计算机网络——联网和交换

2019 / 08 / 12

联网

我相信所有的人都听过一个叫做 物联网 的概念,其实物联网也来自于互联网。互联网的发展非常迅速,从最开始的pc机到现在的各种各样的设备都能联网,各种联网的电器设备以及越来越普遍的出现在普通家庭中了,比如可以用软件控制一个电饭煲来煮一锅粥,或者告诉蓝牙音箱,让他关掉客厅的灯。可以想象所有的物品都与因特联网连接之后的世界是一个多么宏伟和便捷。

物联网连接也会对因特网提出更高的要求,无论是安全上还是速度或者性能。

这些可以联网的设备都叫做 端系统 ,端系统可以是个主机,服务器,客户端,也可能只是一个手表,眼睛,只要拥有网络数据接受和传输能力都可以称之为端系统,比如摄像头。这些设备联网的过程叫做接入网,接入网的方式很多。

DSL数字用户线 通过本地电话接入电信局的方式,是通过电话线接入,电话线的0-4kHz为电话。4-50kHz是上行数据,50kHz-1MHz为下行数据。这样就可以不用通过新的线来联网了。

电缆 DSL利用用了电话基础系统,和电缆接入是利用有线电视基础系统来完成的。

光纤到户 从本地ISP直接拉一条光纤到用户住宅,光纤的速度比电缆和DSL都要快很多。

以太网 在校园和公司中都是使用以太网系统,以太网会设置一个独立的交换机,然后每个人登记之后会联入校园的以太网,然后再把整个校园接入地方的ISP,以太网本身也是一个互联网。

wifi 是目前非常常见的一种接入网方式,wifi是一种局域网(LAN)技术,通过IEEE 802.11技术实现了终端到接入点的连接。现代的wifi已经可以提供高达100Mbps的传输速率。

3G到5G 广域网技术一直是电信公司研究投入的一个重点,最初的3G网已经快要升到5G。广域网技术的便捷性和移动性极大的提高了联网体验。

目前联网越来越快,越来越简单,越来越廉价以至于很多人已经分不清什么时候自己已经处于网络中了。尤其是wifi和广域网技术,让人们习惯性的处于网络中,接入网不需要任何操作,接入网比接入电还简单,因特网就像空气一样于人类共存着。

交换

联网之后的最重要的事情就是传输数据了,端系统之间传输数据通常是分组交换或者电路交换。

分组交换和电路交换

电路交换是最早期的通信交换方式,而通信要比计算机的历史长很多,电话和FM都在使用这种传输方式。电路交换是在双方之间建立一条直接的被双方占用的 信道,然后通过这个信道进行数据传输,而分组交换类似于现在的快递,分组交换的前身是报文交换,但以报文为单位传输可能会造成很多效率的丢失。所以需要通过打包,分类,然后传输过去之后,再经过整合,拆包,最后发到用户,中间并不是一条很多用户公用的信道,他们的数据被贴上标签之后就能准确的到达目的地了。

作为一个web开发者,我们用到的数据交换方式几乎都是分组交换,分组交换的前身是报文交换,TCP/IP协议更适合分组交换,当然电路交换也可以传输报文数据,只是会有一种高速公路上设立红绿灯的感觉,协议的很多内容会很多余。

时延,丢包和吞吐量

我们期望因特网可以在任意两个端系统之间随心所欲的瞬间移动数据而没有任何数据丢失,但这个是一个极高的目标,现实生活中难以达到。于是引入了时延和吞吐量这些概念来表示网络质量,由于不佳的网络状况可能导致很多信息不及时,不准确产生的问题,比如几秒钟的时延可能会导致无人驾驶的汽车出现较大的错误判断而酿成大祸。

这三个概念在生活中其实很容易遇到,直白的说,时延类似于游戏中的延迟,王者荣耀的446ms的时延意味着比别人要慢半拍行动,而巨大的时延也会导致丢包,所以就会造成卡顿,而吞吐量可以理解为网速,吞吐量小或者网速慢的问题导致的问题最常见的就是加载慢,看电视不流畅。

时延,丢包和吞吐量的概念最好还是不要太过于直白的理解为延迟,卡和网速慢。作为一个严肃的计算机要素,应该建立准确一致的概念。

电路交换其实传输时延很小,也很少需要讨论电路交换的一些时延问题,电路交换最大的问题就是建立连接比较麻烦,而且因为独占信道所以会比较奢侈。

分组交换就像发快递一样,要各种整理,各种检查所以会导致一系列的时延,主要包括

处理时延 分析要去哪,要怎么去的时间

排队时延 等待链路传输时排队的时延,如果对排满了,就会发生丢包

传输时延 将比特推向链路所需要的时间

传播时延 在链路中传输所需要的时间

吞吐量 是一个端到另一个端单位时间数据的传输量,与吞吐量类似的概念是带宽,带宽是链路的一个性能指标,表示某个链路单位时间能传输的数据量,比如10Mbps的带宽,意味着接入的这个链路单位时间可以传10Mb的数据。但是实际的传输速度和要比带宽小的,因为传输过程中的链路很多,而实际传输总是以最低的那条链路的速度为基准的,再加上各种计算或者干扰,实际的传输速度要低于带宽,而这个实际的传输速度就是指吞吐量。

吞吐量这个词不止用在网络中,某个港口的吞吐量指港口装货卸货的能力,机场的吞吐量可以衡量他的载客能力。

MB/s和Mbps

还是把这两个东西拎出来讲一下吧,其实Mbps和Mb/s是一样的,p的含义就是per,所以常看到的50Mbps或者百兆光纤,说的都是Mb,不是MB。

额,有点谜,大写和小写而已搞得很复杂的样子。

百兆光纤的传输速度并不是百兆每秒而是12.5MB/s,因为传输速度的数据量经常用比特bit衡量,而下载量却使用字节byte衡量,而

1 byte = 8 bit

而byte简写为B,后者为b,所以网速的Mb和下载的MB却是8倍的区别。所以如果看到Mbps立马除以8,这个时候就是最大网速了。

光纤为什么更快

首先这是一个错误的命题,光纤是光信号,电缆是电信号,他们都是光速传播,所以光纤和电缆传播速度是一样的,那么为什么光纤传输数据更快呢。

这个问题首先需要知道的是数据是怎么传输的,数据是二进制的,就是一堆字0101010001之类的,但是电和光是怎么传输数据的。

电和光都是通过振动来表示数据的,就像病房里的心电图一样用来形容一个人的健康状态,二进制的振动很容易表达,比如振幅大于50为1,否则为0。所以振动的次数就是传递的数据量,所以振动的快意味着传输数据快。从频率到带宽有着固定的计算公式,叫做香农定理。而光的频率很高所以光纤很快。

参考文章

无线数字通信中数据速率,载波频率和带宽的关系

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(๑>ω<๑) 又是元气满满的一天哟