第2讲 数据交换与性能指标

主讲教师：刘宏月Tel：18623717058E-Mail：[e-mail]计算机网络2020/2/92/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT上讲知识回顾计算机网络的概念一些互相连接的、自治的计算机的集合。Internet的产生和发展ARPAnet计算机网络的分类局域网、广域网拓扑：总线型、星形、环形、树形、网状第2讲数据交换与性能指标刘宏月河南工业大学信息科学与工程学院2020/2/94/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT本讲学习目标学习目标理解电路交换、报文交换、分组交换等数据交换方式的工作原理。了解计算机网络的性能指标，包括速率、带宽、吞吐量、时延、利用率等。本节要点分组交换的工作原理。计算机网络的性能指标。2020/2/95/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT本讲主要内容1.数据交换方式2.计算机网络的性能指标2020/2/96/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT1.数据交换方式——电路交换电路交换类似于电话交换的工作过程。引例：电话连接“交换”(switching)的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源分的配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路资源。电话交换机2020/2/97/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT电路交换举例A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行电路交换的用户始终占用端到端的通信资源((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA2020/2/98/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUTC和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行电路交换举例((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA2020/2/99/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT1.数据交换方式——电路交换电路交换是面向连接，通信分三个阶段建立连接通信释放连接电路交换传送计算机数据——不合适计算机数据具有突发性，将导致通信线路的利用率很低。因此，在电路交换的基础上，提出了存储转发交换方式——分组交换。2020/2/910/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT1.数据交换方式——分组交换存储转发交换的特点发送的数据与目的地址、源地址、控制信息一起，按照一定的格式组成一个数据单元再发送出去。报文与报文分组的比较利用存储转发交换原理传送数据时，被传送的数据单元相应可以分为两类：报文（message）与报文分组（packet）。根据数据单元的不同，存储转发交换方式可分为：报文交换与分组交换。2020/2/911/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。报文1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输1.数据交换方式——分组交换2020/2/912/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT报文数据数据数据1.数据交换方式——分组交换添加首部构成分组每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组1分组2分组32020/2/913/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT1.数据交换方式——分组交换分组交换的传输单元分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数据首部分组1数据首部分组2数据首部分组32020/2/914/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT1.数据交换方式——分组交换分组首部的重要性每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。2020/2/915/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT1.数据交换方式——分组交换收到分组后剥去首部接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数据首部分组1数据首部分组2数据首部分组3收到的数据2020/2/916/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT数据数据数据1.数据交换方式——分组交换最后还原成原来的报文最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文11010001101010101101010111000100110100102020/2/917/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组H2向H6发送分组注意分组路径的变化！路由器主机2020/2/918/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT注意分组的存储转发过程H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组路由器主机在路由器E暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机H5在路由器C暂存查找转发表找到转发的端口在路由器A暂存查找转发表找到转发的端口2020/2/919/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT分组交换的特点分组交换的优点高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组。可靠分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。缺点分组在各结点存储转发时需要排队，会造成一定的延时。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。2020/2/920/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT分组交换的实际应用实际应用中的分组交换技术可以分为两种方式数据报方式分组传输前，不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”，每个分组独立选择传输路径。虚电路方式虚电路方式试图将数据报与电路交换相结合起来，发挥二者的优势，达到最佳的数据交换效果。虚电路的工作过程分为三个阶段：虚电路建立阶段、数据传输阶段、虚电路释放阶段。2020/2/921/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT1.数据交换方式——报文交换电报系统使用的数据交换方式数据以报文为单位、以存储转发的方式传递。一个报文就是一次要发送的全部数据。报文交换时延较长，现在已经很少使用。2020/2/922/482020/2/9CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT22/52报文交换三种交换的比较报文报文报文ABCDABCDABCD电路交换分组交换t连接建立数据传送报文连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发存储转发存储转发2020/2/923/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT1.数据交换方式数据交换方式的分类数据交换方式电路交换存储转发交换报文存储转发交换分组交换数据报交换虚电路交换2020/2/924/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT本讲主要内容1.数据交换方式2.计算机网络的性能指标2020/2/925/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2.计算机网络的性能指标计算机网络性能指标速率带宽吞吐量时延时延带宽积往返时间利用率2020/2/926/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2.计算机网络的性能指标速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。Bit来源于binarydigit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。速率即数据率(datarate)或比特率(bitrate)，速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等。2020/2/927/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2.计算机网络的性能指标带宽“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度（信号各种不同频率成分所占据的频率范围），单位是赫兹或赫（千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”用来表示通信线路所能传送数据的能力。是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。2020/2/928/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT更常用的带宽单位是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）请注意：在计算机界，K=210=1024，M=220,G=230,T=240。2.计算机网络的性能指标2020/2/929/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2.计算机网络的性能指标带宽在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。每秒106个比特时间1010111s带宽为1Mb/s时间每秒4106个比特0.25s带宽为4Mb/s2020/2/930/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2.计算机网络的性能指标吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。2020/2/931/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2.计算机网络的性能指标时延(delay或latency)是指数据从网络一端传送到另一端所需的时间。也称延迟、迟延。网络中的时延包括发送时延：从发送端网口进入网络所用的时间。传播时延：在信道上传播所用的时间。排队时延：分组排队等待转发所用的时间。处理时延：为存储转发做处理所用的时间。2020/2/932/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）2.计算机网络的性能指标时延——传播时延电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。2020/2/933/48CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2.计算机网络的性能指标时延处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取