计网第一章学习笔记

计网第一章学习笔记

Last updated on

3558 字 约 18 分钟

1.前言

经历快一个月的磨磨蹭蹭，考试作业这样那样的事情拖延下来，终于在今天正式开始学习计网了，花了半个上午多点的时间，把一些比较基础的概念过了一遍，现在用笔记记录一下，以达到加深印象的目的。

2.三种交换方式

交换方式，以我的理解来看，就是在计算机网络中传输信息的模式。如果从计算机网络的OSI分层标准体系结构来看的话，网络层、数据链路层、物理层都有涉及。例如如何从主机A传输数据到主机B，中间有中转站进行分发的这样一种模式。

交换方式分为三类：电路交换、报文交换、分组交换，我们接下来分别讲述它们的定义与特征。

2.1.电路交换

电路交换示意图
电路交换示意图

如上图所示，在电路交换中，主机A与B通过中间的交换机以及中继线等传输线路连接起来。

在A需要与B进行通信时，将会尝试建立连接，当请求被B接收并同意之后，两者之间成功建立通信，此时两者之间可以通过通信线路进行自由通信。

整个流程大致为：

建立连接(分配资源)⇒传输数据(独占资源)⇒断开连接(释放资源)建立连接(分配资源) \Rightarrow 传输数据(独占资源) \Rightarrow 断开连接(释放资源)

然而它有一个非常明显的缺点。我们可以注意到，当A与B建立连接后，正如上面所说，信道被独占，C与D无法调用信道传输资源，哪怕此时A与B之间实际并没有数据在传输，但只要资源没有被释放(连接没有断开)，其他主机就无法调用。

这无疑会造成传输资源的极大浪费，因为两者建立通信之后并非时时刻刻都在传输数据，当两者之间暂时未有数据传输却又未断开通信时，就会使得这条线路的通信资源被浪费，无法满足其他通信需求。

简单来讲，就是资源的静态分配导致未能被充分利用。

2.2.报文交换

报文交换
报文交换示意图

如图，我们可以看到，报文交换将需要传输的信息转换为报文，并在前端加上报头，报头中含有目标地址等信息。

报文交换的核心是存储-转发，它将一整块报文发出，由中转站接收后进行处理。

报文交换不会像电路交换那样长时间地占用通信线路，当信息被一个节点成功接收时，可以在这个节点进行转存。在此期间，通信线路仍然可供其他主机之间进行信息的传输。

而报文交换同样具有它的缺点。根据我们上面所说的，信息可以在中转节点进行转存，这就需要中转节点具有足够大的空间进行存储，而如果对每个中转节点都分配足够大的空间的话，显然在大部分时间，这些空间并没有被利用，造成了空间资源的浪费。

2.3.分组交换

分组交换
分组交换示意图

分组交换和报文交换的原理其实是类似的，但不同的点在于，它将数据分成了许多个组，每个组附加一些信息，像这个组在原数据中是怎么排列的，还有需要传输到哪里这样的信息。

然后像报文交换那样，将这些组，或者我们常说的包，逐个发出，让中转节点选择处理方式。

中转节点接收到包之后，可以分配它走哪条路径去往目标节点，最终当目标节点成功接收到所有包，即代表数据传输成功。

分组交换的核心优势在于流水线并行传输，当分组1还在发往下一个节点的过程中，分组2就可以立即占领当前的节点，减少了排队延迟。

2.4.小结与对比

交换方式建立连接延迟资源利用率
电路交换必须传输延迟小极低
报文交换不需要很大(整发整存)较高
分组交换不需要较小最高

所以在当前的应用场景下，我们大部分都是使用的分组交换。

3.计算机网络的定义与分类

3.1.定义

一句话：一些互相连接的、自治的计算机的集合

关键词为互联、自治、集合

3.2.分类

1.按交换技术分类

  • 电路交换网络
  • 报文交换网络
  • 分组交换网络

2.按使用者分类

  • 公用网
  • 专用网：校园网这样的

3.按传输介质分类

  • 有线网络
  • 无线网络

4.按覆盖范围分类

  • 广域网(WAN)
  • 城域网(MAN)
  • 局域网(LAN)
  • 个域网(PAN)

5.按拓扑结构分类

  • 总线型网络：一条线把所有节点连起来，一个地方断了这个网络废了
  • 星型网络：由一个中心节点进行信息中转，缺点是中心节点对故障敏感度极高
  • 环形网络：一个环串起来，也有单环和复环之分
  • 网状型网络：目前泛用性最广，最为稳定的结构，采用手段使得任意两个节点之间至少有两条路径相连，即不存在割点或桥(Tarjan又在攻击我)

4.计算机网络的性能指标

  • 速率：衡量单位时间内传输的数据多少，单位为bps

  • 带宽：描述传输介质中单位时间内能传输的数据的上限，单位也为bps，在信号处理语境下为Hz

  • 吞吐量：某个节点在某段时间内接收和发出的数据的多少

  • 时延：顾名思义，即数据在网络传输过程中所用时间，分为发送时延、传输时延、处理时延。

    其中 发送时延=数据包大小传输速率发送时延 = \frac{数据包大小}{传输速率}， 传输时延=传输长度介质中的传播速率传输时延 = \frac{传输长度}{介质中的传播速率}

    大概列出三种介质中的传播速率：

    • 自由空间：3.0×108m/s3.0 \times 10^{8} m / s
    • 铜线：2.3×108m/s2.3 \times 10^{8} m / s
    • 光纤：2.0×108m/s2.0 \times 10^{8} m / s

  • 时延带宽积：同样顾名思义，时延与带宽的乘积，描述在第一个数据包到达目标节点时，路径上仍有多少数据在传输

  • 往返时间：数据发送到目标节点再收到返回结果的总时间

  • 利用率：描述一段信道中有多少部分正在传输数据。注意这并不是越高越好。

    根据排队论的 M/M/1M / M / 1 模型，设 D0D_{0} 为空闲时的时延，DD 为当前时延，UU 为当前的信道利用率，则近似有以下公式：

    D=D01−U D = \frac{D_{0}}{1 - U}

    根据曲线特征，我们可以得出结论：当利用率维持在 50%50\% 左右时为最佳实践。

  • 丢包率：这就涉及到我们上面所说的分组交换。我们知道分组交换将数据拆分为多个小段进行传输，这些小段就是”包”，而丢包率就是指在传输过程中，未能成功传输到目标节点的包占发出所有包的比率

5.计算机网络体系结构

为了方便我们对计算机网络中不同层次的问题分别进行研究，如在运输过程中的信号转换，以及端到端之间的连接建立方式，我们将整个体系划分为不同层次，你知道的，就像写代码要高内聚低耦合一样。

5.1.常见的计算机网络体系结构

大概有三种：

  • OSI体系结构：分为七层，学者们提出，但由于当时TCP/IP协议已经盛行，外加该体系结构过于复杂，应用中难于构建传输，故逐渐退出应用

    • 应用层
    • 表示层
    • 会话层
    • 运输层
    • 网络层
    • 数据链路层
    • 物理层

  • TCP/IP体系结构：分为四层，为当前应用中最为盛行的体系结构

    • 应用层：HTTP, SMTP, DNS, RTP等协议
    • 运输层：TCP, UDP等协议
    • 网际层：IP协议(IP for everything & Everything for IP)
    • 网络接口层：不同网络间通过通用的网络接口进行连接

  • 原理体系结构：分为五层，是前两者的折中，方便教学

    • 应用层：解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题
    • 运输层：解决进程之间基于网络的通信问题
    • 网络层：解决分组在多个网络上传输(路由)的问题
    • 数据链路层：解决分组在一个网络或一段链路上传输的问题
    • 物理层：解决使用何种信号来传输比特的问题

5.2.计算机网络体系结构中的专用术语

  • 实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

  • 对等实体：收发双方相同层次中的实体，这里的层次即为上面体系结构中的层次

  • 协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合

    比如应用层的HTTP, SMTP，链路层的传统以太网CSMA/CD等

    为什么叫逻辑通信？因为这种通信实际上并不存在，比如两个运输层直接并没有直接相连的路径，用协议来描述，是为了忽略其他层级对该层级的影响，只专注于两者之间的数据交互，至于数据实际的传输方式被略过。

  • 协议三要素：语法、语义、同步

    • 语法：定义所交换信息的格式
    • 语义：定义收发双方所要完成的操作
    • 同步：定义收发双方的时序关系

  • 服务：在协议控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层级能够向上一层提供服务

  • 服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型

  • 协议数据单元PDU：对等层次之间传输的数据包

  • 服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包