计算机网络——时延、时延带宽积、往返时间、利用率

计算机网络——时延、时延带宽积、往返时间、利用率

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1.时延

时延(delay或latency)是指数据(报文、分组、比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。

时延的组成

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
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  1. 发送时延(传输时延)
    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。
    发送时延的计算公式:
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    由发送时延的公式可以看出,对于一定的网络,发送时延并非是固定不变的,而是与发送帧长成正比,与发送速率成反比。
    发送时延发生在机器内部的发送器中,与传输信道的长度(或信号传送的距离)没有任何关系。

  2. 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。取决于电磁波传播速度链路长度

传播时延的计算公式:
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电磁波在自由空间的传播速率是光速,即3.0✖105 km/s。电磁波在网络传输媒体中的传输速率比在自由空间要略低一些。传播时延发生在机器外部的传输信道媒体上,与信号的发送速率无关,信号传送的距离越远,传播时延就越大。

  1. 排队时延
    等待输出/输入链路可用。
    分组在经过网络传输时,要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后,还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。
    排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。当网络通信很大时会发生队列溢出,使分组丢失,相当于排队时延无穷大。

  2. 处理时延
    主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理,例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验。


2.时延带宽积

时延带宽积(bit) = 传播时延(s) ✖ 带宽(bit/s)

时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度,即“某段链路现在有多少比特”。
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3.往返时间RTT(Round-Trip Time)

从发送方发送数据开始,到发送方收到接收方的确认(接收方收到数据后立即发送确认),总共经历的时延。
RTT越大,在收到确认之前,可以发送的数据越多。


4.利用率

利用率分为信道利用率和网络利用率。
信道利用率:信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过),空闲信道的利用率为零。
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网络利用率:全网络的信道利用率的加权平均值

信道利用率并非是越高越好,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就迅速增加。
这里可以想象成公路上车流量很大时,某些地方就会出现拥堵,因此 行车需要的时间就会增加。
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### 计算机网络主要性能指标解释 #### 带宽 带宽指的是单位时间内可以从通信信道一端传输到另一端的最大数据量,通常以每秒比特数(bps)来衡量。较高的带宽意味着可以在更短的时间内传送更多的数据[^1]。 #### 时延 时延是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所需的时间。它由多个部分组成,包括处理时延、排队时延、发送时延以及传播时延。总时延等于上述四种时延之和[^2]。 #### 时延带宽 时延带宽定义为传播时延乘以带宽的结果,反映了在这段时间里能够填充多少位信息进入链路中。具体来说,就是指当一条消息开始被发送直到最后一个比特到达目的地这段时间内的最大可能数据总量。这个参数对于理解缓冲区大小需求特别重要[^3]。 #### 利用率 利用率描述的是实际使用的资源比例相对于可用资源的比例。在网络环境中,这通常用来表示链路上已占用的部分占全部容量的百分比。高利用率表明大部分时间都在有效利用带宽;然而过高的利用率可能导致拥塞现象发生,从而影响服务质量。 ```python # Python代码示例计算简单情况下的时延带宽 def calculate_delay_bandwidth_product(bandwidth, propagation_delay): """ :param bandwidth: 链路带宽 (bps) :param propagation_delay: 传播延迟 (seconds) :return: 时延带宽 (bits) """ return bandwidth * propagation_delay bandwidth_example = 10 ** 9 # 例如:1 Gbps 的带宽 propagation_delay_example = 0.005 # 例如:5 ms 的传播延迟 result = calculate_delay_bandwidth_product(bandwidth_example, propagation_delay_example) print(f"Example Delay Bandwidth Product is {result} bits.") ```
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