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计算机网络的性能指标：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、RTT、利用率_带宽时延积

作者：羊村懒王 | 2024-03-02 23:05:21

踩

带宽时延积

计算机网络的性能指标用来从不同的方面来度量计算机网络的性能。常用的性能指标有7个：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间（Round-Trip Time，简称RTT）、利用率

1、速率

计算机发送的信号都是数字形式的。比特 (bit) 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。

网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率(data rate)或比特率(bit rate)。速率的单位是 bit/s (比特每秒)(或 b/s，有时也写为 bps，即 bit per second)。

当数据率较高时，就常常在 bit/s 的前面加上一个字母。例如：

k(kilo) = $10^3$ = 千，M(Mega) = $10^{6}$ = 兆，G(Giga) = $10^{9}$ = 吉，

T(Tera) = $10^{12}$ = 太，P(Peta) = $10^{15}$ = 拍，E(Exa) = $10^{18}$ = 艾，

Z(Zetta) = $10^{21}$ = 泽，Y(Yotta) = $10^{24}$ = 尧

这样，4 x $10^{10}$ bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s。

2、带宽

在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。带宽的单位就是数据率的单位 bit/s（比特每秒）。

也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

3、吞吐量

吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量。

吞吐量一般用来测量实际上到底有多少数据量能够通过网络。

吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制。例如，对于一个1 Gbit/s 的以太网，就是说其额定速率是 1 Gbit/s，那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。因此，对 1 Gbit/s 的以太网，其实际的吞吐量可能只有 100 Mbit/s，甚至更低，并没有达到其额定速率。//吞吐量小于带宽

请注意，有时吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示。

4、时延

时延(delay 或 latency)是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。

时延是由以下几个不同的部分组成的：//总时延=发送+传播+处理+排队

（1）发送时延(transmission delay)

发送时延是主机或路由器发送数据所需要的时间，也就是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。

发送时延的计算公式是：数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)

发送时延 = $\frac{bit}{bit/s}$

由此可见，发送时延并非固定不变，而是与发送的帧长成正比，与发送速率成反比。//数据帧长越长，发送时延越长，数据发送速率越大，发送时延越短。

（2）传播时延(propagation delay)

传播时延(propagation delay)是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

传播时延的计算公式是： 信道长度(m) / 传播束率(m/s)

        传播时延和发送时延有本质上的不同。

        发送时延发生在机器内部的发送器中(一般就是发生在网络适配器中)与传输信道的长度没有任何关系。//机器内的时延

        传播时延发生在机器外部的传输信道媒体上，与信号的发送速率无关，信号传送的距离越远，传播时延就越大。//传输信道上的时延（机器外）

（3）处理时延

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、进行差错检验或查找转发表等，这就产生了处理时延。

（4）排队时延

分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。

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，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。

下图给出了这几种时延所产生的地方：

5、时延带宽积

传播时延和带宽相乘，就是传播时延带宽积。//注意，这里是传播时延而不是总时延

计算公式：时延带宽积 = 传播时延 x 带宽

那么，这个度量有什么用呢？

比如，我们用下边的示意图来表示时延带宽积：

这是一个代表链路的圆柱形管道，管道的长度是链路的传播时延(以时间作为单位来表示链路长度)，而管道的截面积是链路的带宽。

因此时延带宽积就表示这个管道的体积，表示这样的链路可容纳多少个比特。

例如，设某段链路的传播时延为 20 ms，带宽为 10 Mbit/s，算出：

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

不难看出，管道中的比特数表示从发送端发出但尚未到达接收端的比特数。对于一条正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到最充分的利用。//可以利用时延带宽积来衡量链路的利用率

6、往返时间 RTT

互联网上的信息不仅仅单方向传输而是双向交互的，所谓往返时间就是双向交互一次所需的时间。

下边分别 ping 本地计算机网关、国内网站和国外网站，我们可以看到不同网络的往返时间是有差异的：


ping 192.168.43.1   // ping网关——局域网
 
正在 Ping 192.168.43.1 具有 32 字节的数据:
来自 192.168.43.1 的回复: 字节=32 时间=4ms TTL=64
来自 192.168.43.1 的回复: 字节=32 时间=4ms TTL=64
来自 192.168.43.1 的回复: 字节=32 时间=5ms TTL=64
来自 192.168.43.1 的回复: 字节=32 时间=4ms TTL=64
 
192.168.43.1 的 Ping 统计信息:
    数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
    最短 = 4ms，最长 = 5ms，平均 = 4ms
--------------------------------------------------------
ping www.baidu.com // ping国内服务器——互联网
 
正在 Ping www.a.shifen.com [112.80.248.75] 具有 32 字节的数据:
来自 112.80.248.75 的回复: 字节=32 时间=25ms TTL=53
来自 112.80.248.75 的回复: 字节=32 时间=39ms TTL=53
来自 112.80.248.75 的回复: 字节=32 时间=37ms TTL=53
来自 112.80.248.75 的回复: 字节=32 时间=40ms TTL=53
 
112.80.248.75 的 Ping 统计信息:
    数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
    最短 = 25ms，最长 = 40ms，平均 = 35ms
----------------------------------------------------------
ping 8.8.8.8  // ping国外服务器——互联网
 
正在 Ping 8.8.8.8 具有 32 字节的数据:
来自 8.8.8.8 的回复: 字节=32 时间=117ms TTL=113
来自 8.8.8.8 的回复: 字节=32 时间=105ms TTL=113
来自 8.8.8.8 的回复: 字节=32 时间=115ms TTL=113
来自 8.8.8.8 的回复: 字节=32 时间=96ms TTL=113
 
8.8.8.8 的 Ping 统计信息:
    数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
    最短 = 96ms，最长 = 117ms，平均 = 108ms

注：TTL是 Time To Live 的缩写，该字段指定IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量。

那么， RTT 时间有什么用呢？

例如，A 向 B 发送数据。如果数据长度是 100 MB，发送速率是100 Mbit/s，那么：

发送时间 = 数据长度 / 发送速率 = $\frac{100 * 10^{20}*8}{100*10^{6}}$ = (约等于)8.93s

假定 B 正确收完 100 MB 的数据后，就立即向 A 发送确认。再假定 A 只有在收到 B 的确认信息后，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 A 向 B 发送数据的有效数据率。

有效数据率 = 数据长度 / (发送时间+RTT) = $\frac{100 * 10^{20}*8}{8.39+2}$ = (约等于)80.7 Mbit/s

由此可见，实际上比原来的数据率 100Mbit/s 小不少。

在互联网中，往返时间还包括各中间节点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。

7、利用率

利用率有信道利用率和网络利用率两种。

信道利用率指出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是零。

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率并非越高越好。这是因为，根据排队论的理论，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。这和高速公路的情况有些相似。当高速公路上的车流量很大时，由于在公路上的某些地方会出现堵塞，因此行车所需的时间就会变长，网络也有类似的情况。//信道利用率越高，网络引起的时延就会越大

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(设现在的网络利用率为 U)，那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示 D 与 $D_{0}$ 以及利用率 U 之间的关系：

$D=\frac{D_{0}}{1-U}$

这里 U 是网络利用率，数值在 0 到 1 之间。当网络利用率达到其容量的 1/2 时，时延就要加倍。

特别值得注意的就是：当网络利用率接近最大值 1 时，网络产生的时延就趋于无穷大。因此，信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延。

因此，一些拥有较大主干网的 ISP 通常控制信道利用率不超过 50%。如果超过了就要准备扩容，增大线路的带宽。

至此，全文结束。

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