标签：传送 交换 网络 第一章 计算机网络 分组 时延 概述
文章目录
1. 概述
1.1 计算机网络在信息时代中的作用
- 互连网： 指在局部范围内互连起来的计算机网络
- 互联网：指当今世界上最大的计算机网络Internet
互联网的两个重要基本特点
连通性 和 共享
1.2 互联网概述
计算机网络由若干结点和链路组成
习惯上，与网络相连的计算机常称为主机
网络把许多计算机连接在一起
互连网则把许多网络通过路由器连接在一起
1.3 互联网的组成
从互联网的工作方式看，可以划分为两大块：
- 边缘部分： 由所有连接在互联网上的主机组成（又可以被称为端系统）。这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享
- 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）
端与端通信的含义为:
主机 A 和主机 B进行通信 实际上指 运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信 即主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行同信 简称为 “计算机之间通信”
端与端通信的方式有：
-
客户机 - 服务器 C / S
客户软件被调用后，在打算通信时主动向远程服务器发起通信因此，客户程序必须知道服务器程序的地址
服务器不需要知道客户程序的地址
客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的 -
对等方式 P2P
每一个主机既是客户又是服务器
在网络核心部分起特殊作用的是路由器
路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能 -
电路交换
N部电话机需要N(N-1)/2对电线进行相连，当电话机较多时，就需要使用交换机来完成交换任务
在这里，交换的含义就是转接
交换就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源
电路交换必定是面向连接的
分为三个阶段
1. 建立连接： 建立一条专用的物理通路，以保正双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用
2. 通信：主要和被叫双方能互相通电话
3. 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）
电路交换的用户始终占用端到端的通信资源
缺点：
计算机数据具有突发性
这导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低（用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%） -
分组交换
分组交换采用存储转发技术
在发送端，先把较长的报文划分成较短的，固定长度的数据段
每一个数据段前面添加上首部构成分组
分组交换网以分组作为数据传输单元
依次把各分组发送到接收端
以分组为基本单位在网络中传送分组的首部：
每一个分组的首都都含有地址等控制信息
分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个节点交换机
每个分组在互联网中独立的选择传输路径
用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地
接收端收到分组后剥去首部还原成报文互联网的核心部分是由许多网络和把他们互连起来的路由器组成的，而主机处在互联网的边缘部分
互联网核心部分中的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接
路由器的用途是用来转发分组的，即进行分组交换
在路由器的输入和输出端口之间没有直接连线
路由器处理分组的过程是：
把收到的分组先放入缓存（暂时存储）
查找转发表
把分组送到适当的端口转发出去主机和路由器的作用不同
主机是为用户进行信息处理的
路由器是对分组进行存储转发的分组交换的优点：
1. 高效： 在分组传输过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐端占用
2. 灵活： 为每一个分组独立的选择最合适的转发路由
3. 迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
4. 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性
问题：
1. 分组在各个结点存储转发时需要排队，这会造成一定的时延
2. 分组必须携带首部，造成了一定的开销 -
报文交换
报文交换也采用了存储转发的思想，但是报文交换以每份报文为单位，进行整体的交换
电路交换： 整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像在一个管道中传送
报文交换： 整个报文先传送到相邻的结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点
分组交换： 单个分组（这只是报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来以后查找转发表，转发到下一个结点
若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率更快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率 。由于一个分组的长度往往远远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性
三种交换的优缺点：
电路交换：
优点：
通信线路为通信双方所专用，数据直达，所有传输数据时延非常小
通信双方之间的物理通路一旦建立，双方随时可以通信，实时性强
双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题
电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号
电路交换的交换设备及控制均较为简单
缺点：
电路交换的平均连接建立时间对于计算机通信来说较长
电路交换建立后，物理通路被通信双方所占用，即使线路空闲，也不能功其他用户使用，因此里信道利用率低
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，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低
报文交换：
优点：
不需要事先建立连接，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文
通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段的部分占有物理通路，大大提高了信道利用率
缺点：
由于数据进入交换结点后要经历存储转发，所以产生转发时延，当网络通信量越来越大时，造成的时延就越大，因此报文交换的实时性较差，不适合传送实时或交互式业务的数据
报文交换只适用于数据信号
由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整的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的报文等待转发，增大了传送时延
分组交换： 面向无连接的存储转发的方式
优点：
加速了数据在网络中的传输，因为分组是逐个传输的，网络会为每个分组选择最合适的传输路线，减少了传送时延
由于分组较为短小，更适合采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，所以更适合计算机的突发式的数据通信
信道利用率高
缺点：
依然存在转发时延
分组交换与报文交换一样，每个分组都要叫上控制信息，使传送的信息量加大，降低了通信效率，使控制复杂，时延增加
可能出现失序，丢失或重复文组的情况
当传送数据量很大，且传送时间远大于连接建立时间时用电路交换
当传输突发数据，或者端到端的通信有很多段链路组成的时候用分组交换传送比较合适，分组交换比报文交换的时延小
1.4 计算机网络在我国的发展
1989年11月，我国第一个公用分组交换网CNPAC简称运行
1.5 计算机网络的类别
计算机网络的精确定义统一
较好的定义：
计算机网络主要由一些通用的，可编程的硬件互连而成，而这些硬件并非专门用来实现某一特定的目的。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛和日益增长的应用可编程的硬件：表名这种硬件一定含有中央处理机（CPU）
按照网络的作用范围进行分类：
广域网：WAN 作用范围通常为几十到几千公里
城域网：MAN 作用距离约为5-50公里
局域网：LAN 局限在较小的范围（如1公里左右）
个人局域网：PAN 大约10米左右
若中央处理机之间的距离非常近（如1米的数量级甚至更小），则一般就称之为多处理机系统，而不称他为计算机网络
按照网络的使用者进行分类：
公用网： 按照规定缴纳费用的人都可以使用的网络，因此也可以叫做公众网
专用网： 为特殊业务工作的需要而建造的网络
用来把用户接入到互联网的网络：
接入网AN： 又称为本地接入网和居民接入网， 接入网是一类比较特殊的计算机网络， 用于将用户接入互联网， 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。接入网是某个用户端系统到物联网的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络
从覆盖的范围来看，很多接入网还是属于局域网，从作用上来看，接入网只是起到让用户能够与互联网的“桥梁”作用
1.6 计算机网络的性能
性能指标只要包括：
1. 速率：
比特是计算中的数据量单位，一个比特就是二进数数字中的一个1或0
速率指的是数据的传送速率， 它也称为数据率或者比特率
速率的单位是bit / s, 或 kbit / s, Mbit/s, Gbit / s等
1Gbit / s = 1000 Mbit / s = 1 000 000 Kbit /s = 1 000 000 000 bit / s
也就是相邻单位之间的转换为1000（10的三次方）
速率往往是指额定速率或标称速率，并非实际运行速率
2. 带宽
在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中国的某信道所能通过的最高数据率。单位是 bit / s 即“比特每秒”
3. 吞吐率
吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道，接口）的数据量。
吞吐量更经常的用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底能有多少数据量通过网络
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制
4. 时延
时延是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间
有时也称延迟或迟延
网络中的时延由以下几个不同的部分组成：
1. 发送时延
发送时延也成为传输时延， 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需要的时间
发送时延 = 数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit / s）
2. 传播时延
电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间
发送时延与传播时延由本质上的不同
信号的发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念
传播时延 = 信道长度（米）/ 信号在信道上的传播速率（米 / 秒）
可以理解为 发送时延 是 数据从开始发送 到完全发送出来 所需要的时间 相当于有一瓶水 从你开始往外倒 一直到 你将整瓶水倒完 所需要的时间 他并不考虑你最后倒出来的水是否达到了它的目的地 而 传播时延就是指 你倒出来的水 在你给他安排的传输介质上流动到 目的地 所需要的的时间
3. 处理时延
主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部，提取数据，差错检验或查找路由）所花费的时间
4. 排队时延
分组在路由器的输入输出队列中排队等待处理所经历的时间
排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量
数据在网络中经历的总时延 就是 发送时延 + 传送时延 + 处理时延 + 排队时延
在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析
对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率，而不是比特在链路上的传播速率， 提高链路的带宽减少了数据的发送时延
在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送的更快写 错！
5. 时延带宽积
链路的时延带宽积又称为：以比特为单位的链路长度
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用
6. 往返时间RTT
往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间
在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延，排队时延以及转发数据时的发送时延
7. 利用率
分为信道利用率和网络利用率
信道利用率指出信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零
网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值
信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，改信道引起的时延也就迅速增加
非性能特征：
费用 质量 标准化 可靠性 可扩展性和可升级性 易于管理和维护
1.7 计算机网络体系结构
计算机网络中的数据交换必须遵守实现约定好的规则
这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题
网络协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则，标准或约定
网络协议的三个组成要素：
语法： 数据与控制信息的结构或格式
语义： 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何钟响应
同步： 事件实现顺序的详细说明
网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分
协议的两种形式： 文字描述 和 程序代码，这两种不同的协议都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释
网络分层的好处：
各层之间是独立的
灵活性好
结构上可分割开
易于实现和维护
能促进标准化工作
缺点：
降低效率
有些功能会在不同的层次汇总重复出现，因而产生了额外开销
通常各层完成的主要功能有以下一些（可以只包括一种，也可以包括多种）：
差错控制
流量控制
分段和重装
复用和分用
连接建立和释放
计算机网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义
实现是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题
体系机构是抽象的，而实现是具体的，是真正在运行的计算机软件和硬件
对于五层网络体系结构：
1. 应用进程先将数据传送到应用层，在应用层加上应用层首部，成为应用层PDU
2. 然后传输到运输层，加上运输层首部，成为运输层报文
3. 运输层再传送到网络层，加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）
4. IP数据包再传送到数据链路层，加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧
5. 数据链路层帧再传送到物理层，最下边的物理层把比特流传送到物理媒介
6. 电信号（或光信号）在物理媒介中传播，从发送端物理层传送到接收端物理层
7. 物理层接收到比特流，上交给数据链路层
8. 数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层
9. 网络层剥去首部，取出数据部分，上交给运输层
10. 运输层剥去首部，取出数据部分，上交给应用层
11. 应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用程序
各层协议实际上就是各个对等层之间传递数据时的各项规定
实体 表示任何可发送或接受信息的硬件或软件进程
协议 是控制两个对等实体进行通信的规则的集合
在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务
要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务
协议的实现保证了能够向上一层提供服务
本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议，即下面的协议对上面的服务用户是透明的
协议是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则
服务时垂直的，即服务时由下层向上层通过层间接口提供的
上层视同服务原语获得下层所提供的服务
标签：传送,交换,网络,第一章,计算机网络,分组,时延,概述 来源： https://blog.csdn.net/weixin_46570942/article/details/121320704
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