计算机网络-物理层（数据交换方式（电报交换，报文交换，分组交换），数据报，虚电路，传输介质，物理层设备（中继器，集线器））_数据报交换和报文交换

1. 数据交换方式

数据交换方式一共有三种

1. 电报交换：在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。

   电报交换方式经历的步骤：
   建立连接（电路建立） -> 通信（数据传输） -> 释放连接（拆除电路）

   特点：独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。

   优点：

   • 传输时延小
   • 数据顺序传输，无失序
   • 实时性强
   • 全双工通路，通信双方没有物理线路冲突
   • 适用于模拟信号和数字信号

   缺点

   • 通信建立时间比较长。
   • 线路独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道使用效率低。
   • 灵活性差，双方连接通路中的任何一点出了故障，必须重新拨号建立新连接,不适应突发性通信。
   • 无数据存储能力，难以平滑通信量。
   • 电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信
   • 无法发现和纠正传输差错。

2. 报文交换（存储转发的交换方式）：

   报文是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短不一致，长度不限且可变。

   特点：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。如果线路比较繁忙，交换机可以暂存数据等线路不繁忙时传输数据

   优点：

   • 无需建立连接，无建立连接时延，用户可随时发送报文

   • 动态分配线路，动态选择报文通过的最佳路径，可以平滑通信量。

   • 提高线路可靠性，某条传输路径发生故障，可重新通过路由表选择另一条路径传输。

   • 提高线路利用率，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个报文可共享信道。

   • 提供多目标服务，一个报文可同时发往多个目的地址。

   • 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信。

   缺点：

   • 实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。数据进入交换结点后要经历存储转发过程，从而引起转发时延。
   • 只适用于数字信号。
   • 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。

3. 分组交换（存储转发的交换方式）

   分组：大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块然后逐块地发送，这种小块就称作分组（packet） 。

   特点：分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于：分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文。

   优点：

   • 无建立时延，无需为通信双方预先建立一条专用通信线路，用户可随时发送分组。
   • 线路利用率高，通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道。
   • 简化了存储管理，因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
   • 加速传输，后一个分组的存储可以和前一个分组的转发并行操作。传输一个分组比一份报文所需缓冲区小，减少等待发送时间。
   • 减少出错几率和重发数据量，提高可靠性，减少传输时延。
   • 分组短小，适用于计算机之间突发式数据通信。

   缺点：

   • 每个分组都要加控制信息，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间。
   • 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延,而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
   • 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时,要对分组按编号进行排序等工作,增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

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三种传输方式的选择：

1. 传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2. 当端到端的通路有很多段的链路组成时,采用分组交换传送数据较为合适。
3. 从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。

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分组交换还有两种交换方式：

1. 数据报方式：

   就是按照本来的分组交换方式传输数据

   • 数据报方式为网络层提供无连接服务。发送方可随时发送分组，网络中的结点可随时接收分组。
   • 同一报文的不同分组达到且的结点时可能发生乱序、重复与丢失。
   • 每个分组在传输过程中都必须携带源地址和目的地址，以及分组号。
   • 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组。
   • 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信。

2. 虚电路方式：

   结合电路交换方式和数据报交换方式的优点。

   虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接)，路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。

   虚电路建立方式：建立连接 -> 数据传输 -> 释放连接（与电路交换方式相同）

   注意：

   • 源主机发送“呼叫请求”分组并收到“呼叫应答”分组后才算建立连接。
   • 每个分组必须携带虚电路号，分组号、检验和等控制信息。

   特点：

   • 虚电路方式为网络层提供连接服务。源节点与目的结点之间建立一条逻辑连接，而非实际物理连接。
   • 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息，它包含虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失。
   • 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只进行差错检测，不需进行路由选择。（通路在虚电路上已经确认）
   • 每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。
   • 当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏。

两种分组方式的对比：

2. 传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输介质不属于物理层，它存在于物理层的下方，传输介质只负责数据传输

传输介质分为两类：

1. 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤)传播。

2. 非导向性介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

导向型传输介质：

1. 双绞线：（STP、UTP）STP为屏蔽双绞线，UTP为非屏蔽双绞线。传输距离太远时，对于模拟传输要用放大器放大衰减的信号，对于数字传输，用中继器将失真的信号整形。

2. 同轴电缆：由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。

   传输数字信号：基带同轴电缆。
   传输模拟信号：宽带同轴电缆。

   抗干扰能力强

3. 光纤：光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0.（带宽大，携带数据多）

   光纤主要由纤芯(实心)和包层构成，构成全反射现象

   光纤又分为：多模光纤（长距离）和单模光纤（短距离）

非导向性传输介质：

1. 无线电波：（信号向所有方向传播）较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信，无线局域网)

2. 微波：信号固定传播，微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很大（地球卫星）。

3. 红外线，激光：把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号,再在空间中传播。

3. 物理层设备

中继器

中继器的功能（再生数字信号）：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

需要注意：

1. 中继器的两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。

2. 两端可连相同媒体介质，也可连不同媒体介质。

3. 中继器两端的网段一定要是同一个协议

4. 5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障

   五个网段，最多只能由4个物理层设备，只有三个段可以连接挂接计算器
   

集线器（多口中继器）

集线器作用：再生，放大信号

集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。（广播式通信）

可能出现信息碰撞，当信息发生碰撞时，进行碰撞避免算法。

连在集线器上的工作主机平分带宽