计算机网络基础02-Internet结构，网络核心的数据交换，计算机网络性能几个参数

1 计算机网络的结构

1.1 网路边缘

　　主机、应用(软件、网站)

1.2 接入网络

1.3 网络核心

　　转发设备，路由器、交换机。关键功能就是路由+转发达到数据交换。

2 Internet的结构

2.1 简介

　　大体结构：一级ISP，下面连接二级ISP、三级ISP.....,再下面连接区域ISP，区域ISP连接接入网络

2.2 IXP

 　　互联网交换处理器。互联网交换中心（Internet Exchange Point）是不同电信运营商之间为连通各自网络而建立的集中交换平台，互联网交换中心在国外简称IX或IXP，一般由第三方中立运营，是互联网的重要基础设施

3 数据交换

　　网络核心进行数据交换是怎么进行的呢,有多种交换方式

4 电路交换

4.1 简介

　　比较典型的电路交换就是打电话

　　它是不能被第三方共享的。

　　比如使用电话拨号，对方接起，那么就建立起了一个电路，在这个起点，这个电路不会有第三方进来，直到挂断，释放连接，电路拆除。

　　现在有一个带宽为1Mbps的链路，有一个接入网络连接了路由器，有N个用户在使用。

　　假如每个用户活动时需要100kbs， 电路交换首先需要建立电路，且电路在拆除前它占用的带宽是不能共享的。也就是说同一时间，最多只能够被10位用户使用。

4.2 电路交换之中的链路共享问题的解决

　　是链路共享，不是资源共享。

　　还是上面的例子：现在有一个带宽为1Mbps的链路，有一个接入网络连接了路由器，有N个用户在使用。假如每个用户活动时需要100kbs，也就是说同一时间，最多只能够被10位用户使用。这里的共享值得是同一时间使用多个用户使用这条链路，而不是共享带宽资源。

　　如下图，当很多电话同时在通信的时候，会建立多条电路，多条电路中，有共同用到的一段线路，也就是中继线，中继线依靠多路复用CDM来实现共享

4.3 码分多路复用CDM

　　1）它们使用相同频率的载波

　　2）为每个用户分配一个唯一的m bit码片序列，其中0用-1表示，1用+1表示如(-1-1-1+1+1+1-1 )

　　3）利用各自的码片序列编码数据  编码信号=原始数据*码片序列

　　4）为了保证各自的编码信号不相互影响，各自的码片序号需要相互正交

　　5）解析信号

　　多个用户同一时刻发送的数据通过码片序列编码后，做一个叠加，得到一个叠加向量P

　　接收方收到信号P，如想获取用户A的数据，就用A的码片序列解码，可能有3中结果，解析到1，解析到-1，这两种都是解析到了数据，若解析为0，表示在这一刻，该用户没有发送数据。

　　6）示意图

　　用户1和用户2在同时发送数据，经过编码叠加得到P，P通过信号通道到达接受端，接受端获取P，此时，如果想获取用户1的数据，就是要用户1的码片序列对P进行解码，就可以得到用户1发送的数据，如果要获取用户2的数据，就是要用户2的码片序列对P进行解码，可以得到用户2的数据。美妙的数学。

5 报文交换

5.1 什么是报文

　　报文就是一份数据整体，它是把一个数据整体发送。

　　它是不共享链路

 

6 分组交换

6.1 什么是分组

　　就是把报文拆分开来，分成多个小的数据包，还会在每个小的数据包加上头部，里面添加了一些信息。

　　分组交换就存在了拆分和重组的过程，那么相当于报文交换，就产生了额外的开销，但是这是十分值得的。

6.2 它是共享链路的

它最大的特点是按需共享链路,且是时间上的分配共享，当A需要的时候，带宽被A占用，当B需要的时候，带宽被B占用

6.3 存储转发

　　报文交换和分组交换都是采用存储-转发的模式。都是从源发送到中间节点(如路由器)，在路由器暂存，然后根据路由转发。

　　那么数据太大的话，报文交换局限性不就很大？

7 报文转发和分组转发比较

7.1 传输延迟的概念

　　一份数据是长度L，传输速率为R，那么传输延迟就是L/R

7.2 报文交换和分组交换

7.2.1 报文交换

　　报文长度为M bits，链路带宽为R bits，那么传输延迟为M/R

7.2.2 分组交换

　　报文被拆分为多个分组

　　每个分组的长度为L

　　每个分组的传输延迟为L/R(忽略添加的头部信息)

7.2.3 例子(只比较传输，忽略分组转发的分组和重组的消耗)

　　M=7.5M，链路带宽是1.5M，分组分成了5000分，每个分组的长度为1500 bits

1)  报文交换需要的时间和空间

　　

　　如上图，从源主机传输到目的主机，中间有两个节点，报文交换需要15s

　　 而且，报文交换的中间节点的存储至少得有7.5M才可以

 

 2）分组交换

　　如上图，从源主机传输到目的主机，中间有两个节点，报文交换需要5.002s。为什么会少这么多呢，因为分组，在传输的过程中是并行传输的。

　　一个小数据包从源主机到第一个节点，再往下一个节点传的时候，下一个数据包同时从源主机往第一个节点传，一次类推。

　　 而且，报文交换的中间节点的存储至少需要有1500bits才可以

3)分组交换耗时小结　

跳步数：从原主机到目标主机经过的过程数，h=n+1

那么分组交换传输一份报文需要的时间T=M/R+(h-1)L/R=M/R + nL/R

报文交换也是现在网络数据交换的手段

 

8 分组交换和电路交换比较

8.1 例子

　　

　　现在有一个带宽为1Mbps的链路，有一个接入网络连接了路由器，有N个用户在使用。

　　假如每个用户活动时需要100kbs，平均活动时间为10%

8.2 电路交换

电路交换首先需要建立电路，且电路在拆除前它占用的带宽是不能共享的。也就是说，同一时间，它最多只能有10个用户同时使用。

8.3 分组交换

分组交换的共享是时间上的共享，同一时刻只有一位用户占用了链路，所以分组交换是时间上的分配。只要把时间分配好，就没什么问题。如现在有35个用户在使用，大于10个用户同时使用的概率<0.0004

　　分组交换优点:

　　　　资源使用率更高

　　　　简单，无须呼叫建立

　　分组交换缺点：

　　　　可能产生拥塞，需要协议来保证可靠数据传输

9 计算机网络的性能

9.1 速率

　　速率也叫数据率、数据传输率、比特率，它是指单位时间(s)传输信息量(bit)　　

　　

9.2 带宽

　　在通信领域，带宽指得是信号具有的频带宽度，即最高频率和最低频率之差，单位是赫兹

　　在计算机领域，带宽是指数字信道所能传输的"最高数据率"

9.3 延迟/时延

1）分组交换为什么会发生丢包

　　中间节点(如路由器)，它的存储空间是有限的，当分组的数据包到达中间节点的速率大于它的转发速率，最后导致它存储的数据包占满了它的空间，无法继续接收下一个数据包，而却又数据包发送过来，很多中间节点的做法是丢弃新来的数据包，也就是丢包

2）四种分组延迟

　　节点处理延迟

　　　　节点处理延迟：数据包到达中间节点，中间节点对数据包进行差错检查，确定输出链路。当然，这个消耗的时间是极少的

　　排队延迟

　　　　中间节点正在传输其它数据包，所以它需要等待输出链路可用

　　传输延迟

　　　　传输数据包的需要时间 L/R(数据包的长度/带宽)

　　传播延迟

　　　　从传出点到达目的地的传输需要时间。

　　以寄快递来对比这四个延迟

　　1）我把快递送到快递点

　　2）快递点工作人员检查物品，核对我的身份证，确定我的寄出的地点和接收人，这个过程好比节点处理延迟

　　3）工作人员把快递包好了，放好

　　4）分发快递的工作人员正在处理前面的快递，所以我的快递只能等待前面的快递分发完成，这个过程好比排队延迟

　　5）前面的快递分发完成了，轮到我的快递分发了，把快递分发出库，放到运输车上的过程好比传输延迟

　　6）运输车将快递运输到目的地，这个过程好比传播延迟

　　

9.4 时延带宽积

　　时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

　　传播时延单位s，带宽单位bits，所以时延带宽积的单位就是bit。

　　所以时延带宽积可以理解为以比特为单位的链路长度(链路容纳的bit数)，好比水管能容纳的水的量

9.5 丢包率

　　丢包率 = 丢包书/已分发分组数

9.6 吞吐量/率

　　表示在发送端与接收端之间传输数据的速率

　　　　即时吞吐量：某个时刻的速率

　　　　平均吞吐量：一段时间内的平均速率

　　

如图，发送端到接受端，发送端一段链路的速率是Rs,接受端的一段链路速率为Rc，那么吞吐量取决于小的速率。

　　再看这个图，发送端带宽Rc，接收端带宽Rs，中间节点带宽R/10，那么吞吐量取决于最小的额那个。而实际情况中，通常是取决于Rc或者Rs。