【通訊原理】Ch.8：交換機
根據之前提及到的，N臺裝置組建全雙工通道，至少需要N(N-1）/2的線路，但是上圖的網路的連線線數量明顯低於45條，這是因為引入了交換機/集線器。交換機可以將裝置的連線線數量大大簡化。這種物理裝置是資料鏈路層乃至網路層的應用體現，下面我們先來介紹交換機/集線器的核心功能——資訊交換。
Switching—交換
下面是本章重點：
通訊中的交換方式：
三種交換方式：
- Circuit SW:電路交換。當我們打電話時，有時候通話中可能會沉默，這種時候仍然保持連線的情況。電路交換可以理解為只有物理意義上的線直接連線時才會出現該應用。
- Packet SW：分組交換。使用時建立連線，不使用時釋放連線。
- Message SW：報文交換。典例：電子郵件
現在我們以第二種為主要應用手段，特別是資料報方式。第一種也在使用，但是在數字通訊越來越發達的當下，我們的各種應用都偏向於使用分組交換。報文交換目前已經被淘汰。
物理層交換
- 只有電路交換
- 允許訊號在一個路徑或另一個傳播
在鏈路層切換
- 分組交換
- 在這種情況下，術語包意味著幀或單元。乙太網，5G,WIFI，LTE都是這種交換方式。
在網路層切換
- 分組交換
- 虛電路方式（ATM）或可以使用資料報方法。
- 目前網際網路使用資料報的方法
SW在應用層
- 只有資訊交換
- 使用電子郵件是一種message-switched溝通溝通
Circuit SW-電路交換
電路交換網路由一組由物理鏈路連線的交換機組成。兩站之間的連線是一個專用的路徑由一個或多個連結。然而,每個連線在每個連結只使用一個專用通道。每個連結通常分為n通道並採用FDM或TDM。
電路交換分為三個階段：
- 準備階段/Setup phase:
建立連線 (connection establishment)：當終端系統A需要與終端系統M通訊時，系統A需要請求到M的連線，該連線必須被所有交換機以及M本身接受。在雙方(或電話會議中的多方)進行通訊之前，需要建立專用電路(鏈路中的通道組合並在交換機之間建立專用通道。在建立連線的下一步中，接收端要返回一個確認資訊給傳送端。只有傳送端接收到接收端的確認資訊後才能建立連線。
每個鏈路上都保留了一個電路(通道)，電路或通道的組合定義了專用路徑。這一個通道快於通過波分複用或頻分複用實現多個訊號在同一通道中傳輸。
資源:如渠道(FDM的頻寬和TDM的[time slot]時隙),上下文切換緩衝區,上下文切換處理時間,SW輸入/輸出埠。 - 資料傳輸階段: 傳輸資料的階段，兩站之間傳輸的資料沒有分組，沒有任何附加資訊。
- 拆卸階段(連線終止)：Teardown phase (connection termination)
所有資料傳輸完畢後，電路就被拆除了
例1：上圖中交換機如圖所示，可以保證左右兩端的裝置任何時間點可以與對面的一個空閒中的人通話。但是當試圖去與通話中的人建立連線時會出現衝突問題。或者在一段再追加一個裝置，也會出現佔線問題。
例2:4x8交換是指4輸入8輸出，其中4輸出埠接外部通道而4輸出埠接本地環回線路。保證對外和內部通訊的暢通。
效率：雖然能夠保證通話質量，但是由於會出現兩個使用者佔線但是不說話這種浪費資源的情況，所以效率上不好。但是網路延遲最小，每次切換沒有等待時間。總延遲是由於建立連線、傳輸資料和斷開電路所需的時間。
延遲種類：Tx請求在通道中傳輸的時間，Tx發起請求的時間，Rx發起確認的時間，Rx的確認在通道中傳輸的時間+資料在通道中傳輸的時間+連線釋放的時間
Packet SW–分組交換
分組交換，將要傳輸的資料以資料包的形式傳遞。基於計算機網路的特性，TCP/IP協議中的盡最大可能交付，傳輸過程中可能會出現丟包（資料丟失）的情況。將資料分割為多個小的資料體（如果資料量足夠小可以不分割），然後在計算機網路中傳播，計算機網路橫跨多個網段，也就說對於每個資料包他們到達目的地的所經過的路徑可以不同且到達順序也是可變的。這就要求分割資料時，要為資料包提供順序編號，令接收端收到N個數據包後能夠按順序重組並獲得想要的資訊。
這個過程中，丟包由傳輸層來保證可靠傳輸，丟失的資料包會重發，如果實在有問題，則會報錯。該網路中不同路徑的選擇基於路由器，路由器有路由功能，即選擇路徑的功能。路由器中可以識別到達的資料包其來源與最終目的，併為其分配一條頻寬相對寬裕的路徑讓資料包在此上傳輸。
路由表：路由器選擇路徑的憑據。每個路由器根據最終目的地記錄了應該去往哪一個方向。簡單的舉例，當你去到一個非常大的博物館，你想看恐龍標本，但是你不知道該去哪，然後你去問工作人員，他會告訴你先往左或者右走。即路由器也是先告知資料包下一步應該去哪，到達下一個站點只需要再次詢問那個站點的工作人員接下來該往哪個方向走走。每個工作人員就是路由器的功能，提供根據最終目的地來分配前往的途徑，如果某條路現在因為熱門展出導致非常擁擠，工作人員也會推薦你走一條其他的路，人相對少一些，著完美體現了路由器的擇址功能。
對於資料包本身，就像遊客一樣，你要知道自己來自哪裡，要去哪裡，這是最基本的。
由於分組交換不存在電路交換那種站著資源不用的情況，所以資料效率上比電路交換好，但是延遲比電路交換大得多，一般不適用於實時通訊。但是最近其實實時通訊也開始逐漸應用了，根據Qos設定資料包的優先等級，讓優先等級高的資料包優先佔用頻寬從而保證服務質量。
Virtual-Circuit Networks
該方式與資料報網路最大的不同是兩個通訊主機在通訊之前會事先建立一條通道，如上述圖片中的通道，所有的分組都將沿著這條線路有序可靠的傳輸。但是這個線路上的某個路由器或者鏈路也可以為其他使用者進行服務，如 某一段鏈路可以是A和B之間虛擬電路的一部分同時又是C和D虛擬電路的一部分，並不是A和B專門佔用一條完整的通訊線路，所以這樣的電路稱為虛擬電路（電信網中的物理線路是被A和B單獨佔用的），只是邏輯上看去A和B通過該專用線路進行通訊，事實上是該線路的某一部分也在為別人工作。
每條虛電路包括:
- 從源主機到目的主機的一條路徑
- 虛電路號（VCID） ， 沿路每段鏈路一個編號
- 沿路每個網路層裝置（如路由器）， 利用路由表記錄經過的每條虛電路
沿某條虛電路傳輸的分組，攜帶對應虛電路的VCID，而不是目的地址。同一條VC ，在每段鏈路上的VCID通常不同，路由器轉發分組時依據路由表表改寫/替換虛電路號。路由表將資料包的目標地址改成了對應的虛電路ID——VCI。當一個幀到達一個交換機，它有一個VCI;當它離開時，它有一個不同的VCI。
也是分為三個階段，建立連線-傳輸-釋放連線。所有交換機都需要為這個虛擬電路提供一個表條目，每個交換機切換都會改變VCI和路由幀。交換機的過程對於訊息的每一幀都是相同的。這個過程在源和目標之間建立一個虛擬電路，而不是真實的電路。
上圖是例圖。準備階段，需要首先建立源與目標的連線，需要根據請求-響應報文來建立連線。建立連線需要在Tx收到Rx的確認後。
請求：設定請求幀從源傳送到目標；在設定階段，該路由器充當分組路由;它有一個與交換表不同的路由表
確認:一個特殊的框架，稱為確認框架，完成交換表中的條目。確認攜帶全域性源和目標地址，因此交換機知道要完成表中的哪項。
在更新完路由表後，整個網路按照新的路由表來轉發資料包。
釋放：傳送一個稱為teardown請求的特殊幀，然後迴應與拆解確認幀
在虛擬電路交換中，屬於同一源和目的的所有資料包都沿同一路徑行進，但如果資源分配是按需進行的，則資料包到達目的地的時延可能不同。
時延：設定的一次性延遲和拆卸的一次性延遲，如果資源分配在設定階段,沒有單個數據包等待時間
二者的異同：
