【计算机网络】聊一聊那些常见的网络通信的性能指标

参考书籍

• 《计算机网络-自顶向下》 作者 James F. Kurose
• 《计算机网络技术基础教程》作者 刘四清

带宽

信道传输的是电磁波信号，而电磁波是有一定的频率范围，带宽指的就是这段有效的频率范围的值,即：带宽 = 最高有效频率 - 最低有效频率

好比我们人的耳朵能听见一定频率范围内的声音（20 -20000Hz）,那么19000Hz就是我们耳朵的“带宽”

不同的信道，其带宽（频率范围）是不一样的，根据带宽的不同，可将信道划分为窄带信道（0 - 300Hz）, 音频信道（300 - 3400Hz）和宽带信道（带宽为3400Hz以上）。我们平常说的“装宽带”，意思就是安装3400Hz以上带宽的信道的意思

数据传输速率

数据传输速率信道每秒能传输的比特数，所以它的单位自然就是bps(比特每秒)，除此外还有Kbps,Mbps等

【注意】理论分析证明，信道的最大数据传输速率和带宽有直接联系，信道带宽越宽，数据传输速率就越大，因此在许多情况下，“带宽”和“传输速率”是可以互换的。

时延

以分组交换网络的时延为例（因为当前因特网和计算机网络主要采用的数据交换技术是分组交换）

当一个分组在节点间传输时，主要的时延分为四种类型： 节点处理时延（nodal processing delay），排队时延(queuing delay)，传输时延(transmission delay)和传播时延(propagation delay)

如果将这四种类型的时延分别表示为d(proc), d(queue),d(trans), d(prop)
则对一个分组而言，两个节点间的总时延d = d(proc) + d(queue) + d(trans) + d(prop)

假设发送端到接收端间有N条链路,则对一个分组而言，忽略其他因素，端到端总时延d(end-end) = N × ( d(proc) + d(queue) + d(trans) + d(prop) )

下面我将从单个分组从路由器A到相邻的路由器B的传输的情况入手，分别介绍这四种不同类型的时延。

图示如下：

处理时延

当分组到达路由器A时，首先要做的是检查分组首部并决定将该分组导向何处，并检查比特级差错，这部分的时间消耗叫做处理时延。

排队时延

分组在经过路由器A的处理后，下一步就是传输出去。一个分组的排队时延取决于先到达的，正在排队等待向链路传输的分组的数量。

1. 如果前面没有分组正在从路由器A向链路传输的话，排队时延为0
2. 如果流量很大，前面有很多分组正在传输或也在等待传输，那么就要消耗很大的排队时延了

传输时延

传输时延是路由器A将分组的所有比特推出路由器A，推向链路所需要的时间。传输时延取决于两个因素：

1. 单个分组长度
2. 数据传输速率

假设分组的长度为L比特，数据传输速率为R (bps) 那么 传输时延 = L/R

【注意】传输时延又叫做存储转发时延

传播时延

（这个概念听起来和传输时延很相似，区别我下面会讲）

传播时延指的是分组的一个比特从路由器A到达到路由器B所需要的时间，传播时延取决于两个因素：

1. 链路介质（双绞线，光纤）的传播速率
2. 节点间的距离（两个路由器间的距离）

假设路由A，B距离为d, 链路介质传播速率为s，那么传播时延 = d/s

传输时延和传播时延的比较

我们把一个分组从路由器A传输到路由器B的过程，比作一批车队（10辆汽车）， 全部从收费站A行驶到收费站B的过程（中间经过高速公路）

一批车队 == 一个分组
一辆汽车 == 一个比特 （暂时不管分组长度是否合理）
收费站A，B == 路由器A，B

这批车队遵守一个“奇怪”的规则，那就是无论哪一辆汽车先到达收费站Ａ，它都必须等待其他９辆汽车也都尾随其后到达了Ａ，才带领这批车队依次驶出收费站Ａ。（这就是存储转发机制，只有当一个分组的所有比特都到达了路由器，“存储完毕“后，才能转发整个分组）

传输时延就是这批车队依次（前后紧跟）地驶出收费站Ａ所用的时间（将分组的所有比特推出路由器A，推向链路所用的时间）
传播时延就是每辆汽车经过高速公路，从收费站Ａ到达收费站Ｂ所用的时间（分组的一个比特从路由器A到达到路由器B所需要的时间）

假设收费站办理手续，通过汽车的效率是 5 （辆/每分钟），而汽车在高速公路上行驶速度是100km/h。那么，因为两个收费站间距离为100km，一批汽车有10辆

我们可以得出，这批汽车通过收费站所用的时间为10辆 ÷ 5（辆/每分钟） = 2分 （传输时延）。汽车在高速公路上行驶所用的时间为100km ÷ 100km/h = 1h （传播时延），总共用时62分钟

丢包率

丢包意为分组丢失，什么原因会导致分组丢失呢？ 这和我们上面所说的”排队时延“有关，我们说到：当大量分组在短时间内到达路由器的时候，因为无法一次性处理完毕，分组需要”排队“，但是基于路由器的设计和成本，分组队列的长度是有限的。所以，当队列满了的时候，下一个分组到达的时候，路由器会选择丢弃（drop）该分组, 这个分组便丢失了（lost），这就是所谓的丢包

丢包率与分组长度以及分组发送频率相关。

吞吐量

吞吐量的单位和数据传输速率一样，也是bps，所以它虽然名为“量”，其实也还是一种“速率”

瞬时吞吐量和平均吞吐量

从服务器到客户机通过计算机网络传送一个大文件，任意时刻客户机接收该文件的速率叫做瞬时吞吐量（instantaneous throughput），假设客户机接收该文件的所有F比特用了T秒，那么 F/T就叫做平均吞吐量（average throughput）

吞吐量 == 瓶颈链路的传输速率

吞吐量等于瓶颈链路（bottle link）的传输速率

让我们考虑下图中尽可能简单的情况，R(s)表示服务器和路由器之间的链路速率，R(c)表示路由器和客户机之间的链路速率，显然，该服务器不能以快于R(s)的速率向链路中输送比特，路由器也不能以快于R(c)的速率转发比特。

如果R(s) < R(c),那么服务器输送的比特能够"畅快地"通过路由器和客户机间的链路到达客户机。速率为R(s)；如果R(s) > R(c) 则因为路由器将不能以接收的速率转发比特，所以链路速率为R(c)

所以 上图中吞吐量为min{ Rc, Rs } bps

同样的，对下面这n条链路

吞吐量为min{ R1, R2, ... Rn }

误码率

误码率是衡量通信系统传输可靠性的指标，它指的是错误接收的码元数在所传输的总码元数的比例
计算公式： 误码率=错误码元数/传输总码元数