CN-No.3 网络核心

Molaters Lv5
  2023-11-24 10:14:50 2023-11-24 10:14:50 创建   2023-10-12 17:04:51 2023-10-12 17:04:51 更新      
# 网络核心

为什么需要数据交换

  • $N^2$ 链路问题
  • 将主机和交换设备连接
  • 连通性
  • 网络规模

交换？

  • 动态转接
dynamic connect
  • 动态分配传输资源
dynamic sourse

数据交换的类型

电路交换

电路交换的特点

  • 最典型的电路交换网络：电话网络

UntitledW

  • 所以电路交换过程可以分为三个阶段：
    • 建立连接（呼叫/电路建立）
    • 通信
    • 释放连接
  • 独占资源（比如信道资源）是不能被第三方共享的

电路交换网络的链路共享

→ 电路交换网络如何共享中继线？

多路复用技术

  • 多路复用简称复用，是通信技术的基本概念
  • 传输能力大于单路的信息，所以要实现多路复用技术
复用器进行组合，分用器来进行拆分

复用器进行组合，分用器来进行拆分

多路复用：链路、网络资源 划分为资源片

将资源片分配给各路“呼叫”

每路呼叫独占分配到的资源篇进行通信

资源片可能闲置

典型多路复用方法

  • 频分多路复用

    最具代表性的就是有线电视网络

    最具代表性的就是有线电视网络

    每个用户占用不同的带宽资源

    用户在分配到一定的频带后，那自始自终都占用这个频带

    频分多路技术

  • 时分多路复用

    划分为帧 每个用户占据固定序号的时间间隙

    每个用户占用的时间间隙是周期性出现的

    Untitled

    在频率上是不分割的

    时分多路复用

    时分多路复用

  • 波分多路复用

    光的频分复用

    Untitled

    中间的链路是可以共享的，称为中继线

    中间的链路是可以共享的，称为中继线

  • 码分多路复用

    广泛应用于无线链路共享（蜂窝网，卫星通信）

    每个用户分配一个唯一的m bit的码片序列chipping sequence

    用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据

    $编码信号 = (原始数据)\times (码片序列)$。

    • 如发送比特1(+1），则发送自己的m bit码片序列

    • 如发送比特0(-1)，则发送该码片序列的m bit码片序列的反码

    • 各个用户码片序列相互正交

      Untitled

    • 解码：码片序列和编码信号的内积

      Untitled

    具体的实现步骤

    在发送端和接收端的信号传输

    在发送端和接收端的信号传输

    如果是多个用户向信道发送数据

    需要保证码片之间是正交的

    需要保证码片之间是正交的

    数据交换：报文交换，分组交换

    报文交换

    电路交换资源是独占的，报文指的是发送的信息的整体

    比如：一个文件

    分组交换（package switch）

    分组：报文分叉出来的一系列相对较小的数据包

    头 + 数据

    分组交换需要保温的拆分和重组

    产生额外开销（因为要消费额外开销）

    Untitled

作为分组交换网络，这样的共享不是事先就分配一部分，而是两个的数据分别都是用完整带宽进行转发，具有很强的随机性。所以也称为统计多路复用统计多路复用最大的特点就是按需共享链路。

每一个分组从上一个节点完整的转发分组，然后存储之后转发走。称为存储转发操作。

这里能保证是有效的数据，有且仅有当两个向量正交的时候才有效，可以通用数学推导出来。主要原因是因为可以去除S1信道和S2信道的交叉乘积的影响，达到隔离的目的：

$P= \underset{1}{\overset{2}{\sum}}d_i \cdot S_i$

所以可以推导出

$d_1=\frac{1}{m}\cdot S_i \cdot \underset{1}{\overset{2}{\sum}}d_i \cdot S_i = \frac{(S_1)^2}{m} \cdot d$。

可以看出和上面的表达式是相同的

Untitled

区别：

  • 报文交换用完整的报文
  • 分组交换用较小的分组

所以哪种方式更好呢？

分组交换：传输延迟

场景假设，源主机有两个分组信息需要发射，每个分组L bit大小

发送主机：

  • 接受应用报文（消息）
  • 拆分为较小长度为L bits的分组
  • 在传输速率为R的链路上进行传输

报文交换 vs 分组交换

报文交换：

  • 报文长度为M bits
  • 链路带宽为R bps
  • 每次传输报文需要M/R秒

分组交换：

  • 报文被拆分为多个组
  • 分组长度为L bits
  • 每个分组传输时延为L/R秒

举例：

M = 7.5 Mbits

L = 1500 bits

M = 5000L

R = 1.5 Mbps

如果使用报文交换的时候，路由器的缓存就至少需要一个报文的大小

分组交换中，原来的主机是要把报文进行拆分拆分成分组，5000个分组

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gantt
	title 报文交换
	section 时间分布
    dateFormat YYYY-MM-DD
    axisFormat %d
	empty:2023-1-1,9d
	M/R=7.5/1.5=5:2023-1-10,9d
	empty:2023-1-19,10d

主要都采用分组交换技术

分组交换的交付时间

image-20230807113712816

报文：M bits

链路带宽：（数据传输速率）：R bits

分组长度（大小）：L bits；

跳步数量：h

路由器数量：n = h-1

$T_{传输时间}=M/R+(h-1)L/R=M/R+nL/R$

跳步指的是从一点到下一个相邻一点就叫做跳步（一个跳步等于链路数量）

M/R 是 整个报文的传输时间

L/R 是 一个路由器的转发时间

试题举例

在下图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为100 M bps，分组大小为1 000 B，其中分组头大小为20 B。若主机H 1向主机H 2发送一个大小为980 000 B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H 1发送开始到H 2接收完为止，需要的时间至少是多少?

image-20230807114528393

分组大小是1000 B，分组头占其中的20 B，所以有980 B携带的是报文数据；

至少是什么时间，指的是走最近的链路；

980 KB大小 的文件需要分1000个分组，每个分组1000 B。H 1发送整个文件需要的传输延迟为（980 000 + 20 * 1000 ）* 8 / 100 000 000 = 80 ms（注意单位换算）; 根据路由选择基本定理，所有数据分组应该经过两个路由器的转发，所以再加上最后一个分组的两次转发的传输延迟，也就是 2 * 1000 * 8 / 100 000 000 = 0.16 ms。 所以，H 2接受完整个文件至少需要80 + 0.16 = 80.16 ms

两次转发的延迟，因为是两个路由器，所以要加上。

例如：1 Mb/s 链路

每个用户：

:heavy_check_mark: “活动” 时间需要100 Kb/s

:heavy_check_mark: 每个用户的平均活动时间为10 %

电路交换：

电路交换的特点是不能共享，虽然不传输数据但是其他用户是不能使用的，所以在这种情况下的效率很低。:togo:10个用户

分组交换：

当一个用户活动的时候恰好赶上了另一个用户活动，可以将活动错开。:heavy_check_mark:对于35个用户，大于10个用户同时活动的概率<0.0004

分组交换允许更多用户同时使用网络！——网络资源充分共享

分组交换绝对由于电路交换？

  • 适用于突发数据传输网络。
    • 资源充分共享
    • 简单、无需呼叫建立 $\Rightarrow$ 可能产生拥塞：分组延迟和丢失
    • 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制
  • 现在使用的计算机网络具备突发的数据传输特点。
  • 但是视频传输和通话的传输不具备突发性。

Q：如何提供电路级性能保障？打电话会出现停顿现象，所以需要使用协议来进行传输

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  • 标题: CN-No.3 网络核心
  • 作者: Molaters
  • 创建于 : 2023-11-24 10:14:50
  • 更新于 : 2023-10-12 17:04:51
  • 链接: https://molaters.github.io/2023/11/24/计算机网络/CN-No.3 网络核心/
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CN-No.3 网络核心
  1. 为什么需要数据交换
  2. 交换？
  3. 数据交换的类型
  4. 电路交换
    1. 电路交换网络的链路共享
  5. 多路复用技术
    1. 典型多路复用方法
  6. 数据交换：报文交换，分组交换
    1. 报文交换
    2. 分组交换（package switch）
    3. 所以哪种方式更好呢？
    4. 报文交换 vs 分组交换
  • 分组交换的交付时间
    1. 试题举例
      1. 电路交换：
      2. 分组交换：
    2. 分组交换绝对由于电路交换？