1、計算機網(wǎng)絡(luò)性能指標與體系結(jié)構(gòu),上節(jié)知識回顧,計算機網(wǎng)絡(luò)的概念 一些互相連接的、自治的計算機的集合。 Internet的產(chǎn)生和發(fā)展 ARPAnet 計算機網(wǎng)絡(luò)的分類 PAN、LAN、MAN、WAN 數(shù)據(jù)交換方式： 電路交換、報文交換、分組交換,學習目標,了解計算機網(wǎng)絡(luò)主要性能指標，包括速率、帶寬、吞吐量、時延、利用率等。 理解計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，了解計算機網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計思想，掌握協(xié)議、實體、服務(wù)等概念及其關(guān)系，理解TCP/IP體系結(jié)構(gòu)工作原理。,目 錄,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能 2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,計算機網(wǎng)絡(luò)性能指標 速率 帶寬 吞吐量 時延 時延帶寬積 往返時間 利用率,1 計

2、算機網(wǎng)絡(luò)性能,速率 比特（bit）是計算機中數(shù)據(jù)量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。 速率即數(shù)據(jù)率(data rate)或比特率(bit rate)，速率的單位是 b/s或bps，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等 速率往往是指額定速率或標稱速率。,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,帶寬 “帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 現(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語，單位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)，也用單位kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。,常用的帶寬單位是 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比

3、每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 請注意：在計算機界，即存儲系統(tǒng)中，1K = 210 = 1024，M = 220, G = 230, T = 240。,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,帶寬在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,吞吐量(throughput) 表示在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)（或信道、接口）的數(shù)據(jù)量。 經(jīng)常用于對現(xiàn)實世界中網(wǎng)絡(luò)的一種測量，以便知道實際上到底有多少數(shù)據(jù)量能夠通過網(wǎng)絡(luò)。 吞吐量受網(wǎng)絡(luò)的帶寬或網(wǎng)絡(luò)的額定速率的限制。,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,時延（delay

4、或latency） 是指數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)一端傳送到另一端所需的時間。也稱延遲、遲延。 網(wǎng)絡(luò)中的時延包括： 發(fā)送時延 傳播時延 處理時延,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,時延發(fā)送時延 發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)塊從結(jié)點進入到傳輸媒體所需要的時間。 從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,時延傳播時延 電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,時延 處理時延：交換結(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。 排隊時延：結(jié)點緩存隊列中分組排隊所經(jīng)歷的時延。排隊時延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當時的通信量。,火車進站加水、等候,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,時延

5、數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時延就是發(fā)送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和： 注意：在總延時中，究竟是哪一種延時占主導地位，需要具體問題具體分析。,總時延 = 發(fā)送時延+傳播時延+處理時延+處理時延,四種時延所產(chǎn)生的地方,1 0 1 1 0 0 1,發(fā)送器,隊列,結(jié)點 B,結(jié)點 A,在結(jié)點 A 中產(chǎn)生 處理時延和排隊時延,數(shù)據(jù),從結(jié)點 A 向結(jié)點 B 發(fā)送數(shù)據(jù),鏈路,舉例說明：,例1：有一個長度為100M（M=220）的待發(fā)送數(shù)據(jù)塊 在帶寬為1Mbps的信道上，發(fā)送延時為： 10010485768106bps = 838.9 s （約14min） 若用光纖將這個數(shù)據(jù)塊傳送至1000km遠的計算機，傳播延時

6、: 106（2.0108m/s）= 5 ms 本例中，總延時主要由發(fā)送延時來決定，,舉例說明：,例2：待發(fā)送的數(shù)據(jù)僅為1個字節(jié)（8bit） 在1Mbps的信道上，發(fā)送延時為： 8106bps = 8 m 當傳播延時同樣為5ms時，總延時為：5.008ms，即傳播延時決定了總延時。 即在該兩例中傳播延時是固定的，提高效率只能提高發(fā)送速率。,時延容易產(chǎn)生的錯誤概念,對于高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，我們提高的僅僅是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。 提高鏈路帶寬減小了數(shù)據(jù)的發(fā)送時延。 通常所說“光纖信道的傳輸速率高”是指向光纖信道的發(fā)送數(shù)據(jù)的速率可以很高，而光纖信道的傳播速率（2.0108m/s ）實際

7、上比銅線（2.3108m/s）的傳播速率還要略低一點。,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,三種交換的比較,A B C D,A B C D,A B C D,報文交換,電路交換,分組交換,t,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能,計算機網(wǎng)絡(luò)非性能指標 費用 質(zhì)量 標準化 可靠性 可擴展性和可升級性 易管理和維護性,目 錄,1 計算機網(wǎng)絡(luò)性能 2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),相互通信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工作才行，而這種“協(xié)調(diào)”是相當復(fù)雜的。 如何“激活”通路？ 如何識別目的主機？ 對方是否準備好接收數(shù)據(jù)？ 對方是否做好存儲文件的準備？ 若文件不兼容怎么辦？ 出現(xiàn)了差錯和意外事故怎么辦？ “分層”可將龐大而復(fù)

8、雜的問題，轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。,2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),兩個主機交換文件劃分層舉例：,文件傳送模塊,主機 1,主機 2,文件傳送模塊,只看這兩個文件傳送模塊 好像文件及文件傳送命令 是按照水平方向的虛線傳送的,把文件交給下層模塊 進行發(fā)送,把收到的文件交給 上層模塊,2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),兩個主機交換文件劃分層舉例：,文件傳送模塊,主機 1,主機 2,文件傳送模塊,只看這兩個通信服務(wù)模塊 好像可直接把文件 可靠地傳送到對方,把文件交給下層模塊 進行發(fā)送,把收到的文件交給 上層模塊,通信服務(wù)模塊,通信服務(wù)模塊,2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),兩個主機交換

9、文件劃分層舉例：,文件傳送模塊,主機 1,主機 2,文件傳送模塊,通信服務(wù)模塊,通信服務(wù)模塊,網(wǎng)絡(luò)接入模塊,網(wǎng)絡(luò)接入模塊,通信網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò) 接口,網(wǎng)絡(luò) 接口,網(wǎng)絡(luò)接入模塊負責做與網(wǎng)絡(luò)接口細節(jié)有關(guān)的工作 例如，規(guī)定傳輸?shù)膸袷?，幀的最大長度等。,2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),分層的好處： 各層之間是獨立的。 靈活性好。 結(jié)構(gòu)上可分割開。 易于實現(xiàn)和維護。 能促進標準化工作。,分層越多越好？還是越少越好？,2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),計算機網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。 這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題（同步含有時序的意思）。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(network protocol)，簡

10、稱為協(xié)議，是為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定。,2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組成要素： 語法 數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式 。 語義 需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應(yīng)。 同步 事件實現(xiàn)順序的詳細說明。,2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(architecture)是計算機網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合。 體系結(jié)構(gòu)就是這個計算機網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成的功能的精確定義。 實現(xiàn)(implementation)是遵循這種體系結(jié)構(gòu)的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。 體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。,2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

11、,開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM TCP/IP 現(xiàn)在獲得了最廣泛的應(yīng)用，稱為事實上的(de facto) 國際標準。,OSI參考模型的提出,1974年，IBM公司提出世界上第一個網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA； 此后，很多公司提出各自的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。 這些體系結(jié)構(gòu)的共同之處在：采用分層技術(shù)， 但層次劃分、功能分配與采用的協(xié)議均不同； 不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議，使得很難實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。 國際標準化組織（ISO）于1977年成立了專門機構(gòu)研究“不同體系的計算機網(wǎng)絡(luò)互連”的問題，提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference） 19

12、83年，形成了OSI/RM的正式文件，即ISO 7498國際標準，也就是七層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。,OSI/RM,OSI參考模型的研究對促進計算機網(wǎng)絡(luò)體系理論結(jié)構(gòu)的形成起到了重要作用，但受到TCP/IP協(xié)議的挑戰(zhàn)。在市場化方面 OSI 卻失敗了。 OSI 的專家們在完成 OSI 標準時沒有商業(yè)驅(qū)動力； OSI 的協(xié)議實現(xiàn)起來過分復(fù)雜，且運行效率很低； OSI 標準的制定周期太長，因而使得按 OSI 標準生產(chǎn)的設(shè)備無法及時進入市場； OSI 的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復(fù)出現(xiàn)。,TCP/IP的發(fā)展過程（1）,1969年，ARPANET網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生,節(jié)點間采用分組交換技術(shù) 由于底層硬件來自

13、不同的公司，其互操作性存在很多問題，這就促使ARPA開始解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題。1973年，ARPA啟動了名為Internetting的互聯(lián)網(wǎng)研究項目，并因此引發(fā)了TCP/IP的出現(xiàn)與發(fā)展。 1974年，IP和TCP問世，合稱TCP/IP協(xié)議。 19771979年，推出目前形式的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議規(guī)范。 1980年前后， ARPANET上的所有機器開始轉(zhuǎn)向TCP/IP，并以ARPANET為主干逐步建立Internet。 1983年，向TCP/IP的轉(zhuǎn)換全部結(jié)束。美國國防部命令所有聯(lián)入遠程網(wǎng)計算機都必須采用TCP/IP；同時， ARPANET被一分為二。 1984年，Internet基本形成。

14、,TCP/IP的發(fā)展過程（2）,縱觀歷史，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需要孕育了TCP/IP，而TCP/IP又極大地推動了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的迅猛發(fā)展，并逐步形成了覆蓋全球的因特網(wǎng)。 1995年10月24日，通過廣泛征詢Internet和知識產(chǎn)權(quán)方面專家的意見，美國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)委員會一致通過了一項提案，為Internet作了如下定義： Internet是一個全球性的信息系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每臺主機都有一個全球唯一的主機地址，地址格式通過IP協(xié)議定義。系統(tǒng)中主機與主機間的通信遵循TCP/IP協(xié)議標準，或者其他與IP兼容的協(xié)議標準來交換信息。,TCP/IP的沙漏模型,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,網(wǎng)際層

15、,網(wǎng)絡(luò)接口層,運輸層,應(yīng)用層,網(wǎng)絡(luò)接口 1,網(wǎng)絡(luò)接口 2,網(wǎng)絡(luò)接口 3,TCP/IP可以為各種各樣的應(yīng)用提供服務(wù)（所謂的everything over IP），同時TCP/IP也可以允許IP在各種各樣的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)上運行（所謂的IP over everything）。,一種建議的參考模型,OSI和TCP/IP都有其成功和不足之處； OSI在市場化方面做的不好 TCP/IP 是四層的體系結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層，但最下面的網(wǎng)絡(luò)接口層并沒有具體內(nèi)容。 為保證計算機網(wǎng)絡(luò)教學的科學性和系統(tǒng)性，這里采取折中的辦法，即綜合 OSI 和 TCP/IP 的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)

16、構(gòu) 。,三種體系結(jié)構(gòu)的比較,應(yīng)用層,運輸層,網(wǎng)絡(luò)層,表示層,會話層,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,7 6 5 4 3 2 1,OSI 的體系結(jié)構(gòu),應(yīng)用層,網(wǎng)絡(luò)接口層,網(wǎng)際層 (IP),(各種應(yīng)用層協(xié)議如 TELNET, FTP, SMTP 等),運輸層(TCP 或 UDP),TCP/IP 的體系結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)鏈路層,5 應(yīng)用層,4 運輸層,3 網(wǎng)絡(luò)層,2 數(shù)據(jù)鏈路層,1 物理層,五層的建議參考模型,五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu),最高層，直接為用戶的應(yīng)用進程提供服務(wù)。 負責向兩個主機中進程之間的通信提供服務(wù)。 為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信服務(wù)。路由和尋址 在相鄰節(jié)點間的鏈路上“透明”的傳輸數(shù)據(jù)幀。 透明的傳送比特流

17、。,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,應(yīng)用進程數(shù)據(jù)先傳送到應(yīng)用層,加上應(yīng)用層首部，成為應(yīng)用層 PDU,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,應(yīng)用層 PDU 再傳送到運輸層,加上運輸層首部，成為運輸層報文,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,運輸層報文再傳送到網(wǎng)絡(luò)層,加上網(wǎng)絡(luò)層首部，成為 IP 數(shù)據(jù)報（或分組）,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,

18、主機 1,AP2,AP1,主機 2,IP 數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層,加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,數(shù)據(jù)鏈路層幀再傳送到物理層,最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),應(yīng)用層(application layer),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理傳輸媒體,主機 1,AP2,AP1,電信號（或光信號）在物理媒體中傳播 從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層,主機 2,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1

19、,AP2,AP1,主機 2,物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊?取出數(shù)據(jù)部分，上交給網(wǎng)絡(luò)層,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分 上交給運輸層,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,運輸層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分 上交給應(yīng)用層,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,

20、2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,應(yīng)用層剝?nèi)ナ撞浚〕鰬?yīng)用程序數(shù)據(jù) 上交給應(yīng)用進程,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,我收到了 AP1 發(fā)來的 應(yīng)用程序數(shù)據(jù)！,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),10100110100101 比 特 流 110101110101,注意觀察加入或剝?nèi)ナ撞浚ㄎ膊浚┑膶哟?應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP

21、1,主機 2,10100110100101 比 特 流 110101110101,計算機 2 的物理層收到比特流后 交給數(shù)據(jù)鏈路層,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊亢?把幀的數(shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡(luò)層,H2,T2,H3,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)シ纸M首部后 把分組的數(shù)據(jù)部分交給運輸層,H4,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,運輸層剝?nèi)笪氖撞亢?把報文的數(shù)據(jù)部分交給應(yīng)用層,應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),H5,應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,應(yīng)用層剝?nèi)?yīng)用層 PDU 首部后 把應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交給應(yīng)用進程,主機 1 向主機 2 發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主機 1,AP2,AP1,主機 2,我收到了 AP1 發(fā)來的 應(yīng)用程序數(shù)據(jù)！,2 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),實體(entity) 表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。