第2講 數據交換與性能指標

主講教師：劉宏月Tel-Mail：hautxxxylhy@126.com計算機網絡2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2/52課程的任務、目的和基本要求專業(yè)必修課，主要學習計算機網絡的基本概念、基本原理和方法，理解網絡分層體系結構、網絡協(xié)議設計原理與工作機理。具備一定的網絡分析與設計、網絡組建、運維管理等網絡技術應用能力以及較好的網絡工程素養(yǎng)，為從事計算機及數據通信網絡相關領域的技術研發(fā)、工程應用等打下良好基礎。課程教學強調培養(yǎng)學生的獨立思考能力、科學思維方法和求知創(chuàng)新精神。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT3/52課程相關資源教材謝希仁.計算機網絡（第6版）.電子工業(yè)出版社，2013年.參考教材A.S.Tanenbaum.計算機網絡（第5版）.清華大學出版社，2012年.JamesF.Kurose,KeithW.Ross著，陳鳴等譯.計算機網絡自頂向下方法（原書第四版）.人民郵電出版社，2009.2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT4/52教學安排教學總學時數：54學時（44+10）教學方式：理論授課+上機實踐上課：第1周－第13周，每周2次。實驗：第7周－第12周，每周1次?？荚嚰俺煽儗W期末閉卷筆試：總分100平時成績：10%（考勤/作業(yè)）實驗成績：20%（上機操作/實驗報告）期末筆試：70%第2講數據交換與性能指標劉宏月河南工業(yè)大學信息科學與工程學院2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT6/52上講知識回顧計算機網絡的概念一些互相連接的、自治的計算機的集合。Internet的產生和發(fā)展ARPAnet計算機網絡的分類局域網、廣域網拓撲：總線型、星形、環(huán)形、樹形、網狀2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT7/52本講學習目標

學習目標理解電路交換、報文交換、分組交換等數據交換方式的工作原理。了解計算機網絡的性能指標，包括速率、帶寬、吞吐量、時延、利用率等。

本節(jié)要點分組交換的工作原理。計算機網絡的性能指標。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT8/52本講主要內容1.數據交換方式2.計算機網絡的性能指標2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT9/521.數據交換方式——電路交換電路交換類似于電話交換的工作過程。引例：電話連接“交換”(switching)的含義就是轉接——把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源分的配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT10/52電路交換舉例A和B通話經過四個交換機通話在A到B的連接上進行電路交換的用戶始終占用端到端的通信資源((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT11/52C和D通話只經過一個本地交換機通話在C到D的連接上進行電路交換舉例((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT12/521.數據交換方式——電路交換電路交換是面向連接，通信分三個階段建立連接通信釋放連接電路交換傳送計算機數據——不合適計算機數據具有突發(fā)性，將導致通信線路的利用率很低。因此，在電路交換的基礎上，提出了存儲轉發(fā)交換方式——分組交換。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT13/521.數據交換方式——分組交換存儲轉發(fā)交換的特點發(fā)送的數據與目的地址、源地址、控制信息一起，按照一定的格式組成一個數據單元再發(fā)送出去。報文與報文分組的比較利用存儲轉發(fā)交換原理傳送數據時，被傳送的數據單元相應可以分為兩類：報文（message）與報文分組（packet）。根據數據單元的不同，存儲轉發(fā)交換方式可分為：報文交換與分組交換。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT14/52在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段。報文1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸1.數據交換方式——分組交換2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT15/52報文數據數據數據1.數據交換方式——分組交換添加首部構成分組每一個數據段前面添加上首部構成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

32023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT16/521.數據交換方式——分組交換分組交換的傳輸單元分組交換網以“分組”作為數據傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

32023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT17/521.數據交換方式——分組交換分組首部的重要性每一個分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網中的結點交換機根據收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉發(fā)到下一個結點交換機。用這樣的存儲轉發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT18/521.數據交換方式——分組交換收到分組后剝去首部接收端收到分組后剝去首部還原成報文。數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

3收到的數據2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT19/52數據數據數據1.數據交換方式——分組交換最后還原成原來的報文最后，在接收端把收到的數據恢復成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現差錯，在轉發(fā)時也沒有被丟棄。報文11010001101010101101010111000100110100102023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT20/52分組交換網的示意圖H1A互聯網BDECH5H6H4H2H3H1

向H5

發(fā)送分組H2向H6

發(fā)送分組注意分組路徑的變化！路由器主機2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT21/52注意分組的存儲轉發(fā)過程H1A互聯網BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組路由器主機在路由器

E

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口最后到達目的主機

H5在路由器

C

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在路由器

A

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT22/52分組交換的特點分組交換的優(yōu)點高效動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。靈活以分組為傳送單位和查找路由。迅速不必先建立連接就能向其他主機發(fā)送分組。可靠分布式的路由選擇協(xié)議使網絡有很好的生存性。

缺點分組在各結點存儲轉發(fā)時需要排隊，會造成一定的延時。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT23/52分組交換的實際應用實際應用中的分組交換技術可以分為兩種方式數據報方式分組傳輸前，不需要預先在源主機與目的主機之間建立“線路連接”，每個分組獨立選擇傳輸路徑。虛電路方式虛電路方式試圖將數據報與電路交換相結合起來，發(fā)揮二者的優(yōu)勢，達到最佳的數據交換效果。虛電路的工作過程分為三個階段：虛電路建立階段、數據傳輸階段、虛電路釋放階段。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT24/521.數據交換方式——報文交換電報系統(tǒng)使用的數據交換方式數據以報文為單位、以存儲轉發(fā)的方式傳遞。一個報文就是一次要發(fā)送的全部數據。報文交換時延較長，現在已經很少使用。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT25/52報文交換三種交換的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文ABCDABCDABCD電路交換分組交換t連接建立數據傳送報文P2P1連接釋放數據傳送的特點比特流直達終點報文報文報文分組分組分組存儲轉發(fā)存儲轉發(fā)存儲轉發(fā)存儲轉發(fā)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT26/521.數據交換方式數據交換方式的分類數據交換方式電路交換存儲轉發(fā)交換報文存儲轉發(fā)交換分組交換數據報交換虛電路交換2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT27/52本講主要內容1.數據交換方式2.計算機網絡的性能指標2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT28/522.

計算機網絡的性能指標計算機網絡性能指標速率帶寬吞吐量時延時延帶寬積往返時間利用率2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT29/522.

計算機網絡的性能指標

速率比特（bit）是計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。Bit來源于binarydigit，意思是一個“二進制數字”，因此一個比特就是二進制數字中的一個1或0。速率即數據率(datarate)或比特率(bitrate)，速率的單位是

b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s

等。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT30/522.

計算機網絡的性能指標

帶寬“帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度（信號各種不同頻率成分所占據的頻率范圍），單位是赫茲/赫（或千赫、兆赫、吉赫等）?，F在“帶寬”用來表示通信線路所能傳送數據的能力。是數字信道所能傳送的“最高數據率”的同義語，單位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT31/52更常用的帶寬單位是千比特每秒，即kb/s（103b/s）兆比特每秒，即Mb/s（106b/s）吉比特每秒，即Gb/s（109b/s）太比特每秒，即Tb/s（1012b/s）請注意：在計算機界，K=210=1024，

M=220,G=230,T=240。2.

計算機網絡的性能指標2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT32/522.

計算機網絡的性能指標帶寬在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。每秒

106

個比特時間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s

時間每秒4106

個比特0.25s帶寬為4Mb/s

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT33/522.

計算機網絡的性能指標吞吐量(throughput)表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。經常用于對現實世界中的網絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT34/522.

計算機網絡的性能指標時延（delay或latency）是指數據從網絡一端傳送到另一端所需的時間。也稱延遲、遲延。網絡中的時延包括發(fā)送時延：從發(fā)送端網口進入網絡所用的時間。傳播時延：在信道上傳播所用的時間。排隊時延：分組排隊等待轉發(fā)所用的時間。處理時延：為存儲轉發(fā)做處理所用的時間。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT35/52傳播時延

=信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒）2.

計算機網絡的性能指標時延——傳播時延電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT36/522.

計算機網絡的性能指標

時延處理時延：交換結點為存儲轉發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。排隊時延：結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延。排隊時延的長短往往取決于網絡中當時的通信量?；疖囘M站加水、等候2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT37/522.

計算機網絡的性能指標時延數據經歷的總時延就是發(fā)送時延、傳播時延、排隊時延和處理時延之和：注意：在總延時中，究竟是哪一種延時占主導地位，需要具體問題具體分析?？倳r延=發(fā)送時延+傳播時延+排隊時延+處理時延2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT38/52四種時延所產生的位置1011001...發(fā)送器隊列在鏈路上產生傳播時延結點B結點A在發(fā)送器產生傳輸時延(即發(fā)送時延)在結點A中產生處理時延和排隊時延數據從結點A向結點B發(fā)送數據鏈路2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT39/52舉例說明例1：有一個長度為100M(1M=220)的待發(fā)送數據塊在帶寬為1Mbps的信道上，發(fā)送時延為：

100×1048576×8÷106bps＝838.9s(約14min)若用光纖將這個數據塊傳送至1000km遠的計算機，傳播時延: 106÷(2.0×108m/s)＝5ms本例中，總時延主要由發(fā)送時延來決定。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT40/52舉例說明例2：待發(fā)送的數據僅為1個字節(jié)（8bit）。在1Mbps的信道上，發(fā)送時延為：

8÷106bps＝8μs當傳播時延同樣為5ms時，總延時為：5.008ms，即傳播延時決定了總時延。在上述兩例中傳播延時是固定的，提高效率只能提高發(fā)送速率。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT41/522.

計算機網絡的性能指標容易產生的錯誤概念對于高速網絡鏈路，我們提高的僅僅是數據的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。提高鏈路帶寬減小了數據的發(fā)送時延。通常所說“光纖信道的傳輸速率高”是指向光纖信道的發(fā)送數據的速率可以很高，而光纖信道的傳播速率(2.0×108m/s)實際上比銅線(2.3×108m/s)的傳播速率還要略低一點。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT42/522.

計算機網絡的性能指標分組交換與電路交換的時延比較電路交換的時延分析分組交換的時延分析電路交換與分組交換的時延對比2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT43/52報文交換三種交換的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文ABCDABCDABCD電路交換分組交換t連接建立數據傳送報文P2P1連接釋放數據傳送的特點比特流直達終點報文報文報文分組分組分組存儲轉發(fā)存儲轉發(fā)存儲轉發(fā)存儲轉發(fā)2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT44/522.

計算機網絡的性能指標

時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。

往返時延RTT(Round-TripTime)

從發(fā)送端發(fā)送數據開始，到發(fā)送端收到來自接收端的確認消息為止，總共經歷的時延。（傳播）時延鏈路帶寬時延帶寬積=傳播時延帶寬2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT45/522.

計算機網絡的性能指標利用率信道利用率：

指一條信道有百分之幾的時間是被使用的（有數據通過）。完全空閑的信道的利用率是零，但信道利用率并非越高越好。

網絡利用率：

是整個網絡所有信道信道利用率的加權平均值。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT46/522.

計算機網絡的性能指標時延與網絡利用率的關系根據排隊論的理論，當某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也就迅速增加。若令D0表示網絡空閑時的時延，D表示網絡當前的