计算机网络：性能指标与体系结构参考模型

1、计算机网络性能

速率

速率又称数据率、数据传输速率、比特率，是单位时间内传输的数据量，单位 b/s 或 bps。
速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，通常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的差值，单位为hz。
在计算机网络中，带宽指数字信道所能传输的最大速率，单位 b/s 或 bps。

吞吐量

吞吐量是发送端和接收端之间的数据传输速率，主机之间的实际传输速率，单位 b/s 或 bps。
即时吞吐量是某一时刻的传输速率；平均吞吐量是一段时间内的平均传输速率。

速率、带宽、吞吐量的区别

速率：指数字信道的额定速率或标称速率，可以理解为数字信道设计达到的目标速度。
此外，速率常用于表述当前网络实际传输速度这一个动态变化的概念。
带宽：指数字信道所能传输的最大速率，是在不考虑延迟等情况下所能达到的最高速率。
吞吐量：指实际情况下网络中的两台主机交换数据的速率，需要考虑网络信道间的带宽差异，网络的拥挤程度，硬件的处理能力与软件算法等多方面因素的影响。

以桥打个比方：
速率是造桥时工程师设计的桥每日可容纳的通车数量，是理论值；
带宽是桥建成后，在无其它条件影响的情况下，桥每日最大的通车数量；
吞吐量是桥投入使用后，每天实际的通车数量。

延迟 / 时延

数字链路的数据容量和路由器单位时间内能处理的数据有限。当数据到达的速率大于输出链路容量时，或者当需要处理的数据量大于路由器的处理能力时，后来的数据等待先来数据处理，这一现象称为排队。当路由器的缓存被占满时，后来的数据就会被丢弃，这一现象称为丢包。
由于排队和丢包的存在，以及数字信道的物理特性和网络性能，延迟是不可避免的现象。
对于分组交换，延迟可以分成以下四种类型：

1. 结点处理延迟(dproc)：
   是数据经过网络结点时进行差错检测、确定输出链路时产生的延迟，通常极小(< msec)。
2. 排队延迟(dqueue)：
   是数据从进入路由器到输入链路可用期间等待的时间，取决于路由器的拥挤程度。
3. 传输延迟(dtrans)：
   是数据分组大小与带宽的比值，表示数据分组传输完成所需的时间。dtrans = L / R。
4. 传播延迟(dprop)：
   是信号传播速度与链路长度的比值，表示数字信号在信道中传播产生的延迟。dprop = d / s。

再以桥打个比方：
传输延迟是车队通过桥头/桥尾收费站的时间，而传播延迟是从桥头到桥尾所需的时间。

时延带宽积

时延带宽积是延迟与带宽的乘积，表示一个链路中最多能容纳的数据量(比特数)。
时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

2、计算机网络体系结构

计算机网络是一个非常复杂的系统，有应用、主机、协议、路由器、链路等许多组成部分。为了便于学习和研究，需要建立计算机网络的体系结构模型。其中，分层结构能有效地描述网络的系统结构。
分层结构是一种每一层都完成一种特定的功能和服务的结构模型，其结构清晰，有利于识别复杂的系统，易于系统维护更新，便于标准化，因此是有效描述网络的一种模型。但分层太多，容易造成模型过于复杂。

计算机网络体系结构

特点：
1、计算机网络体系结构是一种分层结构
2、计算机网络体系结构从功能上描述计算机网络
3、每层遵循某个 / 某些网络协议完成本层功能
4、计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
5、计算机网络体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
6、计算机网络体系结构是抽象的
基本概念与规则：
实体是任何可接收或发送信息的硬件或软件进程。
协议控制两个对等实体进行通信的规则的集合。协议是水平的。
任一层的实体需要使用下层的服务，遵循本层的协议，并向上层提供服务。服务是垂直的。
下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。
同系统的相邻层次的实体之间通过接口进行交互，通过服务访问点交换原语，请求特定服务。

OSI参考模型

OSI参考模型是ISO于1984年提出的分层网络体系结构模型，目的是支持异构网络的互联互通。
OSI参考模型是理解网络通信的学习工具，但在市场上遭遇失败。

OSI参考模型共分为七层，每层完成特定的功能：

其中，中间系统(中间网络结点)只有后三层；前四层又统称为端到端层。

当用户数据在各层中传递时，每一层都会进行数据封装。
数据封装能增加控制信息以构造协议数据单元，并添加地址、协议控制与差错检测等信息。

七层各自的功能如下：

物理层：
描述信道接口的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性等信息；
将数据链路层的信息进行比特编码；
定义数据传输速率；
利用时钟同步达成比特同步；
定义信道的传输模式（单工，半双工，全双工）。

数据链路层：
负责相邻结点-结点的数据传输；
构造帧作为数据传输的单位；
通过帧头添加物理地址标识数据达到物理寻址；
进行流量控制、差错控制和访问控制；

网络层：
负责源主机到目的主机的数据分组交付；
通过全局唯一逻辑地址，达到逻辑寻址；
路由与转发；

传输层：
负责源-目的(端-端与进程间)的完整报文传输；
对完整报文进行分段与重组；
负责端-端连接的建立、维护与拆除(不同于电路交换)；
进行SAP寻址，确定完整报文交给正确进程；
进行连接控制，流量控制，差错控制；

会话层：
进行对话控制，负责对话的建立与维护；
在数据流中插入同步控制点，达到同步；
“最薄的一层”；

表示层：
解决语法和语义问题，进行数据表示转化，负责主机相关的编码与主机独立的编码相互转换；
负责数据的加密与解密，压缩与解压缩；

应用层：
支持用户通过用户代理与网络接口使用服务。

TCP/IP参考模型

TCP/IP参考模型共有4层：

在TCP/IP参考模型中，所有网络应用与传输协议均建立在IP之上，所有网络接口均能封装和传输IP分组，整个模型以IP为核心。
Everything Over IP.

五层参考模型

五层参考模型综合了TCP/IP参考模型和OSI参考模型的优点。

其中，交换机只有后两层；路由器只有后三层。

五层各自的功能概要如下：

应用层：支持各种网络应用，如FTP、SMTP、HTTP等；
传输层：负责进程-进程的数据传输；
网络层：负责源主机到目的主机的分组路由与转发；
数据链路层：负责相邻网络元素(结点)的数据传输；
物理层：负责比特传输。

设一次完整的传输过程如：主机A → 交换机 → 路由器 → 主机B

1. 应用层的完整报文交给传输层拆分并封装为段；
2. 段交给网络层封装为数据报；
3. 数据报交给链路层封装成帧(数据帧)；
4. 帧交给物理层，以比特传输至交换机；
5. 交换机将机器比特码还原为帧，添加下一个结点的物理地址，并再次封装成帧，经物理层传输至路由器；
6. 路由器将机器比特码还原为数据报，进行路由和转发，并再次封装成数据报，经链路层和物理层传输至主机B；
7. 主机B接收机器比特码，还原为完整的报文。

最后

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