1.1 计算机网络的概念、交换方式与性能指标

计算机网络的定义、组成、功能与分类，电路交换、报文交换和分组交换，速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、RTT 与利用率。

计算机网络的概念与组成

计算机网络：利用通信设备和线路，将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。简单地说，计算机网络是互连的、自治的计算机系统的集合。

计算机网络的组成可以从三个角度描述：

1. 组成部分：硬件（主机、链路、交换设备、通信处理机）、软件（实现资源共享的软件和各种工具软件）和协议（网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范）；
2. 工作方式：边缘部分（用户直接使用的主机）和核心部分（为边缘部分服务的网络和路由器）；
3. 功能组成：通信子网（各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信）和资源子网（实现资源共享功能的设备及其软件的集合）。

计算机网络的功能：数据通信（最基本、最重要的功能）、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡等。

计算机网络的分类

三种交换方式

电路交换

在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用（双方独占）的物理通信路径，该路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。分为连接建立、数据传输、连接释放三个阶段，例如传统电话网。

• 优点：通信时延小（无存储转发）、有序传输、没有冲突、适用范围广、实时性强、控制简单；
• 缺点：建立连接时间长、线路独占使用效率低、灵活性差、难以规格化（无差错控制能力）。

报文交换

数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。在交换结点采用存储转发的传输方式。

• 优点：无须建立连接、动态分配线路、提高线路可靠性和利用率、提供多目标服务；
• 缺点：由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延；报文大小不定，需要网络结点有较大的缓存空间。

分组交换

同样采用存储转发方式，但把大的数据块划分为较小的、长度固定的分组，每个分组加上首部（含源/目的地址、分组编号等控制信息）后分别传送。

• 优点：无建立时延、线路利用率高、简化了存储管理（缓冲区易于管理）、加速传输（后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作可以并行，流水线）、减少了出错概率和重发数据量；
• 缺点：存在传输时延；需要传输额外的信息量（首部）；当采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组；采用虚电路服务时，有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

计算机网络的性能指标

1. 速率（数据率、比特率）：连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，单位 b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s。注意这里 $1\text{k} = 10^3$；
2. 带宽：原本指信号具有的频带宽度（Hz），在计算机网络中表示网络的通信线路所能传送数据的能力，即最高数据率；
3. 吞吐量：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，受网络带宽或额定速率的限制；
4. 时延：数据从网络的一端传送到另一端所需的总时间，由四部分构成：
   • 发送时延（传输时延）= 数据帧长度 / 信道带宽（发送速率）——从发送第一个比特到最后一个比特所需的时间；
   • 传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率——电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间；
   • 处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间；
   • 排队时延：分组进入路由器后要在输入队列中排队等待处理，以及在输出队列中排队等待转发。
5. 时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽，表示链路上可以容纳的比特数，又称为以比特为单位的链路长度；
6. 往返时延 RTT：从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认）总共经历的时延，包括各中间结点的处理时延、排队时延及转发数据时的发送时延；
7. 信道利用率：某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的。网络利用率越高，时延越大：$D = \dfrac{D_0}{1 - U}$（$D_0$ 为网络空闲时的时延，$U$ 为利用率）。

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