計算機網絡第1章（下）：網絡性能指標與分層模型全面解析

一、計算機網絡的性能指標
- 1.1 性能指標1：速率
- 1.2 性能指標2：帶寬
- 1.3 性能指標3：吞吐量
- 1.4 性能指標4：時延
- 1.5 性能指標5：時延帶寬積
- 1.6 性能指標6：往返時延
- 1.7 性能指標7：信道利用率
二、計算機網絡分層結構
三、OSI參考模型
四、TCP/IP模型

一、計算機網絡的性能指標

本小節知識總覽：

1.1 性能指標1：速率

速率(Speed)： 指連接到網絡上的節點在信道上傳輸數據的速率。也稱數據率或比特率、數據傳輸速率（考研真題中常用），速率的單位：bit/s 或 b/s 或 bps(bit per second)（考研真題中常用），ps：有時也會用 B/s（1B = 8b，B=Byte 字節，b=bit 比特）。

信道（Channel）： 表示向某一方向傳送信息的通道（信道≠通信線路）一條通信線路在邏輯上往往對應一條發送信道和一條接收信道。

Windows 用戶：Ctrl+Alt+Del/Delete ? 任務管理器 ? 性能

1.2 性能指標2：帶寬

帶寬（bandwidth）： 某網絡信道所能傳送的最高數據率。

例題：假設主機 A 和 B 之間的鏈路帶寬為 100Mbps，主機 A 的網卡速率為 1Gbps，主機 B 的網卡速率為 10Mbps，主機 A 給主機 B 發送數據的最高理論速率為 (B)：

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

結論： 節點間通信實際能達到的最高速率，由帶寬、節點性能共同限制。

學以致用，不當大冤種：

帶寬的另一種含義：

不嚴謹的類比：人眼的 "帶寬"：

1.3 性能指標3：吞吐量

吞吐量（Throughput）： 指單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的實際數據量，稱為 "實際帶寬"。理解： 總是小于或等于帶寬；吞吐量受帶寬限制、受復雜的網絡負載情況影響。舉例： 帶寬是車道的寬度，吞吐量是單位時間內真正通過車道的車流量。

1.4 性能指標4：時延

時延(Delay)： 指數據（一個報文或分組，甚至比特）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間，有時也稱為延遲或遲延。

類比生活中的例子：

例題：

變種：

1.5 性能指標5：時延帶寬積

時延帶寬積的含義：一條鏈路中，已從發送端發出但尚未到達接收端的最大比特數時。延帶寬積 = 傳播時延 × 帶寬，ps：時延帶寬積用于設計最短幀長（將在后續文章中進行講解）。

2023年408真題：

計算過程如下：

1.6 性能指標6：往返時延

往返時延 RTT（ Round-Trip Time ）：表示從發送方發送完數據，到發送方收到來自接收方的確認總共經歷的時間。即：

# 往返時延 RTT = t2 + t3 + t4 + t5
t2 : "數據"的單向傳播時延
t3 : 接收方收到數據后的處理時延
t4 : "確認"的發送時延
t5 : “"確認"的傳播時延（通常t5與t2 相等）
t1 : 發送方發送數據的發送時延（不計入RTT）

圖示：

游戲延遲，反映的就是 "手機—服務器" 之間的 "往返時延RTT"

1.7 性能指標7：信道利用率

信道利用率：某個信道有百分之多少的時間是有數據通過的。信道利用率 = 有數據通過的時間 / (有數據通過的時間 + 沒有數據通過的時間)。利用率過低 → 浪費資源（有些高速路段車很少，車道利用率極低 ? 浪費資源）；利用率過高 → 容易造成網絡擁塞、丟包（節假日高速路，車道利用率極高 ? 堵車）。例題：

二、計算機網絡分層結構

知識總覽：

"分層" 的設計思想，用生活中的快遞來舉例：

分層的設計思想：將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題。快遞網絡是一個非常復雜的系統。快遞網絡需要完成很多功能：

貨物打包
取件、派件
冷鏈存儲
包裹"路由"
運輸包裹
......

將復雜的快遞網絡在邏輯上劃分為多個層次，并將各種 "功能" 安排在合適的層次中，不同類型的節點，實現的功能層次可能不一樣。快遞網絡的四層體系結構：

計算機網絡要完成的功能：

同樣采用分層的設計思想：將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題。計算機網絡是一個非常復雜的系統，要完成諸多功能，如：

1.差錯控制：確保數據在傳輸過程中不出錯
2.流量控制：發送端的發送速率必須使接收端來得及接收，不要太快
3.分段和重裝：發送端將要發送的數據塊劃分為更小的單位，并在接收端將其還原
4.復用和分用：發送端幾個高層會話復用一條低層的連接，在接收端再進行分用
5.連接建立和釋放：交換數據前先建立一條邏輯連接，數據傳送結束后釋放連接
.......

Tips：請自行閱讀，目前先不用深究。
在這里插入圖片描述
同理將復雜的計算機網絡在邏輯上劃分為多個層次，并將各種 "功能" 安排在合適的層次中，不同類型的節點，實現的功能層次可能不一樣。

分層結構的設計并不唯一，可以根據實際需求增加或減少層次（合理情況下），同一個功能可以在多個層次中重復出現，進化，快遞網絡的五層體系結構：

網絡體系結構的概念： 網絡的體系結構 (Network Architecture) 是計算機網絡的各層及其協議的集合，就是這個計算機網絡及其構件所應完成的功能的精確定義（不涉及實現）。實現 (implementation) 是遵循這種體系結構的前提下，用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。-------體系結構是抽象的，而實現則是具體的。三種常見的計算機網絡體系結構：

各層之間的關系：

數據的傳輸過程（水平視角）：

為什么要分層？為什么要制定協議？計算機網絡功能復雜 ? 采用分層結構，將諸多功能合理地劃分在不同層次 ? 對等層之間制定協議，以實現功能。數據的傳輸過程（垂直視角）：

完整鏈路：

PDU、SDU、PCI 的概念：

協議數據單元（PDU）: 對等層次之間傳送的數據單位。第 n 層的 PDU 記為 n-PDU
服務數據單元（SDU）: 為完成上一層實體所要求的功能而傳送的數據。第 n 層的 SDU 記為 n-SDU
協議控制信息（PCI）: 控制協議操作的信息。第 n 層的 PCI 記為 n-PCI
三者的關系為: n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n - 1)-SDU

圖示：

協議的三要素：

協議：即網絡協議（Network Protocol），是控制對等實體之間進行通信的規則的集合，是水平的。
協議由語法、語義和同步三部分組成（協議的三要素）：
- 語法，數據與控制信息的格式。例如，協議控制信息（首部）部分占幾個字節、每個字節是什么含義；協議的數據部分最多有多少字節。
- 語義，即需要發出何種控制信息、完成何種動作及做出何種應答。例如，協議中需要明確規定：發送方發完數據后，接收方是否需要 "應答"，以及 "應答" 的種類有哪些（如：傳輸成功、傳輸失敗）
- 同步（或時序），執行各種操作的條件、時序關系等，即事件實現順序的詳細說明。例如，發送方發完數據后，接收方需要立即應答。如果發送方在10秒內未收到 "傳輸成功" 應答，則發送方會再次發送數據。

三、OSI參考模型

知識總覽：

關于個別術語的說明：

記住：各層的名稱和順序

常見網絡設備的功能層次：

OSI參考模型：1#物理層 實現相鄰節點之間比特（0或1）的傳輸

需定義電路接口參數（如：形狀、尺寸、引腳數等）
需定義傳輸信號的含義、電氣特征（如：5V表示1，1V表示0；每比特電信號持續時間0.1ms）

OSI參考模型：2#鏈路層（簡稱）

OSI參考模型：3#網絡層

OSI參考模型：#4傳輸層

OSI參考模型：#5~#7層

總結：各層數據傳輸單位

四、TCP/IP模型

知識總覽：

記住：各層的名稱和順序

回顧：OSI參考模型 #1~#2層

TCP/IP 模型：網絡接口層

OSI 參考模型 vs TCP/IP 模型

TCP/IP 模型：網絡層

TCP/IP 模型：傳輸層

OSI 參考模型 vs TCP/IP 模型：

總結：TCP/IP 各層功能

總結：OSI 參考模型 vs TCP/IP 模型

本文為個人學習記錄與復習整理之用，旨在幫助自己系統鞏固計算機網絡相關知識，同時也希望能為正在學習該領域的同學提供一些參考與幫助。部分內容參考了公開課資料、他人學習筆記或網絡公開資源，其中部分圖片或示意圖來自網絡，僅用于非商業性質的學習交流。如有侵權或不當引用之處，敬請聯系我刪除或更正。
在這里插入圖片描述

????好書不厭讀百回，熟讀課思子自知。而我想要成為全場最靚的仔，就必須堅持通過學習來獲取更多知識，用知識改變命運，用博客見證成長，用行動證明我在努力。
????如果我的博客對你有幫助、如果你喜歡我的博客內容，請 點贊、評論、收藏 一鍵三連哦！聽說點贊的人運氣不會太差，每一天都會元氣滿滿呦！如果實在要白嫖的話，那祝你開心每一天，歡迎常來我博客看看。
?編碼不易，大家的支持就是我堅持下去的動力。點贊后不要忘了 關注 我哦！