📖 1.5 计算机网络的性能指标（1）
🎯 课程摘要：本节课介绍计算机网络性能指标中的速率、带宽、吞吐量和时延四个指标，重点讲解比特与速率的单位换算、带宽的两种含义、速率匹配的木桶效应，以及时延的四个构成部分（发送时延、传播时延、排队时延、处理时延）的计算与分析方法。
📝 详细笔记
1. 速率（数据率 / 比特率）
概念定义：速率是指数据的传输速率，即每秒传送的比特数，也称为数据率或比特率。
原理解析：
- 比特是计算机中数据量的基本单位，一个比特即二进制数字中的一个 1 或 0。
- 数据量常用单位及换算关系如下：
单位 简记 换算关系 字节数 字节 B 基本单位 — 千字节 KB K = 2^10 2^10 B 兆字节 MB M = K × KB 2^20 B 吉字节 GB G = K × MB 2^30 B 太字节 TB T = K × GB 2^40 B - 速率常用单位及换算关系如下：
单位 简记 换算关系 比特每秒 b/s (bps) 基本单位 千比特每秒 kb/s K = 10^3 兆比特每秒 Mb/s M = K × k = 10^6 吉比特每秒 Gb/s G = K × M = 10^9 太比特每秒 Tb/s T = K × G = 10^12 ⚠️ 重点/考点：数据量单位中的 K、M、G、T 取值为 2 的幂次方（2^10、2^20、2^30、2^40）；速率单位中的 K、M、G、T 取值为 10 的幂次方（10^3、10^6、10^9、10^12）。两者不可混淆。
典型练习：数据块发送时间计算
- 数据块大小 100 MB（兆字节），网卡发送速率 100 Mb/s（兆比特每秒）。
- 精确计算：分子上的"兆"为 2^20，分母上的"兆"为 10^6，不可直接约掉；还需将字节转换为 8 个比特。
- 估算：平时可近似将分子分母的"兆"直接约掉，结果与精确计算差别不大。
2. 带宽
概念定义：
- 模拟信号系统中的意义：某信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围（频率宽度），基本单位为赫兹（Hz），常用单位有 kHz、MHz、GHz。例如传统电话信号标准带宽为 3.1 kHz（300 Hz ~ 3.4 kHz）。
- 计算机网络中的意义：网络的通信线路所能传送数据的能力，即单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的最高数据率，单位与速率单位相同（b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s）。
原理解析：线路的频率带宽越宽，其所传输数据的最高速率也越高——两种表述密切相关。
⚠️ 重点/考点（速率匹配 / 木桶效应）：数据传输速率应从主机接口速率、线路带宽、交换机/路由器接口速率三者中取小者。构建网络时应做到各设备与传输介质的速率匹配，才能完全发挥应有的传输性能。
主机接口速率 线路带宽 交换机接口速率 主机理论最大发送速率 1 Gb/s 1 Gb/s 1 Gb/s 1 Gb/s 100 Mb/s 1 Gb/s 1 Gb/s 100 Mb/s 1 Gb/s 100 Mb/s 1 Gb/s 100 Mb/s 1 Gb/s 1 Gb/s 100 Mb/s 100 Mb/s
3. 吞吐量
- 概念定义：单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。
- 原理解析：吞吐量常用于对实际网络的测量，受网络带宽的限制。
- 举例：用户接入带宽 100 Mb/s，同时进行三个网络应用——网络视频下载 20 Mb/s、访问网页下载 600 kb/s、上传文件 1 Mb/s，则网络吞吐量为各下载速率与上传速率之总和。
4. 时延（延迟 / 迟延）
概念定义：数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间。数据可由一个或多个分组甚至一个比特构成。
原理解析：以源主机 H1 经一个路由器到目的主机 H3 为例，时延由以下四部分构成：
时延类型 产生位置 计算公式 备注 发送时延 源主机 / 路由器发送分组 分组长度 ÷ 发送速率 注意速率匹配 传播时延 电信号在链路上传播 信道长度 ÷ 信号传播速率 取决于传输媒体 排队时延 路由器输入/输出队列 无简单公式 取决于通信量与路由器性能 处理时延 路由器内部处理 无简单公式 检查首部、提取地址、查转发接口、修改部分字段 - 排队时延：分组在每个路由器的输入队列和输出队列中排队缓存所耗费的时间。网络通信量很大时可能造成路由器队列溢出，使分组丢失，相当于排队时延无穷大。
- 处理时延：路由器检查分组首部是否误码、提取目的地址、查找转发接口、修改首部部分内容（如生存时间 TTL）等处理所耗费的时间。
⚠️ 重点/考点（无接收时延）：目的主机接收分组信号与分组信号在链路上传播是同时进行的，若在总时延中包含"接收时延"会造成重复计算，因此不单独计接收时延。
电磁波传播速率（常识必记）
| 传输媒体 | 传播速率 | | |---| | 自由空间 | 3 × 10^8 m/s（光速） | | 铜线 | 略低于光速（亚光速） | | 光纤 | 略低于铜线中传播速率（亚光速） |
- ⚠️ 重点/考点：光纤网络"快"的根本原因不在于光在光纤中传播速率快（实际上还略低于电磁波在铜线中的传播速率），而在于光纤的带宽很大，单位时间内可传送更多比特。
时延图解分析方法
以主机 A 经一个路由器、两段链路到主机 B 为例（横坐标为时间）：
- 主机 A 发送分组的发送时延；
- 分组最后一个比特从主机 A 传播到路由器的传播时延；
- 分组在路由器中的排队时延 + 处理时延；
- 路由器转发分组的发送时延；
- 分组最后一个比特从路由器传播到主机 B 的传播时延。
连续发送多个分组时，路由器在发送某个分组的同时还在接收下一个分组。
总时延计算公式（不考虑排队时延和处理时延）
假设各分组等长、各链路等长、主机和路由器发送速率相等，源主机通过 n 个路由器转发发送 m 个分组：
总时延 = m × 发送时延 + (n+1) × 传播时延 + n × 单个分组转发发送时延
即：所有分组的发送时延 + 所有链路的传播时延 + 所有路由器转发单个分组的发送时延。
考研真题（2010 年计算机专业考研全国统考）
主机 H1 将文件构造为若干分组，通过分组交换网传输给 H2，各链路数据传输速率相同，不考虑分组拆装时间和信号传播时延，求所需最小时间。
解法：选择包含路由器数量最少的路径（2 个路由器），最小时间 = 所有分组的发送时延 + 一个分组的发送时延 × 2（转发次数）。
答案：选项 C。
⚠️ 重点/考点：在不考虑排队时延和处理时延的情况下，总时延中是发送时延占主导还是传播时延占主导，应具体问题具体分析，不能想当然。
💡 核心总结
- 速率单位中 K/M/G/T 为 10 的幂次方，数据量单位中 K/M/G/T 为 2 的幂次方，切勿混淆。
- 带宽在计算机网络中表示最高数据率，实际发送速率受主机接口、线路带宽、交换机接口三者最小值限制（木桶效应）。
- 吞吐量是实际通过的数据量，受带宽限制。
- 时延由发送时延、传播时延、排队时延、处理时延四部分构成，前两者有公式可算，后两者无简单公式。
- 光纤"快"在于带宽大而非传播速率快；发送时延与传播时延谁占主导需具体分析。
❓ 课后思考 / 经典考题
- 数据块大小为 100 MB，网卡发送速率为 100 Mb/s，精确计算与估算发送时间，并说明两者差异来源。
- 主机接口速率、线路带宽、交换机接口速率分别为不同值时，主机的理论最大发送速率是多少？
- 源主机通过 n 个路由器转发 m 个等长分组，各链路等长、发送速率相等，不计排队和处理时延，推导总时延计算公式。
- 2010 年考研题：在给定分组交换网拓扑中，不考虑分组拆装时间和传播时延，求 H1 到 H2 传输文件的最小时间。