[网络协议]计算机网络（二）——网络核心

本节重点
重点理解电路交换和分组交换的概念，以及各自的优缺点。（简答题）
重点掌握分组交换网络时延的概念以及性能指标的计算。

1. 电路交换网络

（1）概念
当端系统间通信时，该网络会创建一条专用的端到端连接，预留了沿路径通信所需要的资源（缓存、链路传输速率）。

• 当网络创建电路时，会在该网络链路上预留恒定的传输速率。
• 电路（circuit） = 连接

理解：在去饭店吃饭前先预定好位置，这样到饭店时可以直接就餐，而不用担心因为人很多而导致会等待座位了。

问题：电路传输速率和链路传输速率间的大小关系？

析： 假设每条链路具有N条电路，每条链路具有K Mbps 传输速率，则每个端到端电路交换连接获得$\frac{K}{N}$Mbps专用的传输速率。

问题：电路交换网络会出现拥塞吗？
析： 不会。电路交换网络在建立端系统间通信时，会创建端到端连接，预留资源。

1.1 电路交换网络中的复用

链路中的电路是通过频分复用（FDM）和时分复用（TDM）来实现的。
（1）频分复用FDM
定义： 链路的频谱由跨越链路创建的所有连接共享。在连接期间链路为每条连接专用一个频段。

• 带宽：专用频段的宽度。

（2）时分复用TDM
定义： 时间被划分为固定期间的帧，并且每个帧被划分为固定数量的时隙。网络在每个帧中为连接指定一个时隙，该时隙由连接单独使用。

理解：连接能够单独使用每个帧中的一个时隙。

问题：TDM和FDM之间的异同

• FDM：每条电路连续的得到部分带宽。
• TDM：每条电路在短时间间隔中周期性获得所有带宽。

问题：计算经使用TDM的电路交换网络传输文件所需要的时间（忽略传播时延）

题目：考虑从主机v到主机B经一个电路交换网络发送一个640 000比特的文件需要多长时间。
假如在该网络中所有链路使用具有24时隙的TDM。比特速率为1.536Mbps。同时假定在主机v能够开始传输该文件之前，需要500ms创建一条端到端电路。它需要多长时间才能发送该文件？

析： TDM传输时间：$创建端到端连接的时间+文件传输时间+传播时延$
因为每个帧被划分为24个时隙，所以每帧实际的传输速率仅为1个时隙的传输速率，即$1.535/24=64kps$。传输文件所需要的时间为：$640kb/64kps=10s$。再加上500ms的连接创建时间，总共需要10.5s才能完成文件发送。

2. 分组交换网络

（1）工作原理

• 分组：源将长报文划分为较小的数据块。
• 分组以等于链路最大传输速率的速度传输通过通信链路。
• 采用存储转发机制，按需调用。
• 传输过程：
  ①处理： 路由器检查分组首部目的地址，并通过转发表决定出链路。
  ②排队： 分组被引向出链路的输出缓存。当出链路正忙于传输其他分组时，该分组需要在输出缓存中等待。
  ③传输： 接着路由器将分组推向链路。
  ④传播： 然后分组通过链路传播到下一个路由器。

（2）存储转发
定义： 交换机在开始向输出链路传输分组的第一个比特之前，必须接收到整个分组。

理解：假设分组有3bit，交换机需要全部接收3bit后才能向输出链路转发该分组。

存储转发时延
由N条速率为均为R的链路组成的路径，从源到目的发送一个大小为L的分组所需要的时间：
$$d=N\frac{L}{R}$$

• 分组的存储转发时延是固定的，由链路数量以及链路最大传输速率决定。

（3）排队时延
如果分组需要传输到的链路正在转发其他分组，则该分组必须在输出缓存中等待。因此分组还需要承受排队时延。

• 排队时延取决于网络的拥塞程度，是变化的。
• 当新的分组需要进入已经充满的输出缓存等待时，输出缓存将会出现分组丢包。

问题：计算一个分组端到端的总时延

析： $总时延=存储转发时延+排队时延$

• 存储转发时延固定，由选择经过的链路决定。
• 排队时延是变化的，时延大小取决于网络的拥塞程度。

问题：比较分组交换和电路交换各自的优缺点

分组交换
采用存储转发机制，按需分配链路给分组使用。

• 缺点1：不适合实时服务：端到端的时延不可预测。
• 优点1：更加简单、高效：不需要创建端到端电路并预留资源，以及不会因为静默期而使电路空闲。
• 优点2：更好的带宽共享：采用FDM的电路交换网络中链路的频谱为所有连接所共享，每个连接专用一个频段。

电路交换
在端系统通信时，会先创建端到端的连接，预留需要的资源。

• 缺点1：实现成本高，复杂：创建端到端连接和预留资源是复杂的。在静默期专用电路空闲而不够经济。
• 缺点2：较低的带宽和传输速率：每个连接专用一个频段，电路传输速率为链路传输速率的一部分。
• 优点：适合实时服务：不会因为网络拥塞而导致端到端的总时延不可预知。

3. 网络的网络

讨论的是如何实现接入ISP与接入ISP之间的连接。（所有端系统能够彼此发送分组）
（1）组成

• 第一层ISP：全球传输ISP
• 区域ISP：区域中的接入ISP或者较小的区域ISP与之相连。
• 接入ISP
• 内容提供商：区域ISP或接入ISP可以通过内容提供商创建的网络，或者通过第一层ISP与之相连。
• 因特网交换点IXT：IXP是个汇合点，多个ISP能够在这里一起对等（直接相连）
• 多宿：任何ISP可以和两个或多个提供商ISP相连。
• 存在点PoP：一个PoP是提供商网络的一台或多台路由器群组，存在于等级结构中除了接入ISP的其他层次。其中客户ISP能与提供商ISP相连。

（2）供应商
第一层ISP

• 接入ISP
• 区域ISP
• 内容提供商

接入第一层ISP的对象需要根据通过提供商交换的通信流量支付金额。

内容提供商

• 区域ISP
• 接入ISP
• 第一层ISP（提供商）

较低层ISP可以通过顶层ISP接入内容提供商，或内容提供商可以创建自己的网络，与较低层的ISP对等。这样不仅减少了向顶层ISP支付的费用，还对用户服务有了更多的控制。

区域ISP

• 接入ISP
• 较小的区域ISP

位于相同等级的邻近一对ISP能通过IXP一起对等，实现直接相连。这样减少了向提供商ISP支付的费用。

4. 分组交换网中的性能量度

4.1 时延

当分组从一个节点沿着路径到达后继节点，该分组在沿途的每个节点经受了几种不同类型的时延。

1. 处理时延： 检查分组首部目的IP地址并通过转发表决定分组的输出路径，以及检查比特级别差错所需的时间。
   a. 高速路由器的处理时延通常为微秒或更低级。
2. 排队时延： 分组被引向的输出链路正忙于传输分组或输出缓存不为空，该分组需要在输出缓存等待传输的时间。
   a. 排队时延可以是毫秒或微秒级。
   b. 排队时延取决于输出缓存中排队等待链路传输的分组数量。
3. 传输时延： 路由器将分组所有比特推向链路所需要的时间。
   a. 传输时延通常在毫秒或微秒量级
   b. 取决于分组比特大小L和路由器的链路传输速率R，即$\frac{L}{R}$
4. 传播时延：：分组的一个比特从链路起点到下一个路由器所需要的时间。
   a. 传播时延为毫秒量级。
   b. 取决于两个路由器之间的距离d和物理媒体传播速率s，即$\frac{d}{s}$

问题：比较传输时延和传播时延

• 传输时延是路由器推出分组所需要的时间。它取决于分组大小和路由器的传播速率。
• 传播时延是一个比特从一个路由器到另一台路由器的时间。它取决于路由器间距和物理媒介的传播速率。

4.2 排队时延和丢包

排队时延很大程度上取决于输出队列的速率、链路的传输速率和到达流量的性质。

（1）流量强度
假设：

• a为分组到达队列的平均速率，R为链路传输速率，L为分组大小。
• 输出队列能容纳无限数量的比特

定义：
$$\frac{La}{R}$$

当流量强度大于1时，队列趋于无穷增加，排队时延趋于无穷大。
当流量强度接近于0时，平均排队时延趋近于0.

（2）丢包
原因： 因为输出队列长度有限，随着流量强度接近1，输出队列会没有地方存放新的分组。路由器将会丢弃该分组。

4.3 端到端的时延

假定源到目的主机之间由N-1个路由器，且该网络是无拥塞的。则端到端的时延为：
$$d=N(d_{proc}+d_{trans}+d_{prop})$$

4.4 吞吐量

（1）类别

• 瞬时吞吐量：任意时刻接收到文件的速率。
• 平均吞吐量：接收文件大小 / 接收时长

（2）吞吐量的计算

1. 当没有其他干扰流量时（唯一流量），吞吐量为源到目的地之间路径的最小传播速率。
2. 当有干扰流量时，吞吐量会相对减少。