網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)——基本定義

1.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò):

計(jì)算機(jī)網(wǎng)路主要是由一些通用的、可編程的硬件組成藻雪,而這些硬件并非專本用來實(shí)現(xiàn)某一目的(傳送數(shù)據(jù)或視頻信號)秘噪。這些可編程硬件能夠用來傳送多種不同類型的數(shù)據(jù),能夠支持廣泛和日益增長的應(yīng)用阔涉。

可編程硬件表明這種硬件一定含有CPU缆娃。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)除了硬件層面。軟件層面是能夠支持的各種應(yīng)用(包括今后可能出現(xiàn)的各種應(yīng)用)瑰排。

2.網(wǎng)絡(luò)的分類:

廣域網(wǎng)WAN:廣域網(wǎng)的作用通常為幾十到幾千公里贯要,因而有時也稱為遠(yuǎn)程網(wǎng)。廣域網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的核心部分椭住,其任務(wù)是通過長距離(如跨越國家)運(yùn)送主機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)崇渗。連接廣域網(wǎng)各結(jié)點(diǎn)交換機(jī)的鏈路一般都是高速鏈路,具有較大的通信容量。

城域網(wǎng)MAN:城域網(wǎng)的作用范圍是2-50km宅广。一般是一個城市葫掉,可跨越幾個街區(qū)或整個城市「可以是一個或幾個單位所擁有俭厚,但也可以為一種公用的設(shè)施,用來將多個局域網(wǎng)進(jìn)行互連驶臊,目前城域網(wǎng)很多采用以太網(wǎng)技術(shù)挪挤,因此常并入局域網(wǎng)來考慮。

局域網(wǎng)LAN:局域網(wǎng)一般用于微型計(jì)算機(jī)或工作站通過告訴通信線路相連(速度10Mbit以上)关翎,但地理上局限在較小的范圍(1KM左右)扛门,在局域網(wǎng)發(fā)展的初期,一個學(xué)凶萸蓿或工廠往往具有一個局域網(wǎng)论寨,但現(xiàn)在局域網(wǎng)已經(jīng)廣泛的使用,學(xué)兴睿或企業(yè)往往具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))葬凳。

個人區(qū)域網(wǎng)PAN:在個人或個人工作的地方把屬于自己的個人電子設(shè)備用無線技術(shù)連接起來的網(wǎng)絡(luò),因此也稱為無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN闹啦,范圍很小大約10m左右沮明。

3.網(wǎng)絡(luò)按使用者分類:

公用網(wǎng):指電信公司(國有或私有)出資建立的大型網(wǎng)絡(luò)。共有的意思是按電信公司繳費(fèi)的人都可以使用這種網(wǎng)絡(luò)因此稱公用網(wǎng)窍奋。

專用網(wǎng):為滿足某個部門的某個單位特殊業(yè)務(wù)組建的網(wǎng)絡(luò)荐健,不向本公司外的人提供這種網(wǎng)絡(luò)。如琳袄,軍隊(duì)江场、鐵路、銀行窖逗、電力等系統(tǒng)均有本系統(tǒng)的專用網(wǎng)址否。

4.性能指標(biāo):

1.速率:比特bit,意思是一個二進(jìn)制的數(shù)字碎紊,因此一個比特就是二進(jìn)制種的0或1佑附,比特也是信息論中使用的信息量的單位,網(wǎng)絡(luò)中的速率指的是數(shù)據(jù)的傳送速率仗考,稱為數(shù)據(jù)率或比特率音同,速率是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最重要的一個性能指標(biāo)。

單位為bit/s秃嗜,當(dāng)數(shù)據(jù)率較高時权均, 就常常在bit/s的前面加上一個字母顿膨。 例如, k(kilo) =10^3=千叽赊, M(Mega) =10^6=兆恋沃, G(Giga) =10^9=吉, T(Tera) =10^12=太必指, P(Peta) =10^15=拍囊咏, E(Exa) =10^18=艾, Z(Zetta) =10^21=澤取劫, Y(Yotta) =10^24=堯(9)匆笤。

如4*10^10bit/s=40Gbit/s研侣,人們談網(wǎng)絡(luò)速率時經(jīng)常忽略單位中應(yīng)有的bit/s谱邪。且此速率一般指額定速度或標(biāo)稱速率而非實(shí)際速度。

2.寬帶

??????? 寬帶本來指某個信號所擁有的頻帶寬度庶诡。信號的寬帶是指該信號所包含的各種不同頻率成分所占據(jù)的頻率的范圍惦银。如,傳統(tǒng)通信線路上傳送的電話信號的標(biāo)準(zhǔn)帶寬時3.1kHZ末誓,這種意義的帶寬的單位時赫(或千赫扯俱、兆赫等)。過去很長一段時間喇澡,通信的主干線路時模擬信號(連續(xù)變化的)迅栅,因此,表示某信道允許通過的信號頻帶范圍就稱為該信道的帶寬(或通頻帶)晴玖。

??????? 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中读存,帶寬用來便是網(wǎng)絡(luò)中某通道傳送數(shù)據(jù)的能力,因此網(wǎng)絡(luò)帶寬表示在單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中的某信道所能通過的最高數(shù)據(jù)率呕屎,在本書中所提到的寬帶让簿,主要指這個意思,這種意義的寬帶的單位就是數(shù)據(jù)率的單位bit/s秀睛,比特每秒尔当。

??????? 上面兩種,前者教頻域稱謂蹂安,后者叫時域稱謂椭迎,本質(zhì)是相同的,也就是說田盈,一條通信鏈路的寬帶越寬畜号,能傳輸?shù)淖罡邤?shù)據(jù)率也越高。

3.吞吐量

吞吐量表示單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)或信道缠黍、接口的實(shí)際數(shù)據(jù)量弄兜,更經(jīng)常用于對現(xiàn)實(shí)世界中的網(wǎng)絡(luò)的一種測量药蜻,以便知道實(shí)際上到底由多少數(shù)據(jù)率能夠通過網(wǎng)絡(luò)。顯然替饿,它受到網(wǎng)絡(luò)的帶寬和網(wǎng)絡(luò)的額定速率的限制语泽,如一個1Gbit/s的以太網(wǎng),就是說額定速率為1Gbit/s视卢,那么這個數(shù)值也是該以太網(wǎng)的吞吐量的絕對上限值踱卵。因此,對1Gbit/s的以太網(wǎng)据过,其實(shí)際吞吐量可能只有100Mbit/s惋砂,甚至更低,并沒有達(dá)到額定的速率绳锅。請注意西饵,有時額定吞吐量還可用每秒傳送的字節(jié)數(shù)或幀數(shù)來表示。

4.時延

時延指的是數(shù)據(jù)(一個報(bào)文或分組鳞芙,甚至比特)從網(wǎng)絡(luò)或鏈路的一段傳到另一端所用的時間眷柔。時延是個非常重要的指標(biāo),它有時也成為延遲原朝。

網(wǎng)絡(luò)中的時延是由以下幾個不同部分組成的:

1.發(fā)送時延 發(fā)送時延是主機(jī)或路由器發(fā)送數(shù)據(jù)幀所需要的時間驯嘱,也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個比特算起,到發(fā)送該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需要的時間喳坠。因此發(fā)送時延也成為傳輸時延鞠评,計(jì)算公式


發(fā)送時延計(jì)算公式

2.傳播時延 是電磁波早信道中傳送一定的距離所需要話費(fèi)的時間,傳播時延的計(jì)算公式是:


傳播時延的計(jì)算公式

電磁波在自由空間的傳輸速率是光速壕鹉,即3*10^15剃幌。在網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳播的速度要略低,在銅線電纜中的傳播速率約為2.3×10^5km/s御板, 在光纖中的傳播速率約為2.0×10^5km/s锥忿。 例如,1000km長的光纖線路產(chǎn)生的傳播時延大約為5ms怠肋。

發(fā)送時延主要與計(jì)算機(jī)內(nèi)部的發(fā)送器(網(wǎng)絡(luò)適配器有關(guān))敬鬓,與傳送信號的長度無關(guān),而傳播時延之余傳輸?shù)慕橘|(zhì)和距離有關(guān)笙各,與發(fā)送無關(guān)钉答。

3.處理時延。分析分組的頭部杈抢、從分組提取數(shù)據(jù)部分数尿、進(jìn)行差錯檢驗(yàn)或查找適當(dāng)?shù)穆酚傻龋彤a(chǎn)生了處理時延惶楼。

4.排隊(duì)時延:分組在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸時右蹦,要經(jīng)過很多路由器诊杆,但分組在進(jìn)入路由器后要先在輸入隊(duì)列 中排隊(duì)等待處理,在路由器確定了轉(zhuǎn)發(fā)接口后何陆,還要在輸出隊(duì)列中排隊(duì)等待轉(zhuǎn)發(fā)晨汹。這就產(chǎn)生了排隊(duì)時延。排隊(duì)時延的長度往往取決于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時的通信量贷盲,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的通信量很大時會發(fā)生隊(duì)列溢出淘这,分組丟失,這相當(dāng)于排隊(duì)時延為無窮大巩剖。

總時延:發(fā)送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊(duì)時延

一般說來铝穷, 小時延的網(wǎng)絡(luò)要優(yōu)于大時延的網(wǎng)絡(luò)。 在某些情況下佳魔, 一個低速率曙聂、 小時延的網(wǎng)絡(luò)很可能要優(yōu)于一個高速率但大時延的網(wǎng)絡(luò)。


時延產(chǎn)生的全過程

例題:100MB數(shù)據(jù)塊吃引,在寬帶為1Mbit/s的信道連續(xù)發(fā)送筹陵,發(fā)送時延是?

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

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

現(xiàn)在把這個數(shù)據(jù)用光纖發(fā)送到1000KM外的計(jì)算機(jī)庐氮,由于1000KM光線傳播時延為5ms,因此發(fā)送100MB的數(shù)據(jù)塊的總時延為838.9+0.005=838.9s宋彼,可見弄砍,這種情況下,運(yùn)輸時延大部分產(chǎn)生于發(fā)送時延输涕。如傳輸速率提高100倍音婶,即提高到100Mbit/s,那總時延就變?yōu)?.394s莱坎,縮小為原來數(shù)值的1/100衣式。

但是, 并非在任何情況下檐什, 提高發(fā)送速率就能減小總時延碴卧。 例如,要傳送的數(shù)據(jù)僅有1個字節(jié)(如鍵盤上鍵入的一個字符乃正, 共8bit) 住册。 當(dāng)發(fā)送速率為1Mbit/s時, 發(fā)送時延是8÷106=8×10–6s=8μs若傳播時延仍為5ms瓮具, 則總時延為5.008ms荧飞。 在這種情況下凡人, 傳播時延決定了總時延。 如果我們把數(shù)據(jù)率提高到1000倍(即將數(shù)據(jù)的發(fā)送速率提高到1Gbit/s) 叹阔, 不難算出划栓, 總時延基本上仍是5ms, 并沒有明顯減小条获。 這個例子告訴我們忠荞, 不能籠統(tǒng)地認(rèn)為:“數(shù)據(jù)的發(fā)送速率越高, 其傳送的總時延就越小”帅掘。 這是因?yàn)閿?shù)據(jù)傳送的總時延是由公式(1-3) 右端的四項(xiàng)時延組成的委煤, 不能僅考慮發(fā)送時延一項(xiàng)。

5.時延帶寬積

把前文的兩個網(wǎng)絡(luò)度量單位修档,傳播時延和帶寬相乘碧绞,就得到了一個很有用的度量:傳播時延帶寬積,


時延寬帶積的計(jì)算公式

傳播時延:通過這段距離的時間吱窝。s

帶寬:單位時間內(nèi)通過某一鏈路的最高數(shù)據(jù)率讥邻,bit/s

時延帶寬積:很明顯乘積為數(shù)據(jù)率bit。因?yàn)槭亲罡邤?shù)據(jù)率院峡,因此這就表示了這條鏈路的最大數(shù)據(jù)量(最多裝多少bit)兴使。

如, 設(shè)某段鏈路的傳播時延為20ms照激, 帶寬為10Mbit/s发魄,那時延帶寬積是?

時延帶寬積=20*10^-3? * 10*10^6 =2*10^5bit俩垃。


鏈路模型

表明励幼,發(fā)射端發(fā)送一個bit到終點(diǎn)時,發(fā)射端發(fā)射了20w個bit口柳,且都在鏈路上向前移動苹粟。因此,鏈路的時延帶寬積又稱為比特位單位的鏈路長度跃闹。

不難看出嵌削,管道中的比特?cái)?shù)表示從發(fā)射端發(fā)出的但尚未到達(dá)接收端的比特。對于一條正在傳輸數(shù)據(jù)的鏈路辣卒。只有在代表鏈路的管道都充滿時掷贾,鏈路才充分利用。

6.往返時間 RTT

很多時候互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)不是單向傳輸而是雙向的荣茫,因此想帅,我們有時需要知道雙向傳播時間。A向B啡莉,數(shù)據(jù)長度時100MB港准,發(fā)送速率時100Mbit/s旨剥,那么

發(fā)送時間=數(shù)據(jù)長度/發(fā)送速率=100*2^20*8? / 100 *10^6=8.39s

B收到后立刻往A發(fā)送,如RTT=2s浅缸,那A向B發(fā)送的數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)率是:

有效數(shù)據(jù)率=數(shù)據(jù)長度/(發(fā)送時間+RTT)=80.7Mbit/s轨帜,可見比之前的100Mbit/s。

7.利用率

利用率有信道利用率和網(wǎng)絡(luò)利用率兩種衩椒。 信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的(有數(shù)據(jù)通過) 蚌父。 完全空閑的信道的利用率是零。 網(wǎng)絡(luò)利用率則是全網(wǎng)絡(luò)的信道利用率的加權(quán)平均值毛萌。

信道利用率不是越高越好苟弛,信道利用率越高,時延越大阁将。膏秫。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的通信量

很少時, 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的時延并不大做盅。 但在網(wǎng)絡(luò)通信量不斷增大的情況下缤削,由于分組在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)(路由器或結(jié)點(diǎn)交換機(jī)) 進(jìn)行處理時需要排隊(duì)等候, 因此網(wǎng)絡(luò)引起的時延就會增大吹榴。


時延和利用率的關(guān)系

8.費(fèi)用

傳輸速度越快亭敢,信道材質(zhì)越好,價格越高腊尚。

9.質(zhì)量

網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量取決于網(wǎng)絡(luò)中所有構(gòu)件的質(zhì)量吨拗, 以及這些構(gòu)件是怎樣組成網(wǎng)絡(luò)的。 網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量影響到很多方面婿斥, 如網(wǎng)絡(luò)的可靠性、 網(wǎng)絡(luò)管理的簡易性哨鸭, 以及網(wǎng)絡(luò)的一些性能民宿。 但網(wǎng)絡(luò)的性能與網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量并不是一回事。

10.標(biāo)準(zhǔn)化

網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)既可以按照通用的國際標(biāo)準(zhǔn)像鸡, 也可以遵循特定的專用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)活鹰。 最好采用國際標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì), 這樣可以得到更好的互操作性只估, 更易于升級換代和維修志群, 也更容易得到技術(shù)上的支持。

11.可靠性

可靠性與網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和性能都有密切關(guān)系蛔钙。 高速網(wǎng)絡(luò)的可靠性不一定很差锌云。 但高速網(wǎng)絡(luò)要可靠地運(yùn)行, 則往往更加困難吁脱, 同時所需的費(fèi)用也會較高桑涎。

12.可擴(kuò)展性和可升級性

在構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)時就應(yīng)當(dāng)考慮到今后可能會需要擴(kuò)展(即規(guī)模擴(kuò)大) 和升級(即性能和版本的提高) 彬向。 網(wǎng)絡(luò)的性能越高, 其擴(kuò)展費(fèi)用往往也越高攻冷, 難度也會相應(yīng)增加娃胆。

13. 易于管理和維護(hù)

網(wǎng)絡(luò)如果沒有良好的管理和維護(hù), 就很難達(dá)到和保持所設(shè)計(jì)的性能等曼。

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