第2讲 数据交换与性能指标

主讲教师：刘宏月Tel-Mail：hautxxxylhy@126.com计算机网络2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT2/52课程的任务、目的和基本要求专业必修课，主要学习计算机网络的基本概念、基本原理和方法，理解网络分层体系结构、网络协议设计原理与工作机理。具备一定的网络分析与设计、网络组建、运维管理等网络技术应用能力以及较好的网络工程素养，为从事计算机及数据通信网络相关领域的技术研发、工程应用等打下良好基础。课程教学强调培养学生的独立思考能力、科学思维方法和求知创新精神。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT3/52课程相关资源教材谢希仁.计算机网络（第6版）.电子工业出版社，2013年.参考教材A.S.Tanenbaum.计算机网络（第5版）.清华大学出版社，2012年.JamesF.Kurose,KeithW.Ross著，陈鸣等译.计算机网络自顶向下方法（原书第四版）.人民邮电出版社，2009.2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT4/52教学安排教学总学时数：54学时（44+10）教学方式：理论授课+上机实践上课：第1周－第13周，每周2次。实验：第7周－第12周，每周1次。考试及成绩学期末闭卷笔试：总分100平时成绩：10%（考勤/作业）实验成绩：20%（上机操作/实验报告）期末笔试：70%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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT6/52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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT7/52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。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT8/52本讲主要内容1.数据交换方式2.计算机网络的性能指标2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT9/521.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。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT10/52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BDCA2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT11/52C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BDCA2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT12/521.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。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT13/521.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。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT14/52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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT15/52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

32023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT16/521.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

32023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT17/521.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。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT18/521.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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT19/52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11010001101010101101010111000100110100102023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT20/52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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT21/52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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT22/52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。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT23/52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。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT24/521.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。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT25/52报文交换三种交换的比较P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4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P2P1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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT26/521.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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT27/52本讲主要内容1.数据交换方式2.计算机网络的性能指标2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT28/522.

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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT29/522.

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

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/赫（或千赫、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)。

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT31/52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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT32/522.

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1

01

0

111s带宽为1Mb/s

时间每秒4106

个比特0.25s带宽为4Mb/s

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT33/522.

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。

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT34/522.

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。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT35/52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。

2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT36/522.

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决于网络中当时的通信量。火车进站加水、等候2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT37/522.

计算机网络的性能指标时延数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、排队时延和处理时延之和：注意：在总延时中，究竟是哪一种延时占主导地位，需要具体问题具体分析。总时延=发送时延+传播时延+排队时延+处理时延2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT38/52四种时延所产生的位置1011001...发送器队列在链路上产生传播时延结点B结点A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点A中产生处理时延和排队时延数据从结点A向结点B发送数据链路2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT39/52举例说明例1：有一个长度为100M(1M=220)的待发送数据块在带宽为1Mbps的信道上，发送时延为：

100×1048576×8÷106bps＝838.9s(约14min)若用光纤将这个数据块传送至1000km远的计算机，传播时延: 106÷(2.0×108m/s)＝5ms本例中，总时延主要由发送时延来决定。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT40/52举例说明例2：待发送的数据仅为1个字节（8bit）。在1Mbps的信道上，发送时延为：

8÷106bps＝8μs当传播时延同样为5ms时，总延时为：5.008ms，即传播延时决定了总时延。在上述两例中传播延时是固定的，提高效率只能提高发送速率。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT41/522.

计算机网络的性能指标容易产生的错误概念对于高速网络链路，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。提高链路带宽减小了数据的发送时延。通常所说“光纤信道的传输速率高”是指向光纤信道的发送数据的速率可以很高，而光纤信道的传播速率(2.0×108m/s)实际上比铜线(2.3×108m/s)的传播速率还要略低一点。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT42/522.

计算机网络的性能指标分组交换与电路交换的时延比较电路交换的时延分析分组交换的时延分析电路交换与分组交换的时延对比2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT43/52报文交换三种交换的比较P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4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P2P1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2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT44/522.

计算机网络的性能指标

时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

往返时延RTT(Round-TripTime)

从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认消息为止，总共经历的时延。（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延带宽2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT45/522.

计算机网络的性能指标利用率信道利用率：

指一条信道有百分之几的时间是被使用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零，但信道利用率并非越高越好。

网络利用率：

是整个网络所有信道信道利用率的加权平均值。2023/2/5CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT46/522.

计算机网络的性能指标时延与网络利用率的关系根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。若令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的