计算机网络的性能指标

时间 2021-01-02

性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能。我们一起来了解一下七个性能指标。

1、速率

速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率。是计算机网络中最重要的一个性能指标。
又称为数据率(data rate)或比特率(bit rate) ，速率的单位是bit/s(比特每秒）。
Bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。
当数据率较高时，就常常在bit/s的前面加上一个字母。例如k(kilo)=10^3=千，
M(Mega)=10^6=兆，G(Giga)=10^9=吉，等等。
这样4X10^10bit/s就可以写成40Gbit/s。
速率往往是指额定速率或标称速率，并非网络上实际上运行的速率。

2、带宽

带宽：本意是指某个信号具有的频带宽度
信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。
在计算机网络中，带宽指网络的通信线路传送数据的能力（单位时间内从网络中的某一个点到另外一个点所能通过的最高数据率,带宽的单位为bit/s）。

补充：带宽有两种不同的意义，在带宽的上述描述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路，带宽越宽，所能传输的最高数据率也越高。

3、吞吐量

吞吐量表示单位时间内通过某个网络（通信线路、接口）的实际的数据量。
吞吐量受制于带宽或者网络的额定速率。

例如：对于一个1Gbit/s的以太网，意味着其额定速率为1Gbit/s，那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。

4、时延

时延(delay 或 latency)是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。
时延是由以下几个不同的部分组成的：

时延	解释
发送时延	主机或路由器发送数据帧所需要的时间
传播时延	电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
处理时延	主机或者路由器接受到分组时要花费一定的时间去处理
排队时延	分组在网络传输时，进入路由器后要在输入队列中排队等待处理，路由器确定转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就是排队时延

为了更好的理解，如下图：
（1）发送时延

是从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间
计算公式：

（2）传播时延

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
计算公式为：

（3）处理时延

交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
处理时延与结点的性能和处理方法有关。
（4）排队时延

分组在进入结点输入缓存中排队等待处理和处理后在输出缓存中排队等待转发所经历的时延。
排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

当网络的通信量很大时若发生队列溢出，使分组丢失，相当于排队时延为无穷大。

发送速率和传播速率

我们必须弄清楚这个概念，对于高速网络链路，我们提高的不是比特在链路上的传播速率，而是数据的发送速率。
载荷信息的电磁波在通信线路上的传播速率取决于通信线路的介质材料。
提高数据的发送速率只是减少了数据的发送时延。
因此：
我们通常所说的”光纤信道的传输速率高“是指可以用很高的速率向光纤信道发送数据，而光纤信道的传播速率实际上还要比铜线的传播速率略低一点。

5、时延带宽积

时延带宽积指传播时延*带宽，表示一条链路上传播的所有比特（以比特为单位）。
如下图，将管道的长度看做链路的传播时延，管道的截面积是链路的带宽，则时延带宽积代表管道的体积，即表示这样的链路可以容纳多少个比特

不难看出，管道中的比特数表示从发送端发出的但未到达接收端的比特（因此链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度）。对于一条正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分的利用。

6、往返时间RTT

往返时延 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

7、利用率

信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。
网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
信道利用率并非越高越好。

这是因为：
根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也迅速增加。
如果令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示D，D0和利用率U之间的关系：

这里U是网络的利用率，数值在0到1之间。

注意：当网络的利用率达到其容量的1/2时，时延就要加倍。且，当网络的利用率接近最大值1时，网络的时延就趋于无穷大。
如下图：
因此，信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。