1.6计算机网络的性能指标

常用的计算机网络的性能指标有7个：速率、带宽、吞吐量、时延、往返时间、利用率、丢包率

1.6.1速率

• 计算机发送的信号是以二进制数字形式的。
• 一个二进制数字就是一个比特(bit，binary digit)
• 字节:Byte，1Byte=8bit(1B=8b)
• 常用数据量单位
  
• 速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特数据的速率，也称为比特率或数据率
  
  注意：表示数据量时是大写的K=1024，表示速率时是小写的k=1000

有一个待发送的数据块，大小为100MB，网卡的发送速率为100Mbps，则网卡发送完该数据块需要多少时间？

解：

1.6.2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”
• 单位:b/s (kbs, Mb/s,Gb/s,Tb/s)
• 宽带的带宽是100兆：出口网速最高100Mb/s=100*10³*10³bit/s

1.6.3吞吐量

• 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量
• 吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量，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。
• 注意吞吐量和带宽的区别：带宽指的是最大的传输速度，而吞吐量指的是实际传输速度
  
  

1.6.4时延

• 时延(delay或latency)是指数据（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。时延是个很重要的性能指标，它有时也称为延迟或迟延。
  
• 网络中的时延是由以下几个不同的部分组成的：

发送时延

• 主机或路由器发送数据帧所需要的时间，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为：
  
• 主机的发送速率和网卡的发送速率、信道的带宽、接口速率有关
  

传播时延

• 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：
  
• 电磁波在各介质中的传播速度：
  

处理时延

• 处理时延指的是主机或者路由器在收到分组信息时花费的时间。例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、查找适当的路由等。

思考：现在我们暂时忽略处理时延。假定有一个长度为100MB的数据块（这里的M显然不是指10⁶而是指2²⁰。B是字节，1字节=8比特）。在带宽为1Mbps的信道上（这里的M显然是10⁶）连续发送（即发送速率为1Mbps)，其发送时延是多少？
现在把这个数据块用光纤传送到1000km远的计算机。由于在1000km的纤上的传播时延约为5ms，因此在这种情况下，发送100MB的数据块的总时延=838.9s+0.005s=838.9005S。可见对于这种情况，发送时延决定了总时延的数值。如果我们把发送速率提高到100倍，即提高到100Mbps，那么总时延就变为8.389+0.005=8.394s，缩小到原有数值的1/100

1.6.5往返时间

• RTT(Round-TripTime)往返时间在计算机网络中它是一个重要的性能指标。表示从发送端将所有待发送的数据发送到传输媒介开始，到发送端收到来自接收端的确认总共经历的时间（不包含发送时延）。
• RTT由三个部分决定：链路的传播时间、末端系统的处理时间、路由器的缓存中的排队和处理时间。其中前两个部分的值作为一个TCP连接相对固定，路由器的缓存中的排队和处理时间会随着整个网络拥塞程度的变化而变化。所以RTT的变化在一定程度上反映了网络拥塞程度的变化。
• 例如，A向B发送数据。如果数据长度是100MB，发送速率是100Mbit/s，那么：
  
• 如果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，这需要等待一个往返时间RTT(这里假定确认信息很短，可忽略B发送确认的时间)。如果返回时间=2S，那么可以算出A向B发送数据的有效数据率为80Mbps。比原来的数据率100Mbps小很多。
  
• 在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。当使用卫星通信时，往返时间RTT相对较长，是很重要的一个性能指标。

1.6.6利用率

• 利用率有信道利用率和网络利用率两种。
  
• 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会迅速增加。
• 如果令D₀表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，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、D₀和利用率U之间的关系为：
  
  ○ U是网络的利用率，数值在0到1之间
  ○ 网络的利用率达到50%时，时延就要加倍;当网络的利用率超过50%时，时延急剧增大;
  ○ 网络的利用率接近100%时，时延就趋于无穷大;
  ○ 因此，一些拥有较大主干网的ISP通常会控制它们的信道利用率不超过50%。如果超过了，就要准备扩容，增大线路的带宽;
  ○ 因此，信道利用率并非越高越好
  

1.6.7丢包率

• 丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
• 丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但对于普通用户来说往往并不关心这个指标，因为他们通常意识不到网络丢包。
• 分组丢失主要有两种情况：
  ○ 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃
  主机发送的分组在传输过程中出现了误码,当分组进入传输路径中的结点交换机后，被结点交换机检测出了误码。进而被丢弃。
  ○ 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃；在通信量较大时就可能造成网络拥塞
  
  ○ 假设路由器R5当前的输入缓冲区已满，此时主机发送的分组到达该路由器。路由器没有存储空间暂存该分组，只能将其丢弃。实际上。路由器会根据自身的拥塞控制方法，在输入缓存还未满的时候就主动丢弃分组。
  ○ 因此，丢包率反映了网络的拥塞情况：
  ○ 无拥塞时路径丢包率为0。
  ○ 轻度拥塞时路径丢包率为1%～4%。
  ○ 严重拥塞时路径丢包率为5%～15%