计算机网络的基本概念-2

1、数据交换技术：电路交换、报文交换与分组交换

网络核心部分的关键设备是路由器，其工作方式是分组交换。要理解分组交换，必须先了解其前两种技术。

1. 电路交换 (Circuit Switching)

核心思想：通信前必须预先建立一条专用的物理通路，在整个通信期间独占该通路，直至通信结束后释放。过程分为三步：建立连接 → 通信 → 释放连接。

典型例子：传统的电话网络。
特点：通信过程中，数据直通传输，无存储转发时延。

优点	缺点
1. 传输时延小：通路专用，数据直达。	1. 建立连接时间长。
2. 数据有序传输。	2. 线路利用率低：独占资源，即使空闲也不能被他人使用。
3. 无冲突。	3. 灵活性差：通路中任何一点故障都需要重新建立连接。
4. 实时性强。	4. 难以进行差错控制。

结论：不适合突发性很强的计算机数据通信。

2. 报文交换 (Message Switching)

核心思想：采用存储转发机制。以整个报文（Message）为传输单位。每个节点接收整个报文并存储下来，然后为其选择一条合适的空闲线路，转发到下一个节点。

特点：无需建立专用通路。

优点	缺点
1. 无建立连接时延：随时可发送。	1. 转发时延高：必须接收完整个报文后才能转发。
2. 线路利用率高：动态分配线路。	2. 对节点缓存要求高（报文大小不定）。
3. 支持差错控制。	3. 出错重传代价大（重传整个报文）。

3. 分组交换 (Packet Switching)

核心思想：报文交换的改进版。先将较长的报文划分为若干个等长的分组（Packet），每个分组加上包含目的地址、源地址等控制信息的首部。然后以分组为单位进行存储转发。

典型例子：现代互联网（Internet） 的核心技术。
特点：继承了报文交换的优点，并克服其缺点。

优点	缺点
1. 高效：分组较小，便于存储管理，转发时延低。	1. 存在存储转发时延（但比报文交换小）。
2. 灵活：每个分组可独立选择路由。	2. 需要传输额外开销（每个分组的首部）。
3. 可靠：出错重传代价小（只需重传出错的分组）。	3. 若管理不当，可能出现失序、丢失或重复分组。
4. 线路利用率高。

分组交换的两种服务方式：

数据报 (Datagram)：每个分组独立路由。可能失序。（如IP协议）
虚电路 (Virtual Circuit)：通信前先建立一条逻辑连接，所有分组沿此路径传送。保证有序。（如帧中继、ATM）

4、三种交换方式的对比总结

特性	电路交换	报文交换	分组交换
传输单位	比特流	报文	分组
通信路径	专用物理通路	非专用	非专用
建立连接	需要	不需要	数据报不需要，虚电路需要
存储转发	不支持	支持	支持
传输时延	小（几乎无时延）	大（存储转发时延长）	中（存储转发时延较小）
线路利用率	低	高	高
灵活性/可靠性	低	中	高
适用场景	语音、视频等实时通信	已被分组取代	突发式计算机数据通信

核心结论：分组交换在线路利用率和可靠性上取得了最佳平衡，因此成为计算机网络（尤其是Internet）核心部分的首选技术。

2、计算机网络的分类

计算机网络可以从不同维度进行分类，以下是常见的分类方式：

1. 按分布范围分类

类型	分布范围	典型例子
广域网 (WAN)	几十到几千公里（国家、洲际）	Internet、公共电话网
城域网 (MAN)	几到几十公里（城市）	城市宽带网、有线电视网
局域网 (LAN)	1公里左右（校园、办公楼）	以太网(Ethernet)、Wi-Fi
个域网 (PAN)	10米以内（个人区域）	蓝牙(Bluetooth)、ZigBee

2. 按传输技术分类

广播式网络：所有主机共享一个通信信道。一台主机发送数据，网络中的所有其他主机都能收到。需要地址来标识目标主机（如早期的以太网）。
点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制。一条物理线路只连接一对主机（如PPP协议）。Internet是最大的点对点网络。

3. 按拓扑结构分类

指网络中节点和链路的几何排列形状。

总线型：所有设备连接在一条总线上。优点：结构简单，易于扩展。缺点：重负载时通信效率不高、故障诊断难，总线故障则全网瘫痪。
星型：所有节点都连接到一个中央节点（如交换机）。优点：易于管理、维护，单点故障不影响其他节点。缺点：成本高、中央节点故障则全网瘫痪。
环型：节点通过接口连接成一个闭合环。优点：简化路径选择。缺点：任意节点故障可能导致全网瘫痪。
网状型：节点之间的连接是任意的，没有规律。优点：可靠性极高。缺点：结构复杂，成本高。Internet的核心部分常采用网状拓扑。

4. 按使用者分类

公用网：面向公共运营、为社会所有人服务的网络（如中国电信的网络）。
专用网：为满足特定单位或部门的需要而建造的网络，不向外部用户提供服务（如军队、铁路、银行系统的内部网络）。

5. 按交换技术分类

电路交换：建立一条专用的物理通路（如电话网络）。
报文交换：以整个报文为单元进行存储转发。
分组交换：将报文分割成更小的分组进行存储转发。是现代计算机网络的主流技术（如IP网络）。

3、计算机网络性能指标

1、核心性能指标解析

指标	定义	计算公式	关键特性
速率	节点在数字信道上传送数据的速率（数据传输速率）	-	单位：b/s、kb/s（10³）、Mb/s（10⁶）、Gb/s（10⁹）
带宽	通信线路的理论最高数据传输速率（单位时间最大传输能力）	-	单位：b/s（注意：原指频率范围Hz，网络中特指最高数据传输速率）
吞吐量	单位时间内通过网络的实际数据量（实测值）	-	实际性能 ≤ 带宽（受协议开销、拥塞等影响）
时延	数据从网络一端到另一端的总时间	总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延	四部分时延共同作用

2、时延深度分解

1、发送时延（传输时延）

本质：节点将数据推送到链路上的时间
公式：发送时延 = 分组长度 (bit) / 发送速率 (b/s)
示例：发送10KB文件（81,920 bit），带宽1Gb/s（10⁹ b/s）→ 0.082 ms

2、传播时延

本质：电磁波在介质中传播的时间（光速限制）
公式：传播时延 = 信道长度 (m) / 传播速率 (m/s)
传播速率：
- 光纤/铜缆：≈2×10⁸ m/s（真空光速的2/3）
- 卫星通信：270 ms（地球同步轨道往返）
示例：北京到上海光纤（1,300 km）→ 6.5 ms

3、处理时延

组成：检错（CRC校验）、路由查找、协议解析等
典型值：路由器处理≈1~100 μs（与硬件性能相关）

4、排队时延

动态变化：取决于网络拥塞程度（遵循M/M/1排队模型）
拥塞时剧增：
轻载时≈0 ms
- 负载80%时急剧上升（指数增长）

考试注意：通常忽略处理时延和排队时延（除非题目特别说明）

3、衍生指标

指标	定义	公式	应用意义
时延带宽积	链路可容纳的最大比特数（比特为单位的链路“容量”）	`传播时延 × 带宽`	评估链路利用率（如卫星链路需大缓冲区）
往返时延(RTT)	发送端发出分组 → 收到接收端确认的总时间	`RTT = 2×传播时延 + 处理延时`	关键影响TCP性能（超时重传、滑动窗口）
信道利用率	信道处于数据传输状态的时间占比	`有数据通过时间 / 总时间`	过高引发拥塞（理想值：30%~60%）