【計算機網絡】計算機網絡的性能指標——時延、時延帶寬積、往返時延、信道利用率

計算機網絡的性能指標

【計算機網絡】計算機網絡的性能指標——時延、時延帶寬積、往返時延、信道利用率_數據

導讀

大家好，很高興又和大家見面啦！！！

在上一篇內容中我們介紹了計算機網絡的三個性能指標——速率、帶寬和吞吐量。用大白話來說就是：網速、最高網速和實時網速。相信大家看到這三個詞應該就能夠理解這三種性能指標了。

前面我們也說過，計算機網絡主要有7個性能指標。在今天的內容中，我們將會介紹剩下的4種性能指標——時延、時延帶寬積、往返時延以及信道利用率。下面我們就直接進入今天的主題。

一、時延（Delay）

1.1 定義

時延是指數據（一個報文或分組）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的總時間，它由4部分構成；發送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延。

1.1.1 發送時延

發送時延也稱傳輸時延。節點將分組的所有比特推向鏈路所花的時間，即從發送分組的第一個比特算起，到該分組的最后一個比特發送完畢所花的時間。

1.1.2 傳播時延

傳播時延是指電磁波在信道（傳輸介質）中傳播一定的距離所花的時間，即一個比特從鏈路一端傳播到另一端所需的時間。

1.1.3 處理時延

處理時延是指分組在交換節點為存儲轉發而進行的一些必要處理所花的時間。例如分析分組首部、差錯檢驗或查找合適的路由等。

1.1.4 排隊時延

排隊時延是指分組在路由器的輸入隊列或輸出隊列中排隊等待所花的時間。

因此數據在網絡中經歷的總時延就是以上4部分時延之和：

1.2 個人理解

時延就是消耗的總時間，數據在網絡中從一端發送到另一端需要經歷4個過程：

發送：節點將數據分組全部發送到鏈路中，這一步所花的時間就是發送時延；
傳播：這些數據在鏈路中進行傳播時需要花費的時間，這就是傳播時延；
排隊：分組在傳播到節點后，節點無法一次全部進行接收處理，所有的分組只能一個一個排隊等待節點的處理，這一步所消耗的時間就是排隊時延；
處理：各個節點在處理分組時，并不是瞬間完成，每一個分組都需要進行相應的處理，以確保能夠正確的轉發到下一個節點中，這時所消耗的時間就是處理時延；

【計算機網絡】計算機網絡的性能指標——時延、時延帶寬積、往返時延、信道利用率_數據_05

我們以上圖為例，分別來介紹這4步：

發送：這里總共有4處發送時延：

數據分組從計算機1發送到鏈路中
數據分組從路由器1轉發到鏈路中
數據分組從路由器2轉發到鏈路中
數據分組從路由器3轉發到鏈路中

傳播：這里總共有4處傳播時延：

數據分組在計算機1與路由器1之間傳播
數據分組在路由器1與路由器2之間傳播
數據分組在路由器2與路由器3之間傳播
數據分組在路由器3與計算機2之間傳播

排隊：這里總共有3處排隊時延：

路由器1在接收到分組后，分組需要排隊等待處理
路由器2在接收到分組后，分組需要排隊等待處理
路由器3在接收到分組后，分組需要排隊等待處理

處理：這里總共有3處處理時延：

路由器1對分組進行處理
路由器2對分組進行處理
路由器3對分組進行處理

1.3 注意事項

是否要計算目的地的時延？

這時有朋友可能會疑惑，為什么你這里都沒有提到計算機2對數據的處理時延與排隊時延呢？

對于這個問題，我給出的解釋是，在這個例子中，我將其忽略了，我這里關注的是網絡傳播過程中產生的各種時延；
但是，嚴格意義上來說，如果要求計算的是端到端的的時延，那么我們就需要計算最后一個節點——計算機2的處理時延與排隊時延。

因此我們在解決實際問題時，一定要注意分清實際的需求：

我們在以下3種情況下可以忽略目的地的時延：

需要簡化模型時，可忽略
目的地時延太少，可以忽略不計時，可忽略
題目沒有明確說明要計算端到端的時延時，可忽略

區分傳輸時延與傳播時延

在數據的整個傳播過程中，發送時延又可稱為傳輸時延，別看傳輸與傳播只有一字之差，它們二者的含義卻截然不同：

傳輸時延：數據從節點傳輸到鏈路中所消耗的時間
傳播時延：數據從鏈路傳播到節點中所消耗的時間

從定義上來看，它們的起始點與目的地就不相同，一個是數據從節點到鏈路中所消耗的時間；一個是從鏈路到節點中所消耗的時間。

從影響因素上來看，它們也是有區別的：

傳輸時延：與分組的長度和發送的速率有關
傳播時延：與信道長度和信道上的傳播速率有關

一個是與數據的大小以及節點的性能相關；一個是與信道的長度以及傳輸介質相關；

因此一定要分清這兩種時延，為了避免出錯，當我們看到傳輸時延是，直接將其修改成發送時延。一個發送一個傳播這樣我們就不會弄混了。

二、時延帶寬積

2.1 定義

時延帶寬積是指發送端發送的第一個比特即將到達終點時，發送端已發出了多少比特，也稱以比特為單位的鏈路長度，即：

2.2 個人理解

時延帶寬積乍一看不太好理解，下面我們將其公式修改一下，相信大家就能夠理解了：

時延帶寬積 = 傳播時延 × 信道帶寬↓         ↓         ↓S    =    t    ×    v

看到這個公式，大家是不是就理解了，所謂的時延帶寬積不就是時間與速度的乘積嗎！！！因此其結果應該是在時間t內以速度v所行駛的距離。

只不過這里的時間是數據也就是比特在信道上的傳播時延，這里的速度是信道的帶寬，因此求出來的距離應該是信道的長度。

但是如果只是理解成信道長度的話，還是不太契合，因此我們需要在長度的基礎上進一步理解：

【計算機網絡】計算機網絡的性能指標——時延、時延帶寬積、往返時延、信道利用率_接收端_07

從幾何的角度理解就是：

傳播時延：鏈路對應的圓柱體的高
帶寬：鏈路橫截面可以容納的比特數量
鏈路帶寬積：鏈路對應圓柱體可以容納的比特總數量

三、往返時延（Round-Trip Time, RTT）

往返時延指的是從發送端發出一個短分組，到發送端收到來自接收端的確認（接收端收到數據后立即發送確認）總共經歷的時間。

3.2 個人理解

往返時延也就是我們所說的網絡延遲，當兩臺計算機進行通信時，其中一臺計算機向另一臺計算機發送消息，另一臺計算機在接收到消息后，需要回復一個確認信號，用來告訴該計算機，消息我已經收到了。

往返時延就是消息發送完后，到收到確認消息所花費的時間，如下所示：

【計算機網絡】計算機網絡的性能指標——時延、時延帶寬積、往返時延、信道利用率_接收端_08

這里我們假設通信雙方是由一條鏈路直接連接，中間沒有交換機啥的，那么在一次信息的發送與確認的過程中，各階段的時間消耗如下：

t1是數據在信道中的傳播時延
t2是接收方處理數據的排隊與處理時延
t3是接收方發送確認信息的發送時延
t4是確認信息在信道中的傳播時延
RTT是整個過程的往返時延

由上圖我們可以很清楚的看到，往返時延是不包含發送方的發送時延的，并且由于我們假設的是雙方直接由一條鏈路連接，因此中間就省去了交換機的存儲轉發這個過程消耗的時間。

不過我們要清楚的是，我們這里沒有展示，不代表實際的過程中沒有。在互聯網中，往返時延還包括各中間節點的處理時延、排隊時延及轉發數據時的發送時延。

四、信道利用率

信道利用率是指某個信道百分之多少的時間是有數據通過的。

4.2 個人理解

信道利用率實際上就是在數據傳輸的過程中，對信道使用的百分比。

當信道中有數據通過時，才表示信道在被使用。在實際的數據傳輸過程中，信道并不會一直都有數據通過，因此信道利用率可以根據信道被使用的時間與信道被占用的總時間的比值求得。

信道利用率太低會浪費網絡資源，這里我們可以例舉一個最簡單的例子——電路交換。

在電路交換中，數據在進行傳輸前需要發送方和接收方之間建立一條專屬的通信通道，此時這條通信通道就被發送方與接收方獨占了。

我們不難發現，在數據傳播的整個過程中，鏈路的大部分時間都是沒有數據通過的，因此我們說電路交換的信道利用率太低了，嚴重浪費了通信資源。

但這并不意味著信道利用率并非越高越好，信道利用率太高會產生較大的時延，導致網絡擁塞。

結語

在今天的內容中我們介紹了計算機網絡的4種性能指標：

時延：是數據從網絡的一端發送到另一端所需要的總時間，由發送時延、傳播時延、排隊時延、處理時延組成。
時延帶寬積：是指鏈路中可以容納的比特數量
往返時延：是指數據從發送端發送到接收端后，發送端接收到接收端回復的確認信息的總時間，由數據在鏈路中的傳播時延t1，接收方接收到數據后的排隊時延與處理時延t2，接收方發送確認信息的發送時延t3以及確認信息在鏈路中傳播的傳播時延t4組成。
信道利用率：在數據傳輸的過程中，對信道的實際使用率。

今天的內容到這里就全部結束了，在下一篇內容中我們將介紹《計算機網絡的體系結構》，大家記得關注哦！

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