计算机网络的性能指标

计算机网络的性能指标

1. 速率

速率是指数据在网络中传送的速度，通常用比特率或数据率来表示，单位是b/s，或bit/s，即比特每秒，或者bps(bit per second)。

速率单位：1 Ybps = 10^24 bps(尧), 1 Zbps = 10^21 bps(泽), 1 Ebps = 10^18 bps(艾), 1 Pbps = 10^15 bps(拍), 1 Tbps = 10^12 bps(太), 1 Gbps = 10^9 bps(吉), 1 Mbps = 10^6 bps(兆), 1 kbps = 10^3 bps(千)。

存储单位：1MB = 2^20B, 1KB = 2^10B，1B = 8b。

2. 带宽

带宽有两种含义：

• 信号的带宽（频带宽度），即信号的频带宽度，单位是Hz，表示信号中包含的频率成分的多少，是信号的一个重要特性。
• 传送数据的带宽（网络带宽），即网络的最高通信速率，单位是bps，表示单位时间内网络中的数据量。网络带宽通常用于衡量网络的容量和速度，它可以影响文件下载速度、流媒体播放质量等。

前者为频域¹，后者为时域²。

3. 吞吐量

吞吐量是单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量，单位是bps。

吞吐量与带宽有关，但不完全相同。带宽是网络的理论最高速率，而吞吐量是实际速率，受到网络中其他因素的影响，包括网络拥塞、数据包丢失、信号干扰等。例如，带宽为100Mbps的网络，如果网络中只有一个用户，那么吞吐量也是100Mbps，但如果网络中有多个用户，那么吞吐量就会小于100Mbps。

4. 时延和时延带宽积

（1）processing delay 处理延迟

检查数据包的头部并确定将数据包发送到何处所需的时间是处理延迟的一部分。处理延迟还可能包括其他因素，例如检查在将数据包的比特从上游节点传输到路由器A时是否发生比特级错误（bit-level errors）所需的时间。高速路由器的处理延迟通常为微秒或更短的数量级。在经过这个节点（nodal）处理之后，路由器将数据包发送到连接到路由器B的队列之前。

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（2）queuing delay 排队延迟

在队列中，数据包经历排队延迟，等待传输到链路上。

数据包的排队延迟取决于已经到达并排队等待传输的数据包的数量。

如果队列为空，没有其他数据包正在传输，那么我们的数据包的排队延迟将为零。

然而，如果网络拥塞，有许多数据包正在等待传输，排队延迟将会很长。

我们很快将看到，到达的数据包预计可能会遇到的其他数据包数量取决于到达队列的流量的强度和性质。

在实践中，排队延迟可以在微秒到毫秒的范围内。

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（3）transmission delay 传输延迟

传输延迟可以用L/R来表示。L为数据包的长度（bits），R为链路的传输速率（bits/sec）。

对于10 Mbps以太网链路，传输速率为R=10 Mbps；对于100 Mbps以太网链路，传输速率为R=100 Mbps。

这是将数据包的所有比特推送（即传输）到链路所需的时间。

传输延迟在实际中通常为微秒到毫秒的数量级。

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（4）propagation delay 传播延迟

从链路的起点传播到路由器B所需的时间被称为传播延迟。

比特的传播速度取决于链路的物理介质（如光纤、双绞铜线等），通常在2×108米/秒到3×108米/秒的范围内，接近或略低于光速。

传播延迟等于两个路由器之间的距离除以传播速度。

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（5）total nodal delay 总节点延迟

总节点时延=处理时延+排队时延+传输时延+传播时延。

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（6）bandwidth-delay product 时延带宽积

时延带宽积 = 带宽（单位：比特/秒） × 传播时延（单位：秒）

其中，带宽表示网络链路的传输速率。

举个例子，假设一个链路的带宽为10 Mbps（兆比特/秒），时延为100 毫秒（0.1 秒），那么时延带宽积的计算如下：

时延带宽积 = 10 Mbps × 0.1 秒 = 1 Mbps × 秒。

其中，带宽表示网络链路的传输速率，时延就是前面所说的总时延。

时延带宽积的单位通常是比特（bit）或字节（byte），表示在网络中能够同时存在的未确认数据量。它是网络性能的一个重要指标，可以用来评估网络的吞吐量和延迟特性。时延带宽积主要用于衡量网络链路的传输性能和容量。

5. 往返时间RTT

RTT(Round-Trip Time)是指发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后便立即发送确认)，总共经历的时间。

RTT不包括数据发送时间，只包括从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端确认这段时间。
$$发送时间=\frac{数据长度}{发送速率}$$

$$有效数据率=\frac{数据长度}{发送时间+RTT}$$

6. 利用率

利用率是指某资源的繁忙程度，即该资源被利用的时间与总时间的比值。

利用率分为信道利用率和网络利用率。

信道利用率：信道利用率是指信道有数据通过的时间与总时间的比值。

网络利用率：网络利用率是指网络中有数据通过的时间与总时间的比值，它是信道利用率的加权平均值。

信道利用率并不是越大越好，因为信道利用率过大会导致数据包丢失率增大，从而降低网络的吞吐量。因为当信道利用率过大时，数据包在传输过程中的时延也会增大，从而导致数据包在缓存中的存储时间增加，从而增大了数据包丢失的概率。

空闲时的时延D与利用率U成反比。

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1. 频域是关于信号在频率领域分布的领域。在频域中，信号以频率为自变量，通常使用频谱图或频域图表示。这种表示方式可以显示信号包含的不同频率分量的幅度和相位信息。 ↩︎

2. 时域是信号随时间变化的领域。在时域中，信号以时间为自变量，通常用波形图表示。这种表示方式可以显示信号的振幅如何随时间变化。 ↩︎