1.6 计算机网络的性能

思维导图：

1.6.1 计算机网络的性能指标

前言：

我的理解：

这段前言主要介绍了关于计算机网络性能的两个方面的讨论。首先，计算机网络的性能可以通过一些重要的性能指标来衡量。但除了这些指标之外，还有一些非性能特征（即不直接关于速度、流量、带宽等的特征），它们也会对计算机网络的整体性能产生重要的影响。在这一节中，作者打算详细探讨这两个方面的内容。

1.速率

**定义：**
速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。在网络技术中，速率指的是数据的传送速率，也称为数据率（data rate）或比特率（bit rate）。速率衡量的是单位时间内传输的数据量，用于描述网络的传输能力。

**单位：**

- 基本单位：比特/秒（bit/s 或 b/s 或 bps）
- 当数据率较高时，通常使用不同的前缀来描述：
- k（kilo）= 10³ = 千bit/s
- M（Mega）= 10⁶ = 兆bit/s
- G（Giga）= 10⁹ = 吉bit/s
- T（Tera）= 10¹² = 太bit/s
- P（Peta）= 10¹⁵ = 拍bit/s
- E（Exa）= 10¹⁸ = 艾bit/s
- Z（Zetta）= 10²¹ = 泽bit/s
- Y（Yotta）= 10²⁴ = 尧bit/s

例如：4×10⁹ bit/s 的数据率记为 40 Gbit/s。

问题的引出：谁在撒谎？

**注意事项：**
1. **常见表述误区：** 在谈到网络速率时，人们常常省略速率单位中应有的bit/s，而使用如“40 G的速率”的不太正确的说法。
2. **额定速率与实际运行速率：** 在讨论网络的速率时，所指的往往是额定速率或标称速率，这并不代表网络实际上的运行速率。

注意：容量和速率的K M G T不一样

**实际应用：**
速率是衡量网络性能的关键参数，影响着用户在浏览网页、下载文件和在线观看视频时的体验。一个较高的速率通常意味着更快的数据传输和更好的网络体验。

例题：考察一下自己有没有掌握

例二：

2.带宽

**定义与含义：**
“带宽”一词具有两个不同的含义。

1. **信号的频带宽度：**
- **定义：** 原始定义中，带宽是指信号所占据的频率范围，或者说，是信号含有的各种不同频率成分的范围。
- **例子：** 传统通信线路中的电话信号的标准带宽是3.1kHz（从300 Hz到3.4 kHz，即话音的主要成分的频率范围）。
- **单位：** 赫兹（Hz），可以是千赫、兆赫、吉赫等。
- **应用背景：** 在很长一段时间内，主干通信线路传送的是模拟信号。

2. **网络中通道的数据传输能力：**
- **定义：** 在计算机网络中，带宽主要用来表示网络中某通道传送数据的能力，或者说是“最高数据率”。
- **单位：** bit/s（比特每秒）。
- **说明：** 在计算机网络的文献中提到的“带宽”，大多数时候是指这个意思。

**频域与时域：**
- **频域称谓：** 当带宽描述的是信号的频带宽度时，这是在频域中描述的。
- **时域称谓：** 当带宽描述的是通道的数据传输能力时，这是在时域中描述的。
- **关联：** 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。即，带宽在两个定义中具有内在的关联性。

**计算机领域的特殊计量单位：**
- **二进制计量：** 在计算机领域中，数的计算使用二进制，因此，K=2¹⁰=1024，M=2²⁰，G=2³⁰，T=2⁴⁰，P=2⁵⁰，E=2⁶⁰，Z=2⁷⁰，Y=2⁸⁰。
- **数据量单位：** 计算机中的数据量通常用字节（B，代表byte）作为度量单位，而一个字节代表8个比特。

**注意事项：**
- 在通信和计算机领域中，单位的大小写和表示方法可能会有不同，需仔细辨别。
- 在计算中，大写K既可以表示1000，也可以表示1024，因此需要特别小心，以免弄错。

3.吞吐量

**定义与意义：**
- **定义：** 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）传输的数据的实际数量。
- **实用性：** 吞吐量常用于实际网络的性能测量，它能反映出实际中有多少数据能够通过网络。

**与速率和带宽的关系：**
- 吞吐量受到网络的带宽和网络的额定速率的限制。
- 例如，对于一个额定速率为1 Gbit/s的以太网，这个速率值就是该以太网吞吐量的上限值。

**实际吞吐量与额定速率的差异：**
- 实际的吞吐量可能远低于网络的额定速率。
- 以1 Gbit/s的以太网为例，其实际的吞吐量可能只有100 Mbit/s，远未达到其额定速率。

**表示单位：**
- 吞吐量通常以bit/s（比特每秒）来表示，但有时也可用每秒传送的字节数或帧数来表示。

**实例与注意事项：**
- 对网络性能的实际测量和理论值之间可能存在差异，需要对实际的吞吐量进行测量以获取准确的网络性能数据。
- 当评估网络性能时，理解吞吐量、带宽和速率之间的关系与区别是非常重要的，这有助于准确地理解和解释网络的实际运行状态。

4.时延

**定义：**
- 时延（也称为延迟或迟延）指的是数据（无论是报文、分组还是单一比特）从网络的一个端传到另一个端所需的时间。
- 它是网络性能的重要指标。

**时延的组成：**
1. **发送时延（Transmission Delay）：**
- 发送时延是指主机或路由器发送整个数据帧所需的时间。
- 计算公式：发送时延 = 数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)。
- 发送时延与发送的数据帧长度成正比，与发送速率成反比。

2. **传播时延（Propagation Delay）：**
- 传播时延是指电磁波在信道中传播一定距离所需的时间。
- 计算公式：传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率(m/s)。
- 光在自由空间的传播速率为3.0×10^8 km/s。而在网络传输媒体如光纤或铜线中，传播速率通常较低。

3. **处理时延：**
- 当主机或路由器收到分组时，需要花费一定的时间来处理分组，这产生了处理时延。

4. **排队时延：**
- 分组在经过网络时，经常需要在路由器的输入或输出队列中等待。这造成了排队时延。
- 排队时延受网络的通信量影响，当网络拥塞时，排队时延会增加，甚至导致分组丢失。

**总时延的计算：**
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

**时延的影响：**
- 通常，低时延的网络性能优于高时延的网络。
- 在某些情况下，一个低速但低时延的网络可能比一个高速但高时延的网络性能更好。

**其他概念：**
- 时延和速率：提高数据的发送速率可能减小发送时延，但不会影响信道中的电磁波传播速率。传播速率取决于信道的物理介质。
- **往返时间（RTT）**：在许多网络交互中，需要考虑往返时间，即数据从发送端发送到接收端并返回确认的总时间。

**注意点：**
- 高速网络链路提高的是数据的发送速率，而不是电磁波在信道中的传播速率。
- 电磁波在光纤中的传播速率实际上可能低于在铜线中的传播速率。

5.时延带宽积

**定义：**
传播时延带宽积是一个网络性能的关键度量，它表示链路上可容纳的比特数量，即链路的“有效容量”。

**计算公式：**
\[ 时延带宽积 = 传播时延 × 带宽 \]

例如：链路的传播时延为20ms, 带宽为10 Mbit/s。
\[ 时延带宽积 = 20×10^{-3} × 10 × 10^6 = 2 × 10^5 \] bit

这意味着，如果发送端连续发送数据，当发送的第一个比特即将达到终点时，发送端已经发送了20万个比特，这20万个比特都在链路上进行传输。

**时延带宽积的实际意义：**
- 时延带宽积又被称为链路的“比特长度”，因为它表示链路上同时存在的比特数量。
- 从几何视角看，可以将链路想象为一个管道，其中：
- 管道的长度 = 链路的传播时延 (以时间为单位)
- 管道的面积 = 链路的带宽
- 时延带宽积 = 管道的体积 = 链路可以容纳的比特数量

如图1-15所示，链路就像一个圆柱形的空心管道。管道中的比特表示从发送端发送出去但还未到达接收端的比特。

**关于利用率：**
- 对于正在传输数据的链路，只有当这个“管道”充满比特时，链路的利用率才达到最大。这意味着链路的传输能力被完全使用。
- 提高链路的利用率意味着更高的传输效率和更好的网络性能。

**其他概念：**
- 带宽是链路在单位时间内能传输的最大数据速率。
- 传播速率是数据在链路中传播的速度，例如光在光纤中的传播速度与其在铜线中的速度是不同的。

**结论：**
时延带宽积是评估网络链路效率的关键度量。理解并最大化链路的时延带宽积对于实现高效的网络通信至关重要。

6.往返时间RTT

问题哪个阶段耗时较多？

卫星链路耗时较多

**定义:**
往返时间RTT是计算机网络中描述数据从源点发送到目的地，然后从目的地返回到源点所需的总时间的性能指标。在许多网络交互中，信息通常需要双向传输，所以RTT是一个关键的度量。

**计算示例：**

2. 当B正确地收到100 MB的数据后，它向A发送确认。A只能在接收到B的确认后继续向B发送数据。因此，A必须等待一个往返时间RTT。在此，我们假定确认信息很短，所以忽略B发送确认的时间。如果RTT = 2s，则：

这意味着，考虑到RTT，A的实际有效发送速率为80.7 Mbit/s，这比原始速率100 Mbit/s小。

**其他要点：**
- 在互联网中，RTT不仅仅包括信号在通信媒介中传播的时间，还包括中间节点的处理延迟、队列延迟以及数据的转发延迟。
- 在使用卫星通信的情况下，由于信号需要在地面和卫星之间往返，RTT会相对较长，成为一个非常重要的性能指标。

**结论：**
了解和管理RTT是网络性能优化的关键。尤其是在需要频繁的双向交互的应用中，如实时在线游戏或VoIP，高RTT可能导致不良的用户体验。因此，时常测量和优化RTT对于确保良好的网络性能至关重要。

7.利用率

**定义:**
利用率描述了网络或信道的使用情况。它有两种类型：信道利用率和网络利用率。

- **信道利用率**: 表示某一信道在多少时间内是被使用的(即有数据通过)。信道完全空闲时，其利用率为零。

- **网络利用率**: 表示整个网络的信道利用率的加权平均值。

**重要性:**
信道利用率并非越高越好。与实际道路交通类似，网络上的“流量”过大会导致堵塞和增加的延迟。在网络中，数据包可能需要在路由器或交换机上排队，等待处理，导致网络延迟的增加。

**公式关系:**

**实际应用:**
当网络的利用率接近其最大值时，其延迟接近无穷大。这强调了信道或网络的过度利用会导致巨大的延迟。为此，许多大型ISP会控制主干网络的利用率，确保其不超过50%。如果利用率超过这个阈值，ISP可能会考虑扩展网络或增加带宽以满足需求。

**结论:**
了解并管理网络和信道的利用率至关重要，以确保网络的高效运行和低延迟。过高的利用率可能导致显著的网络延迟，从而降低用户体验和网络应用的效率。

8.丢包率

**定义**:
- **丢包率 (Packet Loss Rate)**: 是计算机网络中，在传输数据包过程中，数据包丢失的比例。通常，它表示为丢失的数据包数与总传输数据包数的比值，经常以百分比来表示。

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**原因**:
1. **网络拥塞**: 当网络上的数据流量过大，超出网络或网络设备的处理能力时，就可能会出现丢包。
2. **路由器或交换机资源不足**: 当它们的缓冲区满时，可能会丢弃新到达的包。
3. **网络信号干扰**: 特别是在无线网络中，其他电磁信号可能会干扰数据包传输。
4. **物理设备故障**: 如有问题的网线、接口或硬件设备。
5. **协议超时**: 例如，TCP需要确认每个发送的包。如果在指定时间内未收到确认，数据包可能会被视为已丢失。
6. **恶意攻击**: 如拒绝服务攻击（DoS）可能导致网络资源饱和，从而引起丢包。

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**检测工具**:
- **Ping**: 最常用的工具之一，用于测试两个网络节点之间的可达性，同时也可以用于估计丢包率。
- **Traceroute**: 跟踪数据包经过的路径并报告关于每一跳的信息，包括丢包。

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**影响**:
1. **通话质量下降**: 在VoIP通话或视频会议中，高的丢包率可能导致通话中断或质量降低。
2. **在线游戏延迟**: 游戏玩家可能会经历所谓的"卡顿"。
3. **文件传输速度降低**: TCP在检测到丢包时会减少其发送速度。

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**缓解策略**:
1. **增加带宽**: 减少网络拥塞，为数据传输提供更大的空间。
2. **使用QoS (Quality of Service)**: 确保关键数据的优先传输。
3. **升级网络设备**: 新的设备可能提供更大的缓冲区和更好的数据处理能力。
4. **使用前向纠错**: 通过发送额外的纠错信息来减少需要重新传输的数据包。
5. **改进路由策略**: 确保数据包选择最佳的路径传输。

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这就是关于丢包率的基础知识。了解丢包率对于网络管理员来说是非常重要的，因为它直接影响到用户的网络体验。