电路交换与报文交换有什么优缺点

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电路交换与报文交换有什么优缺点

来源：baiyundou.net 日期：2024-09-01

报告出品方：信达证券

以下为报告原文节选

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聊聊交换机：和 AI 有什么关系？

Q：什么是协议？

A：网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。

#解析法律层面上，OSI 七层协议为国际协议。20 世纪 80 年代，为了规范化计算机之间的通信方式，从而满足开放式网络的需求，OSI（Open System Interconnection）协议被提出，其采用了一种七层网络。

⚫ 物理层：解决了硬件之间如何通信，主要功能为定义物理设备标准（如接口类型、传输速率等），从而实现比特流（一种以 0、1 表示的数据流）的传输。

⚫ 数据链路层：主要功能为帧编码和误差纠正控制。具体工作为接受来自物理层的数据，并封装为帧，然后传输到上一层。同样也可以将来自网络层的数据拆为比特流传输给物理层。之所以能实现纠错的功能，是因为每帧除了要传输的数据外，还包括校验信息。

⚫ 网络层：在节点之间创建逻辑电路，通过 IP 寻找地址（在网络中每个节点都有一个IP）。这一层传输的数据以包为单位。

⚫ 传输层：负责监督数据传输的质量，若发生丢包，则应该重新发送。

⚫ 会话层：主要功能为管理网络设备的会话连接。

⚫ 表示层：主要负责数据格式转换、加密等。

⚫ 应用层：提供应用接口，可以为用户直接提供各种网络服务，完成各种网络工作。

事实层面上，TCP/IP 协议为国际协议。在 OSI 七层协议七层模型建立之前，TCP/IP 协议簇便已开始运行，且因特网在当时已覆盖了，借因特网的助力，尽管 OSI 七层模型在法律层面是国际标准，但 TCP/IP 成为了事实上的国际标准。TCP/IP 是包含各种协议的协议簇，这些协议可以大致分为四层，即应用层、传输层、网络层、数据链路层，实际上，TCP/IP协议可以理解做 OSI 七层协议的优化版。

OSI 引入了服务、接口、协议、分层的概念，TCP/IP 借鉴了 OSI 的这些概念建立 TCP/IP模型。TCP/IP 涉及的协议数量众多，其中传输层的 TCP、UDP 较有代表性。

⚫ TCP（输出控制协议，Transmission Control Protocol）：用于在 IP 之上确保数据包的可靠传输，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的协议。TCP 连接的过程可以视为三次握手，首先，客户端向服务端发送连接请求报文段，然后，如果同意连接，则会发送一个应答，最后，当客户端收到连接同意的应答后，还要向服务端发送一个确认报文。客户端发完这个报文段后便进入 ESTABLISHED 状态，服务端收到这个应答后也进入 ESTABLISHED 状态，此时连接建立成功。之所以是三次握手，是因为要保证可靠性。

⚫ UDP（用户数据包协议，User Datagram Protocol）：是一种面向无连接的、不可靠的协议。UDP 没有握手过程，只是源源不断的进行传输，UDP 无法恢复丢失的数据包。

但相对于 TCP，效率更高。

由于 HPC 对于网络高吞吐、低时延的要求，TCP/IP 逐步过渡到 RDMA。TCP/IP 有几个主要的缺点：

⚫ 其一，存在数十微秒的时延。由于 TCP/IP 协议栈在传输时，需要多次上下文切换，并依赖 CPU 进行封装，因此时延较长。

⚫ 其二，CPU 负载严重。TCP/IP 网络需要主机 CPU 多次参与协议栈内存拷贝，CPU负载与网络带宽相关系数过大。

RDMA(远程内存直接访问技术，RemoteDirect Memory Access)：能直接通过网络接口访问内存数据，无需操作系统内核的介入。这允许高吞吐、低延迟的网络通信，尤其适合在大规模并行计算机集群中使用。

RDMA 未规定全部协议栈，但是对具体的传输提出了较高的要求：例如不轻易丢、吞吐量大、延时低等等。RDMA 中包含不同的分支，其中， Infiniband 专为 RDMA 设计，从硬件级别保证可靠传输，技术先进，但是成本高昂。而 RoCE 和 iWARP 都是基于以太网的RDMA 技术。

Q：数据中心架构中，交换机有什么用？

A：交换机是一种用于电信号转发的网络设备。在数据中心中，负责将数据转发等职能。

#解析交换机和路由器工作的层次不同。交换机（Switch）工作在数据链路层，基于 MAC（网卡的硬件地址）识别，能完成封装转发数据包功能，允许不同的设备间相互通信。路由器(Router)亦称选径器，工作在网络层，实现相互连接，基于 IP 实现寻址，将不同的子网络相连接。

传统的数据中心往往使用三层架构，即接入层、汇聚层、核心层，而在小型的数据中心中，可以忽略汇聚层的存在。其中，接入层通常直接与服务器相连，常用的接入交换机常为TOR（Top of Rack）交换机。汇聚层是网络接入层和核心层的 “中介（中间层）”。核心交换机为进出数据中心的包提供转发，并为汇聚层提供连接性。

传统的三层网络有较为显著的缺点，并且随着云计算的发展，这些缺点愈发突出：⚫ 带宽浪费：每组汇聚交换机管理一个 POD（Point Of Delivery），每个 POD 内都是独立的 VLAN 网络。汇聚交换机和接入交换机之间通常使用 STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）。STP 使得对于一个 VLAN 网络只有一个汇聚层交换机可用，其他的汇聚层是被阻塞的，同时这也导致汇聚层无法水平拓展。

⚫ 故障域大：由于 STP 的算法，网络拓扑变更时需要重新收敛，容易发生故障。

⚫ 时延较长：随着数据中心的发展，东西向流量大幅增加，而三层架构间服务器之间的通信需要层层经过交换机，造成了较大的时延，且核心交换机和汇聚交换机的工作压力不断扩大，性能升级也造成成本的上浮。

叶脊架构优势明显，具有扁平化设计、低延迟、具有带宽高等特点。叶脊网络（leaf-spine）使得网络扁平化，其中叶交换机相当于传统的接入层交换机，脊交换机类似核心交换机。

叶和脊交换机之间通过 ECMP（Equal Cost Multi Path）动态选择多条路径。当 Leaf 层的接入端口和上行链路都没有瓶颈时，这个架构就实现了无阻塞（Non blocking）。因为Fabric 中的每个 Leaf 都会连接到每个 Spine，所以，如果一个 Spine 出现问题，数据中心的吞吐性能只会有轻微的下降（SlightlyDegrade）。

Q：英伟达交换机=IB 交换机？

A：不是。英伟达 Spectrum 和 Quantum 平台，同时布局了以太网和 IB 交换机。

#解析英伟达 Spectrum 和 Quantum 平台，同时布局了以太网和 IB 交换机。IB 交换机主要由厂商 mellanox 运营，英伟达于 2020 年成功将其收购。此外，英伟达 Spectrum 平台的交换机主要基于以太网，旗下产品不断迭代，2022 年发布的 Spectrum-4 是 400G 交换机产品。

Spectrum-X 针对生成式 AI 所设计，优化了传统以太网交换机的限制。NVIDIA SpectrumX 平台的两个关键元素是 NVIDIA Spectrum-4 以太网交换机和 NVIDIA BlueField-3 DPU。

Spectrum-X 的主要优势包括：

⚫ 将 RoCE 扩展用于 AI 和自适应路由（AR），以实现 NVIDIA 集合通信库（NCCL）的最大性能。NVIDIA Spectrum-X 能够在超大规模系统的负载和规模下实现高达 95% 的有效带宽。

⚫ 利用性能隔离来确保在多租户和多作业环境中，一个作业不会影响另一个作业。

⚫ 确保在出现网络组件故障时，网络架构能够继续提供最高性能。

⚫ 与 BlueField-3 DPU 同步，实现最佳 NCCL 和 AI 性能。

⚫ 在各种人工智能工作负载下保持一致和稳定的性能，这对实现 SLA 至关重要。

在组网方式中，IB 还是以太网是个重要的问题。目前的市场中，以太网占据了绝大部分的市场份额，但是在一些大规模的运算场景中，IB 又一枝独秀。ISC 2021 超级计算大会上，在 TOP10 的系统中 IB 占据了 70%的份额，在 TOP100 中 IB 占据 65%的份额。随着考虑范围越来越大，IB 的市场份额越来越低。

Spectrum 和 Quantum 平台针对不同的应用场景。在英伟达的设想中，AI 应用场景可大致分为 AI 云和 AI 工厂，在 AI 云中可以使用传统以太网交换机和 Spectrum-X 以太网，而在 AI 工厂中则需要使用 NVLink+InfiniBand 的方案。

Q：英伟达 SuperPOD 如何理解？

A：SuperPOD 是服务器集群，通过将多个计算节点相连，以提供较大的吞吐性能。

#解析以英伟达 DGX A100 SuperPOD 为例，英伟达官方推荐的配置中使用的交换机为 QM9700，能提供 40 个 200G 端口。由于其采用的架构为胖树（不收敛）架构。在第一层中， DGX A100 服务器共有 8 个接口，分别接入 8 个叶交换机，20 台服务器组成一个 SU，因此共需8*SU 台服务器，第二层架构中，由于网络不收敛，且端口速率一致，因此脊交换机提供的上行端口要大于等于叶交换机的下行端口。因此，1 个 SU 对应 8 台叶交换机和 5 台脊交换机，2 个 SU 对应 16 台叶交换机和 10 台脊交换机，依此类推。此外，当 SU 数量增至 6 个以上时，官方推荐加入一层核心层交换机。

--- 报告摘录结束更多内容请阅读报告原文 ---

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（特别说明：本文来源于公开资料，摘录内容仅供参考，不构成任何投资建议，如需使用请参阅报告原文。）

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巫受淑773计算机网络:电路交换,报文交换,分组交换 -
皮服张18940446598 ______ 选分组交换

巫受淑773计算机网络的数据交换技术有四种,分别是? -
皮服张18940446598 ______ 电路交换、报文交换、分组交换及ATM.电路交换是通过交换节点在一对站点之间建立专用通信通道而进行直接通信的方式.报文交换是以报文为数据交换的单位,报文携带有目标地址、源地址等信息,在交换结点采用存储转发的传输方式.分组交换,不需要事先建立物理通路,只要前方线路空闲,就以分组为单位发送,中间节点接收到一个分组后,不必等到所有的分组都收到就可以转发. ATM 是一种融电路交换和分组交换两种技术优点的传输方式,这种技术适用于高带宽和多媒体传输,可用来高速传输话音、数据、图形和电视信号.

巫受淑773数据交换三种方式中各自的优点和缺点? -
皮服张18940446598 ______ 线路交换、报文交换、分组交换 1、线路交换(电路交换) 以电路联接为目的的交换方式是电路交换方式.电话网中就是采用电路交换方式.我们可以打一次电话来体验这种交换方式.打电话时,首先是摘下话机拨号.拨号完毕,交换机就知道...

巫受淑773什么是报文交换分组交换电路交换? -
皮服张18940446598 ______ 电路交换:由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路(由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成报文交换:报文交换是以报文为数据交换的单位,报文携带有目标地址、源地址等信息,在交换结点采用存储转发的传输方式以电路联接为目的的交换方式是电路交换方式.

巫受淑773现实生活中都有哪些用到分组交换或者报文交换 -
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巫受淑773现代计算机网络采用的交换方式主要是_________.1.电路交换 2.报文交换 3.基于虚电路的分组交换 4.基于数据报的分组交换 -
皮服张18940446598 ______[答案] d..好像

巫受淑773数据交换技术的技术简介 -
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巫受淑773数据交换是什么? -
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巫受淑773求电路交换分组交换报文交换的区别 -
皮服张18940446598 ______ 线路交换进行通信:是指在两个站之间有一个实际的物理连接,这种连接是结点之间线路的连接序列. 分组交换的优点:线路利用率提高;分组交换网可以进行数据率的转换;在线路交换网络中,若通信量较大可能造成呼叫堵塞的情况,即网络拒绝接收更多的连接要求直到网络负载减轻为止;优先权的使用. 分组交换和报文交换主要差别:在分组交换网络中,要限制所传输的数据单位的长度.报文交换系统却适应于更大的报文.

巫受淑773什么是分组交换技术?试比较分组交换与线路交换、报文交换之间的区别. -
皮服张18940446598 ______ 第一个公共分组交换数据网(X.25)诞生于20世纪70年代,它是一个以数据通信为目标的公共数据网(Public Data Network,PDN). 在PDN内各节点是有交换机(PSE)组成的,交换机间交换的数据单元是分组(数据包),所以交换机具有存...

（编辑：自媒体）