计算机网络第1章（下）：网络性能指标与分层模型全面解析

一、计算机网络的性能指标

本小节知识总览：

1.1 性能指标1：速率

速率(Speed)： 指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率。也称数据率或比特率、数据传输速率（考研真题中常用），速率的单位：bit/s 或 b/s 或 bps(bit per second)（考研真题中常用），ps：有时也会用 B/s（1B = 8b，B=Byte 字节，b=bit 比特）。

信道（Channel）： 表示向某一方向传送信息的通道（信道≠通信线路）一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道。

Windows 用户：Ctrl+Alt+Del/Delete ⇒ 任务管理器 ⇒ 性能

1.2 性能指标2：带宽

带宽（bandwidth）： 某网络信道所能传送的最高数据率。

例题：假设主机 A 和 B 之间的链路带宽为 100Mbps，主机 A 的网卡速率为 1Gbps，主机 B 的网卡速率为 10Mbps，主机 A 给主机 B 发送数据的最高理论速率为 (B)：

A.1Mbps
B.10Mbps
C.100Mbps
D.1Gbps

结论： 节点间通信实际能达到的最高速率，由带宽、节点性能共同限制。

学以致用，不当大冤种：

带宽的另一种含义：

不严谨的类比：人眼的 "带宽"：

1.3 性能指标3：吞吐量

吞吐量（Throughput）： 指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量，称为 "实际带宽"。理解： 总是小于或等于带宽；吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响。举例： 带宽是车道的宽度，吞吐量是单位时间内真正通过车道的车流量。

1.4 性能指标4：时延

时延(Delay)： 指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，有时也称为延迟或迟延。

类比生活中的例子：

例题：

变种：

1.5 性能指标5：时延带宽积

时延带宽积的含义：一条链路中，已从发送端发出但尚未到达接收端的最大比特数时。延带宽积 = 传播时延 × 带宽，ps：时延带宽积用于设计最短帧长（将在后续文章中进行讲解）。

2023年408真题：

计算过程如下：

1.6 性能指标6：往返时延

往返时延 RTT（ Round-Trip Time ）：表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。即：

# 往返时延 RTT = t2 + t3 + t4 + t5
t2 : "数据"的单向传播时延
t3 : 接收方收到数据后的处理时延
t4 : "确认"的发送时延
t5 : “"确认"的传播时延（通常t5与t2 相等）
t1 : 发送方发送数据的发送时延（不计入RTT）

图示：

游戏延迟，反映的就是 "手机—服务器" 之间的 "往返时延RTT"

1.7 性能指标7：信道利用率

信道利用率：某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。信道利用率 = 有数据通过的时间 / (有数据通过的时间 + 没有数据通过的时间)。利用率过低 → 浪费资源（有些高速路段车很少，车道利用率极低 ⇒ 浪费资源）；利用率过高 → 容易造成网络拥塞、丢包（节假日高速路，车道利用率极高 ⇒ 堵车）。例题：

二、计算机网络分层结构

知识总览：

"分层" 的设计思想，用生活中的快递来举例：

分层的设计思想：将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。快递网络是一个非常复杂的系统。快递网络需要完成很多功能：

货物打包
取件、派件
冷链存储
包裹"路由"
运输包裹
......

将复杂的快递网络在逻辑上划分为多个层次，并将各种 "功能" 安排在合适的层次中，不同类型的节点，实现的功能层次可能不一样。快递网络的四层体系结构：

计算机网络要完成的功能：

同样采用分层的设计思想：将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。计算机网络是一个非常复杂的系统，要完成诸多功能，如：

1.差错控制：确保数据在传输过程中不出错
2.流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快
3.分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，并在接收端将其还原
4.复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用
5.连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接
.......

Tips：请自行阅读，目前先不用深究。

同理将复杂的计算机网络在逻辑上划分为多个层次，并将各种 "功能" 安排在合适的层次中，不同类型的节点，实现的功能层次可能不一样。

分层结构的设计并不唯一，可以根据实际需求增加或减少层次（合理情况下），同一个功能可以在多个层次中重复出现，进化，快递网络的五层体系结构：

网络体系结构的概念： 网络的体系结构 (Network Architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）。实现 (implementation) 是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。-------体系结构是抽象的，而实现则是具体的。三种常见的计算机网络体系结构：

各层之间的关系：

数据的传输过程（水平视角）：


为什么要分层？为什么要制定协议？计算机网络功能复杂 ⇒ 采用分层结构，将诸多功能合理地划分在不同层次 ⇒ 对等层之间制定协议，以实现功能。数据的传输过程（垂直视角）：

完整链路：

PDU、SDU、PCI 的概念：

协议数据单元（PDU）: 对等层次之间传送的数据单位。第 n 层的 PDU 记为 n-PDU
服务数据单元（SDU）: 为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第 n 层的 SDU 记为 n-SDU
协议控制信息（PCI）: 控制协议操作的信息。第 n 层的 PCI 记为 n-PCI
三者的关系为: n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n - 1)-SDU

图示：

协议的三要素：

1. 协议：即 网络协议（Network Protocol），是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。
2. 协议由语法、语义和同步三部分组成（协议的三要素）：
   • 语法，数据与控制信息的格式。例如，协议控制信息（首部）部分占几个字节、每个字节是什么含义；协议的数据部分最多有多少字节。
   • 语义，即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。例如，协议中需要明确规定：发送方发完数据后，接收方是否需要 "应答"，以及 "应答" 的种类有哪些（如：传输成功、传输失败）
   • 同步（或时序），执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。例如，发送方发完数据后，接收方需要立即应答。如果发送方在10秒内未收到 "传输成功" 应答，则发送方会再次发送数据。

三、OSI参考模型

知识总览：

关于个别术语的说明：

记住：各层的名称和顺序

常见网络设备的功能层次：

OSI参考模型：1#物理层 实现相邻节点之间比特（0或1）的传输

1. 需定义电路接口参数（如：形状、尺寸、引脚数等）
   
2. 需定义传输信号的含义、电气特征（如：5V表示1，1V表示0；每比特电信号持续时间0.1ms）
   
   

OSI参考模型：2#链路层（简称）

OSI参考模型：3#网络层

OSI参考模型：#4传输层

OSI参考模型：#5~#7层

总结：各层数据传输单位

四、TCP/IP模型

知识总览：

记住：各层的名称和顺序

回顾：OSI参考模型 #1~#2层

TCP/IP 模型：网络接口层

OSI 参考模型 vs TCP/IP 模型

TCP/IP 模型：网络层

TCP/IP 模型：传输层

OSI 参考模型 vs TCP/IP 模型：

总结：TCP/IP 各层功能

总结：OSI 参考模型 vs TCP/IP 模型

本文为个人学习记录与复习整理之用，旨在帮助自己系统巩固计算机网络相关知识，同时也希望能为正在学习该领域的同学提供一些参考与帮助。部分内容参考了公开课资料、他人学习笔记或网络公开资源，其中部分图片或示意图来自网络，仅用于非商业性质的学习交流。如有侵权或不当引用之处，敬请联系我删除或更正。

    好书不厌读百回，熟读课思子自知。而我想要成为全场最靓的仔，就必须坚持通过学习来获取更多知识，用知识改变命运，用博客见证成长，用行动证明我在努力。
    如果我的博客对你有帮助、如果你喜欢我的博客内容，请 点赞、评论、收藏 一键三连哦！听说点赞的人运气不会太差，每一天都会元气满满呦！如果实在要白嫖的话，那祝你开心每一天，欢迎常来我博客看看。
 编码不易，大家的支持就是我坚持下去的动力。点赞后不要忘了 关注 我哦！