计算机网络(三):网络核心

网络核心是由中转设备(路由器)组织起来的,覆盖很大区域,其核心的问题是如何让数据从原路由器到目的路由器,网络核心就是互连的路由器网络,关键功能是路由(确定分组从源到目的传输路径)和转发(将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口)。
网络核心通过数据交换实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机。
端系统之间最直接的连接方式是两两直接物理链路相连(N2链路问题,需要链路N(N-1)/2)。所以需要交换设备,即网络核心。
传输方式主要有电路交换(传统电话)和分组交换(计算机网络)。路由器有一个路由转发表(本地转发表),规定了去目的地址需要走哪一条链路。
简单地讲,就是两家餐厅,一家需要预定,一家不需要预定但是不能保证可以进行安排
2、电路交换:带宽会损失
在电路交换网络中,沿着端系统通信路径,为端系统之间通信所提供的资源在通信会话期间会被预留。每次进行实际数据交换之前要进行端到端资源预留,资源预留包括链路带宽和交换带宽,一旦资源已经分配,资源就成了专用的,即资源独占,这个资源是带宽等。资源预留后获得可保证的性能,资源复用(划分)方式包括频分复用和时分复用,这个和资源独占是不冲突的,在用户看来,他独占了整个资源。
网络必须在发送方和接收方之间建立一个连接,这是一个真正意义上的连接,此时之间路径上的交换机都将为该连接维护连接状态,即一条电路,当网络创建这条件路的时候,也在该网络链路上预留了带宽,即预留了恒定的连接期间的传输速率,因此发送方能够以确保的恒定速率向接收方传送数据。
电路交换可以划分为三个阶段:呼叫(电路)建立阶段,建立连接;通信;电路拆除,释放连接。
注意链路与电路的区别,一条链路可以有很多条电路,为了解决多用户访问同资源的复用问题
链路中的电路要么通过频分多路复用(FDM)实现,要么通过时分多路复用(TDM)实现。
a、频分多路复用:链路的频谱由跨越链路创建的所有连接所共享,特别是,该链路在链接期间为每条连接(电路)专用一个频段,改频段的宽度被称为带宽。
b、时分多路复用:时间被划分为固定区间的帧,并且每帧又被划分为固定数量的时隙,每当网络跨越一条链路创建一条连接的时候,该网络在每个帧中位该连接之顶一个IE时隙,这些时隙专门由该连接单独使用,一个时隙可以用于传输该链接的数据。每个电路在循环的TDM帧中被分配相同的专用时隙。一条电路的传输速率等于一个时隙中的比特数乘以该帧的速率。
一个连续性的得到部分带宽,一个周期性的得到所有带宽,但总会带宽损失。
传播延时:第一个字节从始点到终点所用的延时
传输延时:把数据放到链路所用的时间(格式转换等)
3、分组交换:带宽不损失
因为计算机网络数据是多数时间不传输,而电路分析的特征是有资源预留、专用,因此计算机网络数据不适合使用电路交换。因为会产生资源的占用浪费。
MTU是链路层一次传输的最大数据单元。
分组交换资源利用率高,但不一定能够保证服务质量。
各种应用程序在完成其任务时需要交换报文,报文能够包含协议设计者需要的任何东西,报文可以执行一种控制功能,或者能够包含数据。源主机将长报文拆分为较小的数据块,并称之为分组,即包。每段会加上首部字节,这个不是给用户看的,而是给每一层的转发器进行处理的。
分组通过一系列通信链路传输,但分组被送往网络而不必预留任何带宽,如果此时其他分组需要同时经过某链路发送,链路将会变得阻塞,因此分组不得不进行等待,从而形成时延。因特网尽力而为的以实时的方式传递分组,但不能做出任何确保。
分组以链路的最大传输速率在通信链路上进行传输。
分组交换中资源不会发生预留,分组交换以竞争的方式按需使用资源,竞争会带来拥塞、数据排队、数据丢失。因此分组交换中的基本交换方式是存储转发:任何时候任何一个节点在接收到全部数据之后才会向下一个节点转发。因此产生的时间延时称为存储转发时延。
所有用户可以根据需要使用网络的所有资源,但是要竞争地使用,是一种统计复用,先到先发。带宽按需使用。分组交换的性能取决于当前用户数。
每个分组交换机有多条链路阈值相连,对于每条相连的链路,该分组交换机具有一个输出缓存,也称为输出队列。它用于存储路由器准备发往那条链路的分组。如果链路被占用,那么到达分组必须在输出缓存中等待。因此产生的时间被称为排队时延。
因为缓存空间的大小是有限的,所以当充满的时候,此时再到达的分组可能被丢失,即分组丢失或丢包。可能是到达的分组也可能是已经排队的分组之一。
排队时延可以理解为在餐馆里等待座位的时间,而丢包就是有太多的人在等待,所以我们不得不离开。
如果分组到达交换机的速率超过了交换机跨越输出链路转发分组的速率,就会造成拥塞。
分组交换可以提供更好的带宽共享,且比电路更简单、有效、成本低。
输出队列会一直增长直到分组的到达率总和小于链路的转发输出速率,也就是说丢包是一定会发生的。
到达的数据率:输入(路由器接收)数据的速率。
统计多路复用:按需共享资源,分组交换也是一种。
4、分组是怎样通过分组交换网形成其通路的?
实际上就是路由器如何确定他应该向哪一条链路进行转发?
每个通过网络传输的分组(包)在他的首部包含了其的目的地址,该地址是一种层次结构,当分组到达一台路由器时,该路由器检查分组的目的地址的一部分,并向相邻路由器转发该分组。
每个路由器具有一个转发表,用于将目的地址(或者目的地址的一部分)映射到输出链路。当分组到达一台路由器时,该路由器检查目的地址,并用这个目的地址搜索转发表,以找到合适的输出链路。并将该分组导向输出链路。
因特网具有一些特殊的选路协议,用于自动的设置转发表。如可以决定从每台路由器到每个目的地的最短路径,并使用最短路径进行配置。
5、ISP和因特网主干
因特网是网络的网络,一定要理解这一点。
坐落在因特网边缘的接入网络通过分层的ISP层次结构与因特网的其他部分相连,接入ISP位于层次结构的底部,层次结构的最顶层是数量相对较少的第一层ISP。第一层ISP在很多方面与其他网络相同,都有路由器和链路,并与其他网络相连,但是它的链路速率很高,即特性为:
a、直接与其他每个第一层ISP相连(网络带宽大)
b、与大量的第二层ISP和其他客户网络相连(覆盖范围大)
c、覆盖国际区域(洲际)
因此,第一层ISP也被成为因特网主干网络。
第二层ISP通常是具有区域性或国家性规模覆盖,并且非常重要的仅与极少数第一层ISP相连,但某些可以不经过第一层,两个第二层直接相连,被认为是第一层ISP的客户,第一层为提供商。
当两个ISP彼此直接相连的时候,他们被称为彼此是对等的。
在一个ISP的网络中,某ISP与其他ISP的连接点被称为汇集点POP。POP就是某ISP网络中的一台或多台路由器组,通过他们可以与其他的ISP的路由器连接。POP是同时属于两个ISP网络。
较低层的ISP与较高层的ISP相连,较高层ISP彼此互联。
由底向上,接入ISP与第三层(或第二层相连),此时为区域性的,然后与第二层相连,此时为国家性的,然后第二层或相互之间相连,或与第一层相连,形成全球性的网络。ISP与ISP之间的连接需要有个汇集点POP,POP中的路由器是同时属于两个网络的。

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