计算机网络的定义

• 计算机网络的精确定义并未统一；
• 计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合；
  • 互连：是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信；
  • 自治：是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用；
  • 集合：是指至少需要两台计算机；
• 计算机网络的较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目标（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；
  • 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等智能硬件；
  • 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）；

计算机网络的分类

• 按交换技术分类：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络；
• 按使用者分类：公用网、专用网；
• 按传输介质分类：有线网络、无线网络；
• 按覆盖范围分类：广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个域网PAN；
• 按拓扑结构分类：总线型网络、星型网络、环型网络、网状型网络；

计算机网络的性能指标

• 性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能；
• 常用的计算机网络的性能指标有以下8个：
  • 速率；
  • 带宽；
  • 吞吐量；
  • 时延；
  • 时延带宽积；
  • 往返时间；
  • 利用率；
  • 丢包率；

速率

比特：计算机中数据量的单位，也是信息论中信息量的单位。一个比特就是二进制数字中的一个1或0；

常用数据量单位：
$$8bit=1Byte$$$$KB=2^{10}B$$$$MB=K\cdot KB=2^{10}\cdot 2^{10}B=2^{20}B$$$$GB=K\cdot MB=2^{10}\cdot 2^{20}B=2^{30}B$$$$TB=K\cdot GB=2^{10}\cdot 2^{30}B=2^{40}B$$

速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率；

常用数据率单位：
$$bit/s(b/s,bps)$$$$kb/s=10^{3}b/s(bps)$$$$Mb/s=k\cdot kb/s=10^3\cdot 10^{3}b/s=10^{6}b/s(bps)$$$$Gb/s=k\cdot Mb/s=10^3\cdot 10^{6}b/s=10^{9}b/s(bps)$$$$Tb/s=k\cdot Gb/s=10^3\cdot 10^{9}b/s=10^{12}b/s(bps)$$

例子：有一个待发送的数据块，大小为100MB，网卡的发送速率为100Mbps，则网卡发送完该数据块需要多长时间？$$\frac{100MB}{100Mb/s}=\frac{2^{20}B}{10^{6}b/s}=\frac{2^{20}\cdot 8b}{10^{6}b/s}=8.388608s$$

带宽

带宽在模拟信号系统中的意义：

• 带宽是指信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围；
• 单位：Hz（kHz，MHz，GHz）；

带宽在计算机网络中的意义：

• 带宽表示网络的通信路线所能传送数据的能力，因此网络带宽表示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”；
• 单位：b/s（kb/s, Mb/s, Gb/s, Tb/s）

上述关于“带宽”的两种表述之间有着密切的联系。一条通信路线的“频带宽度”越宽，其所传输数据的“最高数据率”也越高；

吞吐量

• 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量；
• 吞吐量被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有多少数据量能够通过网络；
• 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制。

时延

分组从源主机传送到目的主机的过程中，源主机将分组发往传输线路需要花费一定的时间，这段时间称为发送时延。代表分组的电信号在链路上传输也需要花费一定的时间，这段时间称为传播时延。路由器收到分组后对其进行存储转发需要花费一定的时间，这段时间称为处理时延。

一般来说，源主机和目的主机之间的路径会由多段链路和多个路由器构成，因此会有多个传播时延和处理时延。

网络时延由三部分构成，分别为：发送时延、传播时延、处理时延。

$$发送时延=\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}$$$$传播时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}$$

处理时延（处理时延包括排队时延）一般不方便计算。

时延带宽积

$$时延带宽积=传播时延\cdot 带宽$$

• 若发送端连续发送毕业，则在所发送的第一个毕业即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特；
• 链路的时延带宽积又称为以比特位单位的链路长度；

往返时间

• 很多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互；
• 我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间；
• 因此，往返时间RTT(Round-Trip Time)也是一个重要的性能指标；

利用率

• 利用率可以分为信道利用率和网络利用率：

  • 信道利用率：用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）；
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均；

• 根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加；

• 因此，信道利用率并非越高越好；
  

• 如果令$D_0$表示网络空闲时的时延，$D$表示网络当前的时延，那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示$D$、$D_0$和利用率$U$之间的关系：$$D=\frac{D_0}{1-U}$$

  • 当网络的利用率达到50%时，时延就要加倍；
  • 当网络的利用率超过50%时，时延急剧增大；
  • 当网络的利用率接近100%时，时延就趋于无穷大；
  • 因此，一些拥有较大主干网的ISP通常会控制它们的信道利用率不超过50%。如果超过了就要准备扩容，增大线路的带宽；

• 也不能使信道利用率太低，这会使宝贵的通信资源被白白浪费。应该使用一些机制，可以根据情况动态调整输入到网络中的通信量，使网络利用率保持在一个合理的范围内；

丢包率

• 丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量和总分组数量的比率；
• 丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率；
• 丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但对于普通用户来说往往并不关心这个指标，因为他们通常意识不到网络丢包；
• 分组丢失主要有两种清空：
  • 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃（分组误码）；
  • 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃，在通信量较大时就可能造成网络拥塞（网络拥塞）；
• 丢包率反映了网络的拥塞情况：
  • 无拥塞时路径丢包率为0%；
  • 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%；
  • 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%；