传输时延和传播时延的比较
计算机网络中的传输时延和传播时延有时候难以区分,在这里解释一下,传输时延
是路由器推出分组所需要的时间,它是分组长度和链路传输速率的函数,而与两台路由器之间的距离无关。而传播时延
是一个比特从一台路由器传播到另一台路由器所需要的时间,它是两台路由器之间距离的倒数,而与分组长度和链路传输速率无关。从公式也可以看出来,传输时延是 L/R
,也就是分组的长度 / 路由器之间传输速率。传播时延的公式是 d/s
,也就是路由器之间的距离 / 传播速率。
排队时延
在这四种时延中,人们最感兴趣的时延或许就是排队时延了 dqueue。与其他三种时延(dproc、dtrans、dpop)不同的是,排队时延对不同的分组可能是不同的。例如,如果10个分组同时到达某个队列,第一个到达队列的分组没有排队时延,而最后到达的分组却要经受最大的排队时延(需要等待其他九个时延被传输)。
那么如何描述排队时延呢?或许可以从三个方面来考虑:流量到达队列的速率、链路的传输速率和到达流量的性质。即流量是周期性到达还是突发性到达,如果用 a 表示分组到达队列的平均速率( a 的单位是分组/秒,即 pkt/s)前面说过 R 表示的是传输速率,所以能够从队列中推出比特的速率(以 bps 即 b/s 位单位)。假设所有的分组都是由 L 比特组成的,那么比特到达队列的平均速率是 La bps。那么比率 La/R
被称为流量强度(traffic intensity)
,如果 La/R > 1,则比特到达队列的平均速率超过从队列传输出去的速率,这种情况下队列趋向于无限增加。所以,设计系统时流量强度不能大于1。
现在考虑 La / R <= 1 时的情况。流量到达的性质将影响排队时延。如果流量是周期性
到达的,即每 L / R 秒到达一个分组,则每个分组将到达一个空队列中,不会有排队时延。如果流量是 突发性
到达的,则可能会有很大的平均排队时延。一般可以用下面这幅图表示平均排队时延与流量强度的关系
横轴是 La/R 流量强度,纵轴是平均排队时延。
丢包
我们在上述的讨论过程中描绘了一个公式那就是 La/R 不能大于1,如果 La/R 大于1,那么到达的排队将会无穷大,而且路由器中的排队队列所容纳的分组是有限的,所以等到路由器队列堆满后,新到达的分组就无法被容纳,导致路由器 丢弃(drop)
该分组,即分组会 丢失(lost)
。
计算机网络中的吞吐量
除了丢包和时延外,衡量计算机另一个至关重要的性能测度是端到端的吞吐量
。假如从主机 A 向主机 B 传送一个大文件,那么在任何时刻主机 B 接收到该文件的速率就是 瞬时吞吐量(instantaneous throughput)
。如果该文件由 F 比特组成,主机 B 接收到所有 F 比特用去 T 秒,则文件的传送平均吞吐量(average throughput)
是 F / T bps。
单播、广播、多播和任播
在网络通信中,可以根据目标地址的数量对通信进行分类,可以分为 单播、广播、多播和任播
单播(Unicast)
单播最大的特点就是 1 对 1,早期的固定电话就是单播的一个例子,单播示意图如下
广播(Broadcast)
我们一般小时候经常会跳广播体操
,这就是广播的一个事例,主机和与他连接的所有端系统相连,主机将信号发送给所有的端系统。
多播(Multicast)
多播与广播很类似,也是将消息发送给多个接收主机,不同之处在于多播需要限定在某一组主机作为接收端。
任播(Anycast)
任播是在特定的多台主机中选出一个接收端的通信方式。虽然和多播很相似,但是行为与多播不同,任播是从许多目标机群中选出一台最符合网络条件的主机作为目标主机发送消息。然后被选中的特定主机将返回一个单播信号,然后再与目标主机进行通信。
物理媒介
网络的传输是需要介质的。一个比特数据包从一个端系统开始传输,经过一系列的链路和路由器,从而到达另外一个端系统。这个比特会被转发了很多次,那么这个比特经过传输的过程所跨越的媒介就被称为物理媒介(phhysical medium)
,物理媒介有很多种,比如双绞铜线、同轴电缆、多模光纤榄、陆地无线电频谱和卫星无线电频谱。其实大致分为两种:引导性媒介和非引导性媒介。
双绞铜线
最便宜且最常用的引导性传输媒介就是双绞铜线
,多年以来,它一直应用于电话网。从电话机到本地电话交换机的连线超过 99% 都是使用的双绞铜线,例如下面就是双绞铜线的实物图
双绞铜线由两根绝缘的铜线组成,每根大约 1cm 粗,以规则的螺旋形状排列,通常许多双绞线捆扎在一起形成电缆,并在双绞线的外面套上保护层。一对电缆构成了一个通信链路。无屏蔽双绞线
一般常用在局域网(LAN)中。
同轴电缆
与双绞线类似,同轴电缆也是由两个铜导体组成,下面是实物图
借助于这种结构以及特殊的绝缘体和保护层,同轴电缆能够达到较高的传输速率,同轴电缆普遍应用在在电缆电视系统中。同轴电缆常被用户引导型共享媒介。
光纤
光纤是一种细而柔软的、能够引导光脉冲的媒介,每个脉冲表示一个比特。一根光纤能够支持极高的比特率,高达数十甚至数百 Gbps。它们不受电磁干扰。光纤是一种引导型物理媒介,下面是光纤的实物图
陆地无线电信道
无线电信道承载电磁频谱中的信号。它不需要安装物理线路,并具有穿透墙壁、提供与移动用户的连接以及长距离承载信号的能力。
卫星无线电信道
一颗卫星电信道连接地球上的两个或多个微博发射器/接收器,它们称为地面站。通信中经常使用两类卫星:同步卫星和近地卫星。
后记
这是计算机网络的第一篇文章,也是属于基础前置知识,后面会陆续更新计算机网络的内容。
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