计算机网络概述 ¶

计算机网络的概念 ¶

计算机网络的组成 ¶

计算机网络的功能 ¶

数据交换类型 ¶

数据交换主要有两种方式:

电路交换: 在数据传输过程中，通信双方在物理层进行物理连接，形成一条专用的通路，数据在传输过程中不会与其他数据混淆。
存储转发交换:
- 报文交换: 将完整的报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
- 分组交换: 将一个报文分成若干个分组，每个分组独立进行转发。

电路交换 ¶

电路交换的三个阶段 ¶

建立连接: 尝试建立通信双方连接的通路。
通信: 通信双方进行数据传输，传输过程中始终独占通信资源。
释放连接: 通信双方断开连接。

电话网络 ¶

电路交换的优缺点 ¶

优点
- 通信两端始终占用专用的物理链路，数据直达，传输效率高
缺点
- 建立/释放连接，需要额外的时间开销
- 线路被通信双方独占，利用率低
- 线路分配的灵活性差
- 交换节点不支持“差错控制”（无法发现传输过程中发生的数据错误）

Tip

电路交换适用于低频次、大量的数据传输场景
计算机间的数据传输往往是“突发式”的，往往会高频次、少量地传输数据

存储转发交换 ¶

存储转发的思想: 把传送的数据单元先存储进中间节点，再根据目标地址转发至下一节点。

报文交换 ¶

交换的单位是源信息报文的整体（整个报文）。

报文交换的优缺点 ¶

优点
- 通信前网络无需为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，使不同地点的计算机能够“即连即用”
- 数据以“报文”为单位被交换节点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配
- 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理链路，线路利用率高
- 交换节点支持“差错控制”（通过校验技术）
缺点
- 报文不定长，不方便存储转发管理
- 长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大
- 长报文容易出错，需要进行重传，代价高

分组交换 ¶

将报文拆成若干定长的分组（包），每个分组（包）独立进行转发，到达目的地后再将分组（包）按序重组。

分组交换的优缺点 ¶

优点
- 继承了报文交换的优点
- 相比较报文交换，改进了如下问题
  - 分组定长，便于存储转发管理
  - 分组的存储转发时间开销小、缓存开销小
  - 分组不易出错，重传代价小
缺点
- 相比较报文交换，控制信息占比增加
- 相比较电路交换，依然存在存储转发时延
- 报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现失序、丢失等问题，增加处理的复杂度

性能分析与对比 ¶

	电路交换	报文交换	分组交换
完成传输所需时间	最少（排除建立/释放连接的时间）	最长	较少
存储转发延时	无	较高	较低
通信前是否需要建立连接	是	否	否
缓存开销	无	高	低
是否支持差错控制	否	是	是
报文数据是否有序到达	是	是	否
是否需要额外的控制信息	否	是	是（控制信息占比最大）
线路分配灵活性	不灵活	灵活	非常灵活
链路利用率	低	高	非常高

计算机网络的分类 ¶

按分布范围分类 ¶

按传输技术分类 ¶

按拓扑结构分类 ¶

按使用者分类 ¶

按传输介质分类 ¶

计算机网络的性能指标 ¶

常用的性能指标有:

速率 ¶

速率（Speed）指连接到网络上的节点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为 \(b/s\)（bps, 比特/秒）。

\[ 1 Gbps = 10^3 Mbps = 10^6 kbps = 10^9 bps \]

\[ 1 B/s = 8 b/s \]

带宽 ¶

在通信原理中，带宽（Bandwidth）表示通信线路允许通过的信号频率范围，单位是赫兹。但在计算机网络中，其表示网络的的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义语，即某个信道所能传送的最高速率，单位为比特/秒（\(b/s\)）。

信道（Channel）

传送信息的通道（信道 \(\not =\) 通信线路），一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道。在办理带宽服务时，通常会在带宽指标中标注上行带宽与下行带宽，分别对应发送信道和接收信道的最高速率。

节点间通信实际能达到的最高速率由带宽和节点性能共同限制，服从木桶原理。

吞吐量 ¶

吞吐量（Throughput）表示单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量，单位为比特/秒（\(b/s\)）。

时延 ¶

时延（Delay）指数据从网络（网络元素）的一端传送到另一端所需的总时间，有四部分组成:

发送时延: 主机或路由器发送数据帧所需的时间。也称传输时延。

\[ 发送延时 = \frac{数据帧大小（b）}{发送速率（b/s）} \]
传播时延: 电磁波在信道中传播一定距离所需的时间，即一个比特从链路的一端传送到另一端所需的时间。

\[ 传播延时 = \frac{信道长度（m）}{电磁波在信道上的传播速率（m/s）} \]
处理时延: 主机或路由器处理数据帧所需的时间。
排队时延: 数据帧排队进入、排队发出路由器所需的时间。

分组交换网流水线工作的数学模型

在一个有 \(M\) 段链路 \(（M - 1）\) 个路由器，数据总量为 \(D\)，分组数量为 \(N\)，每个分组长度为 \(L\)，每段链路速率为 \(R\)，忽略其他时延，则

\[ 总延时 = \frac{(N + M - 1)L}{R} = \frac{NL}{R + (M - 1)L} = \frac{D}{R} + (M - 1) \frac{L}{R} \]

时延带宽积 ¶

时延带宽积指一条链路中已从发送端发出但尚未到达接收端的最大数据量。

\[ 延时带宽积 = 传播时延 \times 带宽 \]

延时带宽积可用于设计最短帧长。

往返时间 ¶

往返时间（RTT, Round Trip Time）表示从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时间。

信道利用率 ¶

信道利用率表示单位时间内信道实际被使用的时间占整个信道时间的比率。

\[ 信道利用率 = \frac{信道实际被使用的时间（有数据通过的时间）}{信道总时间（有数据通过的时间 + 无数据通过的时间）} \]