计算机网络概述（下）

计算机网络概述（下）

计算机网络性能

计算机网络最重要的一个性能指标——速率

速率，即数据率（data rate）或称数据传输速率或比特率（bit rate），以单位时间（s）内传输的信息量（bit）来衡量

单位：b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s

$k = 10^{3}, M = 10^3, G = 10^9$

速率往往是指额定速率或标称速率

性能指标——带宽

带宽原本是指信号具有的频带宽度，即最高频率和最低频率之差，单位是Hz

但在计算机网络中的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位b/s（bps），常用的带宽单位：

$kb/s(103b/s),Mb/s(106b/s),Gb/s(109b/s),Tb/s(10b/s)$

延迟/时延

（delay 或 latency）

分组交换为什么会产生丢包（数据丢失）和时延？

数据在一个路由器处，传输（latency）之前需要排队（delay），若排队的数据太多，服务器缓存满，该分组会被丢弃，产生丢包（loss）。

有以下四种分组延迟：

1、结点处理延迟 nodal processing delay

-差错检测

-确定输出链路

-通常<msec（毫秒级）-》该延迟可忽略不计

2、排队延迟 queueing delay

-等待输出链路可用

-取决于路由器拥塞程度

R：链路带宽（bps）

L：分组长度（bits）

a：平均分组到大速率

流量强度（traffic intensity） = $ \frac{L * a}{R}$

$ \frac{L * a}{R}$~ 0 平均排队延迟很小

$ \frac{L * a}{R}$->平均排队延迟很大

$ \frac{L * a}{R}$>1：超出服务能力，平均排队延迟无限大

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3、传输延迟（发送一个分组需要多长时间，可类比收费站收费）

取决于分组长度（bits）、链路带宽（bps）$d_{trans} = \frac{L}{R}$

4、传播延迟 propagation delay（信号从这一点到一下个链路需要多长时间，类比从一个收费站到另一个收费站）

d：物理链路长度 ， s：信号传播速度（~$2*10^8m/sec$) $d_{prop} = \frac{d}{s}$

总延迟时间为该四种延迟之和

$d_{nodal}= d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$

时延带宽积

时延带宽积 = 传播延时 * 带宽 即$d_{prop}$ * R(bits)

链路上能容纳多少比特，时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

分组丢失（丢包）

-对列缓存容量有限

-分组到达已满对列将被丢弃

-丢弃分组可能由前序节点或源重发（也可能不重发）

利用丢包率来评估

丢包率 = $ \frac{丢包数}{已分发组总数}$

吞吐量/率

吞吐量：表示在发送端与接收端之间传送数据速率（b/s)

-即时吞吐量：给定时刻的速率

-平均吞吐量：一段时间的平均速率

端到端路径上，限制端（瓶颈链路）到端吞吐量的链路

计算机网络体系结构

计算机网络是一个非常复杂度 系统，涉及许多组成部分：主机（hosts）、路由器（routers）、各种链路（links）、应用（applications）、协议（protocols）、软件、硬件……

存在一种系统结构有效描述网络？

利用怎样的结构？

用于讨论网络？

分层结构 每一层完成一类特定服务/功能

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构

每层遵循某个/些网络协议完成本层功能，则计算机网络体系结构试计算机网络的各层及其协议的集合，体系结构试一个计算机网络的功能层次及其关系的定义，体系结构是抽象的（并不关心功能如何实现）

为什么要采用分层结构？

  • 结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系
    • 分层的参考模型（reference model）
  • 模块化的分层易于系统更新、维护
    • 任何一层服务的实现的改变对于系统其它层都是透明的
  • 有利于标准化

那么分层是否有不利之处？

繁琐，拖低效率

分层网络体系结构基本概念：

  • 实体（entity）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，协议是“水平的”

  • 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是“垂直的”

  • 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。（并不关心）

  • 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点SAP（Service Access Point），交换原语，指定请求的特定服务。

OSI参考模型

开放系统互联（OSI）参考模型是由国际标准化组织（ISO）于1984年提出的分层网络体系结构模型，目的是支持异构网络系统的互联互通。

异构网络系统互连的国际标准，理解网络通信的最佳学习工具（理论模型-》市场上并未推广）

该模型划分了七个层次，每个层次完成特定的功能

1：应用层

2：表示层

3：会话层

4：传输层

5：网络层

6：数据链路层

7：物理层

以此模型解释通信过程

两个主机通过中间系统（路由器）来完成交流，主机完成七个层次，路由器完成{网络层、数据链路层、物理层}传输介质

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相邻层通过接口交换数据，上面四个层次，从协议角度上来说，对应到对方主机来实现，称为端-端层（end-end）

撇开中间系统，看最顶层，用户数据在主机A交给应用层，加上一些信息（应用头），A-PDU，在表示层添加协议信息，……逐层加头至数据链路层，加尾巴，到物理层不做添加，为二进制代码。此时传递给主机B，一层层向上去掉尾部及头部得到数据。

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于是该模型解释数据是如何逐层封装，但是 为什么需要数据封装？

  • 增加控制信息
  • 控制信息主要包括：
    • 地址（Address）：标识发送端/接收端
    • 差错检测编码（Error-detecting code）：用于差错检测或纠正（并不是所有的协议都会加上）
    • 协议控制（Protocol control）：实现协议功能的附加信息，如：优先级（priority）、服务质量（QoS）、和安全控制
各个层次所完成的功能

物理层功能：简单地说，就是实现每一个比特的传输

  • 定义或规范接口特性，描述发送设备和物理介质是怎样的

    • 机械特性（接口的几何形状）、电气特性（使用多大的电频、电压）、功能特性（每个引脚的功能）、规程特性（定义这个接口在工作过程中要怎样操作）

  • 比特编码（到底用何种信号特征来表示1/0）

  • 数据率（以多快的速度发送数据）

  • 比特同步

    • 时钟同步（发送设备和通信设备之间发送时钟信号来同步）

  • 传输模式

    • 单工simplex（单向发送，如电视 电视台单向发送给电视）
    • 半双工half-duplex（可双向通信，仅交替进行，如对讲机）
    • 全双工full-duplex （一般是采用独立的两个信道）

数据链路层功能：解决数据出现的错误

  • 负责结点-结点（node-to-node）数据传输 物理链路两个直接相连的数据传输，以帧为单位

  • 组帧（Framing） 加头加尾 能够识别头部和尾部

  • 物理寻址（Physical addressing）

    • 在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端

      为何用物理地址？ 在链路层面上，连接着多个通讯主机，要用物理地址来确切地识别具体是哪一个主机，在帧头里，包括着源物理地址和目的物理地址，即在该链路上的主机都能接受该数据，但可识别出目的物理地址对应不上，拒绝接受

  • 流量控制（Flow control）控制数据发送、接收、处理的速度

    • 避免淹没接收端

  • 差错控制（Error control）接收端根据数据编码来判断数据正确与否

    • 检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧

  • 访问控制（Access control）

    • 在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

网络层功能

  • 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付
    • 可能穿越多个网络
  • 逻辑寻址（Logical address） 此时物理寻址已不可用（仍然使用但无法完成全网不同地址的转运功能）
    • 利用全局唯一的逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址
  • 路由（Routing）
    • 路由器（或网关）互连网络，并由路由分组至最终目的主机
    • 路径选择

端到端层次所实现的功能

传输层

数据划分称为段 将会话层的报文分割为数据段再交给网络层传输

负责源-目的（端-端） （进程间）完整报文传输

  • 分段与重组
  • SAP寻址
    • 确保将完整报文提交给正确进程，如端口号

xy表示端口号，SD表示逻辑地址，DH为物理地址

  • 连接控制
  • 流量控制
  • 差错控制TCP实现

会话层

接受表示层的逻辑数据单元，构造会话层的逻辑数据单元，传递给传输层，仅插入一些控制信息，在功能上较为单薄（在实际运用中不存在）

  • 对话控制（dialog controling）
    • 建立、维护
  • 同步（synchronization）
    • 在数据流中插入“同步点” （恢复数据）

表示层

处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax andsemantics）问题：应用层的数据经表示层编码、加密、压缩数据去往会话层；会话层的数据再表示层解码、解密、解压数据去往应用层（这一层也不是独立存在，其功能由应用层完成）

  • 数据表示转化（如大端数、小端数）
    • 转换为主机独立的编码、
  • 加密/解密
  • 压缩/解压缩

应用层

HTTP（Web）、FTP（文件传输）、SMTP（电子邮件）

  • 支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）
  • 典型应用层服务
TCP/IP参考模型

是先有协议，再完善模型

在现实网络中，将网络接口层更为具体地展示

5层参考模型：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层

  • 综合OSI和TCP/IP的优点
  • 应用层：支持各种网络应用
    • FTP，SMTP，HTTP
  • 传输层：进程-进程的数据传输
    • TCP，UDP
  • 网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发
    • IP协议、路由协议
  • 链路层：相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输
    • 以太网（Ethernet）、802.11（WiFi）、PPP
  • 物理层：比特传输

计算机网络与Internet发展历史

REFERENCE

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🍃https://www.icourse163.org/course/HIT-154005

posted @ 2020-03-01 17:20  不周客  阅读(410)  评论(0)  编辑  收藏  举报