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计算机网络和操作系统

ventixyAbout 9 min

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计算机网络性能指标

常用的计算机网络性能指标：速率（Speed），带宽（Bandwidth），吞吐量（Throughput），时延（Latency），往返时间（Round-Trip Time, RTT），利用率（Utilization），丢包率（Packet Loss）

速率(Speed)

在网络通信领域，速率（Speed） 指的是数据在传输介质上每秒钟可以传输的最大信息量。也常被称为比特率（Bit Rate）或数据率（Data Rate）

速率通常用 每秒比特数（bps, bits per second） 来表示，但随着技术的发展，现在的网络速度往往远超bps，因此更常见的单位包括Kbps（千比特每秒）、Mbps（兆比特每秒）、Gbps（吉比特每秒）等。以下是这些单位之间的换算关系：

  • 1 Kbps (Kilobits per second) = 1,000 bps
  • 1 Mbps (Megabits per second) = 1,000 Kbps = 1,000,000 bps
  • 1 Gbps (Gigabits per second) = 1,000 Mbps = 1,000,000 Kbps = 1,000,000,000 bps
  • 1 Tbps (Terabits per second) = 1,000 Gbps = 1,000,000 Mbps = 1,000,000,000 Kbps = 1,000,000,000,000 bps

速率与数据量单位的区别

速率（比特率）则用于描述数据传输的速度，而bit、Byte、KB、MB、GB、TB 这些单位用来表示数据量：

  • bit（比特）：这是最小的数据计量单位，代表二进制系统中的一个位（0 或 1）。在网络速度中，我们通常谈论的是每秒多少比特（bps），例如 1 Mbps 表示每秒传输一百万个比特。

  • Byte（字节）：1 Byte 等于 8 bits。当我们讨论存储容量或者文件大小时，通常使用 Byte 或其更大的单位如 KB、MB 等。但在提到网络速率时，更常见的是用 bit 而不是 Byte，因此要注意区分。例如，1 MBps (每秒兆字节) 和 1 Mbps (每秒兆比特) 是不同的，前者比后者快8倍。

  • KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）、TB（太字节）：

    • 1 KB = 1024 Bytes
    • 1 MB = 1024 KB = 1,048,576 Bytes
    • 1 GB = 1024 MB = 1,073,741,824 Bytes
    • 1 TB = 1024 GB = 1,099,511,627,776 Bytes

    在网络速率上下文中，这些单位通常用来表示数据量而不是传输速度。

  • 速率（比特率/数据率）：描述数据传输速度，常用单位包括 bps（bit per second）、Kbps、Mbps、Gbps 等。
  • 数据量单位：描述数据的大小，常用单位有 Byte、KB、MB、GB、TB 等，其中 1 Byte = 8 bits。

当涉及到文件传输时，用户可能会更关注字节（Byte）而非比特（bit），需要注意的是1 Byte = 8 bits。因此，如果一个网络广告声称提供100 Mbps的速度，这意味着理论上每秒最多可以传输12.5 MB的数据（忽略协议开销和其他因素）。

带宽和吞吐量

带宽（Bandwidth） 反映了网络 理论上能够达到的最大传输能力，而不是实际传输的数据量。

  • 定义：带宽是指在网络通信中，特定时间段内可以传输的数据总量。它可以被理解为管道的宽度——越宽的管道可以在单位时间内通过更多的水，同样地，更高的带宽允许更多数据在同一时间内传输。

  • 单位：带宽通常用 bps (bit per second) 表示，但在现代网络中，由于速度较快，常用 Kbps (Kilobits per second), Mbps (Megabits per second), Gbps (Gigabits per second) 等更大单位表示。

    • 1 Kbps = 1,000 bps
    • 1 Mbps = 1,000 Kbps = 1,000,000 bps
    • 1 Gbps = 1,000 Mbps = 1,000,000 Kbps = 1,000,000,000 bps

吞吐量（Throughput）：指 实际在网络上传输的数据量，受多种因素影响，如网络拥塞、硬件性能限制等。因此，吞吐量往往低于带宽值。

时延和往返时间

Latency（时延） 是指数据从源端传输到目的端所花费的总时间。它是衡量网络响应速度的重要指标，通常以毫秒（ms）为单位。

Latency 由以下几个部分组成：

  1. 传输时延（Transmission Delay）: 数据从发送端发送到链路上所需的时间。

    • 计算公式：传输时延 = 数据大小 / 带宽。
    • 例如：发送一个 1MB 的文件，带宽为 1Mbps，传输时延为 (1 * 8) / 1 = 8 秒。

  2. 传播时延（Propagation Delay）: 数据在链路上从发送端传播到接收端所需的时间。

    • 计算公式：传播时延 = 距离 / 传播速度。
    • 传播速度取决于介质，通常在光纤中为光速的 2/3（约 200,000 km/s）。

  3. 处理时延（Processing Delay）: 路由器或交换机处理数据包（如检查首部、查找路由）所需的时间。

  4. 排队时延（Queuing Delay）: 数据包在路由器的缓冲区中等待处理的时间。取决于网络拥塞程度。

Latency 的影响因素:

  • 物理距离：距离越远，传播时延越大。
  • 网络拥塞：排队时延会增加。
  • 带宽：带宽越高，传输时延越低。
  • 设备性能：路由器和交换机的处理能力。

RTT（Round-Trip Time，往返时间） 是指数据从源端发送到目的端，再从目的端返回源端所需的总时间。它通常用于衡量双向通信的延迟。

RTT 包括以下部分：

  1. 数据从源端到目的端的单向时延（Latency）。
  2. 数据从目的端返回源端的单向时延（Latency）。
  3. 目的端的处理时间（如果目的端需要处理数据并返回响应）。

Latency 和 RTT 的区别

特性Latency（时延）RTT（往返时间）
定义数据从源端到目的端的时间数据从源端到目的端再返回源端的时间
方向单向双向
包含内容传输时延、传播时延、处理时延、排队时延两次 Latency + 目的端处理时间
典型应用衡量网络响应速度衡量双向通信的延迟（如 TCP 连接）
示例Ping 测试中的单向延迟Ping 测试中的往返时间
  • Latency 是单向时延，衡量数据从源端到目的端的时间。
  • RTT 是往返时间，衡量数据从源端到目的端再返回源端的时间。
  • Latency 是 RTT 的一部分，RTT 通常大于两倍的 Latency。
  • 通过优化网络路径、减少拥塞和提高带宽，可以降低 Latency 和 RTT，从而提升网络性能。

利用率和丢包率

利用率（Utilization） 是指网络资源（如带宽、链路、设备等）的使用效率，通常以百分比表示。它反映了网络资源的繁忙程度。利用率的类型：

  1. 链路利用率（Link Utilization）: 指某条链路的使用效率。

    • 计算公式：链路利用率 = (实际使用带宽 / 总带宽) * 100%。
    • 例如：一条 1Gbps 的链路，实际传输数据的速度为 500Mbps，则链路利用率为 50%。

  2. 设备利用率（Device Utilization）: 指网络设备（如路由器、交换机）的处理能力使用效率。

    • 计算公式：设备利用率 = (实际处理量 / 最大处理能力) * 100%。
    • 例如：路由器的 CPU 使用率为 70%，表示其处理能力的使用率为 70%。

  3. 网络利用率（Network Utilization）: 指整个网络的使用效率，通常通过链路利用率和设备利用率的综合来衡量。

利用率的影响

  • 低利用率: 资源浪费，网络性能未得到充分利用。可能表示网络设计过度冗余。
  • 高利用率: 资源紧张，可能导致网络拥塞、延迟增加或丢包，通常建议链路利用率不超过 70%，以避免性能下降。

丢包率（Packet Loss） 是指在网络传输过程中丢失的数据包占总发送数据包的比例，通常以百分比表示。它是衡量网络可靠性的重要指标。

丢包的原因：

  1. 网络拥塞: 当网络流量超过链路或设备的处理能力时，路由器或交换机的缓冲区会溢出，导致丢包。
  2. 硬件故障: 网络设备（如路由器、交换机、网卡）故障可能导致丢包。
  3. 传输错误: 由于噪声、干扰或信号衰减，数据包在传输过程中可能损坏，被接收端丢弃。
  4. 配置问题: 错误的网络配置（如 MTU 设置不当）可能导致丢包。

丢包率的计算 ：丢包率 = (丢失的数据包数 / 总发送的数据包数) * 100%。例如：发送 1,000 个数据包，丢失 20 个，则丢包率为 2%。

丢包率的影响：

  • TCP 性能下降: TCP 协议会通过重传丢失的数据包来保证可靠性，丢包会导致重传，增加延迟并降低吞吐量。
  • 实时应用质量下降: 对于 VoIP、视频会议等实时应用，丢包会导致语音或视频卡顿、失真。
  • 用户体验变差: 高丢包率会导致网页加载缓慢、文件传输失败等问题。

计算机网络体系结构

OSI（Open Systems Interconnection）模型是由国际标准化组织（ISO）提出的一个理论模型，用于标准化计算机网络通信。它将网络通信过程分为 7 层，每一层都有特定的功能和协议。

TCP/IP 模型是实际应用中广泛使用的网络体系结构，它将网络通信过程分为 4 层。

层级名称主要功能常见协议/设备
7应用层（Application）提供网络服务接口，直接与用户交互HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、POP3、IMAP、DNS、Telnet、SSH
6表示层（Presentation）数据格式转换、加密解密、压缩解压SSL/TLS
5会话层（Session）负责会话建立、管理和终止NetBIOS、RPC、PPTP、SIP
4传输层（Transport）端到端通信、流量控制、可靠传输TCP、UDP、SCTP、QUIC
3网络层（Network）路由选择、IP寻址、流量控制IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、BGP、RIP
2数据链路层（Data Link）物理寻址（MAC）、差错检测以太网（Ethernet）、PPP、HDLC、STP、VLAN、MAC 地址
1物理层（Physical）比特传输、定义物理接口光纤、双绞线、电缆、Wi-Fi、5G、蓝牙
  1. 应用层、表示层、会话层 主要面向用户应用，负责数据处理和交互。
  2. 传输层 确保端到端的可靠通信，TCP 提供可靠传输，UDP 适用于实时应用。
  3. 网络层 负责数据包的寻址和路由，路由器在这一层工作。
  4. 数据链路层 解决局域网通信，MAC 地址、交换机属于该层。
  5. 物理层 关注数据如何通过物理介质传输，如光纤、电缆、无线信号。

网络接口层（Network Interface Layer）：对应于OSI模型的物理层和数据链路层，负责处理硬件细节和物理传输。
互联网层（Internet Layer）：类似于OSI的网络层，主要任务是寻址和路由选择，核心协议为IP协议。
传输层（Transport Layer）：与OSI模型中的同名层相似，负责端到端的通信，支持TCP和UDP两种主要协议。
应用层（Application Layer）：涵盖了OSI模型中的会话层、表示层和应用层的功能，包含了众多协议如HTTP、FTP、DNS等，用于支持各种网络应用。

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