第2講 數(shù)據(jù)交換與性能指標(biāo)

主講教師：劉宏月Tel-Mail：hautxxxylhy@126.com計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2/52課程的任務(wù)、目的和基本要求專業(yè)必修課，主要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念、基本原理和方法，理解網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)原理與工作機(jī)理。具備一定的網(wǎng)絡(luò)分析與設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)組建、運(yùn)維管理等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用能力以及較好的網(wǎng)絡(luò)工程素養(yǎng)，為從事計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)、工程應(yīng)用等打下良好基礎(chǔ)。課程教學(xué)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、科學(xué)思維方法和求知?jiǎng)?chuàng)新精神。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT3/52課程相關(guān)資源教材謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第6版）.電子工業(yè)出版社，2013年.參考教材A.S.Tanenbaum.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第5版）.清華大學(xué)出版社，2012年.JamesF.Kurose,KeithW.Ross著，陳鳴等譯.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自頂向下方法（原書第四版）.人民郵電出版社，2009.2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT4/52教學(xué)安排教學(xué)總學(xué)時(shí)數(shù)：54學(xué)時(shí)（44+10）教學(xué)方式：理論授課+上機(jī)實(shí)踐上課：第1周－第13周，每周2次。實(shí)驗(yàn)：第7周－第12周，每周1次?？荚嚰俺煽儗W(xué)期末閉卷筆試：總分100平時(shí)成績：10%（考勤/作業(yè)）實(shí)驗(yàn)成績：20%（上機(jī)操作/實(shí)驗(yàn)報(bào)告）期末筆試：70%第2講數(shù)據(jù)交換與性能指標(biāo)劉宏月河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT6/52上講知識(shí)回顧計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念一些互相連接的、自治的計(jì)算機(jī)的集合。Internet的產(chǎn)生和發(fā)展ARPAnet計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)拓?fù)洌嚎偩€型、星形、環(huán)形、樹形、網(wǎng)狀2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT7/52本講學(xué)習(xí)目標(biāo)

學(xué)習(xí)目標(biāo)理解電路交換、報(bào)文交換、分組交換等數(shù)據(jù)交換方式的工作原理。了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，包括速率、帶寬、吞吐量、時(shí)延、利用率等。

本節(jié)要點(diǎn)分組交換的工作原理。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT8/52本講主要內(nèi)容1.數(shù)據(jù)交換方式2.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT9/521.數(shù)據(jù)交換方式——電路交換電路交換類似于電話交換的工作過程。引例：電話連接“交換”(switching)的含義就是轉(zhuǎn)接——把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源分的配角度來看，“交換”就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路資源。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT10/52電路交換舉例A和B通話經(jīng)過四個(gè)交換機(jī)通話在A到B的連接上進(jìn)行電路交換的用戶始終占用端到端的通信資源((((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT11/52C和D通話只經(jīng)過一個(gè)本地交換機(jī)通話在C到D的連接上進(jìn)行電路交換舉例((((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT12/521.數(shù)據(jù)交換方式——電路交換電路交換是面向連接，通信分三個(gè)階段建立連接通信釋放連接電路交換傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)——不合適計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)具有突發(fā)性，將導(dǎo)致通信線路的利用率很低。因此，在電路交換的基礎(chǔ)上，提出了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式——分組交換。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT13/521.數(shù)據(jù)交換方式——分組交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換的特點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息一起，按照一定的格式組成一個(gè)數(shù)據(jù)單元再發(fā)送出去。報(bào)文與報(bào)文分組的比較利用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換原理傳送數(shù)據(jù)時(shí)，被傳送的數(shù)據(jù)單元相應(yīng)可以分為兩類：報(bào)文（message）與報(bào)文分組（packet）。根據(jù)數(shù)據(jù)單元的不同，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式可分為：報(bào)文交換與分組交換。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT14/52在發(fā)送端，先把較長的報(bào)文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。報(bào)文1101000110101010110101011100010011010010假定這個(gè)報(bào)文較長不便于傳輸1.數(shù)據(jù)交換方式——分組交換2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT15/52報(bào)文數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1.數(shù)據(jù)交換方式——分組交換添加首部構(gòu)成分組每一個(gè)數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

32023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT16/521.數(shù)據(jù)交換方式——分組交換分組交換的傳輸單元分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

32023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT17/521.數(shù)據(jù)交換方式——分組交換分組首部的重要性每一個(gè)分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)交換機(jī)。用這樣的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能到達(dá)最終目的地。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT18/521.數(shù)據(jù)交換方式——分組交換收到分組后剝?nèi)ナ撞拷邮斩耸盏椒纸M后剝?nèi)ナ撞窟€原成報(bào)文。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3收到的數(shù)據(jù)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT19/52數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1.數(shù)據(jù)交換方式——分組交換最后還原成原來的報(bào)文最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為原來的報(bào)文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯(cuò)，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)也沒有被丟棄。報(bào)文11010001101010101101010111000100110100102023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT20/52分組交換網(wǎng)的示意圖H1A互聯(lián)網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1

向H5

發(fā)送分組H2向H6

發(fā)送分組注意分組路徑的變化！路由器主機(jī)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT21/52注意分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A互聯(lián)網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組路由器主機(jī)在路由器

E

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達(dá)目的主機(jī)

H5在路由器

C

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在路由器

A

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT22/52分組交換的特點(diǎn)分組交換的優(yōu)點(diǎn)高效動(dòng)態(tài)分配傳輸帶寬，對(duì)通信鏈路是逐段占用。靈活以分組為傳送單位和查找路由。迅速不必先建立連接就能向其他主機(jī)發(fā)送分組?？煽糠植际降穆酚蛇x擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。

缺點(diǎn)分組在各結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要排隊(duì)，會(huì)造成一定的延時(shí)。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT23/52分組交換的實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用中的分組交換技術(shù)可以分為兩種方式數(shù)據(jù)報(bào)方式分組傳輸前，不需要預(yù)先在源主機(jī)與目的主機(jī)之間建立“線路連接”，每個(gè)分組獨(dú)立選擇傳輸路徑。虛電路方式虛電路方式試圖將數(shù)據(jù)報(bào)與電路交換相結(jié)合起來，發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到最佳的數(shù)據(jù)交換效果。虛電路的工作過程分為三個(gè)階段：虛電路建立階段、數(shù)據(jù)傳輸階段、虛電路釋放階段。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT24/521.數(shù)據(jù)交換方式——報(bào)文交換電報(bào)系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)交換方式數(shù)據(jù)以報(bào)文為單位、以存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳遞。一個(gè)報(bào)文就是一次要發(fā)送的全部數(shù)據(jù)。報(bào)文交換時(shí)延較長，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT25/52報(bào)文交換三種交換的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報(bào)文報(bào)文報(bào)文ABCDABCDABCD電路交換分組交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報(bào)文P2P1連接釋放數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)比特流直達(dá)終點(diǎn)報(bào)文報(bào)文報(bào)文分組分組分組存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT26/521.數(shù)據(jù)交換方式數(shù)據(jù)交換方式的分類數(shù)據(jù)交換方式電路交換存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換報(bào)文存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換分組交換數(shù)據(jù)報(bào)交換虛電路交換2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT27/52本講主要內(nèi)容1.數(shù)據(jù)交換方式2.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT28/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)速率帶寬吞吐量時(shí)延時(shí)延帶寬積往返時(shí)間利用率2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT29/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)

速率比特（bit）是計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。Bit來源于binarydigit，意思是一個(gè)“二進(jìn)制數(shù)字”，因此一個(gè)比特就是二進(jìn)制數(shù)字中的一個(gè)1或0。速率即數(shù)據(jù)率(datarate)或比特率(bitrate)，速率的單位是

b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s

等。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT30/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)

帶寬“帶寬”(bandwidth)本來是指信號(hào)具有的頻帶寬度（信號(hào)各種不同頻率成分所占據(jù)的頻率范圍），單位是赫茲/赫（或千赫、兆赫、吉赫等）?，F(xiàn)在“帶寬”用來表示通信線路所能傳送數(shù)據(jù)的能力。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)。

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT31/52更常用的帶寬單位是千比特每秒，即kb/s（103b/s）兆比特每秒，即Mb/s（106b/s）吉比特每秒，即Gb/s（109b/s）太比特每秒，即Tb/s（1012b/s）請(qǐng)注意：在計(jì)算機(jī)界，K=210=1024，

M=220,G=230,T=240。2.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT32/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)帶寬在時(shí)間軸上信號(hào)的寬度隨帶寬的增大而變窄。每秒

106

個(gè)比特時(shí)間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s

時(shí)間每秒4106

個(gè)比特0.25s帶寬為4Mb/s

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT33/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)吞吐量(throughput)表示在單位時(shí)間內(nèi)通過某個(gè)網(wǎng)絡(luò)（或信道、接口）的數(shù)據(jù)量。經(jīng)常用于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的網(wǎng)絡(luò)的一種測(cè)量，以便知道實(shí)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)的額定速率的限制。

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT34/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)時(shí)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(shí)間。也稱延遲、遲延。網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延包括發(fā)送時(shí)延：從發(fā)送端網(wǎng)口進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)所用的時(shí)間。傳播時(shí)延：在信道上傳播所用的時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延：分組排隊(duì)等待轉(zhuǎn)發(fā)所用的時(shí)間。處理時(shí)延：為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)做處理所用的時(shí)間。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT35/52傳播時(shí)延

=信道長度（米）信號(hào)在信道上的傳播速率（米/秒）2.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)時(shí)延——傳播時(shí)延電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費(fèi)的時(shí)間。

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT36/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)

時(shí)延處理時(shí)延：交換結(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一些必要的處理所花費(fèi)的時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延：結(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中分組排隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)延。排隊(duì)時(shí)延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時(shí)的通信量。火車進(jìn)站加水、等候2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT37/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)時(shí)延數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時(shí)延就是發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延和處理時(shí)延之和：注意：在總延時(shí)中，究竟是哪一種延時(shí)占主導(dǎo)地位，需要具體問題具體分析。總時(shí)延=發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延+排隊(duì)時(shí)延+處理時(shí)延2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT38/52四種時(shí)延所產(chǎn)生的位置1011001...發(fā)送器隊(duì)列在鏈路上產(chǎn)生傳播時(shí)延結(jié)點(diǎn)B結(jié)點(diǎn)A在發(fā)送器產(chǎn)生傳輸時(shí)延(即發(fā)送時(shí)延)在結(jié)點(diǎn)A中產(chǎn)生處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延數(shù)據(jù)從結(jié)點(diǎn)A向結(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT39/52舉例說明例1：有一個(gè)長度為100M(1M=220)的待發(fā)送數(shù)據(jù)塊在帶寬為1Mbps的信道上，發(fā)送時(shí)延為：

100×1048576×8÷106bps＝838.9s(約14min)若用光纖將這個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送至1000km遠(yuǎn)的計(jì)算機(jī)，傳播時(shí)延: 106÷(2.0×108m/s)＝5ms本例中，總時(shí)延主要由發(fā)送時(shí)延來決定。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT40/52舉例說明例2：待發(fā)送的數(shù)據(jù)僅為1個(gè)字節(jié)（8bit）。在1Mbps的信道上，發(fā)送時(shí)延為：

8÷106bps＝8μs當(dāng)傳播時(shí)延同樣為5ms時(shí)，總延時(shí)為：5.008ms，即傳播延時(shí)決定了總時(shí)延。在上述兩例中傳播延時(shí)是固定的，提高效率只能提高發(fā)送速率。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT41/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)容易產(chǎn)生的錯(cuò)誤概念對(duì)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(shí)延。通常所說“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(2.0×108m/s)實(shí)際上比銅線(2.3×108m/s)的傳播速率還要略低一點(diǎn)。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT42/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)分組交換與電路交換的時(shí)延比較電路交換的時(shí)延分析分組交換的時(shí)延分析電路交換與分組交換的時(shí)延對(duì)比2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT43/52報(bào)文交換三種交換的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報(bào)文報(bào)文報(bào)文ABCDABCDABCD電路交換分組交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報(bào)文P2P1連接釋放數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)比特流直達(dá)終點(diǎn)報(bào)文報(bào)文報(bào)文分組分組分組存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT44/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)

時(shí)延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。

往返時(shí)延RTT(Round-TripTime)

從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到來自接收端的確認(rèn)消息為止，總共經(jīng)歷的時(shí)延。（傳播）時(shí)延鏈路帶寬時(shí)延帶寬積=傳播時(shí)延帶寬2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT45/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)利用率信道利用率：

指一條信道有百分之幾的時(shí)間是被使用的（有數(shù)據(jù)通過）。完全空閑的信道的利用率是零，但信道利用率并非越高越好。

網(wǎng)絡(luò)利用率：

是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有信道信道利用率的加權(quán)平均值。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT46/522.

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)利用率的關(guān)系根據(jù)排隊(duì)論的理論，當(dāng)某信道的利用率增大時(shí)，該信道引起的時(shí)延也就迅速增加。若令D0表示網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)的時(shí)延，D表示網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的