計算機網(wǎng)絡(luò)性能指標與體系結(jié)構(gòu)

1、計算機網(wǎng)絡(luò)性能指標與體系結(jié)構(gòu)上節(jié)知識回顧計算機網(wǎng)絡(luò)的概念一些互相連接的、自治的計算機的集合。Internet的產(chǎn)生和發(fā)展ARPAnet計算機網(wǎng)絡(luò)的分類PAN、LAN、MAN、WAN數(shù)據(jù)交換方式：電路交換、報文交換、分組交換學(xué)習目標了解計算機網(wǎng)絡(luò)主要性能指標，包括速率、帶寬、吞吐量、時延、利用率等。理解計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，了解計算機網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計思想，掌握協(xié)議、實體、服務(wù)等概念及其關(guān)系，理解TCP/IP體系結(jié)構(gòu)工作原理。目 錄1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能計算機網(wǎng)絡(luò)性能指標速率帶寬吞吐量時延時延帶寬積往返時間利用率1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能速率比特（bit）是計算機中數(shù)據(jù)量的單

2、位，也是信息論中使用的信息量的單位。速率即數(shù)據(jù)率(data rate)或比特率(bit rate)，速率的單位是 b/s或bps，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等速率往往是指額定速率或標稱速率。 1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能帶寬“帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）?，F(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語，單位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)，也用單位kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。 常用的帶寬單位是千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109

3、b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）請注意：在計算機界，即存儲系統(tǒng)中，1K = 210 = 1024，M = 220, G = 230, T = 240。1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能帶寬在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。 每秒 106 個比特時間1 0 1 0 1 11 s帶寬為1 Mb/s 時間每秒 4 106 個比特0.25 s帶寬為4 Mb/s 1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能吞吐量(throughput)表示在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)（或信道、接口）的數(shù)據(jù)量。經(jīng)常用于對現(xiàn)實世界中網(wǎng)絡(luò)的一種測量，以便知道實際上到底有多少數(shù)據(jù)量能夠通過網(wǎng)絡(luò)。吞吐量受網(wǎng)絡(luò)的帶寬或網(wǎng)絡(luò)的額定速率的

4、限制。 1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能時延（delay或latency） 是指數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)一端傳送到另一端所需的時間。也稱延遲、遲延。網(wǎng)絡(luò)中的時延包括： 發(fā)送時延 傳播時延 處理時延1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能時延發(fā)送時延發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)塊從結(jié)點進入到傳輸媒體所需要的時間。從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。 發(fā)送時延 = 數(shù)據(jù)塊長度（比特）信道帶寬（比特/秒）1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能時延傳播時延電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。 傳播時延 = 信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒）1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能時延處理時延：交換結(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。 排

5、隊時延：結(jié)點緩存隊列中分組排隊所經(jīng)歷的時延。排隊時延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當時的通信量?；疖囘M站加水、等候1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能時延數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時延就是發(fā)送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和： 注意：在總延時中，究竟是哪一種延時占主導(dǎo)地位，需要具體問題具體分析。總時延 = 發(fā)送時延+傳播時延+處理時延+處理時延四種時延所產(chǎn)生的地方 1 0 1 1 0 0 1發(fā)送器隊列在鏈路上產(chǎn)生傳播時延結(jié)點 B結(jié)點 A在發(fā)送器產(chǎn)生傳輸時延(即發(fā)送時延)在結(jié)點 A 中產(chǎn)生處理時延和排隊時延數(shù)據(jù)從結(jié)點 A 向結(jié)點 B 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路舉例說明：例1：有一個長度為100M（M=220）的待發(fā)送數(shù)據(jù)塊在帶寬為1Mbps的

6、信道上，發(fā)送延時為：10010485768106bps = 838.9 s （約14min）若用光纖將這個數(shù)據(jù)塊傳送至1000km遠的計算機，傳播延時:106（2.0108m/s）= 5 ms本例中，總延時主要由發(fā)送延時來決定，舉例說明：例2：待發(fā)送的數(shù)據(jù)僅為1個字節(jié)（8bit）在1Mbps的信道上，發(fā)送延時為：8106bps = 8 m當傳播延時同樣為5ms時，總延時為：，即傳播延時決定了總延時。即在該兩例中傳播延時是固定的，提高效率只能提高發(fā)送速率。時延容易產(chǎn)生的錯誤概念 對于高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，我們提高的僅僅是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。 提高鏈路帶寬減小了數(shù)據(jù)的發(fā)送時延。通常

7、所說“光纖信道的傳輸速率高”是指向光纖信道的發(fā)送數(shù)據(jù)的速率可以很高，而光纖信道的傳播速率（2.0108m/s ）實際上比銅線（2.3108m/s）的傳播速率還要略低一點。 1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能三種交換的比較 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文A B C D A B C DA B C D報文交換電路交換分組交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報文P2P1連接釋放1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能計算機網(wǎng)絡(luò)非性能指標 費用 質(zhì)量 標準化 可靠性 可擴展性和可升級性 易管理和維護性目 錄1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相互通信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工作才行，而這種“協(xié)調(diào)”是相當

8、復(fù)雜的。 如何“激活”通路？如何識別目的主機？對方是否準備好接收數(shù)據(jù)？對方是否做好存儲文件的準備？若文件不兼容怎么辦？出現(xiàn)了差錯和意外事故怎么辦？“分層”可將龐大而復(fù)雜的問題，轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。 2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)兩個主機交換文件劃分層舉例：文件傳送模塊主機 1主機 2文件傳送模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)兩個主機交換文件劃分層舉例：文件傳送模塊主機 1主機 2文件傳送模塊只看這兩個通信服務(wù)模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方

9、把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊通信服務(wù)模塊通信服務(wù)模塊2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)兩個主機交換文件劃分層舉例：文件傳送模塊主機 1主機 2文件傳送模塊通信服務(wù)模塊通信服務(wù)模塊網(wǎng)絡(luò)接入模塊網(wǎng)絡(luò)接入模塊通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接入模塊負責做與網(wǎng)絡(luò)接口細節(jié)有關(guān)的工作例如，規(guī)定傳輸?shù)膸袷剑瑤淖畲箝L度等。2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層的好處：各層之間是獨立的。靈活性好。結(jié)構(gòu)上可分割開。易于實現(xiàn)和維護。能促進標準化工作。 分層越多越好？還是越少越好？2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。 這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題（同步含有時序

10、的意思）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(network protocol)，簡稱為協(xié)議，是為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定。 2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組成要素：語法 數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式 。 語義 需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應(yīng)。 同步 事件實現(xiàn)順序的詳細說明。 2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(architecture)是計算機網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合。 體系結(jié)構(gòu)就是這個計算機網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成的功能的精確定義。實現(xiàn)(implementation)是遵循這種體系結(jié)構(gòu)的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的，是真正在

11、運行的計算機硬件和軟件。 2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層表示層會話層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321OSI 的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)際層 IP (各種應(yīng)用層協(xié)議如TELNET, FTP, SMTP 等)運輸層(TCP 或 UDP)TCP/IP 的體系結(jié)構(gòu)開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RMTCP/IP 現(xiàn)在獲得了最廣泛的應(yīng)用，稱為事實上的(de facto) 國際標準。OSI參考模型的提出1974年，IBM公司提出世界上第一個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA；此后，很多公司提出各自的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。這些體系結(jié)構(gòu)的共同之處在：采用分層技術(shù)，但層次劃分、功能分配與采用的協(xié)議均不同；不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議

12、，使得很難實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。國際標準化組織（ISO）于1977年成立了專門機構(gòu)研究“不同體系的計算機網(wǎng)絡(luò)互連”的問題，提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference）1983年，形成了OSI/RM的正式文件，即ISO 7498國際標準，也就是七層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層表示層會話層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321OSI 的體系結(jié)構(gòu)OSI/RMOSI參考模型的研究對促進計算機網(wǎng)絡(luò)體系理論結(jié)構(gòu)的形成起到了重要作用，但受到TCP/IP協(xié)議的挑戰(zhàn)。在市場化方面 OSI 卻失敗了。OSI 的專家們在完成 OSI 標準時沒

13、有商業(yè)驅(qū)動力；OSI 的協(xié)議實現(xiàn)起來過分復(fù)雜，且運行效率很低；OSI 標準的制定周期太長，因而使得按 OSI 標準生產(chǎn)的設(shè)備無法及時進入市場；OSI 的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復(fù)出現(xiàn)。 TCP/IP的發(fā)展過程（1）1969年，ARPANET網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生,節(jié)點間采用分組交換技術(shù)由于底層硬件來自不同的公司，其互操作性存在很多問題，這就促使ARPA開始解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題。1973年，ARPA啟動了名為Internetting的互聯(lián)網(wǎng)研究項目，并因此引發(fā)了TCP/IP的出現(xiàn)與發(fā)展。1974年，IP和TCP問世，合稱TCP/IP協(xié)議。19771979年，推出目前形式的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)和

14、協(xié)議規(guī)范。1980年前后， ARPANET上的所有機器開始轉(zhuǎn)向TCP/IP，并以ARPANET為主干逐步建立Internet。1983年，向TCP/IP的轉(zhuǎn)換全部結(jié)束。美國國防部命令所有聯(lián)入遠程網(wǎng)計算機都必須采用TCP/IP；同時， ARPANET被一分為二。1984年，Internet基本形成。TCP/IP的發(fā)展過程（2）縱觀歷史，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需要孕育了TCP/IP，而TCP/IP又極大地推動了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的迅猛發(fā)展，并逐步形成了覆蓋全球的因特網(wǎng)。1995年10月24日，通過廣泛征詢Internet和知識產(chǎn)權(quán)方面專家的意見，美國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)委員會一致通過了一項提案，為Internet作了如下定義：

15、Internet是一個全球性的信息系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每臺主機都有一個全球唯一的主機地址，地址格式通過IP協(xié)議定義。系統(tǒng)中主機與主機間的通信遵循TCP/IP協(xié)議標準，或者其他與IP兼容的協(xié)議標準來交換信息。TCP/IP的沙漏模型HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP網(wǎng)際層網(wǎng)絡(luò)接口層運輸層應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)接口 1網(wǎng)絡(luò)接口 2網(wǎng)絡(luò)接口 3TCP/IP可以為各種各樣的應(yīng)用提供服務(wù)（所謂的everything over IP），同時TCP/IP也可以允許IP在各種各樣的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)上運行（所謂的IP over everything）。一種建議的參考模型OSI和TCP/IP都有其成功和不足之處；OSI在市

16、場化方面做的不好TCP/IP 是四層的體系結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層，但最下面的網(wǎng)絡(luò)接口層并沒有具體內(nèi)容。為保證計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的科學(xué)性和系統(tǒng)性，這里采取折中的辦法，即綜合 OSI 和 TCP/IP 的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 。 三種體系結(jié)構(gòu)的比較 應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層表示層會話層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321OSI 的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)接口層網(wǎng)際層 (IP) (各種應(yīng)用層協(xié)議如TELNET, FTP, SMTP 等)運輸層(TCP 或 UDP)TCP/IP 的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層5 應(yīng)用層4 運輸層3 網(wǎng)絡(luò)層2 數(shù)據(jù)鏈路層1 物理層五層的建議參考模型五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

17、最高層，直接為用戶的應(yīng)用進程提供服務(wù)。負責向兩個主機中進程之間的通信提供服務(wù)。 為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信服務(wù)。路由和尋址 在相鄰節(jié)點間的鏈路上“透明”的傳輸數(shù)據(jù)幀。透明的傳送比特流。數(shù)據(jù)鏈路層5 應(yīng)用層4 運輸層3 網(wǎng)絡(luò)層2 數(shù)據(jù)鏈路層1 物理層主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應(yīng)用進程數(shù)據(jù)先傳送到應(yīng)用層加上應(yīng)用層首部，成為應(yīng)用層 PDU主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應(yīng)用層 PDU 再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2

18、AP1主機 2運輸層報文再傳送到網(wǎng)絡(luò)層加上網(wǎng)絡(luò)層首部，成為 IP 數(shù)據(jù)報（或分組）主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2IP 數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2數(shù)據(jù)鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 應(yīng)用層(application layer) 5432154321物理傳輸媒體主機 1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層主機 2主機 1 向主機 2 發(fā)

19、送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊咳〕鰯?shù)據(jù)部分，上交給網(wǎng)絡(luò)層主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分上交給運輸層主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2運輸層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分上交給應(yīng)用層主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應(yīng)用層剝?nèi)ナ撞浚〕鰬?yīng)用程序數(shù)據(jù)上交給應(yīng)用進程主機 1

20、 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2我收到了 AP1 發(fā)來的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)！主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)應(yīng)用層首部H5101 比 特 流 注意觀察加入或剝?nèi)ナ撞浚ㄎ膊浚┑膶哟螒?yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)H4H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)H3H4H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)H4運輸層首部H3網(wǎng)絡(luò)層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2101 比 特 流 計算機 2 的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層H2

21、T2H3H4H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)H3H4H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊亢蟀褞臄?shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡(luò)層H2T2H3H4H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)H4H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)H3H4H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)シ纸M首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給運輸層H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)H4H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2運輸層剝?nèi)笪氖撞亢蟀褕笪牡臄?shù)據(jù)部分交給應(yīng)用層應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)H5應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2應(yīng)用層剝?nèi)?yīng)用層 PDU 首部后把應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交給應(yīng)用進程主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 5432154321主機 1AP2AP1主機 2我收到了 AP1 發(fā)來的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)！2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系