COMP5416 Week 02 Performance 讲课总结
COMP5416 Week 02 讲课总结：Performance
课程：COMP5416 / COMP4416 — Advanced Network Technologies 讲师：Prof. Vincent Gramoli 来源：Week 02 讲课字幕 配套 lab：
W3-performance.pdf（见 Lab 2 题解）⭐ 课程节奏（老师课上明确说明）：第 N 周的 tutorial 做的是第 N−1 周的 lecture 内容。所以本周（Week 2）的 tutorial 是 Week 1 的博弈论，而 Performance 的 lab 在 Week 3 做。这解释了为什么 Canvas 上
T1 tutorial.pdf挂在 Week 2、W3-performance.pdf挂在 Week 3。本讲仍是高层视角，正式深入协议栈从下一讲开始。
一、互联网的两种看法
1.1 Nuts-and-bolts 视图：它由什么零件组成
| 组件 | 说明 |
|---|---|
| Hosts / End systems（主机 / 端系统） | 运行网络应用的设备。数十亿台，形态极其多样：手机、传感器、汽车、冰箱、起搏器…… |
| Packet switches（分组交换机） | routers 和 switches。⭐ 它们不是 host、不是端系统，只是坐在网络中间帮忙路由和转发 |
| Communication links（通信链路） | 物理链路：光纤、铜缆、同轴电缆、无线电、卫星。速率称为 bandwidth（带宽） |
| Networks（网络） | 家庭 LAN、企业网、VPN、区域/本地 ISP、移动网络 |
⭐ 最该记住的一句：Internet 不只是一个网络，而是「network of networks」（网络的网络）。
老师顺带列了一堆「有趣的联网设备」：游戏机、网络电话、冰箱、安防摄像头（视频存云端所以要联网）、智能音箱（语音要传到云端由 AI 分析）、数码相框、共享单车/滑板车（回传电量与位置）、起搏器监测仪、AR 眼镜、Fitbit，甚至能预报天气的烤面包机。
1.2 服务视图：它提供什么
- 为应用提供基础设施：web、流媒体、多媒体、电话会议、邮件、游戏、电商、社交
- 为分布式应用提供编程接口（API）——一系列可调用的钩子，让收发双方接入互联网传输服务
二、协议（Protocol）
2.1 定义
⭐ 协议定义了网络实体之间「消息的格式」「消息的先后顺序」，以及「收发消息时应采取的动作」。
人类类比（老师花了不少时间讲这个）：
| 人类 | 机器 |
|---|---|
| Alice: "Hi" → Bob: "Hi" | TCP 三次握手：建立连接 |
| Alice: "Got the time?" | 客户端发 GET 请求 |
| Bob: "2:00" | 服务器返回文件 |
三个要素缺一不可：
| 要素 | 违反会怎样 |
|---|---|
| 格式 | SMTP 的问候命令是 HELO。写成
HI 服务器根本不认 |
| 顺序 | 必须先 HELO 再
MAIL FROM。顺序错了服务器不会执行你期望的动作——"服务器有点笨，你不按协议来它就不干活" |
| 动作 | 收到 GET +
URL，服务器就知道该回传文件 |
2.2 RFC 与标准化
- IETF（Internet Engineering Task Force，总部日内瓦）负责标准化
- 产出物是 RFC（Request for Comments）——协议的公开规范文档
- ⭐ 为什么重要：你照着 RFC 实现一个 SMTP 服务器，Mac 的 Mail、Outlook 就都能连上，因为大家遵守同一套规则
- 例外：Skype 是私有协议，没有 RFC
老师用自己教的三年级分布式系统课举例：他给学生一份区块链节点协议规范，学生各自独立开发几周，最后在实验室演示时所有人的程序互相连上组成了一个区块链网络——因为每个人都严格按协议实现。谁没照做，谁就连不上。
2.3 时序图（sequence diagram）的读法
⭐ 时间从上往下增加。 消息发出的高度和收到的高度之间的落差，就是传输耗时。这种图后面会反复出现。
三、网络边缘（Network Edge）
3.1 Edge vs Core
| Edge（边缘） | Core（核心） | |
|---|---|---|
| 有什么 | hosts：clients 和 servers | 互联的 routers / switches |
| 干什么 | 运行应用、产生和消费数据 | 路由与转发（找最短路径） |
Client / Server / Peer：
- Client：发起请求的一方（手机通常是 client）
- Server：提供服务的一方（大多数 server 位于数据中心）
- ⭐ Peer：既是 client 又是 server。例：区块链节点——有时向别人索要最新区块（当 client），有时把区块给别人（当 server）
3.2 接入网（Access Networks）
① Cable / HFC（同轴电缆）
- 全称 HFC = Hybrid Fiber Coax（混合光纤同轴）
- 拓扑：家里的 cable modem → splitter → CMTS（Cable Modem Termination System，属于有线电视公司）→ ISP
- ⭐ 关键机制：FDM（Frequency Division Multiplexing，频分复用） —— 把频段切成多个 channel，不同频率对应不同频道，大家可以同时传而不碰撞
| 方向 | 速率 |
|---|---|
| Downstream（下行） | 40 Mbps – 1.2 Gbps |
| Upstream（上行） | 30 – 100 Mbps |
⭐ 为什么上下行不对称？ 老师的解释：家庭用户绝大多数时间在「消费」内容而不是「生产」内容。你要看高清电影，但你不生产电影。资源有限时当然优先给下行。
💡 课堂讨论的一个好点：FDM 正好呼应 Week 1 的碰撞问题——给每个用户分配不同频率的信道，就从根本上避免了碰撞，比随机化协议高效得多。但前提是用户数不能超过信道数。
② DSL（Digital Subscriber Line）
- 复用已有的电话线接到 DSLAM（DSL Access Multiplexer）
- ⭐ DSLAM 是个分岔口：数据走向 ISP 网络，语音走向传统电话网
| 方向 | 速率 |
|---|---|
| Downstream | 24 – 52 Mbps |
| Upstream | 3.5 – 16 Mbps |
③ NBN 的三种光纤方案（澳洲本地知识，很实用）
| 缩写 | 全称 | 光纤铺到哪 | 瓶颈 |
|---|---|---|---|
| FTTN | Fibre To The Node | 街区节点 | 剩下一段铜缆 |
| FTTC | Fibre To The Curb | 路边 / 楼栋入口 | 入户那段铜缆 |
| ⭐ FTTP | Fibre To The Premises | 直达你家 | 无 |
⭐ 老师的建议：能选 FTTP 就选 FTTP。 因为 FTTC 的瓶颈在最后那段铜缆——光纤再快，卡在铜缆上就等于白铺。
④ 企业 / 机构网络与无线
| 类型 | 覆盖 | 速率 |
|---|---|---|
| Ethernet（有线） | 局域网内 | 家用 1 Gbps（Cat 5）；研究集群 10+ Gbps（Cat 6） |
| WiFi（802.11 b / g / n） | 约 30 m（100 ft） | 11 / 54 / 450 Mbps |
| Cellular（4G / 5G） | 数十公里 | 数十 – 数百 Mbps |
💡 游戏玩家的实用建议（老师顺口讲的）：想要低 ping，用网线直连路由器，别走 WiFi——WiFi 的延迟和带宽都更差。
3.3 物理介质
| 介质 | 特性 |
|---|---|
| Twisted pair（双绞线） | 两根绝缘铜线。Cat 5：100 Mbps / 1 Gbps；Cat 6：10 Gbps |
| Coaxial cable（同轴电缆） | 两个同心铜导体，双向、非对称，多频率信道，每信道数百 Mbps |
| ⭐ Fiber optic（光纤） | 玻璃纤维传导光脉冲，一个脉冲一个比特。数十–数百 Gbps；误码率极低；不受电磁干扰；⚠️ 不能折（玻璃会断） |
| Wireless radio | 无物理线缆，可广播；受反射、遮挡、干扰影响 |
无线链路类型速查：
| 类型 | 速率 | 距离 |
|---|---|---|
| WLAN (WiFi) | 数十–数百 Mbps | 数十米 |
| 4G / 5G 蜂窝 | 数百 Mbps | 10+ km |
| Bluetooth | 低 | 约 12 m，替代短距电缆 |
| Microwave | 45 Mbps | 点对点 |
| Satellite | 最高 100 Mbps | ⭐ 地球同步轨道端到端时延 270 ms |
⭐ 课间问答里一个很好的问题：既然网线也能到 10 Gbps，为什么还要光纤？ 老师的回答（三点）：① 网线越长损耗和误码越严重，光纤几乎无损；② 光纤不受电磁干扰；③ 所以这是距离问题——网线适合短距，长距必须光纤。
四、网络核心（Network Core）
4.1 ⭐ Routing vs Forwarding（必考的区分）
| Forwarding（转发） | Routing（路由） | |
|---|---|---|
| 范围 | ⭐ local action（本地动作） | ⭐ global action（全局动作） |
| 做什么 | 把到达的分组从输入链路移到正确的输出链路 | 确定从源到目的的整条路径 |
| 依据 | 查forwarding table（转发表），用分组头部的目的地址匹配 | routing algorithm 负责更新各路由器的转发表 |
类比：GPS 给你算出「从 Northampton 到 San Francisco 走哪条路最短」= routing；到了某个路口该往左还是往右 = forwarding。
⭐ 一句话：forwarding 不改变方向，只是执行；routing 是通过更新转发表来「选择」方向。
五、Packet Switching（分组交换）
5.1 传输时延
主机把应用消息切成若干 packet，每个
单位：
课堂算例：
5.2 ⭐ Store-and-Forward（存储转发）
⭐ 整个分组必须完整到达路由器之后，才能开始在下一条链路上传输。
这是分组交换的核心机制，也是 Lab 2 里所有时延计算的基础。
5.3 排队与丢包
路由器有 buffer（缓冲区），输出链路前排着等待传输的分组队列。
⭐ Queuing occurs when work arrives faster than it can be serviced.（到达速度超过服务速度时就会排队）
例：A 以 100 Mbps 发给路由器，但路由器的下一跳链路只有 1.5 Mbps → 队列不断增长。
丢包（packet loss）：如果到达速率持续超过链路传输速率，队列会一直涨，buffer 满了之后新来的分组就被丢弃。
老师的类比：像堵车，或者等公交——车不够快、来得不够勤，人就越积越多。
六、Circuit Switching（电路交换）
⭐ 端到端资源被「预留」给这次通话——专用、独占、性能有保证。
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| ✅ 保证性能 | 分给你的资源就是你的，可以完全占用 |
| ❌ 闲置即浪费 | ⭐ 你不用的时候，这条电路空着，别人也用不了 |
| 典型应用 | 传统电话网 |
两种复用方式
| FDM（频分复用） | TDM（时分复用） | |
|---|---|---|
| 划分维度 | 频率切成窄带 | 时间切成时隙 |
| 每个用户 | 一直能发，但只能用自己那条窄频带 | 只能在自己的时隙发，但可用全部频带 |
| 图像特征 | 横向条纹（颜色沿时间轴不变） | 纵向条纹（颜色周期性轮换） |
⭐ 一句话对照：FDM 是「一直用一小条」，TDM 是「偶尔用一整条」。
七、⭐ 分组交换 vs 电路交换：容量对比
题设
- 链路：1 Gbps
- 每个用户活跃时需要 100 Mbps
- 每个用户只有 10% 的时间在活跃
电路交换
必须为每人全程预留 100 Mbps：
分组交换
讲义结论：可以支持 35 个用户，此时超过 10 人同时活跃的概率小于 0.0004。
⚠️ 老师课上算到这里卡住了，原话是"我有点困惑…… 让我回头答复你们（let me go back to you on this）"。下面把它补完。
推导：设
主要贡献项：
⭐ 老师那个困惑到底错在哪
他当时的推理是：
"每人平均只用 10% × 100 Mbps = 10 Mbps，那 1 Gbps 不是该撑 100 个用户吗？"
这个算法混淆了「平均够用」和「几乎总是够用」：
| 用户数 | 期望活跃人数 |
平均带宽需求 | 过载概率 |
|---|---|---|---|
| 100 | 10.0 | 1000 Mbps（恰好用满） | ⚠️ 41.7% |
| 35 | 3.5 | 350 Mbps | ✅ 0.04% |
⭐ 100 个用户时平均确实刚好用满 1 Gbps——但这意味着有大约一半的时间在过载。 统计复用要的不是「平均够用」，而是「以极高的概率够用」。把过载概率压到 0.04%，就只能接 35 个。
即便如此，35 vs 10 仍是 3.5 倍的容量提升——这就是分组交换的价值。
分组交换是不是「稳赢」？
| ✅ 优势 | ❌ 代价 |
|---|---|
| 适合突发性（bursty）数据——有时发有时不发 | 可能严重拥塞：排队时延 + buffer 溢出丢包 |
| 资源共享，不浪费 | 需要额外协议做可靠传输和拥塞控制 |
| 更简单，无需呼叫建立、无需分配资源 | 很难提供电路那样的性能保证 |
⭐ 餐厅类比（学生想出来的，老师大力肯定）
| 类比 | |
|---|---|
| Circuit switching | 订位。桌子给你留着——你迟到 15 分钟，这桌就空 15 分钟；朋友放你鸽子，那些座位就白白浪费 |
| Packet switching | 走进去就吃的 tapas bar。不用订位、资源共享，但可能到了发现满座 |
八、互联网的结构：ISP 层级
问题：有几百万个 access ISP，怎么互联？
- ❌ 两两直连：需要
条连接，不可扩展 - ✅ 分层：
| 层 | 说明 |
|---|---|
| Tier-1 / Global ISP | 国际国内全覆盖。例：Sprint、AT&T、NTT |
| Regional ISP | 接到 global ISP。⭐ 区域 ISP 之间不直连，正是为了避免二次方级连接数 |
| Access ISP | 你交钱订阅的那个，接到 regional / tier-1 |
| ⭐ IXP（Internet Exchange Point） | 专门用来互联不同的 global ISP |
| Content Provider Network | Google、Facebook、Netflix 自建私有网络连接自己的数据中心，⭐ 绕过 tier-1 和 regional ISP |
课堂问答：为什么 Google 要绕过？ 老师："不是必须，是它自己选的——它想要比别人更好的性能。这种大公司付得起钱铺跨洋链路，相当于一个独立的互联网。"
九、⭐ 四种时延（本讲最重要的公式）
| 时延 | 含义 | 决定因素 | 量级 |
|---|---|---|---|
| 检查比特错误、决定输出链路 | 路由器性能 | 微秒级 | |
| 在输出链路前等待 | ⭐ 拥塞程度（唯一随负载变化的） | 可变 | |
| 把分组推上链路 | — | ||
| 信号在介质中跑完物理距离 | — |
⭐⭐ 最容易混的是 transmission 和 propagation： - transmission：把数据挤上链路要多久（跟分组多大、链路多快有关） - propagation：数据在链路上跑到对面要多久（跟链路多长有关，与分组大小无关）
Caravan（车队）类比
映射关系：一辆车 = 一个 bit，一队车 = 一个 packet，收费站 = 路由器
场景 1
10 辆车；收费站服务一辆车需 12 秒；两站相距 100 km；车速 100 km/h。
（本例
场景 2（体现 store-and-forward 的问题）
车速提到 1000 km/h，收费站服务一辆车需 1 分钟。
第 1 辆车到达第 2 个收费站的时刻 = 1 min（被服务）+ 6 min（传播）= 7 min
而此时第 1 个收费站才服务完 7 辆车，还剩 3 辆。
⭐ 这正是 store-and-forward 的代价：前面的比特已经到了下一站，后面的还堵在上一站——所以会产生排队时延。
流量强度（Traffic Intensity）
设
- 分子
= 比特到达速率 - 分母
= 比特服务速率
| 取值 | 排队时延 |
|---|---|
| 小 | |
| ⭐ 大（趋于无穷） | |
| 超出服务能力，队列无限增长 → 必然丢包 |
老师课末时间不够，说 "下周再详细讲这个"。
十、考点重点
- ⭐ Internet = network of networks；区分 host / end system 与 packet switch（router、switch 不是 host）。
- 协议的三要素：格式、顺序、动作。RFC 由 IETF 发布；Skype 是私有协议的反例。
- Edge vs Core；client / server / peer 的区别（peer 兼任两者）。
- 接入网速率要有印象：HFC 下行 40 Mbps–1.2 Gbps / 上行 30–100 Mbps；DSL 下行 24–52 / 上行 3.5–16 Mbps；WiFi 802.11 b/g/n = 11/54/450 Mbps；Ethernet Cat5 = 1 Gbps、Cat6 = 10 Gbps。
- ⭐ 为什么上下行不对称：家庭用户主要在消费而非生产内容。
- NBN 三种方案 FTTN / FTTC / FTTP，以及为什么 FTTP 最好（铜缆是瓶颈）。
- 光纤优于铜缆的三点：长距低损耗、误码率低、不受电磁干扰。
- ⭐⭐ Routing（全局，更新转发表）vs Forwarding（本地，查表转发）。
- ⭐⭐
与 store-and-forward：整个分组收完才能转发。 - 排队与丢包的条件：到达速率持续超过链路传输速率 → buffer 满 → 丢包。
- ⭐ FDM vs TDM：一直用窄带 vs 偶尔用全带。
- ⭐⭐ 分组 vs 电路交换的容量计算：电路
；分组用二项分布尾概率算过载概率。会算 的 。 - ⭐ 「平均够用」≠「几乎总是够用」：100 用户时平均恰好用满，但过载概率高达 41.7%。
- 餐厅类比：订位 = 电路交换（浪费但有保证）；walk-in = 分组交换（高效但可能满座）。
- ISP 分层：为什么不两两直连（
）；IXP 的作用；内容提供商自建网络绕过 tier-1。 - ⭐⭐ 四种时延及各自的决定因素，尤其分清 transmission 与 propagation。
- ⭐ Caravan 类比：车 = bit，车队 = packet，收费站 = 路由器。会算 62 min 那道题。
- 流量强度
：趋近 1 时排队时延爆炸。