計算機網(wǎng)絡性能

速率

速率即數(shù)據(jù)率（data rate）或稱數(shù)據(jù)傳輸速率或比特率（bit rate）

• 單位時間(秒)內(nèi)傳輸信息（比特）量
• 計算機網(wǎng)絡中最重要的一個性能指標
• 單位：b/s bps kb/s Mb/s Gb/s
• k = 10^3, M = 10^6, G = 10^9
• 速率往往是指額定速率或標稱速率

帶寬

帶寬原本指信號具有的頻帶寬度，即最高頻率與最低頻率之差，單位是赫茲（Hz）
但計算機網(wǎng)絡中的帶寬，通常是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”，單位：b/s(bps)（數(shù)據(jù)傳輸速率）
常用的帶寬單位：

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

延遲/時延（delay 或 latency）

分組交換可能會產(chǎn)生丟包和時延，因為分組會在路由器緩存中排隊：

• 當分組到達速率超出輸出鏈路容量時

• 分組排隊，等待輸出鏈路可用

  
  
  分組交換-丟包-時延.png
  
  

  四種分組延遲：

• 結點處理延遲：分組到了路由器，路由器對該分組進行處理，相應的檢查之類的，相對來說較小，毫秒級，一般可以忽略
• 排隊延遲：當分組確定從哪個鏈路向外傳輸，而那個鏈路剛好在傳輸別的分組時，就需要排隊。排隊延遲時間取決于路由器當前狀況，不確定
• 傳輸延遲：路由器在第一個bit開始傳輸，到最后一個bit傳播
• 傳播延遲：和鏈路長度，信號傳播速度有關.
  
  四種分組延遲.png
  
  
  四種分組延遲-1.png

四種分組延遲-2.png

時延帶寬積

時延帶寬積 = 傳播時延 × 貸款

鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度，可以說某段鏈路有多少比特..

時延帶寬積.png

吞吐量/率（throughput）

吞吐量：表示在發(fā)送端和接收端之間傳送數(shù)據(jù)速率b/s

• 即時吞吐量：給定時刻的速率

• 平局吞吐量：一段時間的平均速率

• 瓶頸鏈路：端到端的路徑上，限制端到端吞吐量的鏈路（最小的那個）

網(wǎng)絡體系結構

OSI參考模型

開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型是由國際標準化組織（ISO）于1984年提出的分層網(wǎng)絡體系結構模型（一個理論模型）

• 7層，每層完成特定的網(wǎng)絡功能
• 目的是支持異構網(wǎng)絡系統(tǒng)的互聯(lián)互通
• 異構網(wǎng)絡系統(tǒng)互連的國際標準

• 理解網(wǎng)絡通信的最佳學習工具（理論模型）：理論成功，市場失敗

  
  
  OSI參考模型.png

OSI參考模型解釋的通信過程.png

如圖所示，是OSI參考模型解釋的通信過程，對等層之間以協(xié)議來交換，但途中是虛線，表示并非實際上到達，而最終實際通信，是離不開物理介質(zhì)的。實現(xiàn)描述的是數(shù)據(jù)真正流動的方向，虛線描述的是協(xié)議規(guī)定的對等層之間如何交換數(shù)據(jù)。

OSI參考模型數(shù)據(jù)封裝與通信過程.png

每一層加上自己的頭部信息，傳給下一層。

數(shù)據(jù)封裝

增加控制信息：

• 構造協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）

控制信息主要包括：

• 地址：標識發(fā)送端/接收端
• 差錯檢測編碼（Error-detecting code）：用于差錯檢測或糾正（并非所有的協(xié)議都會加上差錯控制）
• 協(xié)議控制（protocol control）：實現(xiàn)協(xié)議功能的附加信息，如：優(yōu)先級、服務質(zhì)量、和安全控制等

先來看看三個底層，非端到端層次.

物理層

物理層解決了單一bit的傳輸

物理層功能.png

• 接口特性：機械特性，電氣特性，功能特性，規(guī)程特性
• 比特編碼
• 數(shù)據(jù)率
• 比特同步：時鐘同步
• 傳輸模式：1.單工 2.半雙工（只能交替進行，例如對講機） 3.全雙工（可以同時進行，一般采用獨立的兩個信道）

數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層示意圖.png

• 負責結點-結點數(shù)據(jù)傳輸
• 組幀（加頭加尾）
• 物理尋址：在幀頭中增加發(fā)送端和/或接收端的物理地址標識數(shù)據(jù)幀的發(fā)送端和/或接收端

數(shù)據(jù)鏈路層功能.png

• 流量控制（flow control）:避免淹沒接收端（匹配發(fā)送端的發(fā)送速度和接收端的接收速度）
• 差錯控制（error control）：檢測并重傳損壞或丟失幀，并避免重復幀
• 訪問（接入）控制（access control）：在任一給定時刻決定哪個設備擁有鏈路（物理介質(zhì)）控制使用權

網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層負責源主機到目的主機數(shù)據(jù)分組交付，可能穿越多個網(wǎng)絡

• 邏輯尋址：全局唯一邏輯地址，確保數(shù)據(jù)分組被送達目的主機，如IP地址

路由(routing):

• 路由器（或網(wǎng)關）互連網(wǎng)絡，并路由分組至最終目的主機
• 路徑選擇

分組轉(zhuǎn)發(fā)：

網(wǎng)絡層功能.png

傳輸層

傳輸層功能.png

傳輸層負責源-目的（端-端）（進程間）完整報文傳輸

• 分段與重組
• SAP尋址： 確保將完整報文提交給正確進程，如端口號
• 連接控制
• 流量控制
• 差錯控制

會話層

會話層功能.png

會話層并不會進行分割，主要有以下功能：

• 對話控制：建立、維護
• 同步：在數(shù)據(jù)流中插入“同步點"

表示層

表示層功能.png

處理兩個系統(tǒng)間交換信息的語法與語義問題

• 數(shù)據(jù)表示轉(zhuǎn)化：轉(zhuǎn)換為主機獨立的編碼
• 加密/解密
• 壓縮/解壓縮

應用層

應用層功能.png

• 文件傳輸 FTP
• 電子郵件 SMTP
• Web（HTTP）
• ...

TCP/IP參考模型

TCP/IP有四層:

TCP/IP參考模型.png

5層參考模型

從理論到實踐，都應用最多的模型

• 綜合OSI和TCP/IP的優(yōu)點：

  
  
  5層參考模型.png
  
  
  5層模型的數(shù)據(jù)封裝.png
  
  

  從圖中可看出，交換機是兩層，路由器是三層。