计算机网络性能

速率

速率即数据率（data rate）或称数据传输速率或比特率（bit rate）

• 单位时间(秒)内传输信息（比特）量
• 计算机网络中最重要的一个性能指标
• 单位：b/s bps kb/s Mb/s Gb/s
• k = 10^3, M = 10^6, G = 10^9
• 速率往往是指额定速率或标称速率

带宽

带宽原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）
但计算机网络中的带宽，通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位：b/s(bps)（数据传输速率）
常用的带宽单位：

• kb/s (10^3 b/s)
• Mb/s (10^6 b/s)
• Gb/s (10^9 b/s)
• Tb/s (10^12 b/s)

延迟/时延（delay 或 latency）

分组交换可能会产生丢包和时延，因为分组会在路由器缓存中排队：

• 当分组到达速率超出输出链路容量时

• 分组排队，等待输出链路可用

  
  
  分组交换-丢包-时延.png
  
  

  四种分组延迟：

• 结点处理延迟：分组到了路由器，路由器对该分组进行处理，相应的检查之类的，相对来说较小，毫秒级，一般可以忽略
• 排队延迟：当分组确定从哪个链路向外传输，而那个链路刚好在传输别的分组时，就需要排队。排队延迟时间取决于路由器当前状况，不确定
• 传输延迟：路由器在第一个bit开始传输，到最后一个bit传播
• 传播延迟：和链路长度，信号传播速度有关.
  
  四种分组延迟.png
  
  
  四种分组延迟-1.png

四种分组延迟-2.png

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 × 贷款

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，可以说某段链路有多少比特..

时延带宽积.png

吞吐量/率（throughput）

吞吐量：表示在发送端和接收端之间传送数据速率b/s

• 即时吞吐量：给定时刻的速率

• 平局吞吐量：一段时间的平均速率

• 瓶颈链路：端到端的路径上，限制端到端吞吐量的链路（最小的那个）

网络体系结构

OSI参考模型

开放系统互连（OSI）参考模型是由国际标准化组织（ISO）于1984年提出的分层网络体系结构模型（一个理论模型）

• 7层，每层完成特定的网络功能
• 目的是支持异构网络系统的互联互通
• 异构网络系统互连的国际标准

• 理解网络通信的最佳学习工具（理论模型）：理论成功，市场失败

  
  
  OSI参考模型.png

OSI参考模型解释的通信过程.png

如图所示，是OSI参考模型解释的通信过程，对等层之间以协议来交换，但途中是虚线，表示并非实际上到达，而最终实际通信，是离不开物理介质的。实现描述的是数据真正流动的方向，虚线描述的是协议规定的对等层之间如何交换数据。

OSI参考模型数据封装与通信过程.png

每一层加上自己的头部信息，传给下一层。

数据封装

增加控制信息：

• 构造协议数据单元（PDU）

控制信息主要包括：

• 地址：标识发送端/接收端
• 差错检测编码（Error-detecting code）：用于差错检测或纠正（并非所有的协议都会加上差错控制）
• 协议控制（protocol control）：实现协议功能的附加信息，如：优先级、服务质量、和安全控制等

先来看看三个底层，非端到端层次.

物理层

物理层解决了单一bit的传输

物理层功能.png

• 接口特性：机械特性，电气特性，功能特性，规程特性
• 比特编码
• 数据率
• 比特同步：时钟同步
• 传输模式：1.单工 2.半双工（只能交替进行，例如对讲机） 3.全双工（可以同时进行，一般采用独立的两个信道）

数据链路层

数据链路层示意图.png

• 负责结点-结点数据传输
• 组帧（加头加尾）
• 物理寻址：在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端

数据链路层功能.png

• 流量控制（flow control）:避免淹没接收端（匹配发送端的发送速度和接收端的接收速度）
• 差错控制（error control）：检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧
• 访问（接入）控制（access control）：在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

网络层

网络层负责源主机到目的主机数据分组交付，可能穿越多个网络

• 逻辑寻址：全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址

路由(routing):

• 路由器（或网关）互连网络，并路由分组至最终目的主机
• 路径选择

分组转发：

网络层功能.png

传输层

传输层功能.png

传输层负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输

• 分段与重组
• SAP寻址： 确保将完整报文提交给正确进程，如端口号
• 连接控制
• 流量控制
• 差错控制

会话层

会话层功能.png

会话层并不会进行分割，主要有以下功能：

• 对话控制：建立、维护
• 同步：在数据流中插入“同步点"

表示层

表示层功能.png

处理两个系统间交换信息的语法与语义问题

• 数据表示转化：转换为主机独立的编码
• 加密/解密
• 压缩/解压缩

应用层

应用层功能.png

• 文件传输 FTP
• 电子邮件 SMTP
• Web（HTTP）
• ...

TCP/IP参考模型

TCP/IP有四层:

TCP/IP参考模型.png

5层参考模型

从理论到实践，都应用最多的模型

• 综合OSI和TCP/IP的优点：

  
  
  5层参考模型.png
  
  
  5层模型的数据封装.png
  
  

  从图中可看出，交换机是两层，路由器是三层。