1.1_5_1 计算机网络的性能指标(上)
在这个小节中我们要学习计算机网络的性能指标，我们在考研当中主要掌握这样的七个性能指标，分别是速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时延和信道利用率。我会把相关性比较紧密的性能指标放在一起讲解。在这个视频中，我们先来学习前三个性能指标，由于这个部分是考研的重点，所以我会对书上的内容进行一些拓展。
首先来看第一个性能指标速率，Mac用户可以打开活动监视器这个APP，并且找到网络这个页签，这样你就可以看到自己的电脑此时的网络速率到底是多少。
如果你是Windows用户，可以打开任务管理器，并且在性能这个页签去查看自己的网络速率。
在我的家里有一台Mac台式机，这台机器是通过网线和我们家的路由器进行了连接，从活动监视器上可以看到，此时我的电脑正在向路由器发送数据，发送的速率是每秒钟1.8MB。同时，我的电脑也在接收从路由器发给他的数据，速度是每秒钟93.3MB。这个地方我们引入一个新的概念，叫做信道，所谓的信道就是信息传送的通道。通常来说，一条通信线路在逻辑上往往会对应一条发送信道和一条接收信道。也就是说，当我们提到信道这个术语的时候，要知道它和通信线路并不是完全相等的。像我的电脑和路由器之间用一根网线连接，这根网线既承担了发送数据的功能，也承担了接收数据的功能，所以这根网线对应了两条信道，并且这两条信道，这个时刻的速率是不一样的。
再来看Windows电脑，我家里的Windows电脑是通过WiFi和我家的路由器进行了连接。同样的，这条无线的WiFi链路也会对应两条信道，一条用于发送数据，一条用于接收数据。发送信道此时的速率可以看到是120Kbps，而接收信道此时的速率是1.3Mbps，这儿的Kbps、Mbps是什么含义呢？它和刚才看到的MB/s这种记法又有什么区别呢？
接下来我们引入速率的定义，所谓的速率指的是连接到网络上的节点，在信道上传输数据的速率。也称为数据率、比特率。真题当中最常用的是数据传输速率这样的描述方式，速率的单位可以记作比特每秒。我们也可以把比特每秒，简写为小b每秒或者 bps，bps是 bit per second 的缩写，表示每秒钟传输多少个比特。
总之这三种记法是完全等价的，在真题当中最常用的是bps这一种记法。有一点需要特别强调，在计算机网络当中，小写的b和大写的B含义是完全不同的。大写的B表示的是 Byte，也就是字节，我们知道一个字节是等于八个比特，所以一大B是等于八个小b。因此，之前提到的例子，在 Mac电脑上，此时的速率是1.8M大B每秒，如果要把它换成bps的话，应该是1.8×8Mbps。因为一个大B等于8 个小b，所以大B每秒和小b每秒是完全不一样的。这点在做题的时候也需要注意。除了大B、小b的区别之外，我们也需要注意计算机网络当中表示数量的前缀，常见的是k、M、G、T，中文语境下可以把它们读作千、兆、吉、太，我们需要记住这几个数量前缀的大小关系。千就是十的三次方，1000再乘以1000就得到了1M，也就是十的六次方，1M 再乘以1000就得到了1G，
1G再乘以1000就得到了1T。120 kbps这个网络速率应该是等于120×10的三次方bps，而1.3Mbps 就应该等于1.3×10的六次方 bps。再回到Mac电脑的例子，1.8M大B每秒把它换算成比特每秒的话，就等于1.8×10的六次方，再乘以8bps 。总结一下，关于网络速率的题目，我们在进行计算的时候一定要注意单位的统一，首先要注意使用的是大B还是小b，其次还需要注意是否有表示数量的这种前缀，要统一单位才不会算错。另外一点有必要补充一下，在计算机网络当中k、M、G、T它们的数量关系是乘以十的三次方，而如果在计组和操作系统这两门课程当中遇到k、M、G、T这几个数量前缀的话，我们要换一种计算方式，1k等于2的十次方，也就是1024，接下来M、G、T会分别在前一个数量前缀的基础上乘以二的十次方，所以1M等于二的20次方，1G等于2的30次方，1T等于2的40次方。比如说在计组的真题当中，可能会遇到描述总线速率的一些指标，假如我们说某一条总线它的速率是8MB，那么在计算机组成原理这门课里边，我们应该把它算作是八×2的 20次方字节每秒，而如果我们在计算机网络的题目当中看到8Mbps这种速率的单位，我们应该把 M看作是十的六次方，也就是等于八×10 的六次方bps。所以这几个数量前缀在不同的科目当中，它的含义是有一些区别的，这种区别也会导致我们在做计算题的时候得到的结果，可能会有一些出入。这是第一个性能指标速率，接下来第二个性能指标带宽。
所谓的带宽就是指某个信道所能传送的最高数据率。大家可以去微信搜索中国电信的公众号，去看一下他们办理宽带的页面，你会看到不同的宽带套餐。比如说九百九十九一年可以办1000M的宽带，这儿的1000M指的就是你家开通的这个宽带，它的下行带宽最高速率是1000Mbps，你找中国电信办宽带，你家的家庭网络会通过中国电信的路由器接入互联网，根据你花的钱不同，网络运营商的路由器和你们家的这个数据通信速率也会受到相应的限制。在这个套餐当中，你们家的下行信道最高数据传输速率只能到1000Mbps，或者换一种说法，就是你们家的下行带宽可以到1000Mbps，如果在你们家下载一个东西。比如说下载电影，那么最高可以到达的下载速度就是 125M大B每秒。很多下载类的软件都是用大B作为速率的单位，所以把小B换成大B需要除以八。另一方面，这个套餐当中上行带宽只有 30Mbps，所以在你家内部如果给其他人传文件或者传数据，那么传送的速度最快不可能超过30Mbps，这是由你家的上行带宽限制的。这是第二个性能指标带宽。
接下来看一个例题，通过这个例题，想让大家感受到一点就是节点之间的通信实际能达到的最高速率会由带宽还有节点性能共同限制。这个题目说有主机A和主机B，它们之间有一条链路，带宽是 100Mbps。主机A 的网卡速率是1Gbps。所谓的网卡就是主机A内部用于网络通信的那个小芯片。继续往后看，主机B的网卡速率只有10Mbps，这也就意味着主机B接收数据或者发送数据的速率都不可能超过这个上限。所以在主机A给主机B发送数据的时候，最高理论速率不可能超过10Mbps。虽然主机A可以达到很高的发送速率，并且这一条链路也可以支持很高的数据传输速率，但是由于主机B的存在，A的发送速率不可以太高，假如主机A强行用一个更快的速率给主机B发送数据，由于主机B的网卡性能不够，它无法这么快的接收数据，就会导致A给B发送的数据丢失，最终导致传输失败。所以这个题目应该选择B选项，最高不能超过10Mbps。
知道这个结论之后，大家不妨回家检查一下你们家的网线，还有路由器是不是需要更新换代一下。假如你们家开通了1000Mbps的宽带，通常来说，运营商会把一根光纤接上你们家的光猫，光猫又叫做调制解调器，它可以把光信号转变成可以在网线上传输的电信号。你们家的路由器一般来说会用一根网线和光猫进行连接，大家可以回去测一下自家网速，如果达不到运营商给你承诺的带宽的话，首先你应该怀疑是不是家用路由器和光猫之间的这根网线太老了，它的带宽不够。网线分很多
种，大家可以上网搜一下，比如说五类网线，它的带宽就只能到100Mbps，而六类网线可以到 1000Mbps。所以假如你们家使用的这根网线，它是一根五类网线，这是不是意味着虽然你开通的
是千兆的宽带，但是由于这根网线的限制，导致你们家实际可以使用到的带宽不会超过100Mbps。所以以后买网线的时候得注意一下买的是几类网线，至少得跟你们家的带宽相匹配，也没必要买太好的网线。比如说一个八类的网线，它可能比六类网线要贵很多，它的带宽可以支持40Gbps，但如果你们家开通的只是一个千兆宽带的话，那么六类网线足够使用了。了解这些知识之后，你可以用更低的成本发挥出你们家网络的最大的速率。另外，如果你们家的路由器比较老的话，也建议大家去检查一下自己家路由器的WAN口，它的最高速率是多少，家用路由器通过WAN口和光猫进行连接。如果路由器的WAN口最高速率只能到100Mbps，开通的是 300M的宽带，由于这台老路由器变成了整个家庭网络的性能瓶颈，因此可以使用到的总带宽只会小于100Mbps。所以路由器的性能大家也需要注意。
通过刚才的学习，我们能体会到带宽这个性能指标的含义，它描述的是某个信道所能通过的最高数据速率。接下来需要补充带宽的另一种含义，在通信原理这门课当中，所谓的带宽指的是某个信道允许通过的信号频带范围，它的单位是赫兹。来看一下如何理解这句话，我们知道A、B两个结点，它们之间的通信是通过电磁波来实现的。比如光纤里边可以传播光这种信号，光本质上也是一种电磁波，大家应该还记得，高中物理我们学过光具有波粒二象性。所以光也是一种电磁波，除了光纤通信之外，我们的无线通信也是用电磁波去实现的。总之，电磁波是信息的载体，无论是有线通信还是无线通信，都是通过电磁波来携带数据的。所谓的信道，就是用于传播电磁波信号的这个通道。一条信道在物理上可能对应光纤，也有可能对应空气或者真空。总之，信道是传播电磁波信号的，对于电磁波来说，它有两个最基本的性质，分别是波长和频率。所谓的波长，就是这个电磁波走一个周期，它的长度是多少？所谓的频率，就是一个电磁波它一秒钟震动多少次，频率的单位就是赫兹。
我们不妨以人眼为例，帮助大家理解带宽这个概念。我们知道人的眼睛可以看到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫这些不同颜色的光。刚才我们说光也是一种电磁波，不同颜色的光，它的波长和频率都会有所区别。比如人眼可以捕捉到光波频率在400T赫兹以及750T赫兹之间的这些光。频率低于
400T赫兹的光就是所谓的红外线，而频率高于750T赫兹的光就是所谓的紫外线。红外线和紫外线是我们人眼捕捉不到的，我们不妨把人眼看作是一条信道，我们把它称为视觉信道，这也就意味着在我们的这条视觉信道上，允许通过的信号频带范围应该是400T赫兹到 750T赫兹这个范围之内。结合这个带宽的定义，我们可以说我们人眼的视觉信道，它的带宽就应该是350T赫兹，这就是我们人眼这条信道所允许通过的信号频带范围。这是我们普通人眼的带宽。现在想象一下，假如你不是人类，你是奥特曼，你可以看到紫外线和红外线。换句话说，奥特曼的眼睛，它的带宽要大于人类眼睛的带宽，由于奥特曼可以看到可见光之外的这些红外线、紫外线，因此奥特曼的眼睛可以捕捉到的信息就要比人类的眼睛更丰富。所以这也就意味着带宽更大的奥特之眼，比带宽更小的人类之眼，传输数据的能力更强。因此通过这个例子，可以感受到无论是计算机网络里边对带宽的定义，还是通信原理里边对带宽的定义，虽然两个概念，它们描述的角度不一样，但是两种解释，本质上都是反映一个信道它传输数据的能力强弱。带宽越大，信道传输数据的能力也越强，在光纤实现的信道当中，带宽是500M赫兹，而电话线的带宽是3k赫兹。光纤的带宽比电话线的带宽更大，所以意味着光纤的数据传输能力更强，而电话线的传输能力更弱。因此用光纤实现的网络通信通常可以达到更高的数据率。所以带宽的两种含义，它本质上都是一样的，在之后的章节中，我们会学习考研要求掌握的两个知识点，分别是香农定理和奈氏准则。这两个定理会解释下面这种带宽和上面这种带宽，这两个概念之间的内在联系。具体的我们留到之后再学。这是带宽的两种含义，在计算机网络这门课程当中，大多数情况下，当我们遇到带宽这个概念的时候，它表示的是第一种含义，而只有香农定理和奈氏准则相关的考题当中，带宽的含义是后一种含义。这是带宽这个性能指标。
接下来，我们看第三个性能指标吞吐量。吞吐量指的是单位时间内通过某个网络或者某个信道，或者某个网络接口的实际数据量。结合之前例子，我的台式机和路由器因为跟网线相连，这根网线逻辑上对应两条信道。此时发送信道的吞吐量是1.8M大B每秒，接收信道的吞吐量是93.3M大B每秒，这是两条信道的吞吐量。另外我们也可以这么说，可以说此时这根网线的吞吐量是1.8+93.3，总共是95.1M大B每秒。也就是说当我们描述这根网线的吞吐量的时候，需要把它双向的这个数据传输速率都给加起来考虑，这是这根网线的总吞吐量。另外换一个角度，我们可以说这台电脑的网卡，也就是网络接口卡，它此时的吞吐量也是1.8+93.3等于95.1M大B每秒。所以当我们描述吞吐量的时候，需要把这些电脑网卡此时发了多少数据和收了多少数据，把这些综合的考虑起来。最后我们也可以用吞吐量这个性能指标去描述某一个网络的，实际的数据量。比如说这个路由器，它接了电脑，还接了手机，它和手机的传输速率是 10MB每秒。同时，又有一个iPad也连了这个路由器，那么iPad正在给路由器发数据传输的速率是8MB，此时我们可以说我家的家庭内网，它的吞吐量是93.3加1.8再加上10再加上8M大B每秒，这是这个家庭内部网络此时的吞吐量。所以吞吐量这个性能指标通常反映的是某一个信道、某一个网络接口或者某一个网络当中，它此时这个数据传输的总量，反映了它的综合负载，可以这么理解。吞吐量这个性能指标对于一些网络工程师就很有用，根据吞吐量去判断某一个节点或者某一个网络，它的负载到底怎么样？在我们考研当中，吞吐量这个性能指标很少涉及，所以我们有个大致的了解就可以。
在这个视频中，我们学习了三个计算机网络的性能指标，分别是速率、带宽和吞吐量。这三个性能指标的单位都是bps。我们可以增加K、M、G、T这些前缀，这几个前缀它们的关系都是以十的三次方依次递增。需要注意的是一个大B等于8 个小b，因为大B对应的是字节，而小b对应的是比特，带宽表示的是某个信道允许通过的最高数据率。而吞吐量表示的是某一个网络或者某一个节点或者某一个信道，在单位时间内通过的实际数据量，也就是说它反映的是实际的综合数据率。在计算机考研当中，更常考的还是速率和带宽这两个性能指标，带宽还有另外一个含义。在通信领域，带宽表示的是某个信道允许通过的信号频带范围，单位是赫兹，一个信道允许通过的信号频带范围越大，也就是说带宽越大，这个信道它的数据传输能力也越高，也就是说它可以支持的最高数据率也会越大。因此，带宽的两种含义本质上反映的都是信道的数据传输能力，带宽越大，数据传输能力也越大。关于带宽的第二种含义，我们还会在后续章节进行进一步的探讨。
以上是这个视频的全部内容。