1.5、计算机网络的性能指标(1)

性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能。

常用的计算机网络的性能指标有以下8个

• 速率
• 带宽
• 吞吐量
• 时延
• 时延带宽积
• 往返时间
• 利用率
• 丢包率

1、比特

• 计算机中$数据量的单位$，也是信息论中信息量的单位。一个比特就是二进制数字中的一个1或0。
• 常用数据量单位
  • $8bit=1Byte$
  • $KB=2^{10}B$
  • $MB=K\cdot KB=2^{10}\cdot 2^{10}B=2^{20}B$
  • $GB=K\cdot MB=2^{10}\cdot 2^{20}B=2^{30}B$
  • $TB=K\cdot GB=2^{10}\cdot 2^{30}B=2^{40}B$

小案例

• 计算机中的一块固态硬盘，标准容量为250GB，但操作系统给出的容量为232.8GB。这是什么原因嗯?
• 计算公式
  • $\frac{250\times 10^9}{2^{30}}\approx 232.8(GB)$
• 主要由于现实中单位进制是1000，电脑是1024

2、速率

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为$比特率$或$数据率$。

• 常用数据率单位
  • $bit/s(b/s,bps)$
  • $kb/s=10^{3}b/s(bps)$
  • $Mb/s=k\cdot kb/s=10^3\cdot 10^{3}B=10^{6}B$
  • $Gb/s=k\cdot Mb/s=10^3\cdot 10^{6}B=10^{9}B$
  • $Tb/s=K\cdot Gb/s=10^3\cdot 10^{9}B=10^{12}B$

3、习题（比特&速率）

例1∶

• 有一个待发送的数据块，大小为100 MB，网卡的发送速率为100 Mbps，则网卡发送完该数据块需要多长时间?

解：

• $100MB=100\times 2^{20}B=100\times 2^{20}\times 8b$
• $100Mbps=100\times 10^{6}b/s$
• $\frac{100MB}{100Mbps}=8.388608s$

例2：

报文类似于指令的顺序方式

• 甲 -> 路由 -> 乙
• 报文传了两次，用时 1.6s

分组类似于指令的流水方式

• 每组1ms，第一组发送到路由器独占1ms，之后第2组到第800组路由转发到乙同时进行，最后再加800组的接受1ms，总共801ms
• 发送第一条的时候，路由器在等待，第二条开始甲和路由器可以同时运行，甲发送完后停止，路由器传最后一条
• 就是 1 + 799 + 1 ms

4、带宽

带宽在模拟信号系统中的意义

• $信号$所包含的各种不同频率成分所占据的$频率范围$;

• 单位:Hz (kHz，MHz，GHz)

例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽为3.1kHz

范围从300Hz到3.4kHz。这是话音的主要成分的频率范围。

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带宽在计算机网络中的意义

• 用来表示网络的$通信线路$所能传送数据的能力，

• 因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“$最高数据率$”;

• 单位: b/s (kb/s,Mb/s, Gb/s,Tb/s)

例如：你家出口网速多大

• 200M（往往省略说b/s）
• 完整的描述：最高速率为200Mb/s
  • 最高速率就是出口带宽

带宽是最大速率

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其实，“带宽”的这两种表述之间有着密切的联系。

一条通信线路的“频带宽度”越宽，其所传输数据的“最高数据率”也越高。

5、吞吐量

• 吞吐量表示在$单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。$

• 吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。

• $吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制。$

其吞吐量受带宽限制，最高位1Gb/s，通常只能到达700Mb/s，但可能只有100Mbit/s 甚至更低

6、时延

时延产生地方（分组从源主机传送给目的主机的过程中）

• 发送时延
  • 源主机将分组发往传输线路
• 传播时延
  • 代表分组的电信号在链路上传输，也需要花费一定的时间
• 处理时延
  • 路由器收到分组后，对其进行存储转发，也需要花费一定的时间

一般来说：

• 源主机和目的主机之闻的路径会由多段链路和多个路由器构成。

• 因此会有多个传播时延和处理时延

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发送时延

• 公式：$\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}$

• 网卡的发送速率，信道带宽，交换机的接口速率。它们共同决定着主机的发送速率。

• 例如：

  • 若网卡的发送速率为1Gb/s，信道带宽为1Gb/s，交换机的接口速率为1Gb/s，
    • 则主机的发送速率理论止最大可以达到1Gb/s
  • 若网卡的发送速率为100Mb/s，信道带宽为1Gb/s，交换机的接口速率为1Gb/s，
    • 则主机的发送速率理论止最大可以达到100Mb/s
  • …

传播时延

• $\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}$

• 电磁波在自由空间的传播速率： $3\times 10^{8}m/s$

  电磁皮在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些;

• 电磁波在铜线电缆中的传播速率： $2.3\times 10^{8}m/s$

• 电磁波在光纤电缆中的传播速率： $2.0\times 10^{8}m/s$ 。主要是降低发送速率

处理时延（排队时延 + 处理时延）（在这里合并统称）

• 一般不方便计算
• 因为网络中的数据流量是动态变化的,因此路由器的繁忙程度也是动态变化的。
• 另外。各种路曲器的软硬件性能也可能有所不同。

7、习题（时延）

思考题：

• 在处理时延忽略不计的情况下。网络总时延中是传播时延占主导呢，还是发送时延占主导?

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例3：

• 数据块长度为100 MB
• 信道带宽为1 Mb/s
• 传送距离为1000 km
• 计算发送延时和传播延时

解：

• 发送延时 = $\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}=\frac{100\times 2^{20}\times 8(b)}{1\times 10^{6}b/s}=838.8608(s)$

• 传播延时 = $\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}=\frac{1000\times 10^3(m)}{2\times 10^8(ms)}=0.005(s)$

• 为了方便计算。我们假设传输介质是光纤。

发送时延占据主导

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例4：

• 数据块长度为1 B

• 信道带宽为1 Mb/s

• 传送距离为1000 km

• 计算发送延时和传播延时

• 发送延时 = $\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}=\frac{1\times 8(b)}{1\times 10^{6}b/s}=8\times 10^{-6}(s)$

• 传播延时 = $\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}=\frac{1000\times 10^3(m)}{2\times 10^8(ms)}=0.005(s)$

• 为了方便计算。我们假设传输介质是光纤。

传播时延占主导

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一般说：

• 网络时延取决于传输数据的大小，数据越多，发送时延占据主导，数据越少，传播时延占据主导

但是应该具体问题具体分析