性能指标总览

指标 关注的问题
速率 数据传送有多快
带宽 链路理论上能传多快
吞吐量 实际通过了多少数据
时延 一个分组从发送到到达要多久
时延带宽积 链路中能同时“容纳”多少比特
RTT 一次往返交互要多久
利用率 链路或网络有多少时间处于忙碌状态
丢包率 有多少分组丢失

速率

速率是数据的传送速率，也称数据率或比特率，基本单位是 bit/s。

单位 含义
kb/s $10^3$ bit/s
Mb/s $10^6$ bit/s
Gb/s $10^9$ bit/s
Tb/s $10^{12}$ bit/s
速率单位通常按 10 进制换算

计算机组成原理、操作系统里讨论存储容量时，KB、MB、GB 常按 $2^{10}$ 进位理解；计算机网络里讨论速率时，kb/s、Mb/s、Gb/s 通常按 $10^3$ 进位理解。例如 $1\text{ Mb/s}=10^6\text{ bit/s}$，不是 $2^{20}\text{ bit/s}$。

b 和 B 不能混

b 是 bit，比特；B 是 Byte，字节。$1\text{ B}=8\text{ b}$。网络速率通常用 bit/s，文件大小和存储容量常用 B、KB、MB、GB。

# 带宽

带宽在不同语境下有不同含义：

  • 在模拟信号系统中，带宽表示信号占据的频率范围，单位是 Hz。
  • 在计算机网络中，带宽表示通信线路传送数据的能力，单位通常是 bit/s。

网络中一次传输的实际速率会受到链路、接口、交换机、路由器等多个环节限制。瓶颈环节决定上限，也就是常说的“木桶效应”。

带宽不是吞吐量

带宽像“道路最大通行能力”，吞吐量像“实际通过的车辆数”。带宽高不代表某一时刻实际数据量一定高。

# 吞吐量

吞吐量是在单位时间内通过某个网络、链路或接口的实际数据量。

如果某用户同时有：

  • 视频下载：20 Mb/s
  • 网页下载：600 kb/s，即 0.6 Mb/s
  • 文件上传：1 Mb/s

则该用户此时的吞吐量为：

1
20 Mb/s + 0.6 Mb/s + 1 Mb/s = 21.6 Mb/s

吞吐量通常不超过瓶颈带宽，但会受到协议开销、拥塞、设备性能、应用行为等影响。

时延

一个分组从源主机到目的主机，通常经历四类时延。

时延 含义 常用公式
发送时延 把分组所有比特推上链路所需时间 $\dfrac{\text{分组长度}}{\text{发送速率}}$
传播时延 信号在链路上传播所需时间 $\dfrac{\text{链路长度}}{\text{传播速率}}$
排队时延 在路由器队列中等待处理或转发的时间 通常无法用固定公式计算
处理时延 检查首部、查表、差错检测等处理时间 通常无法用固定公式计算

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发送时延和传播时延是两个维度

发送时延看“分组有多长、接口发得多快”；传播时延看“链路有多长、信号跑得多快”。把 1 bit 送上链路也需要传播时延，把 1 MB 数据推上链路也需要发送时延。

## 多跳存储转发时延

分组交换采用存储转发，其工作过程见 分组交换。路由器通常要收到一个完整分组后，才能继续把该分组转发到下一段链路。

在不考虑排队时延和处理时延，且每段链路发送速率相同、传播时延相同的简化情况下：

  • 发送 $m$ 个分组。
  • 经过 $n$ 个路由器。
  • 每个分组的发送时延为 $d_t$。
  • 每段链路传播时延为 $d_p$。

总时间可理解为：

1
2
3
m 个分组从源主机连续发送：m * d_t
n 个路由器各补上一段转发发送时延：n * d_t
n + 1 段链路传播时延：(n + 1) * d_p

所以：

$$
D=(m+n)d_t+(n+1)d_p
$$

这里的关键是不要把每个路由器转发 $m$ 个分组的发送时延都重复相加。流水线形成后，中间路由器转发前一个分组时，源主机可能已经在发送后一个分组。

时延带宽积

时延带宽积是传播时延与带宽的乘积：

$$
\text{时延带宽积}=\text{传播时延}\times\text{带宽}
$$

它表示链路中正在传播、尚未到达接收端的比特数，也可以理解为第一个比特即将到达终点时，链路上正在传播的比特数。

900

例如链路长度为 1 km，带宽为 1 Gb/s，光在光纤中的传播速率约为 $2\times10^8$ m/s：

$$
\text{传播时延}=\frac{1000}{2\times10^8}=5\times10^{-6}\text{ s}
$$

$$
\text{时延带宽积}=5\times10^{-6}\times10^9=5000\text{ b}
$$

这表示第一个比特即将到达终点时，链路上大约已经有 5000 个比特正在传播。

RTT

RTT，Round-Trip Time，往返时间，是从发送端发送数据开始，到收到接收端确认所经历的时间。

许多网络应用都不是单向传输，而是请求-响应式交互。RTT 越大，用户感受到的响应越慢。ping 测量的就是一类往返时间。

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利用率

利用率分为链路利用率和网络利用率：

  • 链路利用率：某条链路有多少比例的时间正在传送数据。
  • 网络利用率：网络中各链路利用率的加权平均。

利用率不是越高越好。利用率升高后，排队时延会迅速增大；当利用率接近 1 时，时延可能趋近无穷大。

利用率高不等于性能好

一条链路长期接近满载，说明资源被充分使用，但也说明几乎没有余量吸收突发流量。此时稍有流量增加，就会排队、时延暴涨甚至丢包。

# 丢包率

丢包率是在一定时间范围内，丢失分组数占总分组数的比例：

$$
\text{丢包率}=\frac{\text{丢失分组数}}{\text{总分组数}}
$$

分组丢失常见原因：

  • 传输过程中出现误码，被中间结点或目的主机检测后丢弃。
  • 路由器、交换机队列溢出，根据丢弃策略主动丢弃分组。

丢包会影响吞吐量、时延和应用体验。实时音视频、网络游戏、交互式远程操作尤其敏感。