1-3-4计算机网络性能、协议、体系结构.doc

1、中 国 人 民 解 放 军 信 息 工 程 大 学 教 案计算机网络 （ 20082009 学年 1 学期）主讲教员： 王文娟 所在单位： 电子技术学院 303 教研室 课程性质： 考试 课程学时： 50 授课对象： 本科 使用教材： 计算机网络谢希仁 著 信息工程大学训练部制表计算机网络第 3、4 次课章节名称第一章、计算机网络概述 第三、四讲目的要求掌握计算机网络的拓扑结构，掌握常用的网络性能指标（带宽、时延、时延带宽积和往返时延） ；掌握网络协议的概念、网络层次化方法和网络体系结构的概念序 号 主要内容 时间概算1 知识回顾 3 分2 网络拓扑结构 10 分3 网络性能指标带宽 10 分

2、4 网络性能指标时延 20 分5 网络性能指标时延带宽积、往返时延 7 分网络协议的概念 10 分6 网络层次化研究方法 20 分7 网络体系结构的概念 10 分8 小结 10 分主要内容与时间概算共 计 100 分重点难点重点：网络拓扑结构、网络性能指标、网络协议、网络层次化研究方法、网络体系结构难点：网络协议、网络层次化研究方法、方法手段 讲解、图示、启发（续表）课 堂 提 问网络体系结构在生活中的应用？本 次 课 内 容 总 结计算机网络的拓扑结构计算机网络的主要性能指标网络协议的概念网络层次化研究方法思考题作业题课后思考： 网络体系结构原理在生活中有何应用？ 服务、实体、协议等基本概念

3、的理解课后作业：1-1、 1-7、1-10、1-13参考资料参考教材计算机网络清华大学出版社填表说明：1.该表供主讲教员备课使用，每次课均应按表中所列内容填写，各次课构成一门课教案的整体；2.表中相关项目内容的详略程度由主讲教员酌情掌握；3.该表可书写或电脑录入，书写字迹应工整，电脑录入应按格式中显示的字体、字号（仿宋 GB2312 小四）填写，外语可用 Times New Roman 字体。授 课 内 容知识回顾1、定义:从资源共享观点来看，计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合” 。2、分类:1）根据网络的传输技术进行分类，计算机网络分为广播式网络、点-点式网

4、络；2）根据网络的覆盖范围与规模分类，计算机网络分为局域网、城域网与广域网;3）根据网络的交换功能进行分类,分为电路交换、分组交换、报文交换、混合交换；4）根据网络的使用者分类，分为公用网、专用网。第三讲 计算机网络的拓扑结构和性能指标教学内容：一、计算机网络的拓扑结构二、计算机网络的性能指标1、带宽 2、时延 3、往返时延河时延带宽积一、计算机网路的拓扑构型幻灯拓扑设计是建设计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。因此计算机网络设计的第一步就是解决在给定计算机位置并保证一定的网络响应时间、吞吐量和可靠性的条件下，通过选择适当的线路、线路

5、容量与连接方式，使整个网络的结构合理与成本低廉。拓扑学是几何学的一个分支。拓扑学是将网络中的实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接线路抽象成线，进而只研究点、线、面之间的关系。幻灯计算机网络拓扑：将计算机或结点交换机、路由器等抽象成点，将通信链路抽象成线，是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型; 我们知道，通信信道分为两类：广播通信信道和点对点通信信道。幻灯图网络拓扑可以根据通信子网中通信信道类型分为两类：广播信道通信子网的拓扑与点对点线路通信子网的拓扑。在采用广播信道通信子网中，一个公共的通信信道被多个网

6、络结点共享，其基本的拓扑构型有：总线形、树型、环形、无线通信与卫星通信型（无线型） 。在采用点对点线路的通信子网中，每条物理线路连接一对结点，其基本的拓扑构型有：星形、环形、树型与网状型拓扑。本节主要讨论点对点线路通信子网的拓扑，广播信道通信子网的拓扑将在后面章中讨论。 （因为局域网采用的是广播信道通信子网） 幻灯星形拓扑：结点通过点对点通信线与中心连接。中心结点控制全网的通信，任何两结点之间的通信都要通过中心结点。从图中我们可以看出星形结构由一个功能较强的中央结点 S 以及一些各自连到中心的节点组成。这种网络各从节点间不能直接通信，从节点间的通信必须经过中央节点。例如 A 节点要向 B 节点

7、发送，A 节点先向中央S 发送 RTS（Reqest TO Sen）报文请求发送，S 转发 RTS 报文到 B 节点，然后 A 从 B 收到 RTR（Reay To Receve）准备接收报文，这样就在 A 和 B 间建立通路并可开始通信。星形结构有两类：一类是中央结点仅起从结点连通的作用。另一类中央结点是一个很强的计算机，从结点是一般计算机或终端，这时转接中心有转接和数据处理的双重功能。强的转接中心也成为各从节点共享的资源，转接中心也可按存储转发方式工作。【特点】：结构简单、易于实现，便于管理，但可靠性较差，中心结点的故障可能造成全网的瘫痪。 幻灯环形拓扑：结点通过点对点通信线路连接成闭合环

8、路；环中数据将沿一个方向逐站传送。【特点】：结构简单、传输时间确定。但可靠性较差，环中任何一个结点出现线路故障，都可能造成网络瘫痪；环结点的加入和撤出过程都比较复杂。 幻灯树形拓扑：结点按层次进行连接，信息交换主要在上、下结点之间进行，相邻及同层结点之间一般不进行数据交换或数据交换量小。【特点】：可以看成是星形拓扑的一种扩展。 幻灯网状形拓扑：又称为无规则型。结点之间的连接是任意的，没有规律。【特点】：系统可靠性高，一个结点发生故障，不影响其他结点间的正常通信。但结构复杂，一个结点向另一个结点发送数据有多条路径，因此必须采用路由选择与流量控制方法。目前实际存在与使用的广域网结构，基本上都是采用

9、网状拓扑构型。通过以上的学习我们对计算机网络拓扑已经有了一个初步的认识。那么我们对一个计算机网络的性能如何评价呢？下面我们就给大家介绍计算机网络的性能。二、计算机网络的性能1、带宽在通信信道中传输的信号可以有两种类型，一种是模拟信号，另一种是数字信号。如果通信线路用来传送模拟信号，则带宽可以定义为：某个信号具有的频带宽度，单位：赫；如在传统通信线路上传送的电话信号的频率范围是 300Hz 到 3.4kHz，那么电话信号的标准带宽为 3.1 kHz。在计算机网络中，通信线路用来传送数字信号，那么带宽可以定义为：单位时间内数字信道所能传送的“最高数据率” 。单位：比特/秒。即每秒发送多少比特。因为

10、带宽代表数字信号的发送速率，带宽有时也称为吞吐量（throughput） 。在实际应用中，吞吐量表示每秒发送的比特数（或字节数、帧数） 。 对于数字信号的带宽来说，常见的带宽单位有 b/s,千：kb/s(10 3),兆：Mb/s(10 6)，吉：Gb/s(10 9),太：Tb/s(10 12)，在有些情况下省略掉单位中的 b/s 但仍表示数据率。如 100M 以太网，它的意思是 100Mb/s 的以太网。另外请注意，在通信领域和计算机领域，对数量单位“千” 、 “兆” 、“吉”等英文缩写的意思是不同的。如， “千”用“K”来表示，在计算机领域它等于 210，在通信领域它等于 103。同样，M、

11、G 在计算机领域表示220、2 30 而不是 106、10 9。我们还要注意 b 与 B 的区别，B 表示字节，b 表示位，1B=8b。图 3 随着带宽的增大，数字信号在时间轴上的宽度越窄为了加深对带宽的理解，我们可以观察网络中的任一个结点上数字信号流随时间变化的情况。如图所示。当在带宽为 1Mb/s 链路上传输数字信号时，每秒有 106 个比特，每个比特占用的时间为 1us，而在带宽为4Mb/s 的链路上传输数字信号时，每秒有 4106 个比特，每个比特占用的时间为 0.25us，也就是说：随着带宽的增大，数字信号在时间轴上的宽度变窄，相同信号在不同信道上占用的时间宽度与信道带宽成反比。2、

12、时延（delay 或 latency)：时延是衡量计算机网络性能的另一个主要指标。在计算机网络中 时延是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。由以下四个不同的部分组成：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。1、发送时延：在发送器产生，结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延也称传输时延。公式：发送时延=数据块长度/信道带宽（数据在信道上的传输速率）2、传播时延：在链路上产生，电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。公式：传播时延=信道长度/电磁波在信道上传

13、播速率电磁波在自由空间的传播速率是光速，即 3.0105km/s。在铜线电缆高带宽、低时延说明性能好。中的传播速率为 2.3105km/s，在光纤中的传播速率为 2.0105km/s。例：1000km 长的光纤线路产生的传播时延大约为 5ms。从以上讨论可以看出，信号传输速率（发送速率）和电磁波在信道上的传播速率是两个完全不同的概念，因此不能将发送时延和传播时延弄混淆。这两种时延发生的地方都不一样，发送时延发生在机器内部的发送器中，传播时延发生在机器外部的传输信道媒体上。打个比方：假定有 10辆车的车队从收费站入口出发到相距 50 公里的目的地。再假定每一辆车过收费站要花费 6 秒钟，而车速是

14、 100 公里/小时。现在可以算出整个车队从收费站到目的地总共需要的时间：发车时间共需 60 秒，相当于网络中的发送时延，行车时间需 30 分钟，相当于网络中的传播时延。共需 31分钟。能否说：比特在宽带上跑的快，在窄带上跑的慢？正确的概念：宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。只是宽带中比特之间的间隔缩短了，每秒内发送的比特数更多一些。3、处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，产生处理时延。如分析分组的首部，差错检验等等。4、排队时延：分组在进入路由器后要先在输入对列中排队等待处理。在路由器确定转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。排队时延的长短往往取决于网络

15、中当时的通信量。当网络的通信量很大时，还会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。有时可用排队时延作为处理时延。三种时延所产生的地方，结点 A 向结点 B 发送数据，在队列缓存中要排队转发，产生排队、处理时延；将数据发到链路之前在发送器产生发送时延，在链路上传播产生传播时延。这样，数据经历的总时延就是以上四种时延之和：总时延=传播时延+发送时延+处理时延+排队时延在总时延中，哪一个时延占主导地位，没有具体的规定，需要具体问题具体分析。现在暂时忽略排队和处理时延。例：假定有一个长度为 100MB 的数据块（这里的 M 显然不是 106 而是220，即 1048576。 ） ，在带宽为

16、 1Mb/s 的信道上（这里的 M 是 106）的发送时延是 10010485768106=838.9s，即将近要用 14 分钟才能把这样大的数据块发送完毕。若将这样的数据块用光纤传送到 1000km 远的计算机，那么每一个比特在 1000km 的光纤上只需用 5ms 就能传送到目的地。对于这种情况，发送时延占主导地位。再看一个例子。要发送的数据仅有一个字节（即在键盘上键入一个字符） 。在 1Mb/s 的信道上的发送时延是 8106=8us。当传播时延为 5ms 时，总时延是 5.008ms，传播时延占主导地位。注意：不能笼统地认为：数据的发送速率越高传送得就越快。因为总时延是由三种时延组成的

17、，不能仅考虑发送时延一项。对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高链路的带宽只是减小了数据的发送时延。3、时延带宽积和往返时延 RTT（Round-Trip Time）上面我们讨论了网络性能的两个度量指标：带宽和传播时延，如果将他们相乘的话，就会得到另一个很有用的度量：时延带宽积=传播时延 * 带宽对于时延带宽积，我们可以用如图所示的图形来表示。 （ 传 播 ） 时 延链 路带 宽这个圆柱形管道代表链路，管道的长度是链路的传播时延（请注意，现在以时间作为单位来表示链路的长度） ，管道的截面积是链路的带宽。意思是每秒发送的比特数。带宽*传播时延表示这个管道的体积，就是时延带宽积，它表示这样的链路可容纳多少个比特。例如，设某段链路的传播时延为 20ms，带宽为 10Mb/s。则时延带宽积=2010 -310106=2105bit。这就表示，如发送端连续发送数据，则在发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了 20 万个比带宽