1.6 计算机网络的性能

1.计算机网络的性能指标

1）速率

• 含义：数据的传送速率，也称为 数据率 或 比特率
• 单位：bit/s 或 b/s
  当数据率较高时，常常在bit/s的前面加上一个字母。例如，$$4\times 10^{10}记为40Gbit/s$$
  $k=10^3$ , 千
  $M=10^6$ , 兆
  $G=10^9$ , 吉
  $T=10^{12}$ , 太
  $P=10^{15}$ , 拍
  $E=10^{18}$ , 艾
  $Z=10^{21}$ , 泽
  $Y=10^{24}$ , 尧
• 习惯：有时候使用不太正确的说法：“40G的速率”
• 习惯：当提到网络的速率时，往往指的是额定速率 或标定速率 ，而非网络实际上运行的速率。

2）宽带

• 含义1：信号具有的频带宽度。（某信道允许通过的信号频带范围）
• 对应单位：赫 Hz

• 含义2：某通道传送数据的能力。（在计算机网络中的含义）即，在单位时间内网络中的某信道所能通过的“ 最高数据率 ”。
• 对应单位：bit/s。

3）吞吐量

• 含义：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。
• 单位：bit/s 或 每秒传送的帧数。
• 吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制。额定速率一般是吞吐量的绝对上限值。实际的吞吐量只会更低。吞吐量并非越大越好。
• 深刻理解：吞吐量取决于互联网的具体情况，是任何单个用户都无法控制的。

例如，主机A接入互联网的速率为100Mbit/s，
服务器B接入互联网的速率为1Gbit/s。
那么当A与B交换数据时，吞吐量为100Mbit/s。
如果有100个用户同时连接到服务器B，
那么此时A与B之间的吞吐量只有10Mbit/s了。

例如，主机A的用户向ISP交了100Mbit/s的宽带费用，
但是由于互联网某处发生拥堵，
导致主机A的吞吐量为零。
因此，缴纳的宽带费只能保证
从A到运营商ISP的某个路由器之间的数据传输速率，
之后的速率就取决于整个网络了。

4）时延（延迟）（迟延）

• 含义：数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
• 四大组成：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。
  $$总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延$$

— — 1 发送时延（传输时延）

• 含义：主机或路由器发送数据帧所需要的时间。在设备的发送器中（从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。）
• 计算公式：
  $$发送时延=\frac{数据帧长度（bit）}{发送速率（bit/s）}$$
• 可见，发送时延并非固定不变。

— — 2 传播时延

• 含义：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
• 计算公式：
  $$传播时延=\frac{信道长度（m）}{电磁波在信道上的传播速率（m/s）}$$
• 传播速率：
  在自由空间中，$3.0\times 10^{5}km/s$
  在铜线电缆中，$2.3\times 10^{5}km/s$
  在光纤中，$2.0\times 10^{5}km/s$ （1000km光纤的传播时延大约是5ms）

对比以上两种时延：

• 发送时延发生在机器中（一般是发生在网络适配器中），与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。
• 传播时延发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远，传播的时延就越大。

— — 3 处理时延

• 含义：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理。
• 例如：分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行查错检验或查找转发等。

— — 4 排队时延

含义：分组进入路由器，先在输入队列中进行排队等待处理；在路由器确定了转发接口后，在输出队列排队等待转发。
排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。当网络的通信量很大时，会发生队列溢出，导致部分分组丢失，这相当于排队时延无穷大。

究竟是哪一种时延占主导地位，需要具体分析，例：

已知：
数据块长度100MB（显然M是 2^20 ）
（B是字节,1字节=8比特）
在带宽为 1Mbit/s 的信道上连续发送（显然M是 10^6 ）
（即发送速率为 1Mbit/s ）

其发送时延是 100 × 2^20 × 8 ÷ 10^6 = 838.9 s

若：
把这个数据块用光纤传送到 1000km 远的计算机。
暂时忽略处理时延和排队时延。

总时延是
838.9 + 0.005 = 838.9s (1000km光纤的传播时延大约是5ms)

分析：
目前显然是发送时延占主导地位，提高发送速率可以减小总时延。
但是当数据仅有1个字节，发送时延仅有8微秒，
此时，传播时延决定了总时延，提高发送速率并不能减小总时延。

结论：

• 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。（传播速率依靠改善传输介质）
• 提高数据的发送速率只是减少了数据的发送时延。
• 常说 “ 光纤信道的传输速率高 ”，是指可以用很高的速率向光纤信道发送数据，而光纤的传播速率实际上比铜线的传播速率略低。

5）时延带宽积

时延带宽积又称为：以比特为单位的链路长度

$$时延带宽积=传播时延\times 带宽$$

现做如下比喻：

• 链路 – – – – – 圆柱形管道
• 传播时延 – – – 管道的长度（现在以时间代表“长度”）
• 带宽 – – – – – 管道的横截面积
• 时延带宽积 – – 管道的体积

因此，时延带宽积可以表示链路可容纳多少比特。

例如：
某链路传播时延为 20 ms
带宽为 10 Mbit/s

$$时延带宽积=20\times 10^{-3}\times 10\times 10^6=2\times 10^{5}bit$$

6）往返时间 RTT

往返时间（RTT）又称为：往返时延
含义：双向交互一次所需要的时间。

例如：
A向B发送数据。
数据长度100MB ， 发送速率100Mbit/s

$$发送时间=\frac{数据长度}{发送速率}=\frac{100\times 2^{20}\times 8}{100\times 10^6}\approx 8.39s$$

假如：
B在接收完100MB的数据后，就立即向A发送确认。
A只有在收到B的确认消息后，才能继续向B发送数据。
显然，这就要等待一个往返时间RTT。如果 RTT=2s 那么可以算出：

$$有效数据率=\frac{数据长度}{发送时间+RTT}=\frac{100\times 2^{20}\times 8}{8.39+2}\approx 80.7Mbit/s$$

这比原来的数据率 100Mbit/s 要小不少。

• 在使用卫星通信时，RTT相对较长，是很重要的一个指标。

7）利用率

• 有信道利用率和网络利用率两种。
• 信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率为零。
• 网络利用率：全网络的信道利用率加权平均值。

• 信道利用率并非越高越好：，因为根据排队论，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（相当于高速公路上堵车）。

如果：令$D_0$表示网络空闲时的时延；
D表示网络当前的时延；
U表示网络利用率。
$$D=\frac{D_0}{1-U}$$
可以看出，网络利用率达到1/2时，时延就要加倍。当网络利用率接近1时，网络产生的时延就会趋于无穷大。
信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延。

2.计算机网络的非性能特征

1 费用

网络的价格（包括设计和现实费用），网络速率越高，价格也越高。

2 质量

网络的质量取决于网络中所有构件的质量。网络的质量会影响网络的可靠性，网络管理，网络的简易性，以及网络的一些性能（性能≠质量）。

3 标准化

网络的硬件和软件既可以按照通用的国际标准，也可以遵循特定的专用网络标准。最好采用国际标准设计。

4 可靠性

可靠性与网络的性能和质量有密切关系。高速网络要可靠地运行，往往更加困难。

5 可扩展性和可升级性

在构造网络时，就要考虑今后可能会需要扩展（规模扩大）和升级（性能和版本的提高）。

6 易于管理和维护

网络如果没有良好的管理和维护，就很难达到和保持所设计的性能。

最后

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