【计算机网络 | 第二篇】三种交换方式和互联网的核心部分

互联网的核心部分 ：互联网的核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，其主要功能是为边缘部分的主机提供连通性和数据交换服务。

核心部分的组成与特性

互联网核心部分与边缘部分在基础设施与功能定位上存在显著差异：

• 基础设施：核心部分的路由器之间通常通过高速链路（如光纤）互连，以实现高吞吐量的数据传输；而位于网络边缘的主机接入核心部分时，通常使用相对较低速率的链路。
• 功能定位：
  • 主机：位于网络边缘，主要负责用户的信息处理，并通过网络与其他主机交换信息。
  • 路由器（Router）：位于网络核心，主要负责分组交换，即转发收到的分组。

分组交换与路由器的转发机制

在互联网核心部分，路由器起着至关重要的作用。路由器采用存储转发技术对分组进行处理。

1. 路由器的处理过程

路由器内部的输入端口与输出端口之间不存在直接的物理连线。其处理分组的基本流程如下：

1. 缓存：路由器将从输入端口收到的分组暂时存储在缓存中。
2. 查表：根据分组首部中的目的地址，查找转发表，确定该分组应从哪个输出端口转发。
3. 转发：将分组通过内部交换结构输送到适当的输出端口并发送出去。

上图分组的“存储转发过程”，描述如下：

（1）在路由器 A 暂存，查找转发表，找到转发的端口
（2）在路由器C 暂存，查找转发表，找到转发的端口
（3）在路由器E 暂存，查找转发表，找到转发的端口
（4）最终->到达目的主机 H5

2. 动态路径选择

由于互联网核心部分的拓扑结构复杂且链路状态可能发生变化，分组在网络中的传输路径并非固定不变。路由器根据当前的路由协议和网络状态，动态决定分组的下一跳地址。

网络核心的两大功能：路由与转发

尽管在日常表述中常统称为“路由”，但在技术层面，网络核心的功能可细分为路由和转发两个层面：

1. 路由（Routing）
   • 性质：全局性操作。
   • 功能：通过路由选择协议和路由算法，确定分组从源节点到目标节点所经过的完整路径。
   • 产物：生成路由表。

2. 转发
   • 性质：本地性操作。
   • 功能：路由器或交换机将接收到的数据分组，从输入接口移动到特定的输出接口。
   • 依据：根据分组首部的目的地址，查找本地转发表，确定“出接口”。

三种交换方式的比较

在通信网络的发展过程中，主要出现了三种交换技术：电路交换、报文交换和分组交换。

1. 电路交换

   名词：Circuit Switching

   • 机制：通信前必须建立一条专用的物理连接（建立连接），通信过程中独占资源（数据传送），通信结束后释放连接（连接释放）。
   • 特点：数据直达，时延小，但线路利用率低，建立连接开销大。

2. 报文交换

   名词：Message Switching

   • 机制：以整个报文为单位进行存储转发。
   • 特点：无需建立连接，但对中间节点的缓存空间要求高，长报文导致的排队时延较大。

3. 分组交换

   名词：Packet Switching

   • 机制：将报文划分为较小的分组（Packet），以分组为单位进行存储转发。
   • 特点：
     • 高效：链路逐段占用，动态分配传输带宽。
     • 灵活：以分组为单位，每个分组独立选择路径。
     • 迅速：以分组为单位转发，不需建立连接，且分组小，传输和处理时延低。

下图展示了三种交换方式在数据传送过程中的时序对比。可以看出，分组交换通过流水线方式（Pipelining）传输，在多跳路径上具有显著的效率优势。

ps. 关于 流水线，很多应用层框架也采取了类似的逻辑和机制

电路交换、报文交换与分组交换的时序与机制对比：

数据传输特点：