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分組交換網中的時延、丟包和吞吐量

因特網的存在，為運行在端系統上的分布式應用提供了很好的服務。希望能通過因特網在任意兩個端系統之間移動數據且不丟失數據，理想很美好，可現實卻很難達到。因為，計算機網絡中必然會限制端系統之間的吞吐量（每秒能夠傳送的數據量），在端系統之間引入時延，實際上也會丟失分組，這是難免的。

由於分組交換憑借其更好的帶寬共享服務以及更高效簡單的模式，電信網絡已經向着分組交換的方向高速發展，所以了解分組交換就顯得非常重要，接下來整篇都將對分組交換網絡進行探究。

一、時延概述

分組由源出發，通過一系列路由器傳輸，在目的地結束，在這一過程中，經受着各種各樣的時延。端到端時延（即源向目的地傳輸分組的總時延）由眾多節點時延組成。

1. 處理時延

• 檢查分組首部，決定分組導向需要的時間。

• 檢查比特級別的差錯需要的時間。

2. 排隊時延

• 分組在鏈路上等待傳輸的時間。

• 取決於前期到達的正在排隊等待向鏈路傳輸分組的數量。

• 當然數量越少，當然排隊時延越小咯。

3. 傳輸時延

• 是將所有分組的比特推向鏈路的時間。

• 是分組長度和鏈路傳輸速率之間的函數，與路由器之間距離無關。

4. 傳播時延

• 比特上路后，在起點到路由器之間傳播需要的時間。

• 是兩台路由器之間距離的函數。

計算機網絡性能測度：時延，丟包，端到端吞吐量。

二、排隊時延

排隊時延與其他三種節點時延不同，它對於不同的分組是不同的。比如第一個到的分組就沒有時延，最后一個到的分組就可能有很大的時延。所以，人們通常用統計量來度量排隊延時。（平均排隊時延，方差，概率等）。

假設：

a → 分組到達隊列的平均速率（分組/每秒）

R → 傳輸速率，隊列中推出比特的速率（比特/每秒)

L → 一個分組由L個比特組成（比特/分組)

基於以上假設，La則是比特到達隊列的平均速率，單位為比特/每秒。而La/R則稱為流量強度（traffic intensity）。可以知道如果流量強度>1,即La比R大的話，就會一直排隊，排隊時延將會一直增長！很可怕！！

當流量強度<=1時，這時達到流量的性質影響着排隊時延，即流量是周期性到達還是以突發形式達到。大致結論為：周期性達到分組沒有排隊時延，相反，突發性達到則有可能會有很大的排隊時延。

當然，現實情況下，分組之間的時間間隔是隨機的，對以上邊界值的討論就顯得有些偏向理論，但是能夠表示接近值。也就是說，當流量強度接近於0，則平均排隊時延也將接近於0；如果流量強度接近與1，平均排隊長度也會越來越長，而且接近於1時，增加速率也迅速變大。

三、丟包

當流量強度接近於1時，由於容量有限，排隊時延並不會趨向無窮大，隊列滿了，后面來的分組無處可去，就被路由器所丟棄（drop），也就出現了丟包的現象。

四、端到端時延

• 也就是各個節點時延的總和。假設源主機和目的地主機之間有N-1台路由器，且網絡無擁塞，那么端到端時延可以表示為：d = N*（處理時延+傳輸時延+傳播時延）

• 端系統的其他時延

  • 希望向共享媒體傳輸分組的端系統可能有意地延時傳輸，作為它與其他端系統共享媒體地協議的一部分。

  • 媒體分組化時延。

五、計算機網絡中的吞吐量

為了定義吞吐量(throughput)，考慮吧從主機A到主機B跨越計算機網絡傳輸一個大文件。

例1: P2P（Peer to Peer）文件共享系統中兩個對等方之間的傳輸。P2P網絡環境中彼此相連的計算機擁有對等的地位，不需要專用的集中服務器作為依賴。

如果傳輸的文件由F比特組成，傳輸時間為T秒，則文件傳送的平均吞吐量為F/T bps。

舉一個服務器通過兩條鏈路和一個路由器和客戶相連的例子。

Rs表示服務器與路由器之間的鏈路速率。

Rc表示路由器與客戶之間的鏈路速率。

對於簡單的兩鏈路網絡，吞吐量就是min{Rs，Rc}，即兩者的最小值，也就是瓶頸鏈路的傳輸速率。書上用流體和管道的類比，我個人認為有點類似與短板效應，你傳輸文件的速率取決與各鏈路上的最小的速率。

以此推廣，可以知道，N條鏈路的情況類似，吞吐量為min{R1,R2...Rn},還是所有鏈路的最小速率。

例2:

在上一例的基礎上連入網絡，即使在網絡核心中所有鏈路的傳輸速率都遠遠高於Rs和Rc，但最終吞吐量仍然是Rs和Rc的最小值。

總結：因特網中對吞吐量的限制因素通常時接入網。

例3：

多個用戶從多個服務器下載文件，依舊連接網絡核心。

假設網絡核心中有一條所有下載通過的鏈路，且瓶頸鏈路的速率為R。

• R的數量級遠遠大於Rs,Rc時，吞吐量為min{Rs,Rc}。

• R與Rc，Rs擁有相同數量級時，假設現在兩個用戶從兩台服務器上下載文件，Rs=Rc=2 Mbs，R=3 Mbs，這時兩個下載平等划分傳輸速率R，R/2<min{Rs,Rc},這時瓶頸不在位於接入網，而是位於核心中的共項鏈路，且吞吐量為3/2=1.5 Mbs。

**總結：**吞吐量不僅僅取決於沿着路徑的傳輸速率，還取決於干擾量，比如有許多其他的數據流都通過一條共享鏈路流動，就算這條路本身確實速度很快，但路上的東西一多，也會堵起來，是一個道理。