【网络奇遇记】揭秘计算机网络性能指标：全面指南

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系列专栏：网络奇遇记、数据结构
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前言

    计算机网络的性能指标是用来衡量和评估网络的各种性能方面的指标。常用的有速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率及丢包率这8个性能指标。通过对这些指标的监测和优化，可以提升网络的性能和效率。

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一. 速率

1.1 数据量

首先我们先来看看数据量的单位：

• 数据量的基本单位：比特（bit, 记为小写b）是计算机中数据量的基本单位，一个比特就是二进制数字中的一个0或1。

• 数据量的常用单位：字节（byte，记为B）、千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）以及太字节（TB）。

单位	换算关系
比特（b）	基本单位
字节（B）	1 B = 8 bit
千字节（KB）	1 KB = 1024 B = 2^10 B
兆字节（MB）	1 MB = 1024 KB = 2^20 B
吉字节（GB）	1 GB = 1024 MB = 2^30 B
太字节（TB）	1 TB = 1024 GB = 2^40 B

1.2 速率

计算机网络中的速率是指数据的传送速率（即每秒传送多少个比特），也称为数据率或比特率。

• 速率的基本单位：比特/秒（bit/s，可简记为b/s。有时也记为bps，即bit per second)。

• 速率的常用单位：千比特/秒（kb/s）、兆比特/秒（Mb/s）、吉比特/秒（Gb/s）以及太比特/秒（Tb/s）。

单位	换算关系
比特/秒（b/s）	基本单位
千比特/秒（kb/s）	1 kb/s = 10^3 b/s
兆比特/秒（Mb/s）	1 Mb/s = 10^3 kb/s = 10^6 b/s
吉比特/秒（Gb/s）	1 Gb/s = 10^3 Mb/s = 10^9 b/s
太比特/秒（Tb/s）	1 Tb/s = 10^3 Gb/s = 10^12 b/s

注意：

• 数据量单位中的K、M、G、T的数值分别为2^10、2^20、2^30、2^40；
• 速率单位中的k、M、G、T的数值分别为10^3、10^6、10^9、10^12；

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二. 带宽

带宽的两种含义：
带宽在模拟信号系统中的意义

• 带宽在模拟信号系统中的意义：是指某个信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围；
• 单位 ：赫兹(Hz)，简称 “赫”。常用的单位有千赫（kHz）、兆赫（MHz）以及吉赫（GHz）等等。

带宽在计算机网络中的意义

• 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，即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。

• 基本单位：比特/秒（b/s或bps)。

• 常用单位：千比特/秒（kb/s）、兆比特/秒（Mb/s）、吉比特/秒（Gb/s）以及太比特/秒（Tb/s）。

补充：
带宽的上述两种表述有着密切的关系：线路的 “频率带宽” 越宽，其所传输数据的 “最高数据率” 也越高。

    在实际应用中，主机的接口速率、线路带宽、交换机或路由器的接口速率遵循 “木桶原则”，也就是数据传送速率从主机接口速率、线路带宽以及交换机或路由器的接口速率这三者中取最小值。

课外小知识：
    木桶原则：一个水桶无论有多高，它盛水的高度取决于其中最低的那块木板。因此，也称为短板原则。

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三. 吞吐量

    吞吐量是指在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。吞吐量常被用于对实际网络的测量，以便获知到底有多少数据量通过了网络。

    举例说明吞吐量的概念，假设某用户接入因特网的带宽为100Mb/s，该用户同时使用观看网络视频、浏览网页以及给文件服务器上传文件这三个网络应用。播放网络视频的下载速率为20Mb/s，访问网页的下载速率为600kb/s，向文件服务器上传速率为1Mb/s，则网络吞吐量就是下载速率和上传速率的总和，即20Mb/s+600kb/s+1Mb/s=21.6Mb/s。

注意：吞吐量会受网络带宽的限制。

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四. 时延

        时延是指数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间，也称为延迟或迟延。数据可由一个或多个分组、甚至是一个比特构成。网络中的时延由发送时延、传播时延、排队时延以及处理时延这四部分组成。

4.1 发送时延

    发送时延是主机或路由器发送分组所耗费的时间，也就是从发送分组的第一个比特开始，到该分组的最后一个比特发送完毕为止所耗费的时间。如上图所示，有两个发送时延：一个是主机A将分组发送给路由器所耗费的时间，另一个是路由器将该分组转发出去所耗费的时间。

发送时延的计算公式如下图所示：

4.2 传播时延

    传播时延是电磁波在链路（传播介质）上传播一定的距离所耗费的时间。如上图所示，有两个传播时延：一个是分组的最后一个比特信号从主机A传播到路由器所耗费的时间，另一个是该分组的最后一个比特的信号从路由器传播到主机B所耗费的时间。

发送时延的计算公式如下图所示：

电磁波在链路上的传播速率主要有一下三种：

• 电磁波下自由空间中的传播速率约为3x10^8 m/s；
• 电磁波下铜线电缆中的传播速率约为2.3x10^8 m/s；
• 电磁波下光纤中的传播速率约为2x10^8 m/s；

4.3 排队时延

    当分组进入路由器后，会在路由器的输入队列中排队缓存并等待处理。在路由器确定了分组的转发接口后，分组会在输出队列中排队缓在并等待转发。分组在路由器的输入队列和输出队列中排队缓存所耗费的时间就是排队时延。

排队时延一般无法用一个简单的公式进行计算。

4.4 处理时延

路由器从自己的输入队列中取出排队缓存并等待处理的分组后，会进行一系列处理工作。例如，检查分组的首部是否误码、提取分组首部中的目的地址、为分组查找相应的转发接口以及修改分组首部中的部分内容(例如生存时间)等。路由器对分组进行这一系列处理工作所耗费的时间就是处理时延。

与排队时延类似，处理时延一般也无法用一个简单的公式进行计算。

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五. 时延带宽积

    时延带宽积是传播时延和带宽的乘积。时延带宽积的计算公式如下所示：

    我们可以将链路想象成一个圆形管道，管道的长度是链路的传播时延（即以时间作为单位来表示链路长度），管道的横截面积是链路的带宽，如下图所示。时延带宽积就相当于管道的容积，表示这样的链路可以容纳的比特数量。

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六. 往返时间

    往返时间（RTT）是指从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。我们将网络简化成主机A和主机B通过一台路由器进行相连，共两段链路。主机A给主机B发送数据分组（下图 ①），主机B收到数据分组后给主机A发送相应的确认分组（下图 ②）。从主机A发送分组数据分组开始，到主机A收到主机B发发来的相应确认分组为止，就是一次交互的往返时间。

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七. 利用率

利用率有链路利用率和网络利用率两种。

链路利用率：

链路利用率是指某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。完全空闲的链路的利用率为零。

网络利用率

网络利用率是指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。

当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会迅速增加。例如，当公路上的车流量增大时，公路上的某些地方会出现拥堵，所需行车时间就会变长。网络也是如此，当网络的通信量较少产生的时延并不大，但网络的通信量不断增大时，分组在交换节点（路由器或交换机）中的排队时延会随之增大，因此网络引起的时延就会增大。

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八. 丢包率

    丢包率是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。丢包率可以分为接口丢包率、节点丢包率、链路丢包率、路径丢包率以及网络丢包率等等，如下图所示：

分组丢失主要有以下两种情况：

• 分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机（例如路由器）或目的主机检测出误码而丢弃。
• 节点交换机根据丢弃策略主动丢弃分组

丢包率可以反映网络的拥塞情况：

• 无拥塞时路径丢包率为0；
• 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%；
• 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%。

当网络的丢包率较高时，通常无法正常使用网络应用。

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结语

     今天的干货分享到这里就结束啦！如果觉得文章还可以的话，希望能给个三连支持一下，聆风吟的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是作者前进的最大动力！