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计 算 机 网 络 B Computer Networks 大 连 理 工 大 学 电 信 学 部 信 息 与 通 信 工 程 学 院 王 波 bowang@dlut.edu.cn

存 储 转 发 原 理 并 非 完 全 新 的 概 念 在 20 世 纪 40 年 代, 电 报 通 信 也 采 用 了 基 于 存 储 转 发 原 理 的 报 文 交 换 (message switching) 其 实 邮 局 也 可 以 看 作 是 存 储 转 发 的

电 路 交 换 报 文 交 换 和 分 组 交 换

优 点 : 电 路 交 换 的 特 点 1 通 信 线 路 为 通 信 双 方 用 户 专 用, 数 据 直 达 传 输 数 据 的 时 延 非 常 小 2 物 理 通 路 一 旦 建 立, 可 以 随 时 通 信, 实 时 性 强 3 按 发 送 顺 序 传 送 数 据, 不 存 在 失 序 问 题 4 既 适 用 于 传 输 模 拟 信 号, 也 适 用 于 传 输 数 字 信 号 5 交 换 设 备 ( 交 换 机 等 ) 及 控 制 均 较 简 单 缺 点 : 1 平 均 连 接 建 立 时 间 对 计 算 机 通 信 来 说 嫌 长 2 物 理 通 路 被 通 信 双 方 独 占, 即 使 通 信 线 路 空 闲, 也 不 能 供 其 他 用 户 使 用, 信 道 利 用 低 3 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 难 以 在 通 信 过 程 中 进 行 差 错 控 制

优 点 : 报 文 交 换 的 特 点 (1)( 1 不 需 要 为 通 信 双 方 预 先 建 立 一 条 专 用 的 通 信 线 路, 不 存 在 连 接 建 立 时 延, 用 户 可 随 时 发 送 报 文 2 存 储 转 发 的 优 点 : a. 便 于 设 置 代 码 检 验 和 数 据 重 发 设 施, 加 之 交 换 结 点 还 具 有 路 径 选 择, 就 可 以 做 到 某 条 传 输 路 径 发 生 故 障 时, 重 新 选 择 另 一 条 路 径 传 输 数 据, 提 高 了 传 输 的 可 靠 性 ; b. 容 易 实 现 代 码 转 换 和 速 率 匹 配, 甚 至 收 发 双 方 可 以 不 同 时 处 于 可 用 状 态 这 样 就 便 于 类 型 规 格 和 速 度 不 同 的 计 算 机 之 间 进 行 通 信 ; c. 提 供 多 目 标 服 务, 即 一 个 报 文 可 以 同 时 发 送 到 多 个 目 的 地 址 ; d. 允 许 建 立 数 据 传 输 的 优 先 级, 使 优 先 级 高 的 报 文 优 先 转 换 3 不 是 固 定 占 有 一 条 通 信 线 路, 而 是 在 不 同 的 时 间 一 段 一 段 地 部 分 占 有 这 条 物 理 通 路, 因 而 大 大 提 高 了 通 信 线 路 的 利 用 率

缺 点 : 报 文 交 换 的 特 点 (2)( 1 由 于 数 据 进 入 交 换 结 点 后 要 经 历 存 储 转 发 这 一 过 程, 从 而 引 起 转 发 时 延 ( 包 括 接 收 报 文 检 验 正 确 性 排 队 发 送 时 间 等 ), 而 且 网 络 的 通 信 量 愈 大, 造 成 的 时 延 就 愈 大, 实 时 性 差, 不 适 合 传 送 实 时 或 交 互 式 业 务 的 数 据 2 报 文 交 换 只 适 用 于 数 字 信 号 3 由 于 报 文 长 度 没 有 限 制, 而 每 个 中 间 结 点 都 要 完 整 地 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 报 文 等 待 转 发, 要 求 网 络 中 每 个 结 点 有 较 大 的 缓 冲 区 为 了 降 低 成 本, 减 少 结 点 的 缓 冲 存 储 器 的 容 量, 有 时 要 把 等 待 转 发 的 报 文 存 在 磁 盘 上, 进 一 步 增 加 了 传 送 时 延

优 点 : 分 组 交 换 的 特 点 (1)( 1 加 速 了 数 据 在 网 络 中 的 传 输 因 为 分 组 是 逐 个 传 输, 可 以 使 后 一 个 分 组 的 存 储 操 作 与 前 一 个 分 组 的 转 发 操 作 并 行, 这 种 流 水 线 式 传 输 方 式 减 少 了 报 文 的 传 输 时 间 此 外, 传 输 一 个 分 组 所 需 的 缓 冲 区 比 传 输 一 份 报 文 所 需 的 缓 冲 区 小 得 多, 这 样 因 缓 冲 区 不 足 而 等 待 发 送 的 机 率 及 等 待 的 时 间 也 必 然 少 得 多 2 简 化 了 存 储 管 理 因 为 分 组 的 长 度 固 定, 相 应 的 缓 冲 区 的 大 小 也 固 定, 在 交 换 结 点 中 存 储 器 的 管 理 通 常 被 简 化 为 对 缓 冲 区 的 管 理, 相 对 比 较 容 易 3 减 少 了 出 错 机 率 和 重 发 数 据 量 因 为 分 组 较 短, 其 出 错 机 率 必 然 减 少, 每 次 重 发 的 数 据 量 也 就 大 大 减 少, 这 样 不 仅 提 高 了 可 靠 性, 也 减 少 了 传 输 时 延 4 由 于 分 组 短 小, 更 适 用 于 采 用 优 先 级 策 略, 便 于 及 时 传 送 一 些 紧 急 数 据, 因 此 对 于 计 算 机 之 间 的 突 发 式 的 数 据 通 信, 分 组 交 换 显 然 更 为 合 适 些

缺 点 : 分 组 交 换 的 特 点 (2)( 1 尽 管 分 组 交 换 比 报 文 交 换 的 传 输 时 延 少, 但 仍 存 在 存 储 转 发 时 延, 而 且 其 结 点 交 换 机 必 须 具 有 更 强 的 处 理 能 力 2 分 组 交 换 与 报 文 交 换 一 样, 每 个 分 组 都 要 加 上 源 目 的 地 址 和 分 组 编 号 等 信 息, 使 传 送 的 信 息 量 大 约 增 大 5%~10% 10%,, 一 定 程 度 上 降 低 了 通 信 效 率, 增 加 了 处 理 的 时 间, 使 控 制 复 杂, 时 延 增 加 3 当 分 组 交 换 采 用 数 据 报 服 务 时, 可 能 出 现 失 序 丢 失 或 重 复 分 组, 分 组 到 达 目 的 结 点 时, 要 对 分 组 按 编 号 进 行 排 序 等 工 作, 增 加 了 麻 烦 若 采 用 虚 电 路 服 务, 虽 无 失 序 问 题, 但 有 呼 叫 建 立 数 据 传 输 和 虚 电 路 释 放 三 个 过 程

三 种 交 换 的 总 结 电 路 交 换 不 对 报 文 分 组, 也 不 对 报 文 存 储 适 合 于 连 续 传 送 大 量 的 数 据 传 送 时 间 远 远 大 于 呼 叫 时 间 报 文 交 换 不 对 报 文 分 组, 但 对 报 文 存 储 适 合 于 传 输 间 断 性 的 少 量 的 数 据 信 道 利 用 率 高 分 组 交 换 对 报 文 分 组, 也 对 报 文 存 储 适 合 于 处 理 突 发 性, 间 断 性 的 数 据 灵 活 多 变

ARPANET 的 成 功 使 计 算 机 网 络 的 概 念 发 生 根 本 变 化 早 期 的 面 向 终 端 的 计 算 机 网 络 是 以 单 个 主 机 为 中 心 的 星 形 网 各 终 端 通 过 通 信 线 路 共 享 昂 贵 的 中 心 主 机 的 硬 件 和 软 件 资 源 分 组 交 换 网 则 是 以 网 络 为 中 心, 主 机 都 处 在 网 络 的 外 围 用 户 通 过 分 组 交 换 网 可 共 享 连 接 在 网 络 上 的 许 多 硬 件 和 各 种 丰 富 的 软 件 资 源

从 主 机 为 中 心 到 以 网 络 为 中 心 终 端 以 主 机 为 中 心 主 机 以 分 组 交 换 网 为 中 心 主 机 分 组 交 换 网

因 特 网 时 代 因 特 网 的 基 础 结 构 经 历 几 十 年 的 演 进 逐 渐 发 展 为 现 今 的 形 式 因 特 网 发 展 的 三 个 阶 段 : 第 一 个 阶 段 是 从 单 个 网 络 向 互 连 网 发 展 ; 其 中,1983 年 TCP/IP 协 议 成 为 标 准 协 议, 因 而 人 们 就 把 1983 年 作 为 因 特 网 的 诞 生 时 间 第 二 阶 段 的 特 点 是 建 成 了 三 级 结 构 的 因 特 网 ; 第 三 阶 段, 多 级 结 构 因 特 网 逐 渐 形 成

三 级 结 构 的 因 特 网 各 网 络 之 间 需 要 使 用 路 由 器 来 连 接 路 由 器 国 家 主 干 网 地 区 网 地 区 网 地 区 网 校 园 网 企 业 网 校 园 网 企 业 网 校 园 网 企 业 网 有 时 在 结 构 图 中 可 不 画 出 路 由 器

主 机 到 主 机 的 通 信 可 能 要 经 过 多 种 网 络 国 家 主 干 网 地 区 网 地 区 网 地 区 网 校 园 网 企 业 网 校 园 网 企 业 网 校 园 网 企 业 网

多 级 结 构 的 因 特 网 主 机 到 主 机 的 通 信 可 能 经 过 多 种 ISP 大 公 司 大 公 司 地 区 ISP 网 络 接 入 点 NAP ( 对 等 点 ) 主 干 服 务 提 供 者 网 络 接 入 点 NAP ( 对 等 点 ) 地 区 ISP 大 公 司 地 区 ISP 地 区 ISP 本 地 ISP 本 地 ISP 公 司 本 地 ISP 校 园 网 校 园 网 校 园 网 校 园 网 校 园 网

今 日 的 多 级 结 构 的 因 特 网 大 致 上 可 将 因 特 网 分 为 以 下 五 个 接 入 级 网 络 接 入 点 NAP,, 联 接 一 级 ISP 和 二 级 ISP 国 家 主 干 网 ( 主 干 ISP,, 一 级 ISP) 地 区 ISP( ( 二 级 ISP) 本 地 ISP 校 园 网 企 业 网 或 PC 机 上 网 用 户 ISP: : 因 特 网 服 务 提 供 者, 或 因 特 网 服 务 提 供 商

关 于 因 特 网 的 标 准 化 工 作 因 特 网 协 会 ISOC 因 特 网 研 究 部 IRTF 因 特 网 研 究 指 导 小 组 IRSG RG RG 因 特 网 体 系 结 构 研 究 委 员 会 IAB 因 特 网 工 程 部 IETF 因 特 网 工 程 指 导 小 组 IESG 领 域 WG WG WG 领 域 WG ISOC:Internet Society IAB:Internet Architecture Borad IRTF:Internet Research Task Force IRSG:Internet Research Steering Group IETF:Internet Engineering Task Force IESG:Internet Engineering Steering Group

制 订 因 特 网 的 正 式 标 准 要 经 过 以 下 的 四 个 阶 段 因 特 网 草 案 (Internet Draft) 在 这 个 阶 段 还 不 是 RFC 文 档 (request for comments 请 求 评 论 ) 建 议 标 准 (Proposed Standard) 从 这 个 阶 段 开 始 就 成 为 RFC 文 档 草 案 标 准 (Draft Standard) 因 特 网 标 准 (Internet Standard)

计 算 机 网 络 在 我 国 的 发 展 (1)( (1) 中 国 公 用 计 算 机 互 联 网 CHINANET 中 国 宽 带 互 联 网 1994 年 投 资 开 始 建 设,1995 年 正 式 向 公 众 开 放 第 一 个 商 业 化 计 算 机 互 联 网 中 国 最 大 的 ISP 名 副 其 实 的 骨 干 网 中 国 电 信 ( 前 身 邮 电 部 门 ) (2) 中 国 教 育 和 科 研 计 算 机 网 CERNET 教 育 部 负 责 管 理, 各 大 高 校 承 建 和 管 理 运 行, 始 建 于 1994 年 四 级 网 络 : 全 国 网 络 中 心, 地 区 网 络 中 心, 省 教 育 科 研 网, 校 园 网 八 大 地 区 : 华 北 西 北 西 南 华 南 华 中 华 东 北 东 北 华 东 南 独 立 自 主 设 计 管 理 和 运 行 下 一 代 互 联 网 :2004: 年 3 月,IPV6, IPV6 CNGI-CERNET2 CERNET2,2.5-10Gbps

计 算 机 网 络 在 我 国 的 发 展 (2)( (3) 中 国 科 学 技 术 网 CSTNET 前 身 NCFC( ( 中 国 国 家 计 算 机 与 网 络 设 施,The, National ational Computing and Networking Facility acility of China hina ) 最 早 连 入 互 联 网 中 国 科 学 院 牵 头, 非 盈 利 公 益 性 的 网 络 科 技 用 户 科 技 管 理 部 门 及 与 科 技 有 关 的 政 府 部 门 服 务 (4) 中 国 联 通 互 联 网 UNINET 中 国 联 通 GPRS 网 络 接 入 点 (5) 中 国 网 通 公 用 互 联 网 CNCNET 中 国 网 通 建 设 并 运 营 的 高 速 宽 带 骨 干 网 络 (6) 中 国 国 际 经 济 贸 易 互 联 网 CIETNET 唯 一 的 面 向 全 国 经 贸 系 统 企 事 业 单 位 的 专 用 互 联 网 中 国 国 际 电 子 商 务 中 心 负 责 组 建 运 营 提 供 电 子 商 务 电 子 政 务 等 服 务

计 算 机 网 络 在 我 国 的 发 展 (3)( (7) 中 国 移 动 互 联 网 CMNET 中 国 联 通 GPRS 网 络 接 入 点 骨 干 网 部 分 由 中 国 八 大 省 会 城 市 节 点 构 成 ( 北 京 上 海 广 州 南 京 武 汉 成 都 西 安 沈 阳 ) (8) 中 国 长 城 互 联 网 CGWNET( ( 建 设 中 ) 公 益 性 互 联 网 络 已 能 连 通 全 国 25 个 城 市, 计 划 覆 盖 全 国 180 多 个 城 市 中 国 长 城 互 联 网 络 信 息 中 心 信 息 产 业 部 唯 一 指 定 的 负 责 国 家 国 防 类 别 域 名 的 注 册 管 理 和 注 册 服 务 机 构 (9) 中 国 卫 星 集 团 互 联 网 CSNET( ( 建 设 中 )???? (9) 中 国 金 桥 信 息 网 (CHINAGBN) 中 国 国 家 公 用 经 济 信 息 通 信 网 中 国 国 民 经 济 信 息 化 的 基 础 设 施

第 一 章 网 络 通 信 概 述 1 2 3 4 人 类 通 信 历 史 的 简 要 回 顾 计 算 机 网 络 的 相 关 概 念 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 常 见 的 计 算 机 网 络 结 构

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 带 宽 (bandwidth) 数 字 信 道 所 能 传 送 的 最 高 数 据 率 的 同 义 语, 单 位 是 比 特 每 秒,, 或 b/s (bit/s) 常 用 的 带 宽 单 位 千 比 每 秒, 即 Kb/s (10 3 b/s) 兆 比 每 秒, 即 Mb/s(10 6 b/s) 吉 比 每 秒, 即 Gb/s(10 9 b/s) 太 比 每 秒, 即 Tb/s(10 12 b/s) 注 意 : 在 计 算 机 界,K, K = 2 10 = 1024 M = 2 20 G = 2 30, T = 2 40 20,

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 什 么 是 宽 带? 宽 带 线 路 : 可 达 到 较 高 数 据 传 输 率 的 线 路 宽 带 是 一 个 市 场 推 销 名 词 宽 带 是 相 对 的 概 念, 并 没 有 绝 对 的 标 准 在 目 前, 对 于 接 入 到 因 特 网 的 用 户 线 路 来 说, 达 到 1 Mbps( ( 理 论 下 载 速 度 128kBps) 就 可 以 算 是 宽 带 速 率

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 对 宽 带 传 输 的 错 误 理 解 有 人 用 汽 车 在 公 路 上 跑 来 比 喻 比 特 在 网 络 上 传 输,, 认 为 宽 带 传 输 的 好 处 就 是 传 输 更 快, 好 比 汽 车 在 高 速 公 路 上 可 以 跑 得 更 快 一 样 比 特 传 播 在 宽 带 线 路 上 得 快 宽 带 线 路 A B 在 窄 带 线 路 上 比 特 传 播 得 慢 窄 带 线 路 A B

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 对 宽 带 传 输 的 正 确 理 解 宽 带 线 路 A B 窄 带 线 路 A B 宽 带 线 路 : 每 秒 有 更 多 比 特 从 计 算 机 注 入 到 线 路 宽 带 线 路 和 窄 带 线 路 上 比 特 的 传 播 速 率 是 一 样 的

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 一 个 形 象 的 比 喻 : 汽 车 运 货 宽 带 线 路 窄 带 线 路 宽 带 和 窄 带 线 路 : 车 速 一 样 宽 带 线 路 : 车 距 缩 短

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 另 一 种 错 误 概 念 : 宽 带 相 当 于 多 车 道 多 车 道 公 路 是 并 行 传 输 通 信 线 路 上 通 常 都 是 串 行 传 输 100101110100100111010001011010

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 四 种 时 延 发 送 时 延 (Transmission Delay) 传 播 时 延 (Propagation Delay) 排 队 时 延 (Queuing Delay) 处 理 时 延 (Processing Delay) 数 据 在 网 络 上 传 输 所 经 历 的 总 时 延 为 发 送 时 延, 传 播 时 延, 处 理 时 延, 排 队 时 延 之 和 ; 总 时 延 = 发 送 时 延 + 传 播 时 延 + 处 理 时 延 + 排 队 时 延

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 发 送 时 延 (Transmission delay 或 latency) 发 送 时 延 ( 传 输 时 延 ): 发 送 数 据 时, 数 据 块 从 结 点 进 入 到 传 输 媒 体 所 需 要 的 时 间 信 道 带 宽 : 数 据 在 信 道 上 的 发 送 速 率, 常 称 为 数 据 在 信 道 上 的 传 输 速 率 发 送 时 延 = 数 据 块 长 度 ( 比 特 ) 信 道 带 宽 ( 比 特 / 秒 )

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 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 信 号 传 输 速 率 ( 即 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 )

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 排 队 时 延 和 处 理 时 延 排 队 时 延 : 在 缓 冲 区 队 列 里 等 待 被 处 理 所 花 费 的 时 间 处 理 时 延 : 网 络 上 节 点 对 数 据 进 行 处 理 ( 路 径 选 择 等 ) 所 需 要 的 时 间 ;

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 四 种 时 延 图 示 在 CPU 产 生 处 理 时 延 从 结 点 A 向 结 点 B 发 送 数 据 在 发 送 器 产 生 发 送 时 延 ( 即 传 输 时 延 ) 在 链 路 上 产 生 传 播 时 延 数 据 结 点 A 在 缓 冲 区 产 生 排 队 时 延 发 送 器 1 0 1 1 0 0 1 链 路 结 点 B

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 误 区 : 可 以 忽 略 传 播 时 延 吗? 纠 正 误 区 举 例 : 在 数 据 传 输 率 为 1Gbps,, 长 度 为 1000 公 里 的 光 纤 上 传 送 大 小 为 1000 字 节 的 分 组 发 送 时 延 = 8 10 3 / 1 10 9 = 8 10-6 seconds 传 播 时 延 = 1 10 6 / 2 10 8 = 5 10-3 seconds

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 时 延 带 宽 积 带 宽 时 延 带 宽 积 ( 传 播 ) 时 延 链 路 时 延 带 宽 积 = 传 播 时 延 带 宽 链 路 的 时 延 带 宽 积 又 称 为 以 比 特 为 单 位 的 链 路 长 度

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 时 延 带 宽 积 计 算 举 例 设 某 一 链 路 的 传 播 时 延 为 20ms, 带 宽 为 10Mb/s, 则 时 延 带 宽 为 20*10-3 *10*10 6 =2*10 5 bit 这 表 明, 若 发 送 端 连 续 发 送 数 据, 则 在 发 送 的 第 一 个 比 特 到 达 终 点 时, 发 送 端 就 已 经 发 送 了 20 万 个 比 特 了

3. 计 算 机 网 络 的 性 能 指 标 往 返 时 延 RTT 往 返 时 延 RTT (Round-Trip Time) 表 示 从 发 送 端 发 送 数 据 开 始, 到 发 送 端 收 到 来 自 接 收 端 的 确 认 ( 接 收 端 收 到 数 据 后 立 即 发 送 确 认 ), 总 共 经 历 的 时 延 对 于 上 面 的 例 子, 往 返 时 延 为 40ms 而 往 返 时 延 和 带 宽 的 乘 积 为 4*10 5 bit 即 如 果 数 据 传 输 到 终 点 及 时 发 现 了 差 错, 那 么 发 送 端 得 到 了 这 一 信 息, 立 即 停 止 发 送, 也 已 经 发 送 了 4*10 5 bit