（考研湖科大教书匠计算机网络）第一章概述-第四节：计算机网络的性能指标

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文章目录

• • （1）速率

  • （2）带宽

  • （3）吞吐量

  • （4）时延

  • • ①：基本概念
    • ②：计算公式

  • （5）时延带宽积

  • （6）往返时间RTT

  • （7）利用率

  • （8）丢包率

计算机网络微课堂

计算机网络的性能指标 ：计算机网络的性能可以通过以下指标来度量

• 速率
• 带宽
• 吞吐量
• 时延
• 时延带宽积
• 往返时间RTT
• 利用率
• 吞吐率

在介绍下面的内容前，首先需要明确计算机中比特 的概念

比特（bit） ：在计算机科学和信息论领域中，比特是衡量数据量与信息量的基本单位。每个二进制位由'0'或'1'表示。最小的数据存储和传输单位是一个比特。常见的数据大小及其转换关系如次（这里K=2^{10}）。

• Byte（字节）= 8bit
• KB = 210B
• MB = K·KB= 220B
• GB = K·MB= 230B
• TB = K·GB= 240B

（1）速率

速率即指连接于计算机网络中的主机通过数字信道传输比特的速度；也可称为比特率或数据率；常用的数字单位及其转换关系如（此处采用K=103）所示

• b/s（bps或bit/s）
• kb/s = 103b/s
• Mb/s = k·kb/s = 106b/s
• Gb/s = k·Mb/s = 109b/s
• Tb/s = k·Gb/s = 1012b/s

例1：假设有一个待发送的数据块大小为100MB，请计算该网卡传输这个数据块所需的时间。

解：将数据块大小与传输速率代入公式进行计算：

\frac{100\text{ MB}}{100\text{ Mb/s}} = \frac{\text{MB}}{\text{Mb/s}} = \frac{2^{20}\text{B}}{1\text{s} \times 1e6\text{b}} = \frac{\text{(2^{20} × 8)b}}{(1e6 × 8)\text{s/b}} ≈ 8.3886s

注意事项：

• 在实际应用中虽然单位不同但为了简化计算我们可以暂时忽略这一差异
• 在估算时通常允许这样的简化处理

（2）带宽

带宽 ：如下

模拟信号中的频率成分及其单位

* **例如** ：在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1`kHz`  

在计算机网络中的意义：带宽体现为通信线路所能传送数据的能力。其数值反映出一定时间间隔内从网络中的一点传输到另一点所能达到的最高数据率，并具有相同的量纲。

（3）吞吐量

吞吐量：衡量单位时间内通过特定网络（如信道、接口）传输的数据总量；该指标通常用于评估实际网络性能以确定实际传输效率；此外，在实际应用中受到网络带宽或理论最大传输速率等限制因素的影响

例如，下图是一个带宽为1Gb/s的以太网，其吞吐量通常只能到达700Mb/s

（4）时延

①：基本概念

传输延迟指的是将数据从网络或通信链路的一端传输到另一端所需的时间，在以秒为单位的情况下，网络传输延迟主要由以下三个方面的内容组成。

发送时延 ：源主机将分组发往传输线路 所花费的时间

传播时延 ：代表分组的电信号在链路上传输 所花费的时间

处理时延 ：路由器收到分组后对其进行存储转发 所花费的时间

因此可知网络传输时间可被划分为发送延迟、传输延迟以及处理延迟三个主要组成部分。由此可知源主机与目的主机之间通过多条链路及多个路由器相连。从而会产生多种传播延迟及处理延迟。

②：计算公式

发送时延 ：计算公式如下

\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}

这里高度重视传输速率，并由三个具体指标共同作用于其确定；实际发送效率则取决于其中的关键因素。

传播时延 ：计算公式如下

\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}

电磁波在不同介质中传播速率不同

• 自由空间（等于光速） ：3×10^{8}m/s
• 铜线 ：2.3×10^{8}m/s
• 光纤 ：2.0×10^{8}m/s

在处理时延方面：因为网络中的数据流量是动态变化的，在实际运行过程中也会影响路由器的工作状态。然而，并没有统一的标准计算公式来精确量化这一过程，在相关考试题目中通常会忽略这一因素以简化问题设置。

例2

注意 ：

• 如果将数据块长度改为1B，那么最终发送时延为8×10^{-6}s，传播时延仍然是0.005s

（5）时延带宽积

在信道传输性能分析中

如图所示，在分析信息传递系统时可将传输线路比作一个通道 ，其特征参数包括信号传递的时间延迟（即线路上的信息传输长度）以及数据传输速率（由线路上的信息处理宽度决定）。因此可以得出结论：信号传递时间与数据传输速率的乘积等于该通道的整体容量

（6）往返时间RTT

Round-Trip Time (RTT)：在许多实际应用中，互联网信息通常需要进行双向传输。为了准确评估网络性能，我们需要精确测量单次往返所需的时间间隔。

如图所示的具体而言, 往返时间 RTT 指的是包括源主机发送数据分组在内的整个过程, 从源主机发送数据分组开始, 直至接收目标主机确认响应分组完成所需的时间。

（7）利用率

利用率 ：利用率包括如下两种

• 信道利用率：用来衡量某信道被使用的所占比例。
  • 网络利用率：即为全网络各信道利用率的加权平均值。

其中，在特定情况下（或条件下），网络空闲时延 D_{0}、当前时延 D 与利用率 U 的关系如下所示（或可得）

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

函数图像如下所示

当网络利用率达到一定程度时，该系统的响应时间会增加一倍。
当网络利用率进入50%以上区域后，系统的延迟会出现显著提升。
当系统接近满负荷运转（即99.99%的工作负载）的时候,延迟将趋近于无限增长。

因此信道利用率 不能太高也不能太低

• 太高 ：会使网络拥挤，时延会急剧增大
• 太低 ：会使浪费宝贵的通信资源

为了确保网络运行效率和稳定性，在实际应用中可采用一种动态管理机制。

（8）丢包率

丢包率（Packet Loss Rate）：亦即分组丢失率。对于网络运维人员而言，这是一个高度关注的关键性能指标。具体而言，在指定的时间段内，在网络传输过程中丢失的分组数量与总分组总量的比例反映了网络的整体稳定性。该比率通常用于评估网络传输质量，并可划分为若干类型以进行更细致的分析。

• 接口丢包率
• 结点丢包率
• 链路丢包率
• 路径丢包率
• 网络丢包率

分组丢失主要有以下两种情况

• 分组在传输中出现编码错误时会被结点舍弃。
• 分组进入一个队列饱和的交换机时会无法处理而丢失。

丢包率反映了网络的拥塞情况

• 无拥塞 ：0
• 轻度拥塞 ：1%~4%
• 严重拥塞 ：5%~15%