计算机网络技术：性能指标

2023-10-19 理论教育版权反馈

【摘要】：计算机网络的性能指标主要包括速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间和利用率。在计算机网络中，带宽用来表示某通道传送数据的能力。确切地说，带宽表示在单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”。网络通信量较大时，进入路由器的分组就会增加，排队时延也会延长。当计算机网络中的通信量过大时，网络中的许多路由器的处理时延和排队时延都会大大增加，这种情况下，处理时延和排队时延在总时延中占主导地位。

计算机网络的性能指标主要包括速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间和利用率。

（1）速率

计算机网络中的速率指数据的传送速率，也称为数据率或比特率，是计算机网络中最重要的一个性能指标。“比特”来源于binary digit，意思为“二进制数字”，是信息论中使用的信息量的单位。速率的单位是bit/s，若速率较高，则可在前面加上一个字母，代表更大的速率单位。例如，kbit/s 表示103 bit/s，Mbit/s 表示106 bit/s，Gbit/s 表示109 bit/s，Tbit/s 表示1012 bit/s，Pbit/s 表示1015 bit/s，Ebit/s 表示1018 bit/s。这样，2×1010 bit/s 的数据率就可记为20 Gbit/s。

通常情况下，在提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而非网络实际上运行的速率。

（2）带宽

带宽本来是指某个信号具有的频带宽度，信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。例如，传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1 kHz（从300 Hz ～3.4 kHz，即话音的主要成分的频率范围）。这种意义的带宽，单位是赫[兹]（Hz）。在过去很长一段时间，通信的主干线路传送的是模拟信号，因此，表示某信道允许通过的信号频带范围就称为信道的带宽。

在计算机网络中，带宽用来表示某通道传送数据的能力。确切地说，带宽表示在单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”。因此，带宽的单位与速率的单位是相同的。

在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路中的“带宽”越宽，所能传输的“最高数据率”也越高。

（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）的实际数据量。网络的吞吐量受带宽或网络额定速率的限制。例如，对于一个1 Gbit/s 的以太网，其额定速率为1 Gbit/s，则此以太网吞吐量的绝对上限值为1 Gbit/s。而这个网络的实际吞吐量可能只有100 Mbit/s，甚至可能更低，并没有达到额定速率。有时，吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示。吞吐量经常用于对现实世界中的某个网络进行测量，以便衡量实际上到底有多少数据量通过。

（4）时延

时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。它是计算机网络的一个重要性能指标，有时也被称为延迟或迟延。网络中的时延由以下几个不同的部分组成：

①发送时延，指发送数据时数据块从结点进入传输媒体所需要的时间。换句话说，从发送数据块的第一个比特算起，到该数据块的最后一个比特发送完毕所需的时间，即为发送时延。发送时延的计算公式如下：

pagenumber_ebook=23,pagenumber_book=16

由此可见，发送时延与所要发送的数据块长度成正比，与发送速率成反比。需要发送的数据帧越长，发送时延越大；发送速率越大，发送时延越小。

②传播时延，指电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。传播时延的计算公式如下：

pagenumber_ebook=23,pagenumber_book=16

电磁波在真空中的传播速率是光速，即3.0 ×108 m/s。电磁波在传输媒体中的传播速率比在真空中要略低一些，在铜线电缆中的传播速率约为2.3 ×108 m/s，在光纤中的传播速率约为2.0 ×108 m/s。这样，1 000 km 长的光纤线路产生的传播时延大约为5 ms。

以上两种时延在本质上是不同的。发送时延发生在机器内部的发送器中，与信道的长度无关。而传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，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。

③处理时延，指交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。例如，路由器收到分组后需要分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等，这些数据的分析与处理都需要运行程序，都会产生处理时延。

④排队时延，指数据进入结点或在转发前输出时在缓存队列中排队所经历的时延。数据在进入路由器后要先在输入队列中排队等待，当路由器确定了转发接口后，也要在输出队列中排队等待转发，这样便产生了排队时延。排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。网络通信量较大时，进入路由器的分组就会增加，排队时延也会延长。当通信量大到队列溢出时，排队时延则相当于无穷大。

这样，数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和，表述如下：

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

如图1.12所示，给出了这几种时延所产生的位置。

当计算机网络中的通信量过大时，网络中的许多路由器的处理时延和排队时延都会大大增加，这种情况下，处理时延和排队时延在总时延中占主导地位。其他情况下分析网络时延时，可以暂时忽略处理时延和排队时延，但究竟哪一个在总时延中占据主要成分，需要具体情况具体分析，下面举例说明。

【例1.1】现有一个200 MB 的数据块在带宽为1 Mbit/s 的光纤信道上连续发送，假设需传送至1 000 km 外的目的主机，总时延中的哪种时延占主导地位？若发送的数据块减小至200 B，情况又如何？

pagenumber_ebook=24,pagenumber_book=17

图1.12　几种时延产生的不同位置

【解析】根据题意，传播距离为1 000 km，则传播时延约为5 ms；

若发送的数据块为200 MB，发送速率为1 Mbit/s，则

发送时延=200 ×220 ×8 ÷106 s≈1 677.7 s

此时，在总时延中，发送时延占据主导地位。若想降低总时延，可以通过减小发送时延来达到目的。例如，将发送速率提高为原来的100 倍，即带宽由原来的1 Mbit/s 变为100 Mbit/s，总时延就会缩小到原来的1/100。

若发送的数据块为200 B，发送速率为1 Mbit/s，则(www.chuimin.cn)

发送时延=200 ×8 ÷106 s=0.001 6 s

这种情况下，传播时延在总时延中占主要部分，提高发送速率并不能缩短总时延。

若发送的数据块仅为1 个字节，当发送速率为1 Mbit/s 时，发送时延约为8 μs，总时延为5 ms，依然由传播时延主导。此时，即使将数据率提高到100 倍，总时延仍然为5 ms，并没有明显减小。

【注意】数据存储单位的表示与信息量的单位表示不同，在数据存储单位中，k（千）：210；M（兆）：220，以此类推。

【例1.2】在相隔2 000 km 的两地间通过电缆以4 800 bit/s 的速率传送3 000 bit 长的数据包，从开始发送到接收完数据需要的时间是多少？

【解析】由于电信号在铜缆上的传播速度大致为光速的2/3，也就是200 000 km/s。

若数据在传输过程中不经过中间结点，则

总时延=传播时延+ 发送时延=（2 000/200 000 +3 000/4 800）s =（10 +625）ms =635 ms。

【答案】635 ms

【同步练习】在相隔400 km 的两地间通过电缆以4 800 bit/s 的速率传送3 000 bit 长的数据包，从开始发送到接收完数据需要的时间是多少？

【解析】

总时延=传播时延+发送时延

传播时延=传输距离/传输速度

电信号在电缆上的传输速度大约是200 000 km/s，则

传播时延=400/200 000 s=2 ms，

发送延迟=数据帧大小/比特率=3 000/4 800 s=625 ms，

因此

总时延=（2 +625）ms=627 ms。

（5）时延带宽积

时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，它是传播时延和带宽相乘的结果。即

时延带宽积=传播时延×带宽

若发送端连续发送数据，则时延带宽积表示的含义为：从发送端开始发送数据，到第一个比特即将到达终点时，发送端所发送的比特。它也代表了发送端发出的但未到达接收端的比特。

（6）往返时间RTT

在计算机网络中，往返时间RTT（Round-Trip Time）是一个重要的性能指标。在许多情况下，互联网上的信息是双向交互的，有时很需要知道双向交互一次所需要的时间。由于存在往返时间，在传输数据时的有效数据率比发送速率会小一些。

例如，A 向B 发送数据，如果数据长度是100 MB，发送速率是100 Mbit/s，则

pagenumber_ebook=25,pagenumber_book=18

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）。这里假设往返时间RTT 为2 s，则A 向B 发送数据的有效数据率为：

pagenumber_ebook=25,pagenumber_book=18

可以看出，A 向B 发送数据的有效数据率比原来的发送速率100 Mbit/s 小。

（7）利用率

利用率又分信道利用率和网络利用率两种。信道利用率指某信道被利用（有数据通过）的时间占用百分比。完全空闲的信道利用率为零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率并非越高越好，根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，通过该信道进入网络结点（路由器或结点交换机）的数据量就会增加，相应地会带来排队时延和处理时延，因此，通过该信道引起的时延也就迅速增加。当网络的通信量很少时，适当提高网络的利用率对时延的影响不大。但若网络利用率达到一定的程度（如达到容量的1/2 时），时延就要加倍。时延过大，就会造成网络的瘫痪。因此，一些拥有较大主干网的网络服务提供商通常控制信道利用率为50%。如果超过了这个值，就要准备扩容，增大线路的带宽。

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