1.4 计算机网络的性能指标

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前言

计算机网络的性能指标是评估网络效率和效果的关键，本章详细讲解了速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时延以及利用率这七个性能指标。

一、速率

①定义
速率是衡量网络性能的核心指标，指的是数据传输的速度，也称为数据率或比特率。

②单位
其单位包括bit/s、kbit/s、Mbit/s以及Gbit/s。
例如，40 Gbit/s代表每秒传输40亿比特的数据。

【注意】
1B ≠ 1b
字节：B=Byte
比特：b=bit
1B = 8b

除此之外：

速率通常指的是额定速率或标称速率，而非实际运行速率。网络的速率不仅受到信道带宽的限制，还受到节点性能的影响。

【知识补充】
信道：向某一方向传送信息的通道。
上行信道：从用户终端到网络的通信路径，比如从手机到基站。
下行信道：从网络到用户终端的通信路径，比如从基站到手机

【注意】
信道≠通信线路，一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道。

二、带宽

带宽指的是信道可以传输的信号频带宽度，以赫兹（Hz）为单位。
带宽越宽，信道能传输的最高数据率也越高。
带宽与速率相关，但带宽描述的是信号频率范围，而速率是数据传输速度。两者本质上紧密相关，但带宽的增加不总是直接提升速率。

节点间通信实际能达到的最高速率，由带宽、节点性能共同限制
【例题】
假设主机A和B之间的链路带宽为1O0Mbps，主机A的网卡速率为1Gbps,主机B的网卡速率为10Mbps，则主机A给主机B发送数据的最高理论速率为(10Mbps)。

三、吞吐量

①定义
吞吐量是单位时间内实际通过网络（或信道、接口）的实际数据量，可用每秒传送的字节数或帧数来衡量。

②特点

• 额定速率是绝对上限值
• 受网络的带宽或网络的额定速率的限制
• 可能会远小于额定速率，甚至下降到零

四、时延

时延是数据（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，包括以下几个部分：
①发送时延：也称为传输时延，主机或路由器发送数据帧的时间，取决于数据帧的大小和发送速率。

发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。

②传播时延：电磁波在信道中传播的时间，受信号传播速度和距离影响。

传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而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。

【注意】
电磁波传播速率：
自由空间的传播速率是光速 = 3.0 ⅹ 105 km/s
在铜线电缆中的传播速率约 = 2.3 ⅹ 105 km/s
在光纤中的传播速率约 = 2.0 ⅹ 105 km/s

③处理时延：设备处理数据帧所需的时间（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）。
④排队时延：数据在队列中等待处理的时间，受网络流量影响。

【示例】
下图为四种时延产生的地方，假设从结点 A 向结点 B 发送数据。

总时延是这些时延的综合，影响网络的响应速度。一般说来，小时延的网络要优于大时延的网络。

【易淆点】
判断：在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些。
该说法是错误的，对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率，而不是比特在链路上的传播速率。提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。

【例题】
结点 A 要将一个数据块通过 1000 km 的光纤链路发送给结点 B。假设忽略处理时延和排队时延。请分别计算下列情况时的总时延，并验证“数据的发送速率越高，其传送的总时延就越小”的说法是否正确。
（1）数据块大小为 100 MB，信道带宽为 1 Mbit/s
（2）数据块大小为 100 MB，信道带宽为 100 Mbit/s
（3）数据块大小为 1 B，信道带宽为 1 Mbit/s
（4）数据块大小为 1 B，信道带宽为 1 Gbit/s

综上所述，总时延的减少不仅取决于发送速率的提高，还受到数据块大小和传播时延的影响，不能笼统地认为“数据的发送速率越高，其传送的总时延就越小”。

五、时延带宽积

时延带宽积是链路的时延与带宽的乘积，表示在链路中可能存在的比特数量。它帮助理解链路的“管道”大小，链路充满比特时说明链路得到了充分利用。

六、往返时延（RTT）

往返时延（RTT）表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。
在互联网中，RTT包括所有中间节点的排队、处理、传输和传播时延。高RTT会影响网络的交互效率，尤其在卫星通信等高时延场景中更为明显。
【示例】

往返时间 RTT =    
结点 A 到 B 的传播时延 tP 
+ 结点 B 处理和排队时延 tPQB 
+ 结点 B 发送时延 tTB 
+ 结点 B 到 A 的传播时延 tP 
= 2 x 传播时延 tP 
+ 结点 B 处理和排队时延 tPQB 
+ 结点 B 发送时延 tTB 

【注意】
发送方发送数据的发送时延 tTA 不计入往返时间（RTT）。

七、利用率

信道利用率：信道被实际利用的时间比例，即有数据通过的时间占总时间的比例。
网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率越高越好吗？
高信道利用率虽然看起来理想，但根据排队论，当利用率增加时，时延也会迅速增加。这是因为高利用率可能导致信道排队时延增加，从而影响整体网络性能。因此，虽然追求高利用率很重要，但合理管理利用率以避免过高的时延是优化网络设计和管理的关键。

D0：网络空闲时的时延。
D：网络在当前的时延。
U：网络当前的利用率，数值在 0 到 1 之间。

由图可知，当信道的利用率增大时，该信道引起的时延迅速增加。

信道利用率过低，浪费资源。
信道利用率过高，易导致网络拥堵。