数据通信与网络（二）

计算机网络的性能指标

包括速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积和利用率。

还有一些非性能指标：如费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性、可升级性和可维性。

一、速率

指计算机网络中的主机在信道上单位时间内传送数据量，又称数据率(data rate)或比特率(bit rate)。 单位是b/s(bit/s或bps，即bit per second)。有时也用kb/s，Mb/s，Gb/s或Tb/s。

速率指的是额定速率或标称速率。网络的实际速率往往比额定速率要低，因为它与许多因素(如主机的处理能力、信道容量、信道的拥塞状况等)有关。

二、带宽

带宽(bandwidth)有两种不同的意义： 在通信领域，带宽指某个信号具有的频带宽度。单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫、太赫等)。如话音信号的带宽是3.1kHz (300Hz～ 3400Hz)。

在计算机领域，带宽指计算机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达到的“最高数据速率”。单位是b/s (bit/s) 。 当速率较高时，可在单位b/s前加上千(K=103)、兆(M=106)、吉(G=109)和太(T=1012)。

数字信号流随着时间的变化关系 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

三、吞吐量

指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。单位是b/s(bit/s或bps，即bit per second)。有时也用kb/s，Mb/s，Gb/s和Tb/s。

吞吐量常用于对某个网络的性能测试。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。如100Mb/s的以太网，带宽是100Mb/s，典型的吞吐量可能只有70Mb/s。

四、时延

指数据(一个报文或分组或比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。数据在网络中的总时延是4种时延之和：

总时延 = 传输时延 + 传播时延 + 处理时延+ 排队时延

传输时延（发送时延） 指主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就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

传播时延  指电磁波在信道中传播一定距离所花费的时间。

 例：自由空间中电磁波的传播速率为3.0×10^5km/s 、铜线电缆中电磁波的传播速率为2.3×10^5km/s、光缆中电磁波的传播速率为2.0×10^5km/s

信道（Channel）是指信息传输的媒介或路径。用于在通信系统中从发送者向接收者传递数据。信道可以是物理的（如电线、光纤、无线电频谱）或虚拟的（如计算机网络中的逻辑连接），他们负责传输和传递数据信号。信道的质量和特性直接影响数据传输的可靠性和速度。

注意：信息的传输(发送)速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的两个概念。虽然它们只有一字之差，但不能将传输时延和传播时延混为一谈。

处理时延，指主机或网络结点(路由器或交换机) 处理分组所花费的时间。包括对分组的首部分析、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等 。

排队时延，指分组进入网络结点后，需先在输入队列中排队等待处理，以及处理完毕后在输出队列中排队等待转发的时间。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，会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。

例：一个100MB(M表示220=1048576 )的数据块在带宽为1Mb/s(M表示106 )的光纤信道上传输时的各种时延：

发送时延     100 x 1048576 x 8/10^6 = 838.9s

传播时延     1000km为5ms，1km为5μs

处理时延视计算机处理速度而定。

 往返时延：

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应答所经历的时延。如果接收端收到数据后立即发送确认，这相当于传播时延的两倍。

 例：设某段链路的传播时延为20ms，则它的往返时延RTT＝40ms。 在复杂的互联网中，往返时延应包括各中间结点的处理时延和转发数据的发送时延。

五、时延带宽积

时延带宽积是指传播时延与带宽之乘积。

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 例：设某段链路的传播时延为20ms，带宽为10Mb/s。则时延带宽积为20x10^-3x10x10^6=20x10^5 bit 。

六、利用率

利用率分为信道利用率和网络利用率。

信道利用率 ：指在规定时间内信道上用于传输数据的时间比例。完全空闲的信道的利用率是零。 网络利用率 ：指全网络的信道利用率的加权平均值。 信道利用率力求高些，但并非越高越好。因为信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

网络利用率的表示式：   

式中， 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延。U 的数值在 0 到 1 之间。

时延与利用率的关系:

此图表明，当U达到1/2时，当前时延就要加倍。而当U接近最大值1时，当前时延就会趋近于无穷大。这说明信道利用率或网络利用率的提高都会加大时延。因此，拥有较大主干网的ISP都把信道利用率控制在50%以内，否则就采取扩容措施。