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交换
- 当用户访问其直接位置之外的因特网或另一计算机网络时，通过传输媒体网络发送消息。这种将信息从一个计算机网络传输到另一个网络的技术称为切换。
- 通过使用开关实现计算机网络的切换。交换机是一种小型硬件设备，用于将多台计算机与一个局域网（LAN）连接在一起。
- 网络交换机在OSI模型中的第2层（数据链路层）运行。
- 切换对用户是透明的，并且不需要在家庭网络中进行任何配置。
- 交换机用于根据MAC地址转发数据包。
- Switch用于仅将数据传输到已寻址的设备。它验证目标地址以适当地路由数据包。
- 它以全双工模式运行。
- 数据包冲突最小，因为它直接在源和目标之间进行通信。
- 它不会广播消息，因为它使用有限的带宽。
为什么需要交换概念？
由于以下原因，开发了切换概念：
- 带宽：定义为电缆的最大传输速率。这是一个非常关键和昂贵的资源。因此，切换技术用于有效利用网络带宽。
- 碰撞：碰撞是当多个设备通过相同的物理介质传输消息时发生的影响，并且它们相互冲突。为了克服这个问题，实现了交换技术，使得分组不会相互冲突。
切换的优点
- 交换机增加了网络的带宽。
- 它减少了个人PC的工作量，因为它只将信息发送给已经解决的设备。
- 它通过减少网络流量来提高网络的整体性能。
- 由于交换机为每个连接创建冲突域，因此帧冲突将更少。
切换的缺点
- 交换机比网桥更昂贵。
- 交换机无法轻松确定网络连接问题。
- 需要正确设计和配置交换机来处理组播数据包。
切换模式
- 第2层交换机用于在数据链路层上传输数据，它还对发送和接收的帧执行错误检查。
- 第2层借助MAC地址转发数据包。
- 不同的模式用于转发称为切换模式的分组。
- 在切换模式中，识别帧的不同部分。该帧由若干部分组成，例如前导码，目的地MAC地址，源MAC地址，用户数据，FCS。
切换模式
- 存储转发
- 直通
- 片段免费
切换模式
存储转发
切换模式
- 存储转发是一种技术，其中中间节点存储接收到的帧，然后在将数据包转发到下一个节点之前检查错误。
- 第2层交换机等待直到收到整个帧。在接收整个帧时，交换机将帧存储到交换机缓冲存储器中。此过程称为存储帧。
- 存储帧时，检查帧是否有错误。如果发现任何错误，则丢弃该消息，否则将消息转发到下一个节点。此过程称为转发帧。
- 实现CRC（循环冗余校验）技术，其使用多个位来检查所接收帧上的错误。
- 存储转发技术可确保高级别的安全性，因为目标网络不会受到损坏的帧的影响。
- 存储转发开关非常可靠，因为它不会转发碰撞的帧。
直通切换
切换模式
- 直通切换是一种技术，其中交换机在识别目的地地址之后转发分组而不等待接收整个帧。
- 一旦接收到帧，它就检查前导码之后的帧的前六个字节，交换机检查交换表中的目的地以确定输出接口端口，并将帧转发到目的地。
- 它具有低延迟率，因为交换机在将数据包发送到目的地之前不等待接收整个帧。
- 它没有错误检查技术。因此，错误可以在有或没有错误的情况下发送给接收器。
- 直通交换技术具有较低的等待时间，因为它一旦识别出目的地MAC地址就转发数据包。
- 在该技术中，如果帧已经冲突也将被转发，则不会检测到冲突。
无碎片切换
切换模式
- 无碎片切换是直通切换的先进技术。
- 无碎片切换是一种在转发到下一个节点之前读取帧的至少64个字节以提供无差错传输的技术。
- 它结合了直通切换的速度和错误检查功能。
- 此技术检查以太网帧的64字节，其中寻址信息可用。
- 在帧的64个字节内检测到冲突，冲突的帧将不再被转发。
存储转发和直通切换的差异。
| 存储转发切换 | 直通切换 |
|---|---|
| 存储转发切换是一种等待直到收到整个帧的技术。 | 直通切换是一种检查前导码后面的前6个字节以识别目标地址的技术。 |
| 它执行错误检查功能。如果在帧中发现任何错误，则帧将被丢弃，否则转发到下一个节点。 | 它不执行任何错误检查。将转发带有或不带错误的帧。 |
| 它具有高延迟率，因为它在转发到下一个节点之前等待接收整个帧。 | 它具有低延迟率，因为它只检查帧的六个字节以确定目标地址。 |
| 它非常可靠，因为它只转发无错误的数据包。 | 与存储转发技术相比，它不太可靠，因为它也转发容易出错的数据包。 |
| 它具有较高的等待时间，因为它在做出任何转发决定之前等待接收整个帧。 | 它具有较低的等待时间，因为直通式交换机不存储整个帧或数据包。 |
切换技术
在大型网络中，从发送方到接收方可以有多条路径。切换技术将决定数据传输的最佳路径。
切换技术用于连接系统以进行一对一通信。
切换技术的分类
切换技术
电路交换
- 电路交换是一种在发送器和接收器之间建立专用路径的交换技术。
- 在电路交换技术中，一旦建立连接，则专用路径将保持存在，直到连接终止。
- 网络中的电路交换以与电话工作类似的方式操作。
- 在进行通信之前，必须存在完整的端到端路径。
- 在电路交换技术的情况下，当任何用户想要发送数据，语音，视频时，请求信号被发送到接收器，然后接收器发回确认以确保专用路径的可用性。收到确认后，专用路径传输数据。
- 电路交换用于公共电话网络。它用于语音传输。
- 固定数据可以在电路交换技术中一次传输。
通过电路交换的通信有三个阶段：
- 电路设置
- 数据传输
- 电路断开
电路交换可以使用以下两种技术之一：
空分开关：
- 空分开关是一种电路交换技术，其中通过使用物理上分开的一组交叉点在交换机中完成单个传输路径。
- 通过使用纵横开关可以实现空分切换。纵横开关是金属交叉点或半导体门，可由控制单元启用或禁用。
- Crossbar开关通过使用半导体制成。例如，采用FPGA的Xilinx纵横开关。
- 空分开关具有高速，高容量和无阻塞开关。
空分开关可以通过两种方式分类：
- 纵横开关
- 多级开关
纵横开关
Crossbar开关是一个具有n条输入线和n条输出线的开关。纵横开关具有n 2个交叉点，称为交叉点。
Crossbar开关的缺点：
随着站点数量的增加，交叉点的数量也会增加。因此，对于大型开关来说它变得非常昂贵。解决方案是使用多级开关。
多级开关
- 多级开关是通过将纵横开关分成较小的单元然后将它们互连而制成的。
- 它减少了交叉点的数量。
- 如果一条路径出现故障，则会有另一条路径的可用性。
电路交换的优点：
- 在电路交换技术的情况下，通信信道是专用的。
- 它有固定的带宽。
电路交换的缺点：
- 一旦建立了专用路径，唯一的延迟就发生在数据传输的速度上。
- 建立大约10秒的连接需要很长时间，在此期间不能传输数据。
- 它比其他交换技术更昂贵，因为每个连接都需要专用路径。
- 使用效率低，因为一旦建立了路径并且没有数据传输，那么路径的容量就会被浪费掉。
- 在这种情况下，连接是专用的，因此即使信道空闲也不能传输其他数据。
消息切换
- 消息交换是一种交换技术，其中消息作为完整单元传输，并通过存储和转发它的中间节点进行路由。
- 在消息交换技术中，在发送方和接收方之间没有建立专用路径。
- 目标地址将附加到邮件中。消息交换提供动态路由，因为消息根据消息中可用的信息通过中间节点进行路由。
- 消息开关以这样的方式编程，以便它们可以提供最有效的路径。
- 每个节点都存储整个消息，然后将其转发到下一个节点。这种类型的网络称为存储和转发网络。
- 消息切换将每条消息视为一个独立的实体。
切换技术
- 数据信道在通信设备之间共享，这提高了使用可用带宽的效率。
- 由于消息临时存储在节点中，因此可以减少流量拥塞。
- 消息优先级可用于管理网络。
- 通过网络发送的消息的大小可以变化。因此，它支持无限大小的数据。
消息切换的缺点
- 消息交换机必须配备足够的存储空间，以使它们能够存储消息，直到消息被转发。
- 由于消息交换技术提供的存储和转发功能，可能发生长延迟。
分组交换
- 分组交换是一种交换技术，其中消息一次性发送，但是它被分成更小的部分，并且它们被单独发送。
- 该消息分成称为数据包的较小部分，并且数据包被赋予唯一的号码以在接收端识别它们的顺序。
- 每个数据包在其标头中包含一些信息，例如源地址，目标地址和序列号。
- 数据包将通过网络传输，尽可能采用最短路径。
- 所有数据包都以正确的顺序在接收端重新组装。
- 如果任何数据包丢失或损坏，则将发送该消息以重新发送该消息。
- 如果达到了正确的数据包顺序，则将发送确认消息。
分组交换有两种方法：
数据报包切换
- 它是一种分组交换技术，其中分组被称为数据报，被认为是一个独立的实体。每个数据包都包含有关目标的信息，交换机使用此信息将数据包转发到正确的目的地。
- 数据包以正确的顺序在接收端重新组装。
- 在数据报分组交换技术中，路径不是固定的。
- 中间节点采用路由决策来转发数据包。
- 数据报分组交换也称为无连接交换。
虚电路交换
- 虚电路交换也称为面向连接的交换。
- 在虚电路交换的情况下，在发送消息之前建立预先规划的路由。
- 呼叫请求和呼叫接受分组用于建立发送方和接收方之间的连接。
- 在这种情况下，路径在逻辑连接的持续时间内是固定的。
让我们通过图表理解虚拟电路切换的概念：
切换技术
数据报方法和虚拟电路方法
| 数据报方法 | 虚拟电路方法 |
|---|---|
| 节点采用路由决策来转发数据包。 | 节点不做任何路由决策。 |
| 由于所有数据包都以不同的方向传输，因此不会发生拥塞。 | 节点繁忙时可能会发生拥塞，并且不允许其他数据包通过。 |
| 它更灵活，因为所有数据包都被视为一个独立的实体。 | 它不是很灵活。 |
分组交换的优点：
- 经济高效：在分组交换技术中，交换设备不需要大量的二级存储来存储分组，因此在一定程度上使成本最小化。因此，我们可以说分组交换技术是一种具有成本效益的技术。
- 可靠：如果任何节点忙，则可以重新路由数据包。这确保了分组交换技术提供可靠的通信。
- 高效：分组交换是一种有效的技术。它在传输之前不需要任何已建立的路径，并且许多用户可以同时使用相同的通信信道，因此非常有效地利用可用带宽。
分组交换的缺点：
- 分组交换技术不能在那些需要低延迟和高质量服务的应用中实现。
- 分组交换技术中使用的协议非常复杂并且需要高实现成本。
- 如果网络过载或损坏，则需要重传丢失的数据包。如果错误也没有恢复，它也可能导致关键信息的丢失。
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