概述-第四节：计算机网络的性能指标

Posted 2023-01-20 快乐江湖

文章目录

• • （1）速率
  • （2）带宽
  • （3）吞吐量
  • （4）时延
  • • ①：基本概念
    • ②：计算公式
  • （5）时延带宽积
  • （6）往返时间RTT
  • （7）利用率
  • （8）丢包率

计算机网络的性能指标：计算机网络的性能可以通过以下指标来度量

• 速率
• 带宽
• 吞吐量
• 时延
• 时延带宽积
• 往返时间RTT
• 利用率
• 吞吐率

在介绍下面的内容前，首先需要明确计算机中比特的概念

比特（bit）：比特是计算机中数据量的单位，也是信息论中信息量的单位，一个比特就是一个二进制数字1或0。比特是最小的数据量单位，其他数据量单位及换算关系如下（这里K=2¹⁰）

• Byte（字节）= 8bit
• KB = 2¹⁰B
• MB = K·KB= 2²⁰B
• GB = K·MB= 2³⁰B
• TB = K·GB= 2⁴⁰B

（1）速率

速率：它是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，因此也称之为比特率或数据率。常用的数据单位及换算关系如（这里K=10³）下

• b/s（bps或bit/s）
• kb/s = 10³b/s
• Mb/s = k·kb/s = 10⁶b/s
• Gb/s = k·Mb/s = 10⁹b/s
• Tb/s = k·Gb/s = 10¹²b/s

例1：有一个待发送的数据块，大小为100MB，网卡的发送速率为100Mbps，问网卡发送完该数据块需要多长时间？
解：$\frac{100MB}{100MB/S}=\frac{MB}{Mb/s}=\frac{2^{20}B}{10^{6}b/s}=\frac{2^{20}\cdot 8b}{10^{6}b/s}\approx 8.388608s$
注意：

• $\frac{MB}{Mb/s}$严格来说不能直接约掉，但是在估算时可以，这样结果就是$8s$，与实际值差距不大
• 一定要观察题目中具体给定的换算大小，不能直接生搬硬套上面的换算公式

（2）带宽

带宽：如下

• 在模拟信号中的意义：是指信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围

  • 单位：
    • Hz
    • KHz
    • MHz
    • GHz
  • 例如：在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz
    

• 在计算机网络中的意义：用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示所在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率

  • 单位：与速率相同

（3）吞吐量

吞吐量：表示单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，吞吐量经常被用于对现实世界中网络的测量，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额定速率的限制

例如，下图是一个带宽为1Gb/s的以太网，其吞吐量通常只能到达700Mb/s

（4）时延

①：基本概念

时延：是指将数据从网络或链路的一端传送到另一端所需要的时间，单位为s，网络时延由以下三个部分构成

• 发送时延：源主机将分组发往传输线路所花费的时间
  

• 传播时延：代表分组的电信号在链路上传输所花费的时间
  

• 处理时延：路由器收到分组后对其进行存储转发所花费的时间
  

所以网络时延由发送时延、传播时延和处理时延这三部分组成，由于源主机和目的主机之间由多段链路和多个路由器构成，因此会有多个传播时延和处理时延

②：计算公式

发送时延：计算公式如下

$$\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}$$

这里特别注意发送速率，它由以下三个速率共同决定，实际发送效率由最低速率决定

网卡的发送速率	信道带宽	接口速率	实际发送速率
1Gb/s	1Gb/s	1Gb/s	1Gb/s
100Mb/s	1Gb/s	1Gb/s	100Mb/s
1Gb/s	100Mb/s	1Gb/s	100Mb/s

传播时延：计算公式如下

$$\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}$$

电磁波在不同介质中传播速率不同

• 自由空间（等于光速）：$3\times 10^{8}m/s$
• 铜线：$2.3\times 10^{8}m/s$
• 光纤：$2.0\times 10^{8}m/s$

处理时延：由于网络中数据流量是动态变化的，因此路由器的繁忙程度也会随之变化，所以并没有统一的计算公式，相关考题中一般会“不计处理时延”

例2：数据块长度为100MB，信道带宽为1Mb/s，传输距离为1000Km，请计算发送时延和传播时延，假设传输介质为光纤
解：

• 发送时延=$\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}=\frac{100\times 2^{20}\times 8b}{10^6(b/s)}=838.8608s$
• 传播时延=$\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}=\frac{1000\times 10^{3}m}{2\times 10^{8}m/s}=0.005s$

注意：

• 如果将数据块长度改为1B，那么最终发送时延为$8\times 10^{-6}s$，传播时延仍然是0.005s

（5）时延带宽积

时延带宽积：是指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发送了时延带宽积个比特，其中时延带宽积=传播时延×信道带宽，所以链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

如下图，如果把传输链路看成是一个管道，其长度为传播时延，横截面积为带宽，那么时延带宽积就是该管道的体积

（6）往返时间RTT

往返时间RTT：很多情况下，因特网上的信息需要双向交互，因此我们需要知道双向交互一次所需要的时间，RTT便是衡量这个时间的一个性能指标

如下图，具体来说，往返时间RTT是指从源主机发送分组开始，直到源主机收到来自分组目的主机的确认分组为止所需要的时间

（7）利用率

利用率：利用率包括如下两种

• 信道利用率：用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的
• 网络利用率：是指全网络的信道利用率的加权平均

如果用$D_0$表示网络空闲时的时延，用$D$表示网络当前的时延，用$U$表示利用率，那么在适当条件下，$D_0$、$D$和$U$的关系如下

$$D=\frac{D_0}{1-U}$$

函数图像如下所示

• 当网络利用率达到50%时，时延就会加倍
• 当网络利用率超过50%时，时延就会急剧增大
• 当网络利用率接近100%时，时延就会趋于无穷大

因此信道利用率不能太高也不能太低

• 太高：会使网络拥挤，时延会急剧增大
• 太低：会使浪费宝贵的通信资源

所以应该使用一些机制，可以根据具体情况动态调整输入到网络中的通信量，使网络利用率保持在一个合理范围内

（8）丢包率

丢包率：也即分组丢失率，丢包率是网络运维人员非常关心的一个性能指标，它是指在一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率，具体可分为如下几种

• 接口丢包率
• 结点丢包率
• 链路丢包率
• 路径丢包率
• 网络丢包率

分组丢失主要有以下两种情况

• 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃
• 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃

丢包率反映了网络的拥塞情况

• 无拥塞：0
• 轻度拥塞：1%~4%
• 严重拥塞：5%~15%