用场景

• 由于电话系统提供了两台电话之间的专用连接，因此电路交换通常与电话技术联系在一起
• 我们可以在公用电话所支持的服务中找到电路交换网络的常见例子。比如POTS（普通的老式电话系统）和长途电话

3.特点

• 在电路交换网络中，双方站点可以通过网络中的交换节点建立起一条专用的物理通信线路。
• 因此，从源到目的地的端到端路径就是由一条专用的物理链路构成。在这些链路所连接的交换节点中，流入的数据会被交换到相应的输出链路中
• 连接路径根据需要在数据开始传输之前建立。因此，网络中源和目的地之间的通信容量必须保留下来，每个节点必须有可用的内部交换容量来处理请求的连接，显然，交换节点必须能够合理地分配通信资源，以建立跨越网络的路由

电路交换通信系统包含三个阶段

• ①电路建立：在源和目的地之间建立专用链路
• ②数据传输：在源和目的地之间传输数据
• ③电路断开：移除专用链路

分组交换网络

1.概念

• 分组交换网络是代替电路交换的主要方案之一，它也是构成因特网的基础。分组交换网络系统使用统计复用，来自多个数据源的通信会争夺共享介质的使用权
• 分组交换和其他形式的统计复用的主要不同是：分组交换系统要求发送发将每条消息分解成数据块，也就是所谓的数据包。数据包的大小并不统一，每一组分组交换技术都定义了最大分组大小

2.三个常规属性

• ①任意的异步通信：分组交换允许一个发送发和一个或多个接收方通信，并且一个接收方也可以从一个或多个发送方接受消息。此外，通信可以在任何时刻发生，而且发送方可以在连续通信之间延迟任意长的时间
• ②在通信之前不需要建立连接：与电路交换系统不同，分组交换系统随时都准备好向任意目的地发送数据包。因此，发送方不需要在通信之前进行初始化，而且也不需要在通信结束时通知底层系统
• ③根据数据包之间的统计复用情况，性能也会有所不同：复用会发生在数据包之间，而不是比特或字节之间。也就是说，一旦获得底层通道的使用权，发送方就会发送整个数据包，然后再允许其他发送方发送数据包。如果没有其他发送方发送数据包，单个发送方就可以连续地发送

承上③。然而，如果有n个发送方，每个人都要发送一个数据包，那么对于一个发送方而言它就会发送所有数据包的大约1/n

3.分类

在分组交换网络中，数据包可以通过以下两种方式处理

• 数据报
• 虚电路

数据报分组交换

1.概念

• 数据报分组交换是一种分组交换技术。每个数据包经过独立的路由通过网络。

2.特点

• ①每个数据包可以沿着任何一条可行的路径达到目的地。因此，每个数据包的头部都含有目的地的完整信息，中间节点会检查数据包的头部，并选择一条合适的链路通过另一个距离目的地更近的节点。因此，在这个系统中，数据包不会按照预先建立的路由进行传输，中间节点也不需要预先知道将会采用的路由
• ②数据包在到达接收方时，可能是无序的，也可能出现丢失。接收方会对数据包排序，并且恢复丢失的数据包
• ③在此项技术中，不需要预先建立连接。我们只需要保证每个数据包包含足够多的信息可以使其达到目的地。为了强调关键数据包的重要性，可以为每个数据包分配优先级
• ④这些独立的数据包会形成数据流，沿着不同的路径从源传输到目的地。因此，达到目的地的数据包可能会无序。在这种情况下，需要对若干数据包进行重组，才能恢复原始的消息。由于每个数据包都是被独立交换的，因此没有必要建立连接、或像电路交换一样设置专用带宽
• ⑤数据报分组交换采用了多种技术来转发流量。根据数据包通过交换节点所花费的时间长短以及是否能够过滤已损坏的数据包，可以将这些技术区分开来
• ⑥为了转发数据包，每台交换机都建立了一张表（将目的地映射到输出端口）。当一个数据包达到并且它的目的地址在这张表中时，它就被转到相应的输出端口发送出去。当一个数据包的目的地址不在这张表中时，交换机就会根据路由算法来找到最优的路由

3.应用场景

• 最常见的数据报网络就是因特网，它使用IP网络协议
• 那些只要求尽力而为服务的应用可以直接使用数据报网络，即采用用户数据报协议（UDP）的传输协议。像音频、视频通信应用以及通知用户接受到新邮件的消息都是用UDP协议
• 像电子邮件、网页浏览器和文件上传下载的应用都需要可靠的通信，比如保证交付、交错控制和序列控制。可靠性要求所有的数据有序无措地被接收方接受。传输控制协议（TCP）与文件传输协议（FTP）都提供了此类可靠性服务

虚电路分组交换

1.概念

虚电路交换是一种分组交换方法。它首先要求建立一条从源到最终目的地的路径。在本次会话中，所有数据包都会沿着这条路径进行传输。因此对于用户来说这条连接就像一条专用的电路，所以这条路径就被称为虚电路。需要注意的是，其他通信也可能会分享该路径的某一部分

2.特点

• 虚电路交换的思想是将电路交换的优势和分组交换的优势结合起来。在虚电路分组交换中，在一个短暂的连接建立过程之后，每个数据包只需要使用很短的（相对于完整的地址而言）连接标识符，从而降低了每个数据包的寻址开销
• 在开始传输数据之前，源和目的地节点会为虚电路确定一条合适的路径。两点之间的所有中间节点都会为这次连接在其路由表中添加一条路由记录。此外，源和目的地节点会在连接建立过程中交换一些附加参数，比如最大分组大小。数据传输完成之后，虚电路也会被清楚

3.优缺点

优点

• 数据包有序传输：因为它们都是走相同的路线
• 数据包的头部负载很小：因为不需要让每个分组都包含完整的地址
• 连接更加可靠：网络资源在连接建立阶段就已经指定，因此尽管在拥塞时段，一个已建立的连接也能够让后续数据包通过网络
• 计费容易：因为计费只需要根据每次建立的连接记录，而不需要根据每个数据包计算

缺点

• 对交换设备的功能要求更高：因为每台交换机都需要存储所有经过其他通信的详细信息，并且为每个通信可能产生的流量分配资源
• 复原某一损坏的链接更加困难：因为如果有一处发生故障，所有的连接都必须动态地重建，它们将采用一条与之前不相同的路径

消息交换网络

1.概念

• 在分组交换提出之前，消息交换作为一种替代电路交换的有效方法被人提出。在消息交换中，端用户通过相互发送一条消息来进行通信，这条消息包含了所有从源节点到目的节点被传递的数据（将整个报文在相邻节点之间传输）

2.特点

• ①在一条消息从源节点经过路由到目的地的过程中，网络中每一台中间交换机都会存储整条消息，从而提供了一种非常可靠的服务。实际上，当拥塞发生或者所有网络资源都被占用时，消息交换网络不会丢地流量，而是存储并延迟流量直到有足够的资源可用于成功传输这条消息
• ②消息存储能力可以降低传输开销。例如：消息在晚上传输，此时传输成本通常最低

3.两个重要特性

存储转发与消息传递

①存储转发：在消息交换网络中，源与目的节点之间没有直接的连接。在这种网络中，中间节点（交换机）负责将接收到的消息从一个节点传递到另一个节点，因此，网络中每个中间节点必须先存储所有的消息，直到有合适的资源可用才会逐个重传它们。这一特性成为存储转发。

• 在消息交换系统（也称存储转发系统）中，当消息沿着路径传向目的地时，转发消息的责任由下一跳节点承担。因此，为了保证可靠的传输，每台中间交换机都需要维护一份消息副本，直到确认消息已传递至下一跳节点
• 在广播消息的情况下，可能需要保存多个副本以对应多个目的节点。消息交换网络的存储转发特性不同于排队.在排队中，消息会被一直存储直到它前面的消息被处理。具备存储转发能力后，只有当下一跳以及连接到它的链路都可用时才会传递消息；否则，这条消息将被无限期保存。例如：一台服务器已断开网络连接，不能接收到发给它的消息。在这种情况下，中间的服务器必须存储所有信息，直到邮件服务器重新连接上网并开始接受邮件
• 存储转发技术也不同于分组交换或者电路交换网络中的准入控制技术。使用准入控制，数据传输能够被暂时推迟，以避免资源的过度占用。因此，消息交换网络也可以使用准入控制机制来降低网络的负载高峰

②消息传递：

• 消息交换网络中的消息交换包括将整个信息封装在一个消息当中，并且将其从源节点传输到目的节点。消息大小没有上界。尽管有些消息可以小到一个简单的数据库查询，但也有一些非常大的消息。例如，从一个气象数据库中心获得的消息可能会包含几百万字节的二进制数据。然而，鉴于存储设备和交换机的实际限制，消息的长度必须受到限制
• 消息交织：每一条消息在传输时都必须配有一个消息头部。值得一提的是，当一条消息存储在源节点或网络其他中间节点时，它可以与其他消息捆绑或聚集在一起被发送到下一跳节点。消息交织的一个重要优点是：它可以降低网络开销，从而获得更高的链路利用率

4.应用

• 消息交换技术最初应用于数据通信。早期的消息交换应用实例是电子邮件（e-mail）与音频邮件
• 如今，消息交换以用于许多网络，包括自组织传感器网络、卫星通信网络以及军用网络

最后

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