中科大计网学习记录笔记（二）：网络核心

前言：

学习视频：中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程
该视频是B站非常著名的计网学习视频，但相信很多朋友和我一样在听完前面的部分发现信息量过大，有太多无法理解的地方，在我第一次点开的时候也有相同的感受，但经过了一段时间项目的学习，对计网有了更多的了解，所以我准备在这次学习的时候做一些记录并且加入一些我的理解，希望能够帮助到大家。
往期笔记可以看专栏中的内容

资料分享：
视频课件分享链接，提取码 pho1
计算机网络（第七版） 自顶向下方法分享链接，提取码 7ln4

1.3 网络核心

网络核心：路由器的网状网络，这个网络有两种交换的方式，线路交换 和 分组交换

1.3.1 什么是线路交换？

线路交换（Circuit Switching）：是一种传输数据的通信方式，其中通信的两个节点在通话期间占用一个专用的通信路径或“线路”。在这种方式中，通信路径在通话期间一直被保持，并且只有通话结束后，该线路才会被释放，可以被其他通话使用。

• 上图中的呼叫使用了上面链路的第 1 个线路，和右边链路的第一个线路（piece），这个通信路径是独占的资源，不共享，这样可以保证性能，因为没有其他干扰因素。
• 因为独占的特性，所以通讯建立但是没有数据发送被分配的资源就会浪费（no sharing）。
• 通常被传统的电话通信采用，比如移动通讯。

1.3.2 三种多路复用方式

时分复用（TDM）：TDM 用于将多个电话用户的语音信号进行时间上的划分，每个用户被分配一个时间槽，通过轮流方式共享通信线路。这样，不同用户的语音信号可以在不同的时间间隙传输，实现了多路复用。

频分复用（FDM）：频分复用被用于将不同的通信信号划分到不同的频率带宽上，以避免干扰。每个用户或通信信道在频率上占据不同的带宽，实现了频分复用。

波分复用（WDM）：波分复用通过在光纤通信系统中使用不同的波长（光的颜色）来传输多个独立的通信信道。每个波长代表一个独立的通信通道。

上述的说的是三种常见的多路复用技术，用于有效的共享 信道

这里要分清信道和通信线路的关系：

• 信道是指信息从一个地方传送到另一个地方的 通路或介质。它是信息传输的物理路径，可以是空气中的无线信道、导线中的电缆信道、光纤中的光信道等。
• 通信线路是实际连接通信系统中两个节点的 物理路径。通信线路可以包括一条或多条信道，以及连接这些信道的物理媒介，例如电缆、光纤等。

信道是传输的 物理媒介，而通信线路是不同节点之间 实际的物理连接

1.3.3 课堂练习

在一个电路交换网络上，从主机 A 到主机 B 发送一个 640000 比特的文件需要多长时间？

• 所有链路速率为 1.536 Mbps
• 每条链路使用时隙数为 24 的 TDM
• 建立端-端的电路需要 500mx

补充前置知识：

• 带宽（Bandwidth）是指 在一定时间内传输的数据量或信号的最大能力，通常用于描述通信系统的性能。带宽的单位通常是比特每秒（bps）或赫兹（Hz）。
• 时间槽（Time Slot）是在时分复用中使用的概念，用于 将一个时间周期划分为若干个间隔，每个间隔用于传输 一个 通信用户或信道的数据。

总的速率为 1.536 Mbps，有 24 个时隙数，所以每个用户占有的速率为

1.536 / 24 = 0.064 Mbps，这里认为 1M = 1000 K，换算成 64 Kbps

绘制出传输的时间轴，当 A 信息全部传输完成后，B 不一定全部接收到，这里可以将信息看成一列火车，这 10.5s 只是火车从出发点完全驶离所需要的时间，还需要加上 传播延迟，也就是火车行进的时间。

1.3.4 线路交换为什么不适合计算机通信？

1. 计算机的通信具有很强的 突发性 的，如果这个通讯线路一直被占用，就会存在很长时间没有数据传输的情况，产生了浪费，所以其不适合计算机通信。
2. 线路交换中的电路是 独占 的，即在通话期间，通信的两个节点独占一个专用通信路径。这导致通信资源不能被多个通信同时共享，而计算机通信常常需要多个用户同时访问和共享网络资源。
3. 线路交换需要为每条连接分配独占的通信电路，这可能导致成本高昂，特别是在同时支持 大量用户 的情况下。

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1.3.5 分组交换

分组交换（Packet Switching）：是一种通信方式，其中数据被划分为 小的数据包（packet），每个 数据包独立传输，并 在网络中通过不同的路径到达目的地 。与线路交换相对，分组交换在传输时不需要独占的通信路径。

1.3.6 存储转发

存储转发（Store-and-Forward）是一种网络传输和交换数据的方式。在存储转发模式下，数据被接收后会被 完整 地存储（暂存在缓存或存储设备中），然后再被转发到目标地址。这与直接传输是不同的，直接传输是接收到数据立即进行转发。

而存储转发的特性可以让一个用户不占满整个通信链路，而是采用分时复用的方式，每个用户在分配的时间内传输数据

• 存储转发 允许接收端进行流量控制。即使一个用户发送数据的速率很快，接收端可以在存储环节中控制数据的接收速率，避免过多的数据占用整条通信链路。
• 存储转发中的存储环节允许数据在 接收端缓存一段时间。这意味着即使一个用户的数据到达，它也不会立即被转发，而是可以 在缓存中等待一段时间。这有助于平滑数据流，防止某个用户的瞬时高流量占用整个链路。

对于交换机，为什么只算一次存储延迟呢？

很多朋友可能认为是将其完全存储后再转发出去，应该计算两次一次是存储一次是发送。如果不着眼于这个交换机，目光放到整个线路上的时候，其实这个传输的时间就是下一段传输的一部分。

​ 同样以火车的例子举例：以车尾为参照点，存储的时间是 车头 到达交换机直到车尾到达交换机的这一段时间，那存储完之后，参考点车尾就在这个点了；试想如果这个点没有交换机，车尾到达这个点就就立即出发，但是交换机只是 延迟了车尾到达这个点的时间，而不会对后面产生任何影响，只要加上这段延迟，剩下的部分其实就是传输的时间。

对于 B 点，有一个疑惑是要不要加上 B 接收的时间，还是按照上面的火车的案例，数据全部到达其实就是 车尾部到达 B 点的时间，所以只需要计算一个传输时间即可，而不需要加上接收的时间

1.3.7 排队延迟和丢失

排队和延迟：如果 到达的速率 > 输出的速率，分组将会排队等待传输，这就是所说的延迟。

丢失：这样继续进行下去就会导致交换机的缓存用完，用完后的分组就会被抛弃，这就所说的丢失，也可以叫丢包。

这是分组交换使得线路能够按需使用的代价。

1.3.8 网络核心重要的两个功能

路由：绝对分组采用的源到目标的路径，是采用路由算法算出的

转发：将分组从路由器的输入链路转移到 输出链路

统计多路复用：可以看作一种特殊的分时多路复用，在统计多路复用中，资源（如带宽）并非按照固定的时隙划分，而是根据用户的实际通信需求进行 动态分配。这意味着用户在需要传输数据时才会占用相应的资源。

电路交换又被称为线路交换，这两个是同一种方式

1.3.9 虚电路与数据报

虚电路（Virtual Circuit）和数据报（Datagram）是与通信网络和分组交换技术相关的两个概念，它们代表了不同的通信模式。

• 虚电路是一种通信方式，常见于虚拟电路交换网络（例如，ATM网络）。在虚电路中，通信的两个节点之间会 预先建立一个虚拟的通信路径。这个 虚拟路径沿途的中间节点会记住通信的状态信息，使得数据在传输过程中 可以沿着事先建立的路径流动。虚电路提供了一种面向连接的通信模式，类似于电路交换，但是是在分组交换网络中实现的。
• 数据报是一种通信方式，常见于数据报交换网络（例如，互联网）。在数据报通信中，每个数据包（数据报）都 被视为独立的实体，它包含了足够的信息（目标地址、源地址等）以独立传输并在网络中找到自己的路由。数据报不要求在传输之前建立连接，每个数据包可以选择不同的路径传输，独立于其他数据包。这种通信模式被称为面向 无连接的通信。

这就是为什么说 HTTP 是无连接和无状态的协议

• 每个HTTP请求都是独立的，服务器在处理每个请求时都不需要考虑之前的请求历史。
• HTTP是一种无状态（stateless）协议，每个请求和响应都是独立的，服务器不会记住之前的通信状态。

这也就是为什么要使用 session 等技术来实现客户端内核服务器的连接

• 由于 HTTP 是无状态的，服务器无法直接跟踪用户在不同请求之间的状态。通过使用会话，服务器可以将用户的状态信息保存在会话中，使得用户在多个请求之间能够保持一定的状态。
• 会话可以用于存储用户认证信息，例如用户登录后分配的身份标识。这样，在用户进行后续请求时，服务器可以通过会话标识符来识别用户并验证其身份。