计算机网络 计算机网络类别与性能

计算机网络（二）

学习计算机网络过程中的心得体会以及知识点的整理，方便我自己查找，也希望可以和大家一起交流。

—— 计算机网络类别与性能 ——

1. 计算机网络定义与类别

1.1 计算机网络的定义

• 计算机网络的精确定义并未统一。
  较好的定义：
  计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

1.2 计算机网络的定义解读

• 根据这个定义：
  1. 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机。
  2. 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用（包括今后可能出现的各种应用）。
  3. 类似于打印机不能算作计算机网络，因为它不是通用的且只能用于打印。

1.3 计算机网络的类别

计算机网络有多种类别。典型包括：

1. 按网络的作用范围进行分类
2. 按网络的使用者进行分类
3. 用来把用户接入到互联网的网络

1.3.1 按网络的作用范围进行分类

• 广域网 WAN (Wide Area Network)

  作用范围通常为几十到几千公里。

• 局域网 LAN (Local Area Network)

  速率快（100M—10Gbps），误码率低（可达10e—14），范围小（1km以内）。

• 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)

  作用距离约为5 ~ 50 公里。

• 个人区域网 PAN (Personal Area Network)

  范围很小，大约在10 米左右。

    若中央处理机之间的距离非常近（如仅1米的数量级甚至更小些），
    则一般就称之为**多处理机系统**，而不称它为计算机网络。 
  

1.3.2 按网络的使用者进行分类

• 公用网 (public network)

  按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。

• 专用网 (private network)

  为特殊业务工作的需要而建造的网络。

    公用网和专用网都可以传送多种业务。
    如传送的是计算机数据，则分别是**公用计算机网络**和**专用计算机网络**。
  

1.3.3 用来把用户接入到互联网的网络

• 接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。

• 接入网是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。

• 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。

• 接入网是从某个端系统到另一个端系统的路径中，由这个端系统到第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一些物理链路所组成的。

2.计算机网络的性能

2.1 计算机网络的性能指标

2.1.1 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。
• 比特（bit）来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。
• 速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate)或比特率 (bit rate)。
• 速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。例如 4 * 10¹⁰ bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s（但实际上是4*2¹⁰bit/s）。
• 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

2.1.2 带宽

两种不同意义：

• “带宽”(bandwidth) 在频域上是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

• “带宽”(bandwidth) 在时间域是指单位时间通过的数据量，即在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s ，即 “比特每秒”。

    在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，
    其本质是相同的。
    也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。
  

※数字信号流随时间的变化
在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

2.1.3 吞吐量

• 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。
• 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，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。

2.1.4 时延

• 时延 (delay 或 latency) 是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
• 有时也称为延迟或迟延。
• 网络中的时延由以下几个不同的部分组成：
  1. 发送时延
  2. 传播时延
  3. 处理时延
  4. 排队时延

2.1.4.1 发送时延

• 也称为传输时延。
• 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。
• 也就是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。
  

2.1.4.2 处理时延

• 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
• 发送时延与传播时延有本质上的不同。
• 信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
  

2.1.4.3 处理时延

• 主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。

2.1.4.4 排队时延

• 分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。
• 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

2.1.4.5 四种时延产生的地方

※概念问题

• 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。
• 速度的基本单位为m/s；速率的单位为b/s，它们是不同的。
• 对速度来说，电磁波和光波在某一种传输媒体中速度是固定值。所以不存在“在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些” 这种说法。

2.1.5 时延带宽积

• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

2.1.6 往返时间

• 互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。
• 往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。
• 在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。
• 当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标。

2.1.7 利用率

• 分为信道利用率和网络利用率。
• 信道利用率指出某信道有百分之几（目前技术水平是达不到百分之几十的）的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。
• 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
• 信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

2.1.8 时延与网络利用率的关系

• 根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

若令 D₀ 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D₀之间的关系：

• 当信道的利用率增大时，该信道引起的时延迅速增加。

2.2 计算机网络的非性能指标

一些非性能特征也很重要。它们与前面介绍的性能指标有很大的关系。主要包括：

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于管理和维护