【計算機網絡】聊一聊那些常見的網絡通信的性能指標


帶寬

 
信道傳輸的是電磁波信號,而電磁波是有一定的頻率范圍,帶寬指的就是這段有效的頻率范圍的值
即:帶寬 = 最高有效頻率 - 最低有效頻率
 
好比我們人的耳朵能聽見一定頻率范圍內的聲音(20 -20000Hz),那么19000Hz就是我們耳朵的“帶寬”
 
不同的信道,其帶寬(頻率范圍)是不一樣的,根據帶寬的不同,可將信道划分為窄帶信道(0 - 300Hz), 音頻信道(300 - 3400Hz)和寬帶信道(帶寬為3400Hz以上)。我們平常說的“裝寬帶”,意思就是安裝3400Hz以上帶寬的信道的意思
 

數據傳輸速率

 
數據傳輸速率信道每秒能傳輸的比特數,所以它的單位自然就是bps(比特每秒),除此外還有Kbps,Mbps等
 
【注意】理論分析證明,信道的最大數據傳輸速率和帶寬有直接聯系,信道帶寬越寬,數據傳輸速率就越大,因此在許多情況下,“帶寬”和“傳輸速率”是可以互換的。
 

時延

 
分組交換網絡的時延為例(因為當前因特網和計算機網絡主要采用的數據交換技術是分組交換)
時延
當一個分組在節點間傳輸時,主要的時延分為四種類型: 節點處理時延(nodal processing delay),排隊時延(queuing delay),傳輸時延(transmission delay)和傳播時延(propagation delay)
 
如果將這四種類型的時延分別表示為d(proc),  d(queue),d(trans), d(prop)
對一個分組而言,兩個節點間的總時延d = d(proc) + d(queue)  + d(trans) + d(prop)
 
假設發送端到接收端間有N條鏈路
則對一個分組而言,忽略其他因素,端到端總時延d(end-end) = N × (   d(proc) + d(queue)  + d(trans) + d(prop)  )
 
下面我將從單個分組從路由器A到相鄰的路由器B的傳輸的情況入手,分別介紹這四種不同類型的時延
圖示如下:
 
 
 

 

處理時延

當分組到達路由器A時,首先要做的是檢查分組首部並決定將該分組導向何處,並檢查比特級差錯,這部分的時間消耗叫做處理時延。
 

排隊時延

分組在經過路由器A的處理后,下一步就是傳輸出去。一個分組的排隊時延取決於先到達的,正在排隊等待向鏈路傳輸的分組的數量
1.如果前面沒有分組正在從路由器A向鏈路傳輸的話,排隊時延為0
2.如果流量很大,前面有很多分組正在傳輸或也在等待傳輸,那么就要消耗很大的排隊時延了。
 

傳輸時延

傳輸時延是路由器A將分組的所有比特推出路由器A,推向鏈路所需要的時間。傳輸時延取決於兩個因素:
1. 單個分組長度
2. 數據傳輸速率
假設分組的長度為L比特,數據傳輸速率為R (bps) 那么  傳輸時延 = L/R
【注意】傳輸時延又叫做存儲轉發時延
 

傳播時延

(這個概念聽起來和傳輸時延很相似,區別我下面會講)
 
傳播時延指的是分組的一個比特從路由器A到達到路由器B所需要的時間,傳播時延取決於兩個因素:
1.鏈路介質(雙絞線,光纖)的傳播速率
2. 節點間的距離(兩個路由器間的距離)
假設路由A,B距離為d, 鏈路介質傳播速率為s,那么傳播時延 = d/s
 
傳輸時延和傳播時延的比較
 
我們把一個分組從路由器A傳輸到路由器B的過程,比作一批車隊(10輛汽車), 全部從收費站A行駛到收費站B的過程(中間經過高速公路
 

 

一批車隊 == 一個分組
一輛汽車 == 一個比特 (暫時不管分組長度是否合理)
收費站A,B == 路由器A,B
 
這批車隊遵守一個“奇怪”的規則,那就是無論哪一輛汽車先到達收費站A,它都必須等待其他9輛汽車也都尾隨其后到達了A,才帶領這批車隊依次駛出收費站A。(這就是存儲轉發機制,只有當一個分組的所有比特都到達了路由器,“存儲完畢“后,才能轉發整個分組
 
傳輸時延就是這批車隊依次(前后緊跟)地駛出收費站A所用的時間(將分組的所有比特推出路由器A,推向鏈路所用的時間)
傳播時延就是每輛汽車經過高速公路,從收費站A到達收費站B所用的時間(分組的一個比特從路由器A到達到路由器B所需要的時間)
 
假設收費站辦理手續,通過汽車的效率是 5 (輛/每分鍾),而汽車在高速公路上行駛速度是100km/h。那么,因為兩個收費站間距離為100km,一批汽車有10輛
 
我們可以得出,這批汽車通過收費站所用的時間為10輛 ÷ 5(輛/每分鍾) = 2分 (傳輸時延)
汽車在高速公路上行駛所用的時間為100km ÷  100km/h = 1h (傳播時延)
總共用時62分鍾
 
 
 

丟包率

 
丟包意為分組丟失,什么原因會導致分組丟失呢? 這和我們上面所說的”排隊時延“有關,我們說到:當大量分組在短時間內到達路由器的時候,因為無法一次性處理完畢,分組需要”排隊“,但是基於路由器的設計和成本,分組隊列的長度是有限的。所以,當隊列滿了的時候,下一個分組到達的時候,路由器會選擇丟棄(drop)該分組, 這個分組便丟失了(lost),這就是所謂的丟包
 
丟包率與分組長度以及分組發送頻率相關。
 

吞吐量

 
吞吐量的單位和數據傳輸速率一樣,也是bps,所以它雖然名為“量”,其實也還是一種“速率”
 
瞬時吞吐量和平均吞吐量
 
從服務器到客戶機通過計算機網絡傳送一個大文件,任意時刻客戶機接收該文件的速率叫做瞬時吞吐量(instantaneous throughput)
假設客戶機接收該文件的所有F比特用了T秒,那么 F/T就叫做平均吞吐量(average throughput)
 
吞吐量 == 瓶頸鏈路的傳輸速率
 
吞吐量等於瓶頸鏈路(bottle link)的傳輸速率
 
讓我們考慮下圖中盡可能簡單的情況,R(s)表示服務器和路由器之間的鏈路速率,R(c)表示路由器和客戶機之間的鏈路速率,顯然,該服務器不能以快於R(s)的速率向鏈路中輸送比特,路由器也不能以快於R(c)的速率轉發比特。
 
 

 

如果R(s) < R(c),那么服務器輸送的比特能夠"暢快地"通過路由器和客戶機間的鏈路到達客戶機。速率為R(s)
如果R(s) > R(c) 則因為路由器將不能以接收的速率轉發比特,所以鏈路速率為R(c)
 
所以 上圖中吞吐量為min{ Rc, Rs } bps
 
 
同樣的,對下面這n條鏈路
 

 

 
吞吐量為min{ R1, R2, ... Rn }
 

誤碼率

誤碼率是衡量通信系統傳輸可靠性的指標,它指的是錯誤接收的碼元數在所傳輸的總碼元數的比例
計算公式: 誤碼率=錯誤碼元數/傳輸總碼元數
 
 

參考書籍

《計算機網絡-自頂向下》  作者 James F. Kurose
《計算機網絡技術基礎教程》作者 劉四清
 
 
 
 

 


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