计算机网络概览

计算机网络概览

一、起源和发展

互联网的雏形一般认为是美国国防部创建的第一个单个网络ARPANET。ARPANET一开始只是单个网络,单个网络的限制是很明显的,ARPANET接下来开始连接多种网络互连的技术,于是出现了互联网。

简单的几个计算机网络的连接,叫‘互连网’;但是如果把这些网络放大扩展到全球,它就是’互联网‘。一开始互联网只是覆盖美国主要地区的三级结构的互联网,在美国政府将这项伟大的工程交给了私人公司经营后,逐步发展成了覆盖全世界的多层ISP结构的互联网

1、ISP-互联网服务提供者

ISP – Internet Service Provider。ISP可以向互联网管理机构申请IP地址,再将IP地址有偿分配给需要的机构和个人。当然ISP的职责也是很重的,大ISP 需要进行网络基础设施的建设,管理通信线路以及各种连网设备等。根据服务面积和IP数目不同,ISP又可以分成主干ISP、地区ISP和本地ISP。

   

这里有一个问题,主机A和B的通信,需要走主干的ISP么?能不能直接通过地区ISP之间的连接来减少延迟呢?于是出现了 IXP(Internet Exchange Point) ,典型 IXP 由一个或多个网络交换机组成。理论上 IXP越多越发达,分组交换的效率越高。

2、互联网如何发展呢?

这里就涉及到了互联网的标准化工作,同其他很多技术发展的标准化工作类似。互联网的标准化工作需要一个协调组织,就是互联网协会。互联网协会制定标准,以RFC的形式发表,所有人和机构都可以发表自己的建议或意见,任何一个互联网标准的都需要经过3个阶段:建议标准 – 草案标准 – 互联网标准。互联网的标准很大的一个特点就是公开性,直接避免了很多问题。这种开放的方式对互联网迅速发展影响很大。

二、分组交换 packet switching

两个计算机之间进行通信,例如A 要想 B发送整块数据,如何把这个数据块发送目的地?

我们把这个过程类比成一个货物运输的过程,现在你在经营一个物流公司,每天需要源源不断的把货物从一个地方运输到另一个地方。怎么运呢?

第一种方式,点到点直达,每批货物都用专车直达,专车直达。

第二种方式,一整体运到一个中转点,中转点存下了再负责转运到另一个中转点,直到到达终点。

第三种方式,把货物拆分成多批,按照第二种方式进行运输。

我们分别来看看每个方式的特点

第一种方式,每一批货物都独占一辆车或一批车。问题在于车是有限的啊。这种方式叫电路交换,端到端专用的物理通路,整个过程中,资源被独占。

第二种方式,叫做报文交换。如果一批货物特别大,中转点是不是有能力处理这批货物。另外我的中转点可能需要大批资源处理整批货物。处理完后再转发的另一个点。

第三种方式呢,比第二种灵活,叫做分组交换。我们可以把一批货物分成多个批转到不同的中转点,充分合理利用不同线路、不同中转中心的的资源。不然万一某个中心爆了呢?

由此可见分组交换的优点是

高效,动态分配传输带宽,对通信链路是逐段占用。相比电路交货,我的货物只占用当前中转中心的资源。而不是整条链路

灵活,网络线路是拓扑结构,可以为每一个分组选择合适的转发路由。分批后,可以利用多个中转中心的优势。

迅速,分组为单位,不建立连接就能向其他分组发送。处理小包裹和大包裹,哪个快?

可靠,分组多路由方式可以是网络有很好的生存性。不会爆掉中转中心,不会占用过多车辆。

分组交换就是,将报文 message(整块数据)分成多个数据段,每段加上首部(header),构成一个个分组packet,在将单个分组传到相邻的中转结点,存储下来查找转发表,再转发到另一个结点。

三、网络协议

人和人的主要沟通方式是语言,无论是中文、英文或者其他语言,只要在同一种语言规则下,就可以进行沟通。同样类似,计算机之间的沟通也需要规则,这就是协议。网络协议就是机器在网络上通信沟通的一组规则和契约,通过网络协议,计算机之间才能相互协作完成各种各样的工作。

四、计算机网络中的性能指标

计算机是严谨的,如何量化网络的性能指标呢?下面介绍常用的性能指标

1、速率

数据传输速率是我们接触比较多的一个指标。速率单位 bit/s(或bps、b/s)比特每秒,即每秒能够传输的数据量。这里的 bit 表示位,一位即是二进制中的 0或1,我们都知道数据在计算机中是以二进制的实现存储的。数据传输速率较高时,会在速率前加K、M、G等,比如10Gbps,100Kb/s。

2、带宽

实际在网络中表示最大传输速率。

这里提一下不懂网络的人会比较迷惑的地方就是,家里100M的宽带,下载速度理论最大是多少?

3、吞吐量 Throughput

吞吐量这里指的是网络吞吐量。

宽带的单位是Mb,这里的 b 是位 bit,而一般下载速度单位是MB或者KB,这里的 B 是 字节Byte ,1B = 8bit

100Mb的带宽,理论上最大速率为 12.5 MB/s (12.5M/s)

那吞吐量又是什么?

吞吐量更多的应用于实际场景中对网络的测量,对于一个1Gbit/s的以太网,系统实际吞吐量可能只有100Mbit/s,远达不到额定速率或者标称带宽。

4、时延(也叫延迟、迟延)

时延是很重要的一个指标,只数据从网络一端发送到另一端的所需要的时间。

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

总的时延有以上公式中 4 个部分组成。

发送时延 = 数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)

传播时延 = 信道长度(m)/ 电磁波在信道上的传播速率(m/s)。常用光纤传播速率约为2.0*10^8 m/s

处理时延:路由和计算机收到数据进行处理是需要时间的,例如分析首部、提取数据、查找路由表等

排队时延:分组经过路由器时,分别需要在输入队列和输出队列进行排队等待。排队时延取决于网络通信量,当网络通信量很大是,可能发生队列溢出,分组丢失,这是排队时延为无穷大。

总的时延与很多因素有关,比如数据量大小、网络通信量、传播距离等。

5、往返时间RTT (Round-Trip Time)

RTT也是常用的重要时间。网络数据很多情况下都是双向交互的,而非单方向传输,RTT表示从发送端开始发送数据,到发送端接收到确认信息,一共经历的时延。

往返延时(RTT)由三个部分决定:即链路的传播时间、末端系统的处理时间以及路由器的缓存中的排队和处理时间。

不同协议对不同发送数据的RTT 可能会略有不同,但是一般来说RTT 主要用于反应网络的拥塞情况

6、利用率

信道利用率表示信道有百分之几的时间是被有效利用的。完全空闲的信道利用率为0。利用率会对时延产生非常大的影响。如果信道利用率长期处于比较高的水平(50%),则可能需要进行扩容了,以减小延迟。

五、其他

1、参考文档

计算机网络(第7版) – 谢希仁

极客时间 -趣谈网络协议

TCP/IP详解 卷1:协议

RTT

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