网络性能指标与体系结构要点

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1、计算机网络性能指标与体系结构,上节知识回顾,计算机网络的概念 一些互相连接的、自治的计算机的集合。 Internet的产生和发展 ARPAnet 计算机网络的分类 PAN、LAN、MAN、WAN 数据交换方式： 电路交换、报文交换、分组交换,学习目标,了解计算机网络主要性能指标，包括速率、带宽、吞吐量、时延、利用率等。 理解计算机网络体系结构，了解计算机网络分层设计思想，掌握协议、实体、服务等概念及其关系，理解TCP/IP体系结构工作原理。,目 录,1 计算机网络性能 2 计算机网络体系结构,1 计算机网络性能,计算机网络性能指标 速率 带宽 吞吐量 时延 时延带宽积 往返时间 利用率,1 计

2、算机网络性能,速率 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。 速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)，速率的单位是 b/s或bps，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等 速率往往是指额定速率或标称速率。,1 计算机网络性能,带宽 “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)，也用单位kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。,常用的带宽单位是 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比

3、每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 请注意：在计算机界，即存储系统中，1K = 210 = 1024，M = 220, G = 230, T = 240。,1 计算机网络性能,1 计算机网络性能,带宽在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。,1 计算机网络性能,吞吐量(throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。 经常用于对现实世界中网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。,1 计算机网络性能,时延（delay

4、或latency） 是指数据从网络一端传送到另一端所需的时间。也称延迟、迟延。 网络中的时延包括： 发送时延 传播时延 处理时延,1 计算机网络性能,时延发送时延 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。,1 计算机网络性能,时延传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。,1 计算机网络性能,时延 处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。,火车进站加水、等候,1 计算机网络性能,时延

5、数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和： 注意：在总延时中，究竟是哪一种延时占主导地位，需要具体问题具体分析。,总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+处理时延,四种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,在结点 A 中产生 处理时延和排队时延,数据,从结点 A 向结点 B 发送数据,链路,举例说明：,例1：有一个长度为100M（M=220）的待发送数据块 在带宽为1Mbps的信道上，发送延时为： 10010485768106bps = 838.9 s （约14min） 若用光纤将这个数据块传送至1000km远的计算机， 传播延

6、时: 106（2.0108m/s）= 5 ms 本例中，总延时主要由发送延时来决定，,举例说明：,例2：待发送的数据仅为1个字节（8bit） 在1Mbps的信道上，发送延时为： 8106bps = 8 m 当传播延时同样为5ms时，总延时为：5.008ms，即传播延时决定了总延时。 即在该两例中传播延时是固定的，提高效率只能提高发送速率。,时延容易产生的错误概念,对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。 提高链路带宽减小了数据的发送时延。 通常所说“光纤信道的传输速率高”是指向光纤信道的发送数据的速率可以很高，而光纤信道的传播速率（2.0108m/s ）实

7、际上比铜线（2.3108m/s）的传播速率还要略低一点。,1 计算机网络性能,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,1 计算机网络性能,计算机网络非性能指标 费用 质量 标准化 可靠性 可扩展性和可升级性 易管理和维护性,目 录,1 计算机网络性能 2 计算机网络体系结构,2 计算机网络体系结构,相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 如何“激活”通路？ 如何识别目的主机？ 对方是否准备好接收数据？ 对方是否做好存储文件的准备？ 若文件不兼容怎么办？ 出现了差错和意外事故怎么办？ “分层”可将庞大而

8、复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。,2 计算机网络体系结构,两个主机交换文件划分层举例：,文件传送模块,主机 1,主机 2,文件传送模块,只看这两个文件传送模块 好像文件及文件传送命令 是按照水平方向的虚线传送的,把文件交给下层模块 进行发送,把收到的文件交给 上层模块,2 计算机网络体系结构,两个主机交换文件划分层举例：,文件传送模块,主机 1,主机 2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块 好像可直接把文件 可靠地传送到对方,把文件交给下层模块 进行发送,把收到的文件交给 上层模块,通信服务模块,通信服务模块,2 计算机网络体系结构,两个主机交

9、换文件划分层举例：,文件传送模块,主机 1,主机 2,文件传送模块,通信服务模块,通信服务模块,网络接入模块,网络接入模块,通信网络,网络 接口,网络 接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作 例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。,2 计算机网络体系结构,分层的好处： 各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护。 能促进标准化工作。,分层越多越好？还是越少越好？,2 计算机网络体系结构,计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。 网络协议(network protocol)，

10、简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。,2 计算机网络体系结构,网络协议的组成要素： 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 同步 事件实现顺序的详细说明。,2 计算机网络体系结构,计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。,2 计算机网络体系结

11、构,开放系统互连参考模型OSI/RM TCP/IP 现在获得了最广泛的应用，称为事实上的(de facto) 国际标准。,OSI参考模型的提出,1974年，IBM公司提出世界上第一个网络体系结构SNA； 此后，很多公司提出各自的网络体系结构。 这些体系结构的共同之处在：采用分层技术， 但层次划分、功能分配与采用的协议均不同； 不同的网络体系结构与协议，使得很难实现异构网络之间的互联。 国际标准化组织（ISO）于1977年成立了专门机构研究“不同体系的计算机网络互连”的问题，提出了开放系统互连参考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference） 1

12、983年，形成了OSI/RM的正式文件，即ISO 7498国际标准，也就是七层协议的体系结构。,OSI/RM,OSI参考模型的研究对促进计算机网络体系理论结构的形成起到了重要作用，但受到TCP/IP协议的挑战。在市场化方面 OSI 却失败了。 OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力； OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低； OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场； OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。,TCP/IP的发展过程（1）,1969年，ARPANET网络产生,节点间采用分组交换技术 由于底层硬件来

13、自不同的公司，其互操作性存在很多问题，这就促使ARPA开始解决网络互联问题。1973年，ARPA启动了名为Internetting的互联网研究项目，并因此引发了TCP/IP的出现与发展。 1974年，IP和TCP问世，合称TCP/IP协议。 19771979年，推出目前形式的TCP/IP体系结构和协议规范。 1980年前后， ARPANET上的所有机器开始转向TCP/IP，并以ARPANET为主干逐步建立Internet。 1983年，向TCP/IP的转换全部结束。美国国防部命令所有联入远程网计算机都必须采用TCP/IP；同时， ARPANET被一分为二。 1984年，Internet基本形成

14、。,TCP/IP的发展过程（2）,纵观历史，网络互联的需要孕育了TCP/IP，而TCP/IP又极大地推动了网络互联技术的迅猛发展，并逐步形成了覆盖全球的因特网。 1995年10月24日，通过广泛征询Internet和知识产权方面专家的意见，美国联邦网络委员会一致通过了一项提案，为Internet作了如下定义： Internet是一个全球性的信息系统，系统中的每台主机都有一个全球唯一的主机地址，地址格式通过IP协议定义。系统中主机与主机间的通信遵循TCP/IP协议标准，或者其他与IP兼容的协议标准来交换信息。,TCP/IP的沙漏模型,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,网际

15、层,网络接口层,运输层,应用层,网络接口 1,网络接口 2,网络接口 3,TCP/IP可以为各种各样的应用提供服务（所谓的everything over IP），同时TCP/IP也可以允许IP在各种各样的网络构成的互联网上运行（所谓的IP over everything）。,一种建议的参考模型,OSI和TCP/IP都有其成功和不足之处； OSI在市场化方面做的不好 TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层，但最下面的网络接口层并没有具体内容。 为保证计算机网络教学的科学性和系统性，这里采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系

16、结构 。,三种体系结构的比较,应用层,运输层,网络层,表示层,会话层,数据链路层,物理层,7 6 5 4 3 2 1,OSI 的体系结构,应用层,网络接口层,网际层 (IP),(各种应用层协议如 TELNET, FTP, SMTP 等),运输层(TCP 或 UDP),TCP/IP 的体系结构,数据链路层,5 应用层,4 运输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,五层的建议参考模型,五层协议的体系结构,最高层，直接为用户的应用进程提供服务。 负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。 为分组交换网上的不同主机提供通信服务。路由和寻址 在相邻节点间的链路上“透明”的传输数据帧。 透明的传送比特流。,主机 1 向主机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2