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交換

• 當用戶訪問其直接位置之外的因特網或另一計算機網絡時，通過傳輸媒體網絡發送消息。這種將信息從一個計算機網絡傳輸到另一個網絡的技術稱為切換。
• 通過使用開關實現計算機網絡的切換。交換機是一種小型硬件設備，用于將多臺計算機與一個局域網（LAN）連接在一起。
• 網絡交換機在OSI模型中的第2層（數據鏈路層）運行。
• 切換對用戶是透明的，并且不需要在家庭網絡中進行任何配置。
• 交換機用于根據MAC地址轉發數據包。
• Switch用于僅將數據傳輸到已尋址的設備。它驗證目標地址以適當地路由數據包。
• 它以全雙工模式運行。
• 數據包沖突最小，因為它直接在源和目標之間進行通信。
• 它不會廣播消息，因為它使用有限的帶寬。

為什么需要交換概念？

由于以下原因，開發了切換概念：

• 帶寬：定義為電纜的最大傳輸速率。這是一個非常關鍵和昂貴的資源。因此，切換技術用于有效利用網絡帶寬。
• 碰撞：碰撞是當多個設備通過相同的物理介質傳輸消息時發生的影響，并且它們相互沖突。為了克服這個問題，實現了交換技術，使得分組不會相互沖突。

切換的優點

• 交換機增加了網絡的帶寬。
• 它減少了個人PC的工作量，因為它只將信息發送給已經解決的設備。
• 它通過減少網絡流量來提高網絡的整體性能。
• 由于交換機為每個連接創建沖突域，因此幀沖突將更少。

切換的缺點

• 交換機比網橋更昂貴。
• 交換機無法輕松確定網絡連接問題。
• 需要正確設計和配置交換機來處理組播數據包。

切換模式

• 第2層交換機用于在數據鏈路層上傳輸數據，它還對發送和接收的幀執行錯誤檢查。
• 第2層借助MAC地址轉發數據包。
• 不同的模式用于轉發稱為切換模式的分組。
• 在切換模式中，識別幀的不同部分。該幀由若干部分組成，例如前導碼，目的地MAC地址，源MAC地址，用戶數據，FCS。

切換模式

• 存儲轉發
• 直通
• 片段免費

切換模式

存儲轉發

切換模式

• 存儲轉發是一種技術，其中中間節點存儲接收到的幀，然后在將數據包轉發到下一個節點之前檢查錯誤。
• 第2層交換機等待直到收到整個幀。在接收整個幀時，交換機將幀存儲到交換機緩沖存儲器中。此過程稱為存儲幀。
• 存儲幀時，檢查幀是否有錯誤。如果發現任何錯誤，則丟棄該消息，否則將消息轉發到下一個節點。此過程稱為轉發幀。
• 實現CRC（循環冗余校驗）技術，其使用多個位來檢查所接收幀上的錯誤。
• 存儲轉發技術可確保高級別的安全性，因為目標網絡不會受到損壞的幀的影響。
• 存儲轉發開關非常可靠，因為它不會轉發碰撞的幀。

直通切換

切換模式

• 直通切換是一種技術，其中交換機在識別目的地地址之后轉發分組而不等待接收整個幀。
• 一旦接收到幀，它就檢查前導碼之后的幀的前六個字節，交換機檢查交換表中的目的地以確定輸出接口端口，并將幀轉發到目的地。
• 它具有低延遲率，因為交換機在將數據包發送到目的地之前不等待接收整個幀。
• 它沒有錯誤檢查技術。因此，錯誤可以在有或沒有錯誤的情況下發送給接收器。
• 直通交換技術具有較低的等待時間，因為它一旦識別出目的地MAC地址就轉發數據包。
• 在該技術中，如果幀已經沖突也將被轉發，則不會檢測到沖突。

無碎片切換

切換模式

• 無碎片切換是直通切換的先進技術。
• 無碎片切換是一種在轉發到下一個節點之前讀取幀的至少64個字節以提供無差錯傳輸的技術。
• 它結合了直通切換的速度和錯誤檢查功能。
• 此技術檢查以太網幀的64字節，其中尋址信息可用。
• 在幀的64個字節內檢測到沖突，沖突的幀將不再被轉發。

存儲轉發和直通切換的差異。

切換技術

在大型網絡中，從發送方到接收方可以有多條路徑。切換技術將決定數據傳輸的最佳路徑。

切換技術用于連接系統以進行一對一通信。

切換技術的分類

切換技術

電路交換

• 電路交換是一種在發送器和接收器之間建立專用路徑的交換技術。
• 在電路交換技術中，一旦建立連接，則專用路徑將保持存在，直到連接終止。
• 網絡中的電路交換以與電話工作類似的方式操作。
• 在進行通信之前，必須存在完整的端到端路徑。
• 在電路交換技術的情況下，當任何用戶想要發送數據，語音，視頻時，請求信號被發送到接收器，然后接收器發回確認以確保專用路徑的可用性。收到確認后，專用路徑傳輸數據。
• 電路交換用于公共電話網絡。它用于語音傳輸。
• 固定數據可以在電路交換技術中一次傳輸。

通過電路交換的通信有三個階段：

• 電路設置
• 數據傳輸
• 電路斷開

電路交換可以使用以下兩種技術之一：

空分開關：

• 空分開關是一種電路交換技術，其中通過使用物理上分開的一組交叉點在交換機中完成單個傳輸路徑。
• 通過使用縱橫開關可以實現空分切換。縱橫開關是金屬交叉點或半導體門，可由控制單元啟用或禁用。
• Crossbar開關通過使用半導體制成。例如，采用FPGA的Xilinx縱橫開關。
• 空分開關具有高速，高容量和無阻塞開關。

空分開關可以通過兩種方式分類：

• 縱橫開關
• 多級開關

縱橫開關

Crossbar開關是一個具有n條輸入線和n條輸出線的開關。縱橫開關具有n 2個交叉點，稱為交叉點。

Crossbar開關的缺點：

隨著站點數量的增加，交叉點的數量也會增加。因此，對于大型開關來說它變得非常昂貴。解決方案是使用多級開關。

多級開關

• 多級開關是通過將縱橫開關分成較小的單元然后將它們互連而制成的。
• 它減少了交叉點的數量。
• 如果一條路徑出現故障，則會有另一條路徑的可用性。

電路交換的優點：

• 在電路交換技術的情況下，通信信道是專用的。
• 它有固定的帶寬。

電路交換的缺點：

• 一旦建立了專用路徑，唯一的延遲就發生在數據傳輸的速度上。
• 建立大約10秒的連接需要很長時間，在此期間不能傳輸數據。
• 它比其他交換技術更昂貴，因為每個連接都需要專用路徑。
• 使用效率低，因為一旦建立了路徑并且沒有數據傳輸，那么路徑的容量就會被浪費掉。
• 在這種情況下，連接是專用的，因此即使信道空閑也不能傳輸其他數據。

消息切換

• 消息交換是一種交換技術，其中消息作為完整單元傳輸，并通過存儲和轉發它的中間節點進行路由。
• 在消息交換技術中，在發送方和接收方之間沒有建立專用路徑。
• 目標地址將附加到郵件中。消息交換提供動態路由，因為消息根據消息中可用的信息通過中間節點進行路由。
• 消息開關以這樣的方式編程，以便它們可以提供最有效的路徑。
• 每個節點都存儲整個消息，然后將其轉發到下一個節點。這種類型的網絡稱為存儲和轉發網絡。
• 消息切換將每條消息視為一個獨立的實體。

切換技術

• 數據信道在通信設備之間共享，這提高了使用可用帶寬的效率。
• 由于消息臨時存儲在節點中，因此可以減少流量擁塞。
• 消息優先級可用于管理網絡。
• 通過網絡發送的消息的大小可以變化。因此，它支持無限大小的數據。

消息切換的缺點

• 消息交換機必須配備足夠的存儲空間，以使它們能夠存儲消息，直到消息被轉發。
• 由于消息交換技術提供的存儲和轉發功能，可能發生長延遲。

分組交換

• 分組交換是一種交換技術，其中消息一次性發送，但是它被分成更小的部分，并且它們被單獨發送。
• 該消息分成稱為數據包的較小部分，并且數據包被賦予唯一的號碼以在接收端識別它們的順序。
• 每個數據包在其標頭中包含一些信息，例如源地址，目標地址和序列號。
• 數據包將通過網絡傳輸，盡可能采用最短路徑。
• 所有數據包都以正確的順序在接收端重新組裝。
• 如果任何數據包丟失或損壞，則將發送該消息以重新發送該消息。
• 如果達到了正確的數據包順序，則將發送確認消息。

分組交換有兩種方法：

數據報包切換

• 它是一種分組交換技術，其中分組被稱為數據報，被認為是一個獨立的實體。每個數據包都包含有關目標的信息，交換機使用此信息將數據包轉發到正確的目的地。
• 數據包以正確的順序在接收端重新組裝。
• 在數據報分組交換技術中，路徑不是固定的。
• 中間節點采用路由決策來轉發數據包。
• 數據報分組交換也稱為無連接交換。

虛電路交換

• 虛電路交換也稱為面向連接的交換。
• 在虛電路交換的情況下，在發送消息之前建立預先規劃的路由。
• 呼叫請求和呼叫接受分組用于建立發送方和接收方之間的連接。
• 在這種情況下，路徑在邏輯連接的持續時間內是固定的。

讓我們通過圖表理解虛擬電路切換的概念：

切換技術

數據報方法和虛擬電路方法

分組交換的優點：

• 經濟高效：在分組交換技術中，交換設備不需要大量的二級存儲來存儲分組，因此在一定程度上使成本最小化。因此，我們可以說分組交換技術是一種具有成本效益的技術。
• 可靠：如果任何節點忙，則可以重新路由數據包。這確保了分組交換技術提供可靠的通信。
• 高效：分組交換是一種有效的技術。它在傳輸之前不需要任何已建立的路徑，并且許多用戶可以同時使用相同的通信信道，因此非常有效地利用可用帶寬。

分組交換的缺點：

• 分組交換技術不能在那些需要低延遲和高質量服務的應用中實現。
• 分組交換技術中使用的協議非常復雜并且需要高實現成本。
• 如果網絡過載或損壞，則需要重傳丟失的數據包。如果錯誤也沒有恢復，它也可能導致關鍵信息的丟失。