计算机网络基础系列(二)计算机网络性能

文章目录

• 速率
• 带宽
• 延迟/时延(delay或latency)
• 四种分组延迟
• 结点处理延迟
• 排队延迟
• 传输、传播延迟
• 时延带宽积
• 分组丢失（丢包）
• 吞吐量/率

  任何一个系统都需要一些指标来衡量这个系统。

速率

  速率即数据率(data rate)或称数据传输速率或比特率(bit rate)，是计算机网络中最重要的一个性能指标。表示单位时间（秒）传输信息（比特）量。单位：b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s。这里的$K=10^{3}$K=103、$M=10^{3}$M=103、$G=10^{9}$G=109。

  速率往往是指额定速率或标称速率。比如说某个网络是100M，指的是这个网络理想的数据传输速率，实际上可能并不一定能达到。

带宽

  “带宽”(bandwidth)原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。

  计算机网络中所说的带宽：网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位：b/s (bps)。也就是最大数据传输速率。根据单位可以判断两个带宽的不同。

  常用的带宽单位:kb/s （$10^{3}$103 b/s）；Mb/s（$10^{6}$106 b/s）、Gb/s（$10^{9}$109 b/s）Tb/s（$10^{12}$1012 b/s）。

延迟/时延(delay或latency)

  还有一类指标为时间问题，我们把它称之为时延。之前在说分组交换的时候介绍过其中一种延迟叫传输延迟，发送一个分组，从第0个比特开始发送，到最后一个比特分组的发送完成，这段时间就是这个分组的传输延迟。分组在网络中传输，除了这个传输延迟之外，还有其它的延迟。

  分组在路由器缓存中排队时发生的丢包和时延。

  B的数组分组到达了一个路由器，路由器会按照存储转发的方式将其收下来，收下来之后先暂存，然后确定了这一个分组在哪一个链路进行转发之后，再在这个链路上进行转发，如果这个链路正在转发其它的分组，它就得排队等，这也需要时间，叫排队延迟。

  当轮到转发这个分组的时候，才从第一个比特开始发，依次类推直到发完。这个时间就是传输延迟。

  任何一个路由器供排队缓存的空间是有限的，如果缓存满了还有源源不断的分组到达，那就没地方放了。此时就会发生丢包现象。

  总结来说就是当分组到达速率超出输出链路的容量的时候，这种现象就难以避免了。

四种分组延迟

  分组从达到一个节点开始，到这个分组成功转发到下一个路由器所消耗的时间，主要有4种：

结点处理延迟

  分组达到一个路由器，路由器需要对这个节点需要处理，这个时间称之为结点处理延迟(nodal processing delay) $d_{proc}$dproc​。这个处理通常需要检查一下分组有没有错(差错检测)；根据分组携带的地址信息，看看应该在哪个接口将其发出去(确定输出链路)；还有一些其它的事情。现在路由器的处理能力都比较强，一般来说这个时间比较短 (一般来说不会超过毫秒级，当然也要看讨论的问题是一个什么样的层级的)。

排队延迟

  当分组确定从哪一个输出链路往外传输的时候，而那个链路刚好在传输其它分组的时候，它就得在这个路由器上进行排队，这个时间的消耗通常称之为排队延迟(queueing delay) $d_{queue}$dqueue​。

  很显然这个排队时间是很不确定的，取决于路由器拥塞程度。

传输、传播延迟

  当链路开始传输一个分组的时候，传输第一个比特开始，到最后一个比特发完，需要一段时间，这段时间称作传输延迟(transmission delay)$d_{trans}$dtrans​。传输延迟取决于以下几点：

1. 分组长度$L$L(bits)。
2. 链路带宽$R$R(bps)。

$d_{trans}=L/R$dtrans​=L/R

  通过电信号、光信号、无线信号传输到下一个节点。而在这个介质上传播也需要时间，我们将其称之为传播延迟(propagation delay) $d_{prop}$dprop​。取决于以下几点：

1. 物理链路长度 $d$d。
2. 信号传播速度 $s$s 有关($\approx 2 \times 10^{8} m/sec$≈2×108m/sec)

$d_{prop}=d/s$dprop​=d/s

  在分组交换过程中，一个分组从到达某一个节点开始，到其离开这个节点到达下一个节点，这样所谓的一跳过程中，所消耗的时间可表示为：

$d_{nodal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}$dnodal​=dproc​+dqueue​+dtrans​+dprop​

时延带宽积

  计算机网络中另一个经常听到的描述就是时延带宽积，有时也称为带宽时延机。一段链路，或者称之为一段信号它的传播延时乘以这段链路的带宽(最高的数据传输速率)。

$\text{时延带宽积} = \text{传播时延} \times \text{带宽} \\ d_{prop} \times R (bit)$时延带宽积=传播时延×带宽dprop​×R(bit)

  可以理解为这个链路上能够容纳多少个比特，因此链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

分组丢失（丢包）

  队列缓存容量有限，分组到达已满队列将被丢弃 (即丢包)。

  不同的网络对于丢包的处理是不一样的，有些丢掉就丢掉了，有些则会选择重发。也就是：丢弃分组可能由前序结点或源重发（也可能不重发）。

  在网络中，丢包是一个要考虑的现象。一般用丢包率来衡量这个丢包的现象：

$\text{丢包率}\frac{\text{丢包数}}{\text{已发分组总数}}$丢包率已发分组总数丢包数​

吞吐量/率

  吞吐量/率（Throughput）说的实际上也是一种速率。

吞吐量：表示在发送端与接收端之间传送数据速率 (b/s)。这样一个两端之间数据传输的实际速率。有两种指标：

1. 即时吞吐量：给定时刻的速率。

2. 平均吞吐量：一段时间的平均速率。

  如果考虑一个互联网的实际场景：

  每条"连接"的端到端吞吐量取决于最小值：$min(R_{c}, R_{s}, R/10)$min(Rc​,Rs​,R/10)

  实际情况下，通常取决于瓶颈链路，一般是端系统或者主机。