计算机网络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
  1.2 接入网络

  1.3 网络核心
 2 Internet的结构
  2.1 简介
  2.2 IXP
3 数据交换
4 电路交换
  4.1 简介

  4.2 电路交换之中的共享问题的解决
     4.3 码分多路复用CDM
5 报文交换
  5.1 什么是报文
6 分组交换
  6.1 什么是分组
  6.2 它是共享链路的
  6.3 存储转发
7 报文转发和分组转发比较
  7.1 传输延迟的概念
  7.2 报文交换和分组交换
8 分组交换和电路交换比较
  8.1 例子
  8.2 电路交换
  8.3 分组交换
9 计算机网络的性能
  9.1 速率
  9.2 带宽
  9.3 延迟/时延
  9.4 时延带宽积

 

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

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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。

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 2 Internet的结构

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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?

 

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。

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   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 电路交换之中的共享问题的解决

  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

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 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

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  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

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  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

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  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。

  它是共享链路的,且是时间上的分配共享

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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。

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  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

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 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?

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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

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   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

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   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。

   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 

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 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

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   现在有一个带宽为2Mbps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,带宽值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

 

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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

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

 

 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。

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  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。

 

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