?在計算機網(wǎng)絡(luò)first day中，我們了解了計算機網(wǎng)絡(luò)這個科目要學習什么，因特網(wǎng)的概述，三種信息交換方式等，在今天，我們就來一起學習一下計算機網(wǎng)絡(luò)的定義和分類，以及計算機網(wǎng)絡(luò)中常見的幾個性能指標。
廢話不多說，直擊正題

計算機網(wǎng)絡(luò)的定義

?在計算機發(fā)展的不同階段，人們對計算機網(wǎng)絡(luò)提出了不同的定義，這些定義都反映了當時計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的水平。
?計算機網(wǎng)絡(luò)早期最簡單的定義是，一些互連的，自治的計算機的集合?；ヂ?lián)是指計算機之間可以進行通信，自治是指獨立的計算機，他有自己獨立的軟硬件，可以自己獨立運行。

?在當今計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)咱的年代，上述對計算機的定義已經(jīng)不再適用，現(xiàn)如今有關(guān)計算機網(wǎng)絡(luò)的一個較好的定義就是：計算機網(wǎng)絡(luò)主要是由一些通用的，可編程的硬件互連而成，這些硬件并非專門來實現(xiàn)某一特定的目的（例如傳送數(shù)據(jù)或者視頻通信）。這些可編程的硬件能夠用來創(chuàng)術(shù)不同類型的數(shù)據(jù)，并能支持廣泛的和日益增長的應用。

這個定義可以有以下解讀：
?計算機網(wǎng)絡(luò)所連接的硬件，并不限于一般的計算機，還包括智能手機登具有網(wǎng)絡(luò)功能的智能硬件，定義中可編程的硬件表明這種硬件一定包含中央處理單元CPU。
?計算機網(wǎng)路并非只用來傳輸數(shù)據(jù)，而是能夠基于數(shù)據(jù)傳送進而實現(xiàn)各種各樣的應用，包括今后可能出現(xiàn)的各種應用。

計算機網(wǎng)絡(luò)的分類

?(1)廣域網(wǎng)(Wide Area Network,WAN)：覆蓋范圍通常為幾十千米到幾千千米，可以覆蓋一個國家、地區(qū)甚至橫跨幾個洲。廣域網(wǎng)是因特網(wǎng)的核心部分，它為因特網(wǎng)核心路由器提供遠距離高速連接，互連分布在不同國家和地區(qū)的城域網(wǎng)和局域網(wǎng)。
?(2)城域網(wǎng)(Metropolitan Area Network, MAN)：覆蓋范圍一般為5～50km，可以跨越幾個街區(qū)甚至整個城市。城域網(wǎng)通常作為城市骨干網(wǎng)，互連大量機構(gòu)、企業(yè)以及校園局域網(wǎng)。
?(3)局域網(wǎng)(Local Area Network，LAN)：覆蓋范圍一般為1km，例如一個學生宿舍、一棟樓或一個校園。局域網(wǎng)通常由微型計算機或工作站通過速率為10Mb/s以上的高速鏈路相連。在過去，一個企業(yè)或?qū)W校往往只擁有一個局域網(wǎng)，而現(xiàn)在局域網(wǎng)已被廣泛地應用，一個企業(yè)或?qū)W校可能就會有多個互連的局域網(wǎng)，這樣的網(wǎng)絡(luò)常稱為校園網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)。
?(4)個域網(wǎng)(Personal Area Network，PAN)：個域網(wǎng)是個人區(qū)域網(wǎng)的簡稱，其覆蓋范圍大概為10m，主要用于隔熱工作的地方，例如打字機，耳機，鼠標等電子設(shè)備用藍牙或wife連接起來，因此也常常被稱為無線個域網(wǎng)。
按照網(wǎng)絡(luò)的使用者分類
?1，公用網(wǎng)（Public Network）：通常是指電信公司建造的大型網(wǎng)絡(luò)，只要按照電信公司的要求繳納費用就可以使用。
?2，專用網(wǎng)（Private Network）：通常是由某個部門為滿足特殊業(yè)務(wù)而建造的網(wǎng)絡(luò)，如銀行，鐵路的專用網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)不向本單位以外的人提供服務(wù)。

按照其他角度分類
?除了上述兩種角度對計算機網(wǎng)絡(luò)分類外，還可以以傳輸介質(zhì)進行分類（有線或者無線）

按照網(wǎng)絡(luò)拓撲分類（總線型，星型，環(huán)形，網(wǎng)狀型）

優(yōu)點：建網(wǎng)容易，增減節(jié)點方便，節(jié)省線路
缺點：重負載時通信效率不高，總線任意位置出現(xiàn)故障，則全網(wǎng)癱瘓。

優(yōu)點：每個計算機都以單獨的線路與中央設(shè)備（交換機或路由器）相連，便于網(wǎng)絡(luò)的集中控制和管理。
缺點：中央設(shè)備對故障敏感。

?環(huán)中信號是單向傳輸?shù)?。一個典型的例子就是令牌環(huán)局域網(wǎng)，可以是單環(huán)，也可以是雙環(huán)。

優(yōu)點：可靠性高。
缺點：控制復雜，線路成本高。

?還可以按照交換方式進行分類（電路交換，報文交換，分組交換，在第一講中已經(jīng)講過啦）按照傳輸技術(shù)進行分類（點對點或者廣播）。

計算機網(wǎng)絡(luò)的性能指標

?計算機的性能指標被用來從不同方面度量計算機網(wǎng)絡(luò)的性能，常用的有速率，貸款，吞吐量，時延，時延帶寬積，往返時間，利用率和丟包率這八個性能指標。

速率

?在講解速率前，我們要先介紹數(shù)據(jù)量的單位：bite（比特）。
?比特是計算機中數(shù)據(jù)量的基本單位，一個比特代表二進制數(shù)字中的一個0或1。
?數(shù)據(jù)量的常用單位有字節(jié)（byte，或B），千字節(jié)（KB），兆字節(jié)（MB），吉字節(jié)（GB）以及太字節(jié)（TB）。

?計算機網(wǎng)絡(luò)中速率是指數(shù)據(jù)的傳輸效率，也稱數(shù)據(jù)率或者比特率。速率的基本單位是（bite/s）比特每秒，速率的常用單位為千比特每秒（Kb/s），兆比特每秒（Mb/s），吉比特每秒（Gb/s）.
他們的換算關(guān)系如下

要注意他們之間的不同
?數(shù)據(jù)量單位中的K,M,G,T數(shù)值分別表示為2¹⁰,2²⁰,2³⁰,2⁴⁰。在速率的表示單位中分別表示為10³，10⁶，10⁹，10¹²。
?我們知道2¹⁰為1024，越往后他們之間的差值越大，然而在實際應用中，很多人并沒有嚴格區(qū)分上述兩種類型的單位。例如，某塊固態(tài)硬盤的廠家標稱容量為250GB，而操作系統(tǒng)給出的容量卻為232GB，如圖1-21所示。產(chǎn)生容量差別的原因在于，廠家在標稱容量時，GB中的G并沒有嚴格采用數(shù)據(jù)量單位中的數(shù)值230，而是采用了數(shù)值10°；但操作系統(tǒng)在計算容量時，GB中的G嚴格采用了數(shù)據(jù)量單位中的數(shù)值230。
?在日常生活中，人們習慣于用更簡潔但不嚴格的說法來描述計算機網(wǎng)絡(luò)的速率，例如網(wǎng)速為100M，而省略了單位中的b/s。
來做一道練習題
?有一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，大小約為100MB，網(wǎng)卡發(fā)送的速率為100Mbps，則網(wǎng)卡發(fā)送完該數(shù)據(jù)塊需要多長時間？
?這道題考的就是上邊的不同，數(shù)據(jù)量的單位M和速率的Mbps不同.

?在生活中我們也可以估算，將分子分母上的M直接約掉，得到結(jié)果8秒，與真實結(jié)果相差也不大。

帶寬

帶寬有以下兩種不同的含義
?帶寬在模擬信號系統(tǒng)中的意義：某個信號所包含的各種不同頻率成分所占據(jù)的頻率范圍，單位是赫茲，簡稱“赫”。常用單位有千赫(kHz)、兆赫(MHz)以及吉赫(GHz)等。例如，在傳統(tǒng)的模擬通信線路上傳送的電話信號的標準帶寬是3.1kHz，話音的主要成分的頻率范圍為300Hz～3.4kHz。表示通信線路允許通過的信號頻帶范圍就稱為線路的帶寬。
?帶寬在計算機網(wǎng)絡(luò)中的意義：**用來表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路所能傳送數(shù)據(jù)的能力，即在單位時間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點到另一點所能通過的最高數(shù)據(jù)率。因此，在計算機網(wǎng)絡(luò)中，帶寬的單位與之前介紹過的速率的單位是相同的。**基本單位是比特/秒(bls或bps)，常用單位有千比特秒(kb/s或kbp5)、兆比特秒(Mb5s或Mbps)、吉比特/秒(Gb/s或Gbps)以及太比特/秒(Tb/s或Tbps)。
?根據(jù)香農(nóng)公式可知，帶寬的上述兩種表述有著密切的關(guān)系：線路的“頻率帶寬”越寬，其所傳輸數(shù)據(jù)的“最高數(shù)據(jù)率”也越高。
?請讀者注意，在實際應用中，主機的接口速率、線路帶寬、交換機或路由器的接口速率遵循“木桶效應”，也就是數(shù)據(jù)傳送速率從主機接口速率、線路帶寬以及交換機或路由器的接口速率這三者中取小者。

吞吐量

?吞吐量(throughput)是指在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)或接口的實際數(shù)據(jù)量。吞吐量常被用于對實際網(wǎng)絡(luò)的測量，以便獲知到底有多少數(shù)據(jù)量通過了網(wǎng)絡(luò)。
?我們來舉例說明吞吐量的概念，如圖1-23所示。假設(shè)某用戶接入因特網(wǎng)的帶寬為100Mb/s，該用戶同時使用觀看網(wǎng)絡(luò)視頻、瀏覽網(wǎng)頁以及給文件服務(wù)器上傳文件這三個網(wǎng)絡(luò)應用。播放網(wǎng)絡(luò)視頻的下載速率為20Mb/s，訪問網(wǎng)頁的下載速率為600kb/s，向文件服務(wù)器上傳文件的上傳速率為1Mb/s，則網(wǎng)絡(luò)吞吐量就是下載速率和上傳速率的總和，即20Mb/s+600kb/s+1Mb/s=21.6Mb/s。

?當用戶計算機與網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的應用進程增多時，吞吐量也會變大，但吞吐量會受限于網(wǎng)絡(luò)帶寬。

時延

?時延(delay或latency)是指數(shù)據(jù)(由一個或多個分組、甚至是一個比特構(gòu)成)從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所耗費的時間，也稱為延遲或遲延。
?網(wǎng)絡(luò)中的時延由發(fā)送時延、傳播時延、排隊時延以及處理時延這四部分組成。我們來舉例說明，如圖1-24所示。主機A和主機B通過一臺路由器進行互連，共有兩段鏈路。主機A給主機B發(fā)送一個分組，則從主機A發(fā)送該分組開始，到主機B接收到完整的該分組為止，需要經(jīng)過兩個發(fā)送時延、兩個傳播時延、一個排隊時延以及一個處理時延。

?每種時延之間沒有相互關(guān)系，他們的大小都有其各自的影響因素。
下邊分別介紹這幾種時延
1，發(fā)送時延
?發(fā)送時延是指從主機或者路由器發(fā)送分組所耗費的時間，也就是從發(fā)送的第一個比特開始，到分組的最后一個比特發(fā)送完畢所需要的時間。
2，傳播時延
?傳播時延是2電磁波在鏈路（傳輸介質(zhì)）上傳播一定的距離索要耗費的時間。
電磁波在鏈路上的傳播速率主要有以下三種：
?電磁波在自由空間中的傳播速率約為3×10⁸m/s。
?電磁波在銅線電纜中的傳播速率約為2.3×10⁸m/s。
?電磁波在光纖中的傳播速率約為2×10⁸m/s。
最好能記住電磁波在鏈路上傳播的上述三種傳播速率。
3.排隊時延
?當分組進入路由器后，會在路由器的輸入隊列中排隊緩存并等待處理。在路由器確定了分組的轉(zhuǎn)發(fā)接口后，分組會在輸出隊列中排隊緩存并等待轉(zhuǎn)發(fā)。分組在路由器的輸人列和輸出隊列中排隊緩存所耗費的時間就是排隊時延。
?在分組從源主機傳送到目的主機的過程中，分組往往要經(jīng)過多個路由器的轉(zhuǎn)發(fā)。分能在每個路由器上產(chǎn)生的排隊時延的長短，往往取決于網(wǎng)絡(luò)當時的通信量和各路由器的自身性能。由于網(wǎng)絡(luò)的通信量隨時間變化會很大，各路由器的性能也可能并不完全相同，因此排隊時延一般無法用一個簡單的公式進行計算。另外，當網(wǎng)絡(luò)通信量很大時，可能會造成路由器的隊列溢出，使分組丟失，這相當于排隊時延無窮大。
4.處理時延
?路由器從自己的輸入隊列中取出排隊緩存并等待處理的分組后，會進行一系列處理工作。例如，檢查分組的首部是否誤碼、提取分組首部中的目的地址、為分組查找相應的轉(zhuǎn)發(fā)接口以及修改分組首部中的部分內(nèi)容(例如生存時間)等。路由器對分組進行這一系列處理工作所耗費的時間就是處理時延。
?與排隊時延類似，處理時延一般也無法用一個簡單的公式進行計算。
?前面的圖1-24給出的是一個分組由源主機發(fā)送，經(jīng)過一個路由器轉(zhuǎn)發(fā)后到達目的主機所經(jīng)歷的各種網(wǎng)絡(luò)時延，這是一種比較簡單的情況。
?在實際應用中，源主機往往會連續(xù)發(fā)送多個分組，并且這些分組要經(jīng)過多個路由器的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達目的主機

舉一個例子
看下圖

?主機A和主機B通過兩個路由器互連，共三段鏈路。主機A給主機B連續(xù)發(fā)送四個分組，則從主機A發(fā)送第一個分組開始，到主機B接收完第四個分組為止，在不考慮排隊時延和處理時延的情況下，總時延由四個分組的發(fā)送時延、三段鏈路的傳播時延以及兩個路由器的轉(zhuǎn)發(fā)時延構(gòu)成。
?主機A將四個分組連續(xù)發(fā)送給路由器1。路由器1每收到主機A發(fā)來的一個分組就將其轉(zhuǎn)發(fā)給路由器2，與此同時還在接收主機A發(fā)來的下一個分組。路由器2每收到路由器1轉(zhuǎn)發(fā)來的一個分組就將其轉(zhuǎn)發(fā)給主機B，與此同時還在接收路由器1轉(zhuǎn)發(fā)來的下一個分組。
因此，該例子中的總時延包括以下幾部分：
?主機A發(fā)送四個分組的發(fā)送時延。分組4的最后一個比特的信號從主機A傳播到路由器1的傳播時延。
?路由器1轉(zhuǎn)發(fā)一個分組的發(fā)送時延(注意：不是四個，否則就把時間重復計算了)。分組4的最后一個比特的信號從路由器1傳播到路由器2的傳播時延。
?路由器2轉(zhuǎn)發(fā)一個分組的發(fā)送時延。
?分組4的最后一個比特的信號從路由器2傳播到主機B的傳播時延。
通過上邊的講解，我們可以求出不考慮排隊時延和處理時延的情況下，源主機通過n個路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，給目的主機發(fā)送m個分組的總時延計算公式為

學完了上邊計算機網(wǎng)絡(luò)的性能指標，我們可以來學習一道往年的考研題目

?忽略分組拆裝時間就是忽略排隊和處理時延，忽略了傳播時延，所以我們只需要關(guān)注發(fā)送時延即可。
?我們選擇最快的鏈路，通過兩個路由器后將數(shù)據(jù)傳送給H2，通過上邊的公式我們就可以求出所需要的時間。

?要注意的是，不要糾結(jié)于在信號傳播時，到底是傳播時延占主導還是發(fā)送時延占主導，我們要具體問題具體分析。
例如下邊的兩道題目

時延帶寬積

時延帶寬積是傳播時延和帶寬的乘積

?我們可以將鏈路看作一個圓柱形管道，管道的長度是鏈路的傳播時延(即以時間作為單位來表示鏈路長度)，管道的橫截面積是鏈路的帶寬，如下圖所示。因此時延帶寬積就相當于這個管道的容積，表示這樣的鏈路可以容納的比特數(shù)量。

舉例說明
?主機A和主機B之間采用光纖進行傳輸，鏈路長1KM，鏈路帶寬為1Gb/s，計算該鏈路的帶寬積。

?鏈路中這些比特正在鏈路中傳播，因此，時延帶寬積也稱為以比特為單位的鏈路長度。

往返時間

?往返時間(Round-Trip Time.RTT)是指從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)分組開始，到發(fā)送端收到接收端發(fā)來的相應確認分組為止，總共耗費的時間。
?如下圖所示主機A與主機B通過多個異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)和多個路由器進行互連。以太網(wǎng)中的主機A給無線局域網(wǎng)中的主機B發(fā)送數(shù)據(jù)組情的，生機B收到數(shù)據(jù)分組后給走機A發(fā)送相應的確認分組，從主機A發(fā)送數(shù)據(jù)分組開始，到主機A收到主機B發(fā)來的相應確認分組為止，就是這一次交互的往返時間。

?請讀者注意，衛(wèi)星鏈路帶來的傳播時延比較大，這是因為衛(wèi)星鏈路的通信距離一般都比較遠，例如地球同步衛(wèi)星與地球的距離大約為36000km。

?往返時間是一個比較重要的性能指標。因為在我們?nèi)粘５拇蠖鄶?shù)網(wǎng)絡(luò)應用中，信息都是雙向交互的(而非單向傳輸?shù)?。我們經(jīng)常需要知道通信雙方交互一次所耗費的時間。

利用率

?利用率有鏈路利用率和網(wǎng)絡(luò)利用率兩種。
?鏈路利用率是指某條鏈路有百分之幾的時間是被利用的(即有數(shù)據(jù)通過)。完全空閑的鏈路的利用率為零。
?網(wǎng)絡(luò)利用率是指網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路的鏈路利用率的加權(quán)平均。

?根據(jù)排隊論可知，當某鏈路的利用率增大時，該鏈路引起的時延就會迅速增加。
?令D0表示網(wǎng)絡(luò)空閑時的時延，D表示網(wǎng)絡(luò)當前的時延，在理想的假定條件下。

我們可以根據(jù)該式畫出時延隨網(wǎng)絡(luò)利用率的變化關(guān)系

?時延D隨網(wǎng)絡(luò)利用率U的增大而增大。當網(wǎng)絡(luò)利用率達到0.5時，時 嚴重延就會加倍。當網(wǎng)絡(luò)利用率接近最大值1時，時延就趨于無窮大。因此，網(wǎng)絡(luò)利用率并不是 當網(wǎng)絡(luò)越大越好，過高的網(wǎng)絡(luò)利用率會產(chǎn)生非常大的時延。一些大型ISP往往會控制信道利用率不超過50%。如果超過了就要進行擴容，增大線路的帶寬。

丟包率

?丟包率是指在一定的時間范圍內(nèi)，傳輸過程中丟失的分組數(shù)量與總分組數(shù)量的比例。丟包率可分為接口丟包來。節(jié)點丟包率，鏈路丟包率路徑丟包率以及網(wǎng)絡(luò)丟包率等。
?在過去，丟包率只是網(wǎng)絡(luò)運維入員比較關(guān)心的一種性能指標，而普通用戶往往并不關(guān)心這個指標，因為他們通常意識不到網(wǎng)絡(luò)丟包，隨著網(wǎng)絡(luò)游戲的迅速發(fā)展，現(xiàn)在很多游戲玩家也非常關(guān)心丟包率這個網(wǎng)絡(luò)性能指標。
分組丟失主要有以下兩種情況：
?分組在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼，被傳輸路徑中的節(jié)點交換機(例如路由器)或目的主機檢測出誤碼而丟棄。
分組交換機根據(jù)丟棄策略主動丟棄分組。

下面舉例說明分組丟失的兩種情況，如下圖所示。
?情況1：主機A給主機B連續(xù)發(fā)送若干個分組，其中某些分組在傳輸過程中出現(xiàn)了誤碼。例如在路由器R1到路由器R2的鏈路上有分組出現(xiàn)了誤碼，R2收到后檢測出分組有誤碼而丟棄該分組；在路由器R3到主機B的鏈路上有分組出現(xiàn)誤碼，主機B收到后檢測出分組有誤碼而丟棄該分組。

?情況2：假設(shè)路由器R5的輸入隊列已滿，沒有空間存儲新收到的分組，則R5主動丟棄新收到的分組。請讀者注意，在實際應用中，路由器會根據(jù)自身的擁塞控制算法，在輸入隊列還未滿的時候就開始主動丟棄分組。

當網(wǎng)絡(luò)的丟包率較高時，網(wǎng)絡(luò)通常難以正常工作。

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