网络基础——基本定义

1.计算机网络:

计算机网路主要是由一些通用的、可编程的硬件组成,而这些硬件并非专本用来实现某一目的(传送数据或视频信号)。这些可编程硬件能够用来传送多种不同类型的数据,能够支持广泛和日益增长的应用。

可编程硬件表明这种硬件一定含有CPU。计算机网络除了硬件层面。软件层面是能够支持的各种应用(包括今后可能出现的各种应用)。

2.网络的分类:

广域网WAN:广域网的作用通常为几十到几千公里,因而有时也称为远程网。广域网是互联网的核心部分,其任务是通过长距离(如跨越国家)运送主机所发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路,具有较大的通信容量。

城域网MAN:城域网的作用范围是2-50km。一般是一个城市,可跨越几个街区或整个城市。可以是一个或几个单位所拥有,但也可以为一种公用的设施,用来将多个局域网进行互连,目前城域网很多采用以太网技术,因此常并入局域网来考虑。

局域网LAN:局域网一般用于微型计算机或工作站通过告诉通信线路相连(速度10Mbit以上),但地理上局限在较小的范围(1KM左右),在局域网发展的初期,一个学校或工厂往往具有一个局域网,但现在局域网已经广泛的使用,学校或企业往往具有多个互连的局域网(这样的网络常称为校园网或企业网)。

个人区域网PAN:在个人或个人工作的地方把属于自己的个人电子设备用无线技术连接起来的网络,因此也称为无线个人区域网WPAN,范围很小大约10m左右。

3.网络按使用者分类:

公用网:指电信公司(国有或私有)出资建立的大型网络。共有的意思是按电信公司缴费的人都可以使用这种网络因此称公用网。

专用网:为满足某个部门的某个单位特殊业务组建的网络,不向本公司外的人提供这种网络。如,军队、铁路、银行、电力等系统均有本系统的专用网。

4.性能指标:

1.速率:比特bit,意思是一个二进制的数字,因此一个比特就是二进制种的0或1,比特也是信息论中使用的信息量的单位,网络中的速率指的是数据的传送速率,称为数据率或比特率,速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。

单位为bit/s,当数据率较高时, 就常常在bit/s的前面加上一个字母。 例如, k(kilo) =10^3=千, M(Mega) =10^6=兆, G(Giga) =10^9=吉, T(Tera) =10^12=太, P(Peta) =10^15=拍, E(Exa) =10^18=艾, Z(Zetta) =10^21=泽, Y(Yotta) =10^24=尧(9)。

如4*10^10bit/s=40Gbit/s,人们谈网络速率时经常忽略单位中应有的bit/s。且此速率一般指额定速度或标称速率而非实际速度。

2.宽带

        宽带本来指某个信号所拥有的频带宽度。信号的宽带是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率的范围。如,传统通信线路上传送的电话信号的标准带宽时3.1kHZ,这种意义的带宽的单位时赫(或千赫、兆赫等)。过去很长一段时间,通信的主干线路时模拟信号(连续变化的),因此,表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽(或通频带)。

        在计算机网络中,带宽用来便是网络中某通道传送数据的能力,因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的最高数据率,在本书中所提到的宽带,主要指这个意思,这种意义的宽带的单位就是数据率的单位bit/s,比特每秒。

        上面两种,前者教频域称谓,后者叫时域称谓,本质是相同的,也就是说,一条通信链路的宽带越宽,能传输的最高数据率也越高。

3.吞吐量

吞吐量表示单位时间内通过某个网络或信道、接口的实际数据量,更经常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由多少数据率能够通过网络。显然,它受到网络的带宽和网络的额定速率的限制,如一个1Gbit/s的以太网,就是说额定速率为1Gbit/s,那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。因此,对1Gbit/s的以太网,其实际吞吐量可能只有100Mbit/s,甚至更低,并没有达到额定的速率。请注意,有时额定吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示。

4.时延

时延指的是数据(一个报文或分组,甚至比特)从网络或链路的一段传到另一端所用的时间。时延是个非常重要的指标,它有时也成为延迟。

网络中的时延是由以下几个不同部分组成的:

1.发送时延 发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间,也就是从发送数据帧的第一个比特算起,到发送该帧的最后一个比特发送完毕所需要的时间。因此发送时延也成为传输时延,计算公式


发送时延计算公式

2.传播时延 是电磁波早信道中传送一定的距离所需要话费的时间,传播时延的计算公式是:


传播时延的计算公式

电磁波在自由空间的传输速率是光速,即3*10^15。在网络介质传播的速度要略低,在铜线电缆中的传播速率约为2.3×10^5km/s, 在光纤中的传播速率约为2.0×10^5km/s。 例如,1000km长的光纤线路产生的传播时延大约为5ms。

发送时延主要与计算机内部的发送器(网络适配器有关),与传送信号的长度无关,而传播时延之余传输的介质和距离有关,与发送无关。

3.处理时延。分析分组的头部、从分组提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等,就产生了处理时延。

4.排队时延:分组在经过网络传输时,要经过很多路由器,但分组在进入路由器后要先在输入队列 中排队等待处理,在路由器确定了转发接口后,还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。排队时延的长度往往取决于网络当时的通信量,当网络的通信量很大时会发生队列溢出,分组丢失,这相当于排队时延为无穷大。

总时延:发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

一般说来, 小时延的网络要优于大时延的网络。 在某些情况下, 一个低速率、 小时延的网络很可能要优于一个高速率但大时延的网络。


时延产生的全过程

例题:100MB数据块,在宽带为1Mbit/s的信道连续发送,发送时延是?

100MB,B指的是byte,1byte=bit。100MB=100*1024*1024*8=800*2^10bit=2^23*100

1Mbit/s=1*10^6bit/s  ,   2^23*100/10^6=838.9S

现在把这个数据用光纤发送到1000KM外的计算机,由于1000KM光线传播时延为5ms,因此发送100MB的数据块的总时延为838.9+0.005=838.9s,可见,这种情况下,运输时延大部分产生于发送时延。如传输速率提高100倍,即提高到100Mbit/s,那总时延就变为8.394s,缩小为原来数值的1/100。

但是, 并非在任何情况下, 提高发送速率就能减小总时延。 例如,要传送的数据仅有1个字节(如键盘上键入的一个字符, 共8bit) 。 当发送速率为1Mbit/s时, 发送时延是8÷106=8×10–6s=8µs若传播时延仍为5ms, 则总时延为5.008ms。 在这种情况下, 传播时延决定了总时延。 如果我们把数据率提高到1000倍(即将数据的发送速率提高到1Gbit/s) , 不难算出, 总时延基本上仍是5ms, 并没有明显减小。 这个例子告诉我们, 不能笼统地认为:“数据的发送速率越高, 其传送的总时延就越小”。 这是因为数据传送的总时延是由公式(1-3) 右端的四项时延组成的, 不能仅考虑发送时延一项。

5.时延带宽积

把前文的两个网络度量单位,传播时延和带宽相乘,就得到了一个很有用的度量:传播时延带宽积,


时延宽带积的计算公式

传播时延:通过这段距离的时间。s

带宽:单位时间内通过某一链路的最高数据率,bit/s

时延带宽积:很明显乘积为数据率bit。因为是最高数据率,因此这就表示了这条链路的最大数据量(最多装多少bit)。

如, 设某段链路的传播时延为20ms, 带宽为10Mbit/s,那时延带宽积是?

时延带宽积=20*10^-3  * 10*10^6 =2*10^5bit。


链路模型

表明,发射端发送一个bit到终点时,发射端发射了20w个bit,且都在链路上向前移动。因此,链路的时延带宽积又称为比特位单位的链路长度。

不难看出,管道中的比特数表示从发射端发出的但尚未到达接收端的比特。对于一条正在传输数据的链路。只有在代表链路的管道都充满时,链路才充分利用。

6.往返时间 RTT

很多时候互联网上的数据不是单向传输而是双向的,因此,我们有时需要知道双向传播时间。A向B,数据长度时100MB,发送速率时100Mbit/s,那么

发送时间=数据长度/发送速率=100*2^20*8  / 100 *10^6=8.39s

B收到后立刻往A发送,如RTT=2s,那A向B发送的数据有效数据率是:

有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)=80.7Mbit/s,可见比之前的100Mbit/s。

7.利用率

利用率有信道利用率和网络利用率两种。 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的(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。

信道利用率不是越高越好,信道利用率越高,时延越大。。 当网络的通信量

很少时, 网络产生的时延并不大。 但在网络通信量不断增大的情况下,由于分组在网络结点(路由器或结点交换机) 进行处理时需要排队等候, 因此网络引起的时延就会增大。


时延和利用率的关系

8.费用

传输速度越快,信道材质越好,价格越高。

9.质量

网络的质量取决于网络中所有构件的质量, 以及这些构件是怎样组成网络的。 网络的质量影响到很多方面, 如网络的可靠性、 网络管理的简易性, 以及网络的一些性能。 但网络的性能与网络的质量并不是一回事。

10.标准化

网络的硬件和软件的设计既可以按照通用的国际标准, 也可以遵循特定的专用网络标准。 最好采用国际标准的设计, 这样可以得到更好的互操作性, 更易于升级换代和维修, 也更容易得到技术上的支持。

11.可靠性

可靠性与网络的质量和性能都有密切关系。 高速网络的可靠性不一定很差。 但高速网络要可靠地运行, 则往往更加困难, 同时所需的费用也会较高。

12.可扩展性和可升级性

在构造网络时就应当考虑到今后可能会需要扩展(即规模扩大) 和升级(即性能和版本的提高) 。 网络的性能越高, 其扩展费用往往也越高, 难度也会相应增加。

13. 易于管理和维护

网络如果没有良好的管理和维护, 就很难达到和保持所设计的性能。

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