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1、速率和带宽 2、延迟/时延（delay/latency） 3、时延带宽积 4、丢包（loss） 5、吞吐量/率（throughput）
1、概述 2、OSI参考模型 3、TCP/IP参考模型 4、5层参考模型
四、网络性能
1、速率和带宽
（1）速率
速率即数据率（data rate）或称数据传输速率或比特率（bit rate），单位时间（秒）传输信息（比特）量，是计算机网络中最重要的一个性能指标。
单位b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s，其中k=103、M=106、G=109、T=1012。
速率往往是指额定速率或标称速率，理想或最大速率。
（2）带宽
“带宽”（bandwidth）原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。
网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，即速率。
2、延迟/时延（delay/latency）
在分组交换网络中，分组到达路由器暂存，确定要转发的链路，如果该链路正忙要等待，闲时转发，之后传播至下一节点。
分组从到达一个路由器开始到分组被成功转发到下一个路由器所消耗的时间主要有四种。
dproc：结点处理延迟（nodal processing delay），差错检测、确定输出链路，通常<msec。
dqueue：排队延迟（queueing delay），等待输出链路可用，取决于路由器拥塞程度。
dtrans：传输延迟（transmission delay），L/R，取决于分组长度L（bits）、链路带宽R（bps）。
dprop：传播延迟（propagation delay），d/s，取决于物理链路长度d、信号传播速度s。一个分组发出后，通过信号（电信号、光信号、无线信号）发送到下一节点，信号在节点上的传播也需要时间称为传播延迟。在铜缆中电信号传播速度为~2×108m/sec（0.7倍光速）。
dtrans与dprop完全不同！传输延迟是发送一个分组需要的时间，传播延迟是信号从这一点经过链路传播到下一点需要的时间。
排队延迟的不确定性：链路带宽R（bps）、分组长度L（bits）、平均分组到达速率a。流量强度（traffic intensity）= La/R。
La/R ~ 0：平均排队延迟很小；La/R -> 1：平均排队延迟很大；La/R > 1：超出服务能力，平均排队延迟无限大！
3、时延带宽积
时延带宽积=传播时延×带宽= dprop×R（bits）
当第一个bit到达链路目的地时，一共发出的bits。或链路上能容纳的bits，链路的时延带宽积又称为以bit为单位的链路长度。
4、丢包（loss）
队列缓存容量有限，分组到达已满队列将被丢弃，丢弃分组可能由前序结点或源重发，也可能不重发。
丢包率=丢包数/已发分组总数
5、吞吐量/率（throughput）
表示在发送端与接收端之间传送数据速率（b/s）。即时吞吐量，给定时刻的速率。平均吞吐量，一段时间的平均速率。
吞吐量取决于端到端路径上的瓶颈链路（bottleneck link）。
10条“连接”共享主干网瓶颈链路Rbits/sec，每条“连接”的端到端吞吐量理论值：min(Rc,Rs,R/10)，实际网络中瓶颈通常是Rc或 Rs。
五、网络体系结构
1、概述
计算机网络是一个非常复杂的系统，涉及通信技术和计算机技术，涉及许多组成部分： 主机、路由器、各种链路、应用、协议、硬件、软件等。是否存在一种系统结构有效描述网络？利用什么样的结构？至少用于讨论网络？分层结构。
计算机网络体系结构简称网络体系结构（network architecture），是从功能上描述计算机网络结构，是分层结构。每层遵循某个/些网络协议完成本层特定功能，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，是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义。体系结构是抽象的，不关心功能的具体实现。
为什么使用分层结构？结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系，分层的参考模型（reference model）。模块化的分层易于系统更新、维护，任何一层服务实现的改变对于系统其它层都是透明的，例如登机过程的改变并不影响航空系统的其它层。有利于标准化。
分层是否有不利之处？分层多会导致效率低。
实体（entity）表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议是控制两个对等实体（同层）进行通信的规则的集合，协议是“水平的”。
任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，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。
同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点 SAP（Service Access Point），交换原语，指定请求的特定服务。
2、OSI参考模型
开放系统互连（OSI）参考模型是由国际标准化组织（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系统的互联互通。虽然是理论模型，市场失败，但是理解网络通信的最佳学习工具。
将体系结构在功能上分为7层，每层完成特定的网络功能。
两个主机通过中间系统互联，主机完成7层功能，中间系统完成3层功能。A主机应用层最先处理数据，交给表示层…物理层把信号传给中间系统；中间系统物理层把数据还原，…
假设只看源主机到目的主机之间的通信，二者均要实现7层的功能。主机A的数据交给应用层，应用层根据网络应用及协议不同，加上应用层头（控制信息），构成这个协议的数据包，称为应用层协议数据单元（A-PDU），交给表示层…每一层加上该层协议规定的头部信息，构成协议数据单元，传给下一层，最终到达物理层转换为比特流。在物理介质上传播到目的地，向上处理得到用户数据。
为什么需要数据封装？增加控制信息，构造协议数据单元（PDU）。
控制信息主要包括：地址（Address），标识发送端/接收端；差错检测编码（Error-detecting code），用于差错检测 或纠正；协议控制（Protocol control），实现协议功能的附加信息，如优先级（priority）、服务质量（QoS）和安全控制等。
（1）物理层
实现每一个bit的传输。
① 接口特性：定义和规范接口特性，主机和发送设备之间的接口，发送设备和物理介质间的接口，接口特性包括：机械特性（接口形状等）、电气特性（电平电压等）、功能特性（引脚功能：接地、发送控制信号数据信号）、规程特性（接口的工作过程）。
② 比特编码：用信号的什么特征表示0和1。
③ 数据率：发送数据的速率。
④ 比特同步：时钟同步
⑤ 传输模式：单工（Simplex），单向发送数据，如传统电视；半双工（half-duplex），交替双向，二者不能同时发数据，如对讲机；全双工（full-duplex），发送和接收数据可以同时进行，通常采用独立的两个信道。
（2）数据链路层
解决物理链路直接相连的两个相邻结点间的数据传输（node-to-node）数据传输，结点可能是主机或其它网络设备，以帧作为数据单位。
① 组帧（Framing）：加头加尾构成帧，通常头部加地址等信息，尾部加差错检测等信息。让接收一端从物理层收到一系列比特流后能切分出每个帧，且区分出头部、尾部和数据信息，根据头部尾部信息完成数据链路层协议规定的相关功能。
② 物理寻址（Physical addressing）：在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端。广播通信，即所有通信主机连接在同一个物理链路上，物理层发出的数据其它任何一方都能收到，在这样的网络中，地址是必须的。
③ 流量控制（Flow control）：匹配发送端和接收端的发送速度和接收速度，避免淹没接收端。
④ 差错控制（Error control）：检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧。
⑤ 访问（接入）控制（Access control）：在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权。
（3）网络层
负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付，可能穿越多个网络。
① 逻辑寻址（Logical addressing）：全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址。
② 路由（Routing）：路径选择，路由器（或网关）互连网络，并路由分组至最终目的主机。
分组转发：红色字母标识网络层唯一的逻辑地址，绿色数字代表物理地址。构造网络层协议数据单元（T-PDU），用源和目的网络层地址（S和D）标识分组，封装到链路层数据帧；到路由器后，取出T-PDU后，重新封装数据帧；下一个路由器再取出T-PDU后，重新封装数据帧...该过程中，源和目的的网络层地址不变，保证跨越多个链路，把数据送到目的地。
（4）传输层
传输层的协议数据单元叫段（segments），把来自会话层的完整报文分割成数据段，构造协议数据单元，交给网络层进行传输。负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输。
① 报文的分段与重组。
② SAP寻址：确保将完整报文提交给正确进程，如端口号。会话层协议数据单元交给传输层，传输层对其进行分割，构造一个个传输层的段，包括源和目的的SAP地址x、y；进一步交给网络层，构造网络层数据单元，S和D是逻辑地址；交给数据链路层，构造数据帧，包含物理地址；传输到目的地后层层剥离。
③ 连接控制：从下向上第一个端到端的层次，可以实现端到端的连接控制（逻辑连接），包括建立、维护和拆除。
④ 流量控制：端到端。
⑤ 差错控制：从端系统的角度引入差错编码、差错纠正机制等。
（5）会话层
接收表示层协议数据单元，最多插入一些控制信息。
① 对话控制（dialog controlling）：建立、维护、拆除。
② 同步（synchronization）：在数据流中插入“同步点”，一旦数据传输在某个控制点附近中断，下次恢复只需恢复到最近一个控制点。
会话层是功能最单薄的一层，实际网络中不存在这层。
（6）表示层
处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax and semantics）问题。
① 数据表示转化：如大端数和小端数字节顺序不同，转换为主机独立的编码。
② 加密/解密、压缩/解压缩。
表示层功能也不复杂，实际网络不存在这层。
（7）应用层
最丰富的一层，多个应用通讯功能对应应用层，有不同的应用层协议。应用层支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口，使用网络（服务）。
典型应用层服务：文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、Web（HTTP）、……
3、TCP/IP参考模型
网络接口层没有定义具体相关协议，仅要求能封装网际层的IP分组；传输层定义TCP/UDP协议；应用层一系列网络应用基于TCP/UDP协议。
所有的应用都架构在IP之上，IP over Everything，IP可应用到各式各样的网络上。这个特点是Internet网络快速发展的主要因素，底层网络没有限制，只要能封装IP分组，就可以作为互联网的一部分。
4、5层参考模型
综合OSI 和TCP/IP的优点，清晰的概念、结构和实用。从理论到实践应用最多。
应用层：支持各种网络应用，FTP, SMTP, HTTP；
传输层：进程-进程的数据传输，TCP, UDP；
网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发，IP协议、路由协议等；
链路层：相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输，以太网（Ethernet）、802.11（WiFi）、PPP；
物理层：比特传输。
5层模型解释的数据封装和传输过程：源主机通过交换机连接到路由器，再连接到目的主机。应用层是用户发送的数据，称为报文（message）；传输层把报文拆分加上头，构成段（segment）；网络层加上头，构成数据报（datagram）；链路层加头加尾，构成帧（frame）；物理层，一个个bit。
六、计算机网络与Internet发展历史
（1）1961-1972：早期分组交换原理的提出与应用
1961：Kleinrock排队论证实分组交换的有效性
1964：Baran分组交换应用于军事网络
1967：ARPA（Advanced Research Projects Agency）提出ARPAnet构想
1969：第一个ARPAnet 结点运行，共四个结点
1972：ARPAnet公开演示；第一个主机-主机协议NCP（Network Control Protocol）；第一个e-mail程序；ARPAnet拥有15个结点。
（2）1972-1980：网络互连，大量新型、私有网络的涌现
1970：在夏威夷构建了ALOHAnet卫星网络
1974：Cerf与Kahn提出网络互连体系结构
Cerf与Kahn网络互连基本原则：极简（minimalism）、自治（autonomy）无需改变内部网络实现网络互连、尽力服务（best effort service）模型、无状态路由器、分散控制。——当今Internet体系结构。
1976：Xerox设计了以太网
70’s后期：私有网络体系结构DECnet, SNA, XNA；固定长度分组交换（ATM 先驱）
1975：ARPAnet移交给美国国防部通信局管理
1979：ARPAnet拥有200结点
（3）1980-1990：新型网络协议与网络的激增:
1983：部署TCP/IP
1982：定义了smtp电子邮件协议
1983：定义了DNS
1985：定义了FTP协议
1988：TCP拥塞控制；新型国家级网络CSnet, BITnet, NSFnet, Minitel（法国）
1986：NSFnet初步形成了一个由骨干网、区域网和校园网组成的三级网络
100,000台主机连接公共网络
（4）1990-2000’s：商业化、Web、新应用
① 1990’s早期：ARPAnet退役
1991：NSF解除NSFnet的商业应用限制（1995年退役），由私营企业经营
1992：因特网协会ISOC成立
② 1990s后期：Web应用
超文本（hypertext）[Bush 1945, Nelson 1960’s]
HTML, HTTP：Berners-Lee
1994：Mosaic、Netscape浏览器
1990’s后期：Web开始商业应用
③ 1990’s后期-2000’s
更多极受欢迎的网络应用：即时消息系统（如QQ），P2P文件共享
网络安全引起重视
网络主机约达50000，网络用户达1亿以上
网络主干链路带宽达到Gbps
（5）2005-
~7.5亿主机，智能手机和平板电脑
宽带接入的快速部署
无处不在的高速无线接入快速增长
出现在线社交网络：Facebook很快拥有10亿用户
服务提供商（如Google, Microsoft）创建其自己的专用网络，绕开Internet，提供“即时”接入搜索、email等服务
电子商务、大学、企业等开始在“云”中运行自己的服务（如Amazon EC2）