计算机网络学习The next day

 在计算机网络first day中，我们了解了计算机网络这个科目要学习什么，因特网的概述，三种信息交换方式等，在今天，我们就来一起学习一下计算机网络的定义和分类，以及计算机网络中常见的几个性能指标。
废话不多说，直击正题

计算机网络的定义

 在计算机发展的不同阶段，人们对计算机网络提出了不同的定义，这些定义都反映了当时计算机网络发展的水平。
 计算机网络早期最简单的定义是，一些互连的，自治的计算机的集合。互联是指计算机之间可以进行通信，自治是指独立的计算机，他有自己独立的软硬件，可以自己独立运行。

 在当今计算机网络技术飞速发咱的年代，上述对计算机的定义已经不再适用，现如今有关计算机网络的一个较好的定义就是：计算机网络主要是由一些通用的，可编程的硬件互连而成，这些硬件并非专门来实现某一特定的目的（例如传送数据或者视频通信）。这些可编程的硬件能够用来创术不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

这个定义可以有以下解读：
 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，还包括智能手机登具有网络功能的智能硬件，定义中可编程的硬件表明这种硬件一定包含中央处理单元CPU。
 计算机网路并非只用来传输数据，而是能够基于数据传送进而实现各种各样的应用，包括今后可能出现的各种应用。

计算机网络的分类

 (1)广域网(Wide Area Network,WAN)：覆盖范围通常为几十千米到几千千米，可以覆盖一个国家、地区甚至横跨几个洲。广域网是因特网的核心部分，它为因特网核心路由器提供远距离高速连接，互连分布在不同国家和地区的城域网和局域网。
 (2)城域网(Metropolitan Area Network, MAN)：覆盖范围一般为5～50km，可以跨越几个街区甚至整个城市。城域网通常作为城市骨干网，互连大量机构、企业以及校园局域网。
 (3)局域网(Local Area Network，LAN)：覆盖范围一般为1km，例如一个学生宿舍、一栋楼或一个校园。局域网通常由微型计算机或工作站通过速率为10Mb/s以上的高速链路相连。在过去，一个企业或学校往往只拥有一个局域网，而现在局域网已被广泛地应用，一个企业或学校可能就会有多个互连的局域网，这样的网络常称为校园网或企业网。
 (4)个域网(Personal Area Network，PAN)：个域网是个人区域网的简称，其覆盖范围大概为10m，主要用于隔热工作的地方，例如打字机，耳机，鼠标等电子设备用蓝牙或wife连接起来，因此也常常被称为无线个域网。
按照网络的使用者分类
 1，公用网（Public Network）：通常是指电信公司建造的大型网络，只要按照电信公司的要求缴纳费用就可以使用。
 2，专用网（Private Network）：通常是由某个部门为满足特殊业务而建造的网络，如银行，铁路的专用网，这种网络不向本单位以外的人提供服务。

按照其他角度分类
 除了上述两种角度对计算机网络分类外，还可以以传输介质进行分类（有线或者无线）

按照网络拓扑分类（总线型，星型，环形，网状型）

优点：建网容易，增减节点方便，节省线路
缺点：重负载时通信效率不高，总线任意位置出现故障，则全网瘫痪。

优点：每个计算机都以单独的线路与中央设备（交换机或路由器）相连，便于网络的集中控制和管理。
缺点：中央设备对故障敏感。

 环中信号是单向传输的。一个典型的例子就是令牌环局域网，可以是单环，也可以是双环。

优点：可靠性高。
缺点：控制复杂，线路成本高。

 还可以按照交换方式进行分类（电路交换，报文交换，分组交换，在第一讲中已经讲过啦）按照传输技术进行分类（点对点或者广播）。

计算机网络的性能指标

 计算机的性能指标被用来从不同方面度量计算机网络的性能，常用的有速率，贷款，吞吐量，时延，时延带宽积，往返时间，利用率和丢包率这八个性能指标。

速率

 在讲解速率前，我们要先介绍数据量的单位：bite（比特）。
 比特是计算机中数据量的基本单位，一个比特代表二进制数字中的一个0或1。
 数据量的常用单位有字节（byte，或B），千字节（KB），兆字节（MB），吉字节（GB）以及太字节（TB）。

 计算机网络中速率是指数据的传输效率，也称数据率或者比特率。速率的基本单位是（bite/s）比特每秒，速率的常用单位为千比特每秒（Kb/s），兆比特每秒（Mb/s），吉比特每秒（Gb/s）.
他们的换算关系如下

要注意他们之间的不同
 数据量单位中的K,M,G,T数值分别表示为2¹⁰,2²⁰,2³⁰,2⁴⁰。在速率的表示单位中分别表示为10³，10⁶，10⁹，10¹²。
 我们知道2¹⁰为1024，越往后他们之间的差值越大，然而在实际应用中，很多人并没有严格区分上述两种类型的单位。例如，某块固态硬盘的厂家标称容量为250GB，而操作系统给出的容量却为232GB，如图1-21所示。产生容量差别的原因在于，厂家在标称容量时，GB中的G并没有严格采用数据量单位中的数值230，而是采用了数值10°；但操作系统在计算容量时，GB中的G严格采用了数据量单位中的数值230。
 在日常生活中，人们习惯于用更简洁但不严格的说法来描述计算机网络的速率，例如网速为100M，而省略了单位中的b/s。
来做一道练习题
 有一个待发送的数据块，大小约为100MB，网卡发送的速率为100Mbps，则网卡发送完该数据块需要多长时间？
 这道题考的就是上边的不同，数据量的单位M和速率的Mbps不同.

 在生活中我们也可以估算，将分子分母上的M直接约掉，得到结果8秒，与真实结果相差也不大。

带宽

带宽有以下两种不同的含义
 带宽在模拟信号系统中的意义：某个信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，单位是赫兹，简称“赫”。常用单位有千赫(kHz)、兆赫(MHz)以及吉赫(GHz)等。例如，在传统的模拟通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz，话音的主要成分的频率范围为300Hz～3.4kHz。表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带宽。
 带宽在计算机网络中的意义：**用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。因此，在计算机网络中，带宽的单位与之前介绍过的速率的单位是相同的。**基本单位是比特/秒(bls或bps)，常用单位有千比特秒(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)。
 根据香农公式可知，带宽的上述两种表述有着密切的关系：线路的“频率带宽”越宽，其所传输数据的“最高数据率”也越高。
 请读者注意，在实际应用中，主机的接口速率、线路带宽、交换机或路由器的接口速率遵循“木桶效应”，也就是数据传送速率从主机接口速率、线路带宽以及交换机或路由器的接口速率这三者中取小者。

吞吐量

 吞吐量(throughput)是指在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。吞吐量常被用于对实际网络的测量，以便获知到底有多少数据量通过了网络。
 我们来举例说明吞吐量的概念，如图1-23所示。假设某用户接入因特网的带宽为100Mb/s，该用户同时使用观看网络视频、浏览网页以及给文件服务器上传文件这三个网络应用。播放网络视频的下载速率为20Mb/s，访问网页的下载速率为600kb/s，向文件服务器上传文件的上传速率为1Mb/s，则网络吞吐量就是下载速率和上传速率的总和，即20Mb/s+600kb/s+1Mb/s=21.6Mb/s。

 当用户计算机与网络通信相关的应用进程增多时，吞吐量也会变大，但吞吐量会受限于网络带宽。

时延

 时延(delay或latency)是指数据(由一个或多个分组、甚至是一个比特构成)从网络的一端传送到另一端所耗费的时间，也称为延迟或迟延。
 网络中的时延由发送时延、传播时延、排队时延以及处理时延这四部分组成。我们来举例说明，如图1-24所示。主机A和主机B通过一台路由器进行互连，共有两段链路。主机A给主机B发送一个分组，则从主机A发送该分组开始，到主机B接收到完整的该分组为止，需要经过两个发送时延、两个传播时延、一个排队时延以及一个处理时延。

 每种时延之间没有相互关系，他们的大小都有其各自的影响因素。
下边分别介绍这几种时延
1，发送时延
 发送时延是指从主机或者路由器发送分组所耗费的时间，也就是从发送的第一个比特开始，到分组的最后一个比特发送完毕所需要的时间。
2，传播时延
 传播时延是2电磁波在链路（传输介质）上传播一定的距离索要耗费的时间。
电磁波在链路上的传播速率主要有以下三种：
 电磁波在自由空间中的传播速率约为3×10⁸m/s。
 电磁波在铜线电缆中的传播速率约为2.3×10⁸m/s。
 电磁波在光纤中的传播速率约为2×10⁸m/s。
最好能记住电磁波在链路上传播的上述三种传播速率。
3.排队时延
 当分组进入路由器后，会在路由器的输入队列中排队缓存并等待处理。在路由器确定了分组的转发接口后，分组会在输出队列中排队缓存并等待转发。分组在路由器的输人列和输出队列中排队缓存所耗费的时间就是排队时延。
 在分组从源主机传送到目的主机的过程中，分组往往要经过多个路由器的转发。分能在每个路由器上产生的排队时延的长短，往往取决于网络当时的通信量和各路由器的自身性能。由于网络的通信量随时间变化会很大，各路由器的性能也可能并不完全相同，因此排队时延一般无法用一个简单的公式进行计算。另外，当网络通信量很大时，可能会造成路由器的队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延无穷大。
4.处理时延
 路由器从自己的输入队列中取出排队缓存并等待处理的分组后，会进行一系列处理工作。例如，检查分组的首部是否误码、提取分组首部中的目的地址、为分组查找相应的转发接口以及修改分组首部中的部分内容(例如生存时间)等。路由器对分组进行这一系列处理工作所耗费的时间就是处理时延。
 与排队时延类似，处理时延一般也无法用一个简单的公式进行计算。
 前面的图1-24给出的是一个分组由源主机发送，经过一个路由器转发后到达目的主机所经历的各种网络时延，这是一种比较简单的情况。
 在实际应用中，源主机往往会连续发送多个分组，并且这些分组要经过多个路由器的转发才能到达目的主机

举一个例子
看下图

 主机A和主机B通过两个路由器互连，共三段链路。主机A给主机B连续发送四个分组，则从主机A发送第一个分组开始，到主机B接收完第四个分组为止，在不考虑排队时延和处理时延的情况下，总时延由四个分组的发送时延、三段链路的传播时延以及两个路由器的转发时延构成。
 主机A将四个分组连续发送给路由器1。路由器1每收到主机A发来的一个分组就将其转发给路由器2，与此同时还在接收主机A发来的下一个分组。路由器2每收到路由器1转发来的一个分组就将其转发给主机B，与此同时还在接收路由器1转发来的下一个分组。
因此，该例子中的总时延包括以下几部分：
 主机A发送四个分组的发送时延。分组4的最后一个比特的信号从主机A传播到路由器1的传播时延。
 路由器1转发一个分组的发送时延(注意：不是四个，否则就把时间重复计算了)。分组4的最后一个比特的信号从路由器1传播到路由器2的传播时延。
 路由器2转发一个分组的发送时延。
 分组4的最后一个比特的信号从路由器2传播到主机B的传播时延。
通过上边的讲解，我们可以求出不考虑排队时延和处理时延的情况下，源主机通过n个路由器的转发，给目的主机发送m个分组的总时延计算公式为

学完了上边计算机网络的性能指标，我们可以来学习一道往年的考研题目

 忽略分组拆装时间就是忽略排队和处理时延，忽略了传播时延，所以我们只需要关注发送时延即可。
 我们选择最快的链路，通过两个路由器后将数据传送给H2，通过上边的公式我们就可以求出所需要的时间。

 要注意的是，不要纠结于在信号传播时，到底是传播时延占主导还是发送时延占主导，我们要具体问题具体分析。
例如下边的两道题目

时延带宽积

时延带宽积是传播时延和带宽的乘积

 我们可以将链路看作一个圆柱形管道，管道的长度是链路的传播时延(即以时间作为单位来表示链路长度)，管道的横截面积是链路的带宽，如下图所示。因此时延带宽积就相当于这个管道的容积，表示这样的链路可以容纳的比特数量。

举例说明
 主机A和主机B之间采用光纤进行传输，链路长1KM，链路带宽为1Gb/s，计算该链路的带宽积。

 链路中这些比特正在链路中传播，因此，时延带宽积也称为以比特为单位的链路长度。

往返时间

 往返时间(Round-Trip Time.RTT)是指从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。
 如下图所示主机A与主机B通过多个异构性网络和多个路由器进行互连。以太网中的主机A给无线局域网中的主机B发送数据组情的，生机B收到数据分组后给走机A发送相应的确认分组，从主机A发送数据分组开始，到主机A收到主机B发来的相应确认分组为止，就是这一次交互的往返时间。

 请读者注意，卫星链路带来的传播时延比较大，这是因为卫星链路的通信距离一般都比较远，例如地球同步卫星与地球的距离大约为36000km。

 往返时间是一个比较重要的性能指标。因为在我们日常的大多数网络应用中，信息都是双向交互的(而非单向传输的)。我们经常需要知道通信双方交互一次所耗费的时间。

利用率

 利用率有链路利用率和网络利用率两种。
 链路利用率是指某条链路有百分之几的时间是被利用的(即有数据通过)。完全空闲的链路的利用率为零。
 网络利用率是指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。

 根据排队论可知，当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会迅速增加。
 令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，在理想的假定条件下。

我们可以根据该式画出时延随网络利用率的变化关系

 时延D随网络利用率U的增大而增大。当网络利用率达到0.5时，时 严重延就会加倍。当网络利用率接近最大值1时，时延就趋于无穷大。因此，网络利用率并不是 当网络越大越好，过高的网络利用率会产生非常大的时延。一些大型ISP往往会控制信道利用率不超过50%。如果超过了就要进行扩容，增大线路的带宽。

丢包率

 丢包率是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比例。丢包率可分为接口丢包来。节点丢包率，链路丢包率路径丢包率以及网络丢包率等。
 在过去，丢包率只是网络运维入员比较关心的一种性能指标，而普通用户往往并不关心这个指标，因为他们通常意识不到网络丢包，随着网络游戏的迅速发展，现在很多游戏玩家也非常关心丢包率这个网络性能指标。
分组丢失主要有以下两种情况：
 分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机(例如路由器)或目的主机检测出误码而丢弃。
分组交换机根据丢弃策略主动丢弃分组。

下面举例说明分组丢失的两种情况，如下图所示。
 情况1：主机A给主机B连续发送若干个分组，其中某些分组在传输过程中出现了误码。例如在路由器R1到路由器R2的链路上有分组出现了误码，R2收到后检测出分组有误码而丢弃该分组；在路由器R3到主机B的链路上有分组出现误码，主机B收到后检测出分组有误码而丢弃该分组。

 情况2：假设路由器R5的输入队列已满，没有空间存储新收到的分组，则R5主动丢弃新收到的分组。请读者注意，在实际应用中，路由器会根据自身的拥塞控制算法，在输入队列还未满的时候就开始主动丢弃分组。

当网络的丢包率较高时，网络通常难以正常工作。

本文是哔站上深入浅出计算机网络学习笔记，今日分享到此结束，有用的话麻烦咚咚咚小手点个赞叭！！！