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计算机网络：计算机网络概述 —— 描述计算机网络的参数

news 2025/9/30 21:57:24

文章目录

- - 数据量
  - 性能指标
  - - 速率
    - 带宽
    - - 数据传输速率
    - 吞吐量
    - 时延
    - - 分析时延问题
    - 时延带宽积
    - 往返时间
    - 利用率
    - 丢包率
    - - 丢包的情况
    - 抖动
    - 可用性
    - 可靠性
    - 安全性

计算机网络是现代信息社会的基础设施，其性能和可靠性对各类应用至关重要。为了理解和优化计算机网络，我们需要深入理解其各种参数。本文将介绍一些关键的计算机网络参数，帮助读者更好地理解和设计网络。

数据量

数据量是指数据的大小或数量。它通常用来衡量存储容量、传输速度或处理能力。数据量可以用不同的单位来表示，其中比特（bit）是计算机中数据量的基本单位。

一些常见的单位有：

比特/位（bits）和字节（bytes）：最小的数据单元是位（0 或 1），8 个位组成一个字节。在计算机中，常用字节作为衡量数据量的单位，1 字节等于 8 个位。
千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）等：这些是常见的存储容量单位。1 KB 等于 1,024 字节，1 MB 等于 1,024 KB，以此类推。

数据量的单位	换算关系
比特（bit，b）
字节（Byte，B）	1B = 8 bit
千字节（KB）	1KB = $2^{10}$ B = 1024 B (1K = 1024）
兆字节（MB）	1MB = 1K KB = $2^{20}$ B
吉字节（GB）	1GB = 1K MB = $2^{30}$ B
太字节（TB）	1TB = 1K GB = $2^{40}$ B

位每秒（bps）和字节每秒（Bps）：它们是衡量数据传输速度的单位。bps 表示每秒传输的位数，Bps 表示每秒传输的字节数。例如，1 Mbps 表示每秒传输 1,000,000 个位，1 MBps 表示每秒传输 1,000,000 字节。
记录、文件和数据库大小：数据量也可以用记录、文件或数据库的数量来表示。例如，一个数据库中有 1,000,000 条记录，一个文件的大小为 100 MB。

性能指标

计算机网络的性能可以使用多个指标来评估，性能指标对于评估和监测网络的性能和效率非常重要，可以帮助诊断和解决网络问题，并优化网络的设计和运行。

速率

速率（Rate）：速率（也称数据率 Data Rate 或比特率 Byte Rate）是指数据传输的速度，基本单位为比特/秒（ $bi t / s ， b / s ，也记为 b p s$ ），通常以每秒传输的比特数（bps，bits per second）来衡量。速率可以是固定的（如10 Mbps）或可变的（如自适应速率）。

速率的单位	换算关系
比特/秒（b/s，bps）
千比特秒（kb/s，kbps）	kb/s = $10^3$ b/s
兆比特秒（Mb/s，Mbps）	Mb/s = k·kb/s = $10^6$ b/s
吉比特秒（Gb/s，Gbps）	Gb/s = k·Mb/s = $10^9$ b/s
太千比特秒（Tb/s，Tbps）	Tb/s = k·Gb/s = $10^{12}$ b/s

带宽

带宽（Bandwidth）：带宽是指网络的通信线路传输数据的能力，也可以理解为单位时间内从网络中的某一点到另一节点可以传输的最大数据量。它通常以比特率（速率）来衡量，如千兆位每秒（Gbps）或兆位每秒（Mbps）。

数据传输速率

![[Data Transmit Model.png]]

$数据传输速率 = min [主机接口速率，线路带宽，交换机或路由器的接口速率]$

在计算机网络中，数据传输速率受到木桶效应的影响，在构建网络时，应做到各设备以及传输介质的速率相匹配，减少因速率不同导致的传输性能的损耗。

吞吐量

吞吐量（Throughput）：吞吐量是指单位时间内通过网络或接口传输的实际数据量。它是指实际有效数据的速率，收到网络带宽的限制，因为网络传输中可能有一些开销，如协议头和校验和。吞吐量可以低于带宽，受网络状况和其他因素的影响。

时延

时延/延迟（Delay）：时延是指数据从发送端到接收端所需的时间。数据可由一个或多个分组，甚至比特构成。它包括：

发送(传输)延迟：数据发往传输线路所需的时间

$\frac{分组大小(b)} {发送速率(数据传输速率)(b/s)}$

传播延迟：分组的电信号在链路的传输媒介中传播所需的时间

$传播时延=\frac{信道长度(m)}{信号传播速率(m/s)}$

自由空间： $3.0\times10^8 m/s$ （光速）（如卫星链路，时延较大）
铜线： $2.3\times10^8 m/s$ （亚光速）
光纤（带宽较大，单位时间内可传送更多的比特）： $2.0\times10^8 m/s$ （亚光速）

排队延迟：分组进入路由器后，会在路由器的输入队列中排队缓存并等待处理，路由器确定分组的转发接口后，分组会在输出队列中排队缓存并等待转发。

分组在各个路由器的等待时延通常取决于网络当时的通信量以及路由器自身的性能。当网络通信量很大时，可能会造成路由器的队列溢出，使分组丢失，导致排队延迟无限大
处理延迟：路由器或交换机处理分组，如检查分组的首部是否误码、提取分组首部中的目的地址、为分组查找相应的转发接口、修改分组首部中的部分内容（如生存时间），等所需的时间

分析时延问题

源主机通过 1 个路由器转发给目的主机 1 个分组的时延情况：

![[Network Delay Model.png]]

在不考虑排队时延和处理时延的情况下，源主机通过 n 个路由器的转发，给目的主机发送 m 个分组的总延时计算公式：
$m\times \frac{分组长度}{传输速率}+n\times\frac{信道长度}{信号传播速率}$

在不考虑排队时延和处理时延的情况下，应具体问题具体分析，通过计算判断发送时延和传播时延的大小关系，以此判断二者的主导关系。

时延带宽积

时延带宽积（Delay-Bandwidth Product）：时延带宽积是指 $\times {带宽}$ 也称为以比特为单位的链路长度。它表示在给定带宽下，需要传输一个完整的数据块所需的时间，帮助理解以太网的最短帧长。时延带宽积影响了网络对突发流量的处理能力。

![[Delay-Bandwidth Product Model.png]]

如主机A和B之间采用光纤链路，链路长 $1 km$ ，链路带宽为 $1 G b / s$ ，则该链路的时延带宽积：

![[Pasted image 20240117233215.png]]

长为 $1 km$ 的光纤链路的传播时延为 $5\mu \text{s}$

往返时间

往返时间（Round-Trip Time，RTT）：往返时间是指从发送数据开始到接收到相应确认的时间，通常用于衡量数据从源到目标并返回的时间。RTT 包括了发送端和接收端之间的传输延迟以及中间节点的处理时间。

利用率

利用率（Utilization）：利用率是指网络资源（如带宽或链路）在给定时间内被使用的程度。

链路利用率：指某条链路有百分之几的时间是被利用的（有数据通过），完全空闲的链路利用率为 0。用于衡量链路的使用。根据排队论可知，当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会迅速增加。
系统（网络）利用率：指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。衡量整个网络系统的使用。

当网络的通信量较少时，产生的时延并不大，但在网络通信量不断增大时，分组在交换节点（路由器或交换机）中的排队时延会随之增大，因此网络引起的时延就会增大。

令 $D_0$ 表示网络空闲时的时延， $D$ 表示网络当前的时延，那么在理想条件下， $D$ 、 $D_0$ 和网络利用率 $U$ 之间的关系为： $D=\frac{D_0}{1-U}$
![[Pasted image 20240117234640.png]]

由上图可知，当网络利用率接近 100% 时，时延会趋于无穷大，因为网络利用率不是越高越好，过高的网络利用率会产生过高的时延。一些大型 ISP往往会控制信道利用率不超过50%。如果超过了就要进行扩容，增大线路的带宽。

同时，网络利用率不应较低，应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（Packet Loss Rate）：丢包率是指在数据传输过程中丢失的数据分组数量与总分组数量的比例。丢包率通常与网络拥堵、错误或不稳定的连接有关，对于实时或关键的应用，较低的丢包率是重要的。

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%

当网络丢包率较高时，通常会导致网络应用无法正常工作。

丢包率可分为接口丢包率、网络丢包率、节点丢包率、路径丢包率、链路丢包率等。

丢包的情况

网络拥塞：当网络中的流量超过网络链路的容量时，根据丢弃策略，会主动丢弃分组，会导致数据包丢失。这通常发生在网络过载或繁忙的时候。
错误的路由配置：如果网络中的路由器配置有误，或者某个路由器的路由表不正确，数据包可能会被错误地转发或者被丢弃。
信号干扰：对于无线网络，信号干扰可能导致数据包丢失。例如，如果无线信号受到电磁干扰、物理障碍或其他无线设备的干扰，数据包可能无法正确接收。
硬件故障：路由器或网络设备的硬件故障可能导致数据包丢失。例如，损坏的网络接口、过载的路由器或其他硬件问题可能导致数据包丢失。
超时：如果数据包在规定的时间内没有到达目的地，接收方可能会认为该数据包丢失，从而丢弃。
分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机（例如路由器）或目的主机检测出误码而丢弃

抖动

抖动（Jitter）：抖动是指数据包到达目的地的时间间隔的变化。较低的抖动表示网络的延迟相对稳定，更适用于实时应用。

可用性

可用性（Availability）：可用性是网络保持正常工作的时间比例，即网络处于可用状态的时间。较高的可用性表示网络稳定性好，对用户可用的时间更长。

可靠性

可靠性（Reliability）：可靠性是指网络在面对故障或损坏时仍能正常工作的能力。较高的可靠性表示网络对故障具有较好的容忍性，可以保持正常运行。

安全性

安全性（Security）：安全性是指网络数据的保密性、完整性和可用性。一个安全的网络能够保护数据免受未经授权的访问、篡改或破坏。