概述¶

本章回答：网页数据经过多台设备，为什么能到达，为什么需要等待？按下面顺序建立整门课的坐标：

1. 认清主机、链路、交换机、路由器。
2. 用五层模型分配通信任务，理解协议与封装。
3. 比较电路交换、报文交换、分组交换。
4. 区分容量、实际速度与四种时延。
5. 从单包时间线推到多包流水线，再计算开销与排队。

一次网页访问¶

浏览器向服务器请求网页，服务器把文字、图片送回来。两端运行程序的设备叫主机或端系统；相邻设备间传送信号的通道叫链路；路由器负责把数据送往下一条链路。一次访问通常要经过多跳。

flowchart TD
    A["浏览器主机：生成请求"] --> B["交换机：在本地网络转帧"]
    B --> C["路由器：选择下一条链路"]
    C --> D["其他网络与路由器"]
    D --> E["服务器主机：处理请求"]

一次端到端通信由多段相邻节点之间的传输组成。

• 局域网 LAN 覆盖一个相对有限的区域，广域网 WAN 连接较远地区，MAN 表示城域网。
• 这是按覆盖范围分类；
• 有线/无线、公用/专用则是另外的分类维度。
• 互联网是许多网络互联形成的网络。
• 接入网连接用户与运营商网络，骨干网承担大范围汇聚传送；
• 它们描述所在位置和作用。

画网络图时，节点表示设备，边表示连接。若 \(n\) 个节点两两用一条无向链路相连，每个节点连接另外 \(n-1\) 个节点，每条链路被数两次，故需要 \(n(n-1)/2\) 条。

星形网络只连接中心与其他节点，需 \(n-1\) 条，代价是更依赖中心。

各层分别负责什么¶

通信必须遵守协议：语法规定消息格式，语义规定字段含义，时序规定发送顺序和时间要求。例如请求中的地址放在哪里属于语法，收到错误码如何处理属于语义，等待多久重试涉及时序。

把全部通信工作分层，就能单独更换某一部分。浏览器使用下层提供的传输服务，只要服务接口不变，换网卡通常无需改浏览器。

OSI 七层在运输层上还有会话、表示、应用三层；会话层组织对话，表示层处理数据表示，应用层服务应用。

TCP/IP 四层把教学模型的物理层与链路层合称网络接口层，上面依次为网际、运输、应用。答题时先认清指定模型。

• 同层双方按协议通信；
• 某层向上层提供服务；
• 本机相邻层通过接口使用服务。
• 对等通信是逻辑关系，数据实际仍沿本机各层下降、经过线路、在对方各层上升。

• LISTEN、CONNECT、SEND、RECEIVE 等服务原语描述本机请求下层做什么，不必与线上消息一一对应。

• 发送端逐层添加控制信息，称为封装。

• 例如应用数据加 TCP 首部，再加 IP 首部，最后加帧首尾。
• 接收端反向解析，称为解封装。
• 某层的载荷包含上层的数据及其首部。
• 普通二层交换机主要看帧地址；
• 路由器看 IP 地址选路，再为下一条链路重新封装帧；
• 端系统最终处理应用内容。

首部是放在数据前面的控制字段，载荷是本层承载的内容。层次变了，载荷范围也变了：IP 的载荷包括 TCP 首部和应用数据。下面是发送端的封装过程；接收端沿反方向解析。

flowchart TD
    A["应用：网页请求"] --> B["运输：TCP首部＋应用数据"]
    B --> C["网络：IP首部＋TCP首部＋应用数据"]
    C --> D["链路：帧首部＋IP包＋帧尾部"]
    D --> E["物理：编码为电、光或无线信号"]

记忆分工时只问五个问题：应用传什么，运输交给哪个程序，网络送往哪个地址，链路下一站交给谁，物理怎样传信号。具体协议放到后续章节展开。

数据怎样共享链路¶

电路交换先建立连接并预留资源，通信结束再释放。分得一个固定时隙的用户即使不说话，时隙也可能空着。它适合需要稳定资源的通信，但存在建立时间和空闲浪费。

报文交换以整个消息为单位存储转发：中间设备收齐整份消息后再发送。分组交换把消息切成小块，各组带控制信息，收齐一组就可转发。

小分组能够在不同链路上同时前进，形成流水线，也避免一份长消息一直占据出口。

• 分组按需竞争出口称为统计复用。
• 空闲用户不占固定份额，突发流量可以更充分利用链路；
• 同时到来的分组仍需排队，缓冲区满会丢包。
• 数据报方式让分组独立转发；
• 虚电路方式先建立逻辑路径，再用标识沿路径转发。
• 虚电路并不自动预留整条电路的带宽。

“面向连接”描述通信前是否建立状态；“可靠”描述是否提供差错恢复、按序等保证。两者要分别判断，不能只凭是否建立连接推断可靠性。

两种速度与四种时间¶

比特 bit 只有 0、1，字节 Byte 含 8 bit。网络速率通常按十进制：\(1\text{ Mb/s}=10^6\text{ bit/s}\)。所以 \(2\text{ MB/s}=16\text{ Mb/s}\)。容量题若明确使用 1024 进制，则依题意换算。

• 串联 100、20、50 Mb/s 链路，在没有其他限制时，持续吞吐量最多为瓶颈的 20 Mb/s。
• 时延描述一份数据要等多久，高吞吐量和低时延是不同指标。

设分组长 \(L\) bit，速率 \(R\) bit/s，距离 \(d\) m，信号传播速度 \(v\) m/s：

发送是把比特逐个放进线路，传播是信号在介质中前进。处理时延用于检查和选路，排队时延用于等待出口空闲；一次转发的总时延由这四项组成。

往返时间 RTT 是一次往返所需时间，题目若已给 RTT，不能再乘 2。

时延带宽积 \(R\times t_{\mathrm{传播}}\) 表示一条满载链路中约有多少比特同时在传播；若采用 RTT 作时间，表示维持往返流水线可能需要的在途数据规模。

这个乘积可以直接用单位理解：\((\text{bit/s})\times\text{s}=\text{bit}\)。上例链路的时延带宽积为 \(12\times10^6\times0.002=24000\) bit，即 3000 B。这些比特同时分布在线路不同位置。

它描述在途容量；一个 1500 B 包能否进入线路，并不要求它大于这个容量。

练习 1¶

练习 2¶

多跳怎样画时间线¶

存储转发要求收到完整分组后才能向下一跳发送。一个分组经过 \(H\) 条相同速率链路，忽略处理排队，每条传播时间为 \(p\)，发送时间为 \(s=L/R\)，完整到达时间是 \(H(s+p)\)。

连续发送 \(N\) 个等长分组时，第一个分组仍需上述时间，之后每隔 \(s\) 到达一个，因此末组到达时间为

遇到不等速链路或不同长度分组，就逐组画时间线。每一跳的开始发送时刻取“本组已完整到达”和“出口发送完上一组”两者的较晚值，再加本跳发送与传播时间。这一规则比记更多特殊公式可靠。

把这一规则写成三个可执行步骤，设本跳发送时间为 \(s\)、传播时间为 \(p\)：

\(\max\) 表示取较大值：数据到齐和出口空闲两个条件都满足，才能开始。

练习 3¶

开销与排队怎么算¶

若每帧载荷 \(P\) B、首尾开销 \(O\) B，无空隙和重传，链路满载时有效速率为 \(R\times P/(P+O)\)。

例如 10 Mb/s 链路传 800 B 载荷加 200 B 开销，有效率为 8 Mb/s。

有帧间隔、前导码、重传时，这些还要算入占用时间；不能只扣 IP 首部就称作应用有效速率。

设平均到达率为 \(\lambda\) 帧/s，每帧服务时间为 \(s\) 秒，利用率 \(\rho=\lambda s\)。稳定队列通常要求长期输入不超过处理能力，但平均负载较小仍可能因突发而排队。

只给利用率，通常不足以唯一计算排队时延，还需要到达与服务模型。

稳定长期观察中，Little 定律为 \(\bar N=\lambda\bar T\)：平均系统内帧数等于平均到达率乘平均逗留时间。若只算等待队列，则使用排队时间，不含服务时间。

例如每秒到 400 帧、平均逗留 5 ms，系统平均 2 帧；其中服务时间 1 ms，则排队平均 \(400\times0.004=1.6\) 帧。平均值允许不是整数。

练习 4¶

记忆要点¶

下一章：物理层。返回：课程路线。