1.6.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)

性能指標(biāo)從不同的方面來度量計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能。下面介紹常用的七個(gè)性能指標(biāo)。

1.速率

我們知道，計(jì)算機(jī)發(fā)送出的信號(hào)都是數(shù)字形式的。比特（bit）是計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。英文單詞bit來源于binary digit，意思是一個(gè)“二進(jìn)制數(shù)字”，因此一個(gè)比特就是二進(jìn)制數(shù)字中的一個(gè)1或0。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的速率指的是連接在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)在數(shù)字信道上傳送數(shù)據(jù)的速率，它也稱為數(shù)據(jù)率(data rate)或比特率(bit rate)。速率是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。速率的單位是b/s（比特每秒）(或bit/s，有時(shí)也寫為bps，即bit per second)。當(dāng)數(shù)據(jù)率較高時(shí)，就可以用kb/s（k = 103 =千）、Mb/s（M = 106 = 兆）、Gb/s（G = 109 = 吉）或Tb/s（T = 1012 = 太）①。現(xiàn)在人們常用更簡單的但很不嚴(yán)格的記法來描述網(wǎng)絡(luò)的速率，如100M以太網(wǎng)，而省略了單位中的b/s，它的意思是速率為100Mb/s的以太網(wǎng)。順便指出，上面所說的速率往往是指額定速率或標(biāo)稱速率。

①注：在通信領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，應(yīng)特別注意數(shù)量單位“千”、“兆”和“吉”等的英文縮寫所代表的數(shù)值。如計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)量往往用字節(jié)作為度量的單位。一個(gè)字節(jié)(byte，記為大寫的B)代表8個(gè)比特。“千字節(jié)”的“千”用大寫K表示，它等于210，即1024，而不是103。同樣，在計(jì)算機(jī)中，1 MB或1 GB也并非表示106或109個(gè)字節(jié)，而是表示220（1048 576）或230（1073 741 824）個(gè)字節(jié)。在通信領(lǐng)域小寫的k表示103而不是1024。但有的書也不這樣嚴(yán)格區(qū)分，大寫K有時(shí)表示1000而有時(shí)又表示1024，作者認(rèn)為從概念上還是區(qū)分為好。

2.帶寬

“帶寬”(bandwidth)有以下兩種不同的意義：

(1) 帶寬本來是指某個(gè)信號(hào)具有的頻帶寬度。信號(hào)的帶寬是指該信號(hào)所包含的各種不同頻率成份所占據(jù)的頻率范圍。例如，在傳統(tǒng)的通信線路上傳送的電話信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)帶寬是3.1kHz （從300 Hz到3.4kHz，即話音的主要成分的頻率范圍）。這種意義的帶寬的單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。在過去很長的一段時(shí)間，通信的主干線路傳送的是模擬信號(hào)（即連續(xù)變化的信號(hào)）。因此，表示通信線路允許通過的信號(hào)頻帶范圍就稱為線路的帶寬（或通頻帶）。

(2) 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，帶寬用來表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路傳送數(shù)據(jù)的能力，因此網(wǎng)絡(luò)帶寬表示在單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”。在本書中在提到“帶寬”時(shí)，主要是指這個(gè)意思。這種意義的帶寬的單位是“比特每秒”，記為b/s。在這種單位的前面也常常加上千（k）、兆（M）、吉（G）或太（T）這樣的倍數(shù)。

在“帶寬”的兩種表述中，前者為頻域稱謂，而后者為時(shí)域稱謂，其本質(zhì)是相同的。也就是說，一條通信鏈路的“帶寬”越寬，其所能傳輸?shù)摹白罡邤?shù)據(jù)率”也越高。

3.吞吐量

吞吐量(throughput)表示在單位時(shí)間內(nèi)通過某個(gè)網(wǎng)絡(luò)（或信道、接口）的數(shù)據(jù)量。吞吐量更經(jīng)常地用于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的網(wǎng)絡(luò)的一種測(cè)量，以便知道實(shí)際上到底有多少數(shù)據(jù)量能夠通過網(wǎng)絡(luò)。顯然，吞吐量受網(wǎng)絡(luò)的帶寬或網(wǎng)絡(luò)的額定速率的限制。例如，對(duì)于一個(gè)100Mb/s的以太網(wǎng)，其額定速率是100Mb/s，那么這個(gè)數(shù)值也是該以太網(wǎng)吞吐量的絕對(duì)上限值。因此，對(duì)于100Mb/s的以太網(wǎng)，其典型的吞吐量可能只有70Mb/s。請(qǐng)注意，有時(shí)吞吐量還可用每秒傳送的字節(jié)數(shù)或幀數(shù)來表示。

4.時(shí)延

時(shí)延(delay或latency)是指數(shù)據(jù)（一個(gè)報(bào)文或分組，甚至比特）從網(wǎng)絡(luò)（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時(shí)間。時(shí)延是個(gè)很重要的性能指標(biāo)，它有時(shí)也稱為延遲或遲延。

需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延是由以下幾個(gè)不同的部分組成的：

(1) 發(fā)送時(shí)延 發(fā)送時(shí)延(transmission delay)是主機(jī)或路由器發(fā)送數(shù)據(jù)幀所需要的時(shí)間，也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)比特算起，到該幀的最后一個(gè)比特發(fā)送完畢所需的時(shí)間。因此發(fā)送時(shí)延也叫做“傳輸時(shí)延”。發(fā)送時(shí)延的計(jì)算公式是：

由此可見，對(duì)于一定的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送時(shí)延并非固定不變，而是與發(fā)送的幀長（單位是比特）成正比，與發(fā)送速率成反比。

(2) 傳播時(shí)延 傳播時(shí)延(propagation delay)是電磁波在信道中傳播一定的距離需要花費(fèi)的時(shí)間。傳播時(shí)延的計(jì)算公式是：

電磁波在自由空間的傳播速率是光速，即3.0×105km/s。電磁波在網(wǎng)絡(luò)傳輸媒體中的傳播速率比在自由空間要略低一些：在銅線電纜中的傳播速率約為2.3×105km/s，在光纖中的傳播速率約為2.0×105km/s。例如，1000km長的光纖線路產(chǎn)生的傳播時(shí)延大約為5ms。

以上兩種時(shí)延不要弄混。只要理解這兩種時(shí)延發(fā)生的地方，就不會(huì)把它們弄混。發(fā)送時(shí)延發(fā)生在機(jī)器的內(nèi)部的發(fā)送器中（一般就是發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)適配器中，見第3章3.3.1節(jié)），而傳播時(shí)延則發(fā)生在機(jī)器外部的傳輸信道媒體上。可以用一個(gè)簡單的比喻來說明。假定有10輛車的車隊(duì)從公路收費(fèi)站入口出發(fā)到相距50公里的目的地。再假定每一輛車過收費(fèi)站要花費(fèi)6秒鐘，而車速是每小時(shí)100公里。現(xiàn)在可以算出整個(gè)車隊(duì)從收費(fèi)站到目的地總共要花費(fèi)的時(shí)間：發(fā)車時(shí)間共需60秒（相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送時(shí)延），行車時(shí)間需要30分鐘（相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中的傳播時(shí)延），因此總共花費(fèi)的時(shí)間是31分鐘。

下面兩種時(shí)延也需要考慮，但比較容易理解。

(3) 處理時(shí)延 主機(jī)或路由器在收到分組時(shí)要花費(fèi)一定的時(shí)間進(jìn)行處理，例如分析分組的首部、從分組中提取數(shù)據(jù)部分、進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)或查找適當(dāng)?shù)穆酚傻鹊龋@就產(chǎn)生了處理時(shí)延。

(4) 排隊(duì)時(shí)延 分組在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，要經(jīng)過許多路由器。但分組在進(jìn)入路由器后要先在輸入隊(duì)列中排隊(duì)等待處理。在路由器確定了轉(zhuǎn)發(fā)接口后，還要在輸出隊(duì)列中排隊(duì)等待轉(zhuǎn)發(fā)。這就產(chǎn)生了排隊(duì)時(shí)延。排隊(duì)時(shí)延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)的通信量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的通信量很大時(shí)會(huì)發(fā)生隊(duì)列溢出，使分組丟失，這相當(dāng)于排隊(duì)時(shí)延為無窮大。

這樣，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)歷的總時(shí)延就是以上四種時(shí)延之和：

一般說來，小時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)要優(yōu)于大時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)。在某些情況下，一個(gè)低速率、小時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)很可能要優(yōu)于一個(gè)高速率但大時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)。

圖1-14畫出了這幾種時(shí)延所產(chǎn)生的地方，希望讀者能夠更好地分清這幾種時(shí)延。

必須指出，在總時(shí)延中，究竟是哪一種時(shí)延占主導(dǎo)地位必須具體分析。現(xiàn)在我們暫時(shí)忽略處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延。假定有一個(gè)長度為100 MB的數(shù)據(jù)塊（這里的M顯然不是指106而是指220，即1048 576。B是字節(jié)，1字節(jié) = 8比特），在帶寬為1Mb/s的信道上（這里的M是106）連續(xù)發(fā)送，其發(fā)送時(shí)延是

100×1048576×8÷106 = 838.9 s

即大約要用14分鐘才能把這樣大的數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢。然而，若將這樣的數(shù)據(jù)塊用光纖傳送到1000km遠(yuǎn)的計(jì)算機(jī)，那么每一個(gè)比特在1000km的光纖上只需用5ms就能到達(dá)目的地。因此對(duì)于這種情況，發(fā)送時(shí)延占主導(dǎo)地位。如果我們把傳播距離減小到1km，那么傳播時(shí)延也會(huì)相應(yīng)地減小到原來數(shù)值的千分之一。然而，由于傳播時(shí)延在總時(shí)延中的比重是微不足道的，因此總時(shí)延的數(shù)值基本上還是由發(fā)送時(shí)延來決定的。

再看一個(gè)例子。要傳送的數(shù)據(jù)僅有1個(gè)字節(jié)（如鍵盤上鍵入的一個(gè)字符,共8bit），在1Mb/s的信道上的發(fā)送時(shí)延是

8÷106 = 8×10-6 s = 8 μs

當(dāng)傳播時(shí)延為5ms時(shí)，總時(shí)延為5.008ms。在這種情況下，傳播時(shí)延決定了總時(shí)延。這時(shí)，即使把數(shù)據(jù)率提高到1000倍（即將數(shù)據(jù)的發(fā)送速率提高到1Gb/s），總時(shí)延也不會(huì)減小多少。這個(gè)例子告訴我們，不能籠統(tǒng)地認(rèn)為：“數(shù)據(jù)的發(fā)送速率越高，傳送得就越快”。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)傳送的總時(shí)延是由公式(1-3)右端的四項(xiàng)時(shí)延組成的，不能僅考慮發(fā)送時(shí)延一項(xiàng)。

必須強(qiáng)調(diào)指出，初學(xué)網(wǎng)絡(luò)的人容易產(chǎn)生這樣錯(cuò)誤的概念，就是“在高速鏈路（或高帶寬鏈路）上，比特應(yīng)當(dāng)跑得更快些”。但這是不對(duì)的。我們知道，汽車在路面質(zhì)量很好的高速公路上可明顯地提高行駛速率。然而對(duì)于高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，我們提高的僅僅是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。荷載信息的電磁波在通信線路上的傳播速率（這是光速的數(shù)量級(jí)）與數(shù)據(jù)的發(fā)送速率并無關(guān)系。提高數(shù)據(jù)的發(fā)送速率只是減小了數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)延。還有一點(diǎn)也應(yīng)當(dāng)注意，就是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率的單位是每秒發(fā)送多少個(gè)比特，是指某個(gè)點(diǎn)或某個(gè)接口上的發(fā)送速率。而傳播速率的單位是每秒傳播多少公里，是指傳輸線路上比特的傳播速率。因此，通常所說的“光纖信道的傳輸速率高”是指向光纖信道發(fā)送數(shù)據(jù)的速率可以很高，而光纖信道的傳播速率實(shí)際上要比銅線的傳播速率還略低一點(diǎn)。這是因?yàn)榻?jīng)過測(cè)量得知，光在光纖中的傳播速率是每秒20.5萬公里，它比電磁波在銅線（如5類線）中的傳播速率（每秒23.1萬公里）略低一些。上述這個(gè)概念請(qǐng)讀者務(wù)必弄清。

5.時(shí)延帶寬積

把以上討論的網(wǎng)絡(luò)性能的兩個(gè)度量——傳播時(shí)延和帶寬——相乘，就得到另一個(gè)很有用的度量：傳播時(shí)延帶寬積，即

我們可以用圖1-15的示意圖來表示時(shí)延帶寬積。這是一個(gè)代表鏈路的圓柱形管道，管道的長度表示鏈路的傳播時(shí)延（請(qǐng)注意，現(xiàn)在以時(shí)間作為單位來表示鏈路長度），而管道的截面積表示鏈路的帶寬。因此，時(shí)延帶寬積就表示這個(gè)管道的體積，表示這樣的鏈路可容納多少個(gè)比特。例如，設(shè)某段鏈路的傳播時(shí)延為20ms，帶寬為10Mb/s，算出

時(shí)延帶寬積 = 20×10-3×10×106 = 2×105bit。

這就表示，若發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則在發(fā)送的第一個(gè)比特即將達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，發(fā)送端就已經(jīng)發(fā)送了20萬個(gè)比特，而這20萬個(gè)比特都正在鏈路上向前移動(dòng)。因此，鏈路的時(shí)延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。

不難看出，管道中的比特?cái)?shù)表示從發(fā)送端發(fā)出的但尚未達(dá)到接收端的比特。對(duì)于一條正在傳送數(shù)據(jù)的鏈路，只有在代表鏈路的管道都充滿比特時(shí)，鏈路才得到了充分的利用。

6.往返時(shí)間RTT

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，往返時(shí)間RTT (Round-Trip Time)也是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它表示從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送方收到來自接收方的確認(rèn)（接收方收到數(shù)據(jù)后便立即發(fā)送確認(rèn)），總共經(jīng)歷的時(shí)間。對(duì)于上述例子，往返時(shí)間RTT是40ms，而往返時(shí)間和帶寬的乘積是4×105 (bit)。在互聯(lián)網(wǎng)中，往返時(shí)間還包括各中間結(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延以及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)送時(shí)延。

顯然，往返時(shí)間與所發(fā)送的分組長度有關(guān)。發(fā)送很長的數(shù)據(jù)塊的往返時(shí)間，應(yīng)當(dāng)比發(fā)送很短的數(shù)據(jù)塊的往返時(shí)間要多些。

往返時(shí)間帶寬積的意義就是當(dāng)發(fā)送方連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，即使能夠及時(shí)收到對(duì)方的確認(rèn)，但已經(jīng)將許多比特發(fā)送到鏈路上了。對(duì)于上述例子，假定數(shù)據(jù)的接收方及時(shí)發(fā)現(xiàn)了差錯(cuò)，并告知發(fā)送方，使發(fā)送方立即停止發(fā)送，但這時(shí)發(fā)送方也已經(jīng)發(fā)送了40萬個(gè)比特了。

當(dāng)使用衛(wèi)星通信時(shí)，往返時(shí)間RTT相對(duì)較長，是很重要的一個(gè)性能指標(biāo)。

7.利用率

利用率有信道利用率和網(wǎng)絡(luò)利用率兩種。信道利用率指出某信道有百分之幾的時(shí)間是被利用的（有數(shù)據(jù)通過）。完全空閑的信道的利用率是零。網(wǎng)絡(luò)利用率則是全網(wǎng)絡(luò)的信道利用率的加權(quán)平均值。信道利用率并非越高越好。這是因?yàn)椋鶕?jù)排隊(duì)論的理論，當(dāng)某信道的利用率增大時(shí)，該信道引起的時(shí)延也就迅速增加。這和高速公路的情況有些相似。當(dāng)高速公路上的車流量很大時(shí)，由于在公路上的某些地方會(huì)出現(xiàn)堵塞，因此行車所需的時(shí)間就會(huì)增長。網(wǎng)絡(luò)也有類似的情況。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的通信量很少時(shí)，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的時(shí)延并不大。但在網(wǎng)絡(luò)通信量不斷增大的情況下，由于分組在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)（路由器或結(jié)點(diǎn)交換機(jī)）進(jìn)行處理時(shí)需要排隊(duì)等候，因此網(wǎng)絡(luò)引起的時(shí)延就會(huì)增大。如果令 D0表示網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)的時(shí)延，D 表示網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的時(shí)延，那么在適當(dāng)?shù)募俣l件下，可以用下面的簡單公式(1-5)來表示D和D0及網(wǎng)絡(luò)利用率U之間的關(guān)系：

式中，U是網(wǎng)絡(luò)的利用率，數(shù)值在0到1之間。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的利用率達(dá)到其容量的1/2時(shí)，時(shí)延就要加倍。特別值得注意的是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的利用率接近最大值1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延就趨于無窮大。因此我們必須有這樣的概念：信道或網(wǎng)絡(luò)利用率過高會(huì)產(chǎn)生非常大的時(shí)延。圖1-16給出了上述概念的示意圖。因此，一些擁有較大主干網(wǎng)的ISP通常控制他們的信道利用率不超過50%。如果超過了就要準(zhǔn)備擴(kuò)容，增大線路的帶寬。