计算机网络——各种时延和最小帧长

各种时延的理解：

时延：是数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络或链路的一段传送到另一端所需要的时间。 

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

发送时延：是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

发送时延=数据帧长度(b) /信道带宽(b/s) [信道带宽就是数据率] 

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。 

传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)

 处理时延：主机或路由器处理所收到的分组的时间。 

排队时延：分组在输入队列中排队等待处理，在输出队列中等待转发，就形成了排队时延。 

【例题】

考虑两台主机A和主机B由一条带宽为R bps、长度为M米的链路互连，信号传播速率为V m/s。假设主机A从t=0时刻开始向主机B发送分组。试求：


1) 传播延迟（时延）dp；
2) 传输延迟dt；
3) 若忽略结点处理延迟和排队延迟，则端到端延迟de是多少？
4) 若dp>dt，则t=dt时刻，分组的第一个比特在哪里？

(注：1k=10^3,1M=10^6)

【解】

1）传播时延dp = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率(m/s) = M / V

2）传输延迟dt = 数据帧长度(b) / 信道带宽(b/s) = L / R
3）总延迟de = 传播时延 + 传输延迟 = M / V + L / R

4）dp > dt意味着最早发送的信号没有到达目的主机之前，数据分组的最后一个比特已经发送出来了，所以分组的第一个比特在距离主机的V * dt米的链路上

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最小帧长的理解

      以太网中传输的数据帧的长度并不是一个常数，而是一个范围内的，以太网帧长度最大限制（MTU）是1518字节，最小长度是64字节。限制帧的最大长度是为了避免一台设备长时间占用信道，所以在传输过程中一定要有机制强制一个设备停止传输，让出信道的使用。那么为何要限制最小的帧长度呢？一个过小的数据会让以太网不能正常工作吗？

     这是一个历史问题，早期时的以太网称为标准以太网（或传统以太网），具体表现形式是10Mbps的基带总线局域网，其特点是：各站点共享共用信道，任何一个站点所发送的数据均沿着介质以广播方式传输，总线上其他所有站点均可以收到。这样就导致了多台设备同时发送信号的时候会发生碰撞，导致多台设备传输失败。然而，经过长时间的演进，特别是交换机的出现，让以太网成为了一个星型拓扑、全双工独享链路的网络。对于现在来说这个最小帧长的问题也就不是那么重要了。

    下面举一个例子来详细说明在总线拓扑结构上存在的这个问题：

首先需要建立一个印象：两个结点的数据碰撞时会boom一下爆炸掉，数据被毁坏，已经不是可用的了，因此，碰撞一发生，数据必须得重新发送。这个很自然吧！但是不建立这个基础，有些地方会觉得很卡，这是我出去散步时候想明白的，没有看到权威的说明，但对我来说是最好的解释。


OK,回过来说最小帧长问题。有了上面的共识，我们设想了一个这样的故事：将发送的数据离散化，或者说量子化，也即把数据变成一个个的人。 
场景如下：一条很宽的河流上方我们搭了一个钢索，人们过河需要通过钢索滑行过去。每次只能过去一个人，无论正向还是反向。河流的两边分别定义为A,B。从A到B和从B到A用时相同，均为ττ。为了真实模拟我们还得假设故事发生在一个黑夜，双方看不见对方，只能通过信使来告知结果。比如把一个人从A发送到B,A如何知道这个人已经顺利发送过去了呢？需要在A到达B后，马上send一个信使告诉老家A，他已安全抵达。这个信使也是需要同样的时间ττ才能回到A告诉A，上一个人到了，于是A可以继续发送下一个人了。如果A这边发送一个人，B同时也发送一个人，这两个人会在河流的中央炸成一朵烟花，消失在黑夜里。这样的碰撞事故如何被A，B知道呢？事故一发生，会自动生成两个信使，分别回去告诉A,B。也就是事故发生时间是在τ2τ2,信使回去告诉A,B,也用时τ2τ2。因为中间比较特殊，提出来看一下。那么如果事故发生不是在中点，A,B知道事故发生的时间又是怎样的呢？是不是离得越远，知道的越慢？对的。因为信使传回消息来，需要时间。恰好，事故发生地点离自己越远，表示自己这方发送的人已经走了越久，所以，一方知道事故发生的时间最长是在对方家门口。 
也即，A发送一个人过去，都到B了，B看不见啊，刚好发送一个人，迎头撞上，又是一朵烟花，消失了。变成数据，也是要重发的。


那么最小帧长是从哪里冒出来的呢？

这么想，人是连续发的。在事故发生之前，A一直在发送人，等信使恰好回来，其实已经发送了好几个人上去，然后知道了，第一个人炸没了，这一组都得重发。需要仔细考虑的是A如何确认自己可以安全发送下一组了？是不是上一组发完，信使没有回来报告出事了对不对？如果都已经发完了一组，现在在发下一组呢，信使回来说，刚才爆炸了，你说A怎么判断这是上一组的事故还是这一组的？判断不了对吧！于是引起了一个最小帧长的概念，要能判断事故发生是属于谁的，好进行下一步的安排。因此，恰好能判断的边界是：发生在B门口的爆炸事故传回到A,2τ2τ时间内，发送的人数。这一组人数更多一些，肯定能知道出事的正是当前组。

对应到数据帧，便是最小帧长。2τ2τ还有其他的别名，争用期什么的。不必管，背后的逻辑非常的生动。 

望你也有所体会~ 

至于为什么这个协议不能进行全双工通信，很明白了吧，两个站之间不能同时进行，否则会炸！   

文章参考：

https://blog.csdn.net/heatdeath/article/details/73431248

https://blog.csdn.net/u011240016/article/details/52719183