計算機網絡的基本概念-2

1、數據交換技術：電路交換、報文交換與分組交換

????????網絡核心部分的關鍵設備是路由器，其工作方式是分組交換。要理解分組交換，必須先了解其前兩種技術。

1. 電路交換 (Circuit Switching)

核心思想：通信前必須預先建立一條專用的物理通路，在整個通信期間獨占該通路，直至通信結束后釋放。過程分為三步：建立連接 → 通信 → 釋放連接。

典型例子：傳統的電話網絡。
特點：通信過程中，數據直通傳輸，無存儲轉發時延。

優點	缺點
1. 傳輸時延小：通路專用，數據直達。	1. 建立連接時間長。
2. 數據有序傳輸。	2. 線路利用率低：獨占資源，即使空閑也不能被他人使用。
3. 無沖突。	3. 靈活性差：通路中任何一點故障都需要重新建立連接。
4. 實時性強。	4. 難以進行差錯控制。

結論：不適合突發性很強的計算機數據通信。

2. 報文交換 (Message Switching)

核心思想：采用存儲轉發機制。以整個報文（Message）為傳輸單位。每個節點接收整個報文并存儲下來，然后為其選擇一條合適的空閑線路，轉發到下一個節點。

特點：無需建立專用通路。

優點	缺點
1. 無建立連接時延：隨時可發送。	1. 轉發時延高：必須接收完整個報文后才能轉發。
2. 線路利用率高：動態分配線路。	2. 對節點緩存要求高（報文大小不定）。
3. 支持差錯控制。	3. 出錯重傳代價大（重傳整個報文）。

3. 分組交換 (Packet Switching)

核心思想：報文交換的改進版。先將較長的報文劃分為若干個等長的分組（Packet），每個分組加上包含目的地址、源地址等控制信息的首部。然后以分組為單位進行存儲轉發。

典型例子：現代互聯網（Internet） 的核心技術。
特點：繼承了報文交換的優點，并克服其缺點。

優點	缺點
1. 高效：分組較小，便于存儲管理，轉發時延低。	1. 存在存儲轉發時延（但比報文交換小）。
2. 靈活：每個分組可獨立選擇路由。	2. 需要傳輸額外開銷（每個分組的首部）。
3. 可靠：出錯重傳代價小（只需重傳出錯的分組）。	3. 若管理不當，可能出現失序、丟失或重復分組。
4. 線路利用率高。

分組交換的兩種服務方式：

數據報 (Datagram)：每個分組獨立路由。可能失序。（如IP協議）
虛電路 (Virtual Circuit)：通信前先建立一條邏輯連接，所有分組沿此路徑傳送。保證有序。（如幀中繼、ATM）

4、三種交換方式的對比總結

特性	電路交換	報文交換	分組交換
傳輸單位	比特流	報文	分組
通信路徑	專用物理通路	非專用	非專用
建立連接	需要	不需要	數據報不需要，虛電路需要
存儲轉發	不支持	支持	支持
傳輸時延	小（幾乎無時延）	大（存儲轉發時延長）	中（存儲轉發時延較小）
線路利用率	低	高	高
靈活性/可靠性	低	中	高
適用場景	語音、視頻等實時通信	已被分組取代	突發式計算機數據通信

核心結論：分組交換在線路利用率和可靠性上取得了最佳平衡，因此成為計算機網絡（尤其是Internet）核心部分的首選技術。

2、計算機網絡的分類

計算機網絡可以從不同維度進行分類，以下是常見的分類方式：

1. 按分布范圍分類

類型	分布范圍	典型例子
廣域網 (WAN)	幾十到幾千公里（國家、洲際）	Internet、公共電話網
城域網 (MAN)	幾到幾十公里（城市）	城市寬帶網、有線電視網
局域網 (LAN)	1公里左右（校園、辦公樓）	以太網(Ethernet)、Wi-Fi
個域網 (PAN)	10米以內（個人區域）	藍牙(Bluetooth)、ZigBee

2. 按傳輸技術分類

廣播式網絡：所有主機共享一個通信信道。一臺主機發送數據，網絡中的所有其他主機都能收到。需要地址來標識目標主機（如早期的以太網）。
點對點網絡：使用分組存儲轉發和路由選擇機制。一條物理線路只連接一對主機（如PPP協議）。Internet是最大的點對點網絡。

3. 按拓撲結構分類

指網絡中節點和鏈路的幾何排列形狀。

總線型：所有設備連接在一條總線上。優點：結構簡單，易于擴展。缺點：重負載時通信效率不高、故障診斷難，總線故障則全網癱瘓。
星型：所有節點都連接到一個中央節點（如交換機）。優點：易于管理、維護，單點故障不影響其他節點。缺點：成本高、中央節點故障則全網癱瘓。
環型：節點通過接口連接成一個閉合環。優點：簡化路徑選擇。缺點：任意節點故障可能導致全網癱瘓。
網狀型：節點之間的連接是任意的，沒有規律。優點：可靠性極高。缺點：結構復雜，成本高。Internet的核心部分常采用網狀拓撲。

4. 按使用者分類

公用網：面向公共運營、為社會所有人服務的網絡（如中國電信的網絡）。
專用網：為滿足特定單位或部門的需要而建造的網絡，不向外部用戶提供服務（如軍隊、鐵路、銀行系統的內部網絡）。

5. 按交換技術分類

電路交換：建立一條專用的物理通路（如電話網絡）。
報文交換：以整個報文為單元進行存儲轉發。
分組交換：將報文分割成更小的分組進行存儲轉發。是現代計算機網絡的主流技術（如IP網絡）。

3、計算機網絡性能指標

1、核心性能指標解析

指標	定義	計算公式	關鍵特性
速率	節點在數字信道上傳送數據的速率（數據傳輸速率）	-	單位：b/s、kb/s（103）、Mb/s（10?）、Gb/s（10?）
帶寬	通信線路的理論最高數據傳輸速率（單位時間最大傳輸能力）	-	單位：b/s（注意：原指頻率范圍Hz，網絡中特指最高數據傳輸速率）
吞吐量	單位時間內通過網絡的實際數據量（實測值）	-	實際性能 ≤ 帶寬（受協議開銷、擁塞等影響）
時延	數據從網絡一端到另一端的總時間	總時延 = 發送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延	四部分時延共同作用

2、時延深度分解

1、發送時延（傳輸時延）

本質：節點將數據推送到鏈路上的時間
公式：發送時延 = 分組長度 (bit) / 發送速率 (b/s)
示例：發送10KB文件（81,920 bit），帶寬1Gb/s（10? b/s）→ 0.082 ms

2、傳播時延

本質：電磁波在介質中傳播的時間（光速限制）
公式：傳播時延 = 信道長度 (m) / 傳播速率 (m/s)
傳播速率：
- 光纖/銅纜：≈2×10? m/s（真空光速的2/3）
- 衛星通信：270 ms（地球同步軌道往返）
示例：北京到上海光纖（1,300 km）→ 6.5 ms

3、處理時延

組成：檢錯（CRC校驗）、路由查找、協議解析等
典型值：路由器處理≈1~100 μs（與硬件性能相關）

4、排隊時延

動態變化：取決于網絡擁塞程度（遵循M/M/1排隊模型）
擁塞時劇增：
輕載時≈0 ms
- 負載80%時急劇上升（指數增長）

考試注意：通常忽略處理時延和排隊時延（除非題目特別說明）

3、衍生指標

指標	定義	公式	應用意義
時延帶寬積	鏈路可容納的最大比特數（比特為單位的鏈路“容量”）	`傳播時延 × 帶寬`	評估鏈路利用率（如衛星鏈路需大緩沖區）
往返時延(RTT)	發送端發出分組 → 收到接收端確認的總時間	`RTT = 2×傳播時延 + 處理延時`	關鍵影響TCP性能（超時重傳、滑動窗口）
信道利用率	信道處于數據傳輸狀態的時間占比	`有數據通過時間 / 總時間`	過高引發擁塞（理想值：30%~60%）