计算机网络自顶向下技巧3——详解分组交换时延、丢包、吞吐量

详解分组交换网络性能三要素：时延、丢包与吞吐量

本文深入剖析分组交换网络中决定性能的关键指标，支援你从本质上理解网络“快慢”的成因。

在分组交换网络中，数据被分割成一个个分组独立传输。这种设计带来了高效，也引入了几个至关重要的性能概念。理解它们，是诊断网络问题、进行系统优化的基础。

一、时延：数据包从出发到抵达的总时间

时延是指一个分组从源端系统出发，到最终抵达目的端系统所经历的总时间。它并非单一因素造成，而是由以下四种关键时延叠加而成：

1. 处理时延

• 定义：分组到达路由器后，路由器检查其首部、决定其转发方向所花费的时间。

• 动作包括：

  • 检查比特级错误。

  • 解析IP首部，提取目的IP地址。

  • 查询转发表，确定该分组应从哪个输出链路转发。

• 影响因素：路由器的处理能力、网络层协议的处理复杂度。

• 典型值：通常为微秒级别或更短。

• 比喻：邮局分拣员拿起一个信件，查看邮政编码（检查首部），然后根据邮编决定把它扔进哪个地区的篮子（查询转发表）。这个过程所花的时间就是处理时延。

2. 排队时延

• 定义：分组在路由器的输出队列中等待被发送到链路上去的时间。

• 这是时延中最复杂、变化最大的部分。

• 影响因素：

  • 流量强度：这是关键因素。流量强度 = 分组到达速率 / 链路输出速率。

  • 如果流量强度 > 1，意味着到达的速率持续高于发送的速率，队列将无限增长，排队时延趋于无穷大。

  • 如果流量强度 ≈ 1，队列持续繁忙，时延会很大。

  • 如果流量强度 < 1，到达过程是随机的，即使平均速率低于输出速率，也可能因为分组突发到达而产生排队时延。

• 比喻：在高速公路收费站排队时延。就是。即使收费站处理速度很快（高输出速率），但倘若短时间内来了很多车（高到达速率），车辆也不得不在收费口排队等待。排队时间就

3. 传输时延

• 定义：将分组的所有比特推上（传输到）链路所需要的时间。

• 计算公式：传输时延 = 分组长度 / 链路带宽

• 影响因素：

  • 分组长度：分组越大，传输时延越长。

  • 链路带宽：链路速率越高，传输时延越短。

• 比喻：一辆完整的货车通过一座桥。货车越长（分组越大），通过时间越长；桥面越宽，允许通行速度越快（带宽越高），依据时间越短。它只关心“把整个货车头到尾开上桥”的时间，不关心桥有多长。

4. 传播时延

• 定义：一个比特从链路的起点传播到终点所需要的时间。

• 计算公式：传播时延 = 链路长度 / 传播速度

• 影响因素：

  • 物理距离：这是决定性因素。从北京到上海的光纤，传播时延远大于从你家到邻居家。

  • 传播介质：信号在介质中的传播速度（在光纤和铜线中约为光速的2/3，即 2 * 10^8 m/s）。

• 比喻：货车的第一节车厢从桥头开到桥尾所需要的时间。它只关心桥的长度和货车的行驶速度，不关心货车有多长。

关键辨析：传输时延 vs 传播时延

特性	传输时延	传播时延
关注点	将分组推上链路	比特在链路上传播
决定因素	分组长度、链路带宽	物理距离、传播速度
比喻	车队通过收费站的时间	车队从收费站开到下一个城市的时间
谁更主导？	在局域网、短距离中	在广域网、长距离中

总时延 = 处理时延 + 排队时延 + 传输时延 + 传播时延

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二、丢包：当网络不堪重负

1. 丢包是如何发生的？

每台路由器的出口链路都有一个缓存队列。当分组到达路由器，发现输出链路正忙时，它会被放入这个队列中等待。

• 队列溢出：由于路由器的缓存空间是有限的，假设分组到达的速率持续高于发送速率，队列将会被填满。后续到达的分组将无处容身，只能被丢弃。这就是丢包。

• 主动队列管理：有时，为了向发送端发出“拥塞”信号，路由器甚至在队列满之前就会主动丢弃一些分组。

2. 丢包的后果

• 可靠性机制触发：对于TCP这样的可靠传输协议，丢包意味着接收端没有收到数据，它会通过确认机制通知发送端。

• 重传：发送端检测到丢包后，会重新发送那些丢失的分组。

• 性能下降：重传意味着有效吞吐量的降低和时延的增加。严重的丢包会导致网络连接变得极其缓慢。

丢包是网络拥塞的典型标志。

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三、吞吐量：网络的真实有效速度

1. 定义

• 瞬时吞吐量：在某个瞬间，接收方接收到数据的速率。

• 平均吞吐量：在一段时间内，接收到的总数据量除以总时间。

大家通常关心的是平均吞吐量。它衡量的是端到端连接的实际实用数据传输速率。

2. 瓶颈链路原理

端到端的吞吐量不由路径上最快的链路决定，而是由最慢的链路决定。

经典比喻：水管架构
想象一组串联的水管，水流从最粗的水管流经一段细水管，再流入粗水管。

• 整体流速完全由最细的那段水管的直径（带宽）决定。

• 无论其他部分多粗，水流的速度都无法超过最细部分的极限。

3. 现实世界中的吞吐量

在你的上网体验中：

• 服务器吞吐量：你从视频网站下载，其服务器可能连接着10Gbps的链路。

• 你家的接入吞吐量100Mbps。就是：而你家的宽带

• 端到端吞吐量：那么，你下载的有效吞吐量最多就是100Mbps。你的接入链路就是瓶颈链路。

即使你家有1000Mbps的宽带，如果你访问的服务器本身带宽不足或正在被大量用户访问，该服务器到其ISP的链路也可能成为新的瓶颈。

总结：三者间的内在联系

时延、丢包、吞吐量是相互关联的，共同描绘了网络的健康状况：

1. 拥塞初期：随着流量增加，排队时延开始显著上升。

2. 拥塞加剧：当队列开始被填满，丢包开始出现。

3. 性能恶化：丢包触发重传，导致有效吞吐量下降，并且由于重传，总时延进一步增加。

进行网络性能调优、应用程序开发（例如，为什么视频流要使用UDP而非TCP）以及系统架构设计的基础。下次当你遇到网络卡顿时，你就行从这三个维度去思考问题的根源所在就是理解这三者的关系和成因，