02. 计算机网络

计算机网络的定义

• 计算机网络的精确定义并未统一
• 计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合
  – 互连：是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信
  – 自治：是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用
  – 集合：是指至少需要两台计算机
  
• 很显然上图不是计算机网络：图中所示的各终端机只是具有显示和输入设备的终端，而不是自治的计算机。因此，这只是一个运行分时系统的额大型机系统
• 计算机网络的较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来设置实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传输多种不同类型的数据，并能够支持广泛和日益增长的应用
  
• 计算机网络所连接的硬件，并不局限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件
• 计算机网络并非专门用来传输数据，而是能够支持很多种应用（包括今后可能出现的各种应用）

计算机网络的分类

按交换技术分类

• 电路交换网络
• 报文交换网络
• 分组交换网络

按网络使用者分类

• 公用网：是指电信公司出资建造的大型网络。“公用”的意思就是所有愿意按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用这种网络，因此公用网也称为公众网
• 专用网：是指某个部门为本单位的特殊业务工作的需要建造的网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务，例如：军队、铁路、电力等系均有本系统的专用网

按传输介质分类

• 有线网络：包括双绞线网络、光纤网络等
• 无线网络：无线局域网所使用的WiFi技术，目前应用比较普遍

按覆盖范围分类

• 广域网WAN：广域网的覆盖范围通常为几十公里到几千公里，可以覆盖一个国家、地区、甚至横跨几个洲，因而有时也称远程网！广域网是因特网的核心部分，其任务是为核心路由器提供远距离（例如，跨越不同的国家）高速连接，互连分布在不同区域的城域网和局域网
• 城域网MAN：城域网的覆盖范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离为5~50公里，城域网通常作为城市骨干网，互连大量企业、机构和校园局域网！近几年，城域网已经开始成为现代城市的信息服务基础设施，为大量用户提供接入和各种信息服务，并有趋势将传统的电信服务、有线电视服务和互联网服务融为一体
• 局域网LAN：局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，速度通常在10Mbit/s以上，但地理上则局限在较小非范围内，如一个实验室、一栋楼或一个校园内，距离一般在1公里左右！局域网通常由某个单位单独拥有、使用和维护。在局域网发展的初期，一个学校或工厂往往只拥有一个局域网，现在局域网已经被广泛的使用，一个学校或企业大都拥有许多互连的局域网，这样的网络通常称为校园网或企业网
• 个域网PAN：个域网是个人区域网络的简称，它不同于上述的网络，不是用来连接普通的计算机的，而是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备，例如：便携式计算机、打印机、鼠标、键盘、耳机等用无线技术连接起来的网络，因此，也常称为无线个人区域网WPAN，其覆盖范围大概约为10米！需要注意的是，若中央处理机之间的距离非常近，例如，仅1米的数量级甚至更小，则一般称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络

按拓扑结构分类

• 总线型网络：使用单根传输线把计算机连接起来，它的优点是建网容易、增减结点方便、节省线路；缺点是重负载时通信效率不高，总线任意一处出现故障，则全网瘫痪
• 星型网络：是将每个计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备早期是计算机，后期是集线器，现在一般是交换机或路由器。这种网络拓扑便于网络的集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备。缺点是成本高，中央设备对故障敏感
• 环形网络：是将所有计算机的网络接口连接成一个环，最典型的例子是令牌环局域网。环可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的
• 网状型网络：一般情况下，每个结点至少由两条路径与其他结点相连。多用在广域网中。其优点是可靠性高，缺点是控制复杂、线路成本高！
  
• 以上4中基本的网络拓扑还可以互连为更为复杂的网络

计算机网络的性能指标

• 性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能
• 常用的计算机网络的性能指标有以下8个：
  – （1）速率
  – （2）带宽
  – （3）吞吐率
  – （4）时延
  – （5）时延带宽积
  – （6）往返时间
  – （7）利用率
  – （8）丢包率

速率

• 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称比特率或数据率，单位为bps（bit/s或b/s）
• 数据量单位（比特单位）
  – 1 Byte = 8 bit
  – 1 KB = 2¹⁰ B = 1024 Byte
  – 1 MB = 2¹⁰ KB = 2²⁰ B = 1024 X 1024 Byte
  – 1 GB = 2¹⁰ MB = 2³⁰ B = 1024 X 1024 X 1024 Byte
  – 1 TB = 2¹⁰ GB = 2⁴⁰ B = 1024 X 1024 X 1024 X 1024 Byte
• 速率单位
  – 1 kbps = 10³ bps
  – 1 Mbps = 10³ kbps = 10⁶ bps
  – 1 Gbps = 10³ Mbps = 10⁶ kbps = 10⁹ bps
  – 1 Tbps = 10³ Gbps = 10⁶ Mbps = 10⁹ kbps = 10¹² bps
• 有一个待发送的数据块，大小为100MB，网卡的发送速率为100 Mbps，则网卡发送完该数据块需要多长时间？
  – 精确计算：(100 x 1024 x 1024 x 8 )b / (100 x 1000 x 1000)b/s = 8.388608s
  – 大概计算：数据量也取1000为倍数： (100 x 8)Mb / 100Mb/s ≈ 8s

带宽

带宽在模拟信号系统的意义

• 信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围
• 单位：Hz（kHz、MHz、GHz）

带宽在计算机网络中的意义

• 用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一结点到另一结点所能通过的“最高数据率”

• 单位：bps（kbps、Mbps、Gbps、Tbps）

• 带宽是一个很重要的计算机网络性能指标，它直接关系到我们的网络应用体验

• 当有人问你：你家的出口网速有多大？你的回答可能是200M，完整的描述是“最高速率为200Mbps”，这个最高速率就是你们家的出口带宽

• 带宽的两种描述（模拟信号的描述 vs 计算机网络中描述）之间有着密切的联系：一条通信线路的“频带宽度”越宽，其所传输数据的“最高数据率”也越高

• 带宽应该可以理解为通信链路上的结点向通信链路上发送比特的速度

吞吐量

• 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
• 吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据能够通过网络
• 吞吐量受网络带宽或额定速率的限制
  
• 这是一个带宽为1Gb/s的以太网，其吞吐量受带宽限制，最高为1Gb/s，通常只能达到700Mb/s

时延

• 分组从源主机传送到目的主机的过程中，都会在那些地方产生时延
  
• 分组数据包从①的位置到②的位置，即数据包从主机里面发送到通信链路上（从第一个比特到最后一个比特）需要花费一定的时间：发送时延
• 分组数据包的信号在通信链路上传输需要花费时间：传播时延，例如从②的位置到③的位置
• 路由器对分组数据包进行存储转发需要花费时间：处理时延
• 一般来说，源主机与目的主机之间的路径会有多段链路和多个路由器构成的，因此会有多个传播时延和处理时延
• 网络时延由三部分构成：发送时延、传播时延和处理时延
  

发送时延

• 发送时延的计算公式为：分组长度 / 发送速率！发送速率如下：家庭局域网的一部分，网卡的发送速率，信道带宽，交换机的接口速率，它们共同决定着主机的发送速率：在构建网络时，应该做到各设备间以及传输介质的速率匹配，这样才能完全发挥出本应该有的传输性能！目前主流的家庭局域网的带宽是1000M
  

传播时延

• 传播时延的计算公式：信道长度 / 电磁波传播速率！电磁波在不同介质中的传播速率是不一样的！所以要计算传播时延，首先应该确定采用的是什么传播媒体，进而可以确定电磁波在该传输媒体中的传播速率
• 处理时延没有简单的计算公式，因为它不方便计算。因为网络中的数据流量是动态变化的，因此，路由器的繁忙程度也是动态变化的；另外，各种路由器的软硬件性能也可能有所不同，因此，很难用一个公式计算出处理时延！有的教材中还有一个排队时延（分组数据包在路由器中的排队等待时间），在这里将排队时延与处理时延合并为处理时延
• 数据块长度为100MB，信道带宽为1Mbps，传送的距离为1000Km，计算发送时延与传播时延：
  – 发送时延：(100 x 1024 x 1024 x 8b) = / (1000 x 1000b/s) = 838.8608s
  – 传播时延：(1000 x 1000m) / (3 x 10^8m/s) = 3.33ms
  
  • 在这里发送时延占主导
  • 数据块长度为100MB，信道带宽为1Mbps，传送的距离为1000Km，计算发送时延与传播时延
    – 发送时延：(8b) = / (1000 x 1000b/s) = 8us
    – 传播时延：(1000 x 1000m) / (3 x 10^8m/s) = 3.33ms
    
• 在这里发送时延占主导
• 构成网络时延的发送时延、传播时延以及处理时延，在处理时延忽略不计的情况下，我们不能想当然的认为发送时延占主导或传播时延占主导，而是应该具体问题具体分析

排队时延

处理时延

• 时延错误的概念1：在宽带线路上比特传播的比较快；在窄带线路上比特传播的比较慢
  – 时延正确的概念：在宽带与窄带线路上比特传播的速度是一样的，都是电磁波在介质中的传播速度
  – 宽带线路：每秒有更多的比特从计算机的网卡注入到线路
  
  – 宽带线路与窄带线路的比特传播速度一样，宽带线路上的比特与比特之间的距离缩短（类似于车速一样，车距缩短）
  – 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是比特的发送速率而不是比特在链路上的传播速率
• 时延错误的概念2：宽带相当于“多车道”，通信线路上的通信都是串行的
  
  

时延带宽积

• 若发送端连续发送数据，则在发送的第一比特即将达到重点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

往返时间

• 在许多情况下，因特网的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的
• 我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间
• 因此，往返时间RTT（Round-Trip Time）也是一个重要性的指标
  
• 以太网上的某台主机要与无线局域网中的某台主机进行信息交互，往返时间RTT是指，从源主机发送分组开始，直到源主机收到目的主机的确认分组为止所需要的时间
• 分组是在以太网上耗时较多，还是在无效局域网耗时较多，还是在卫星链路上耗时较多？在卫星链路上耗时较多，一般情况下，卫星链路距离比较远，所带来的传播时延比较大。例如，地球同步卫星距离地球36000公里，那么可以计算出同步卫星转发分组所带来的传播时延大约为240ms
  

利用率

• 信道利用率：用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）
• 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均
• 根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加，因此，信道利用率并非越高越好
• 如果D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示D、D0和利用率U之间的关系：D = D0 / (1 - U)
  – 当网络的利用率达到50%时，时延就要加倍
  – 当网络的利用率超过50%时，时延急剧增大
  – 当网络的利用率接近100%时，时延就趋于无穷大
  – 因此，一些拥有较大主干网的ISP通常会控制它们的信道利用率不超过50%，如果超过了，就要准备扩容，增大线路的带宽
• 也不能使信道利用率太低，这会使宝贵的通信资源白白浪费，应该使用一些机制，可以根据情况动态调整输入到网络中的通信量，使网络利用率保持在一个合理的范围内
  

丢包率

• 是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比例
• 丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等
• 丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但是对于普通用户来说往往并不关心这个指标，因为他们通常意识不到网络丢包
• 分组丢失主要有两种情况：
  – 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃
  
  – 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃，在通信量较大时就可以造成网络拥塞！当结点交换机（路由器）输入缓冲区已满，此时主发送的分组达到该路由器时，路由器没有存储器空间暂存该分组，只能将其丢弃！实际上，路由器会根据自身的拥塞控制方法，在输入缓存还未满的时候就主动丢弃分组
• 所以，丢包率反应了网络 的拥塞情况
  – 无拥塞时路径丢包率为0
  – 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%
  – 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%
• 当网络丢包率较高时，通常无法使网络应用正常工作

最后

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