📖 1.5 计算机网络的性能指标（2）

🎯 课程摘要：本节课介绍计算机网络的另外四个性能指标——时延带宽积、往返时间（RTT）、利用率和丢包率，重点讲解时延带宽积的物理含义、RTT 的测量方法、利用率与时延的定量关系公式，以及丢包率反映网络拥塞程度的分级标准。

📝 详细笔记

概念定义：时延带宽积 = 传播时延 × 带宽。
原理解析：可将链路看作一个圆柱形管道：
- 管道的长度 = 链路的传播时延（以时间为单位表示链路长度）；
- 管道的横截面积 = 链路的带宽；
- 时延带宽积 = 管道的容积，表示该链路可以容纳的比特数量。
举例：主机 A 与主机 B 之间采用光纤链路，链路长度 1000 m，链路带宽 1 Gb/s。
- 光在光纤中传播速率为 2 × 10^8 m/s；
- 传播时延 = 1000 ÷ (2 × 10^8) = 5 μs；
- 时延带宽积 = 5 μs × 1 Gb/s = 5000 bit。
⚠️ 重点/考点：若主机 A 连续发送数据，在发送的第一个比特即将到达主机 B 时，发送端已发送了时延带宽积个比特（本例 5000 个），这些比特都正在链路上向前传播。因此时延带宽积也称为以比特为单位的链路长度，对理解以太网的最短帧长非常有帮助。

原理解析：主机 A 与主机 B 通过多个异构型网络和多个路由器互联，RTT 涵盖数据分组到达 B 及确认分组返回 A 的全部时间。
- 卫星链路耗时较多：一般卫星链路距离远，传播时延大。例如地球同步卫星距地球 36000 km，通过同步卫星转发分组的传播时间约 240 ms。
测量方法：可在 Windows 命令行中使用 ping 命令测量连通性和 RTT。 | 测量目标 | RTT | |---| | 家庭网关 | < 1 ms | | 哔哩哔哩网站 | 约 24 ms | | 某国外网站 | 近 200 ms |

概念定义：
- 链路利用率：某条链路有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的链路利用率为 0。
- 网络利用率：网络中所有链路的链路利用率的加权平均。
原理解析：根据排队论，当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延会迅速增加（类比公路车流量增大出现拥堵，行程时间变长）。网络通信量增大时，分组在交换节点（路由器）中的排队时延随之增大。
时延与利用率关系公式：
D = D0 ÷ (1 - U)
其中：
- D0 = 网络空闲时的时延（U = 0 时的时延）；
- D = 网络当前的时延；
- U = 网络利用率（0 ~ 1）。
| 网络利用率 U | 时延 D | |---| | 0 | D0 | | 50% | 2 × D0（加倍） | | 接近 100% | 趋于无穷大 |
⚠️ 重点/考点：网络利用率并非越大越好，过高会产生非常大的时延。一些大型 ISP 往往控制信道利用率不超过 50%，超过则需扩容增大带宽。但也不能使利用率太低，以免浪费通信资源，应根据情况动态调整输入到网络中的通信量，使利用率保持在合理范围。

概念定义：在一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
分类：接口丢包率、节点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。
造成丢包的两种情况：
| 情形 | 原因 | 处理 | |---| | 分组出现误码 | 被交换节点（路由器/目的主机）检测出误码 | 丢弃 | | 分组无误码但队列满 | 交换节点输入缓存队列长度达到阈值 | 根据丢弃策略主动丢弃 |
原理解析：
- 情形一：分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机检测出误码而丢弃。
- 情形二：分组正确到达某交换节点，但该节点输入缓存队列长度达到阈值，根据丢弃策略必须丢弃该分组（尽管无误码）。
⚠️ 重点/考点（丢包率反映网络拥塞程度）：
| 拥塞程度 | 路径丢包率 | |---| | 无拥塞 | 0 | | 轻度拥塞 | 1% ~ 4% | | 严重拥塞 | 5% ~ 15% |
当网络丢包率较高时，通常无法使网络应用正常工作。随着网络游戏发展，游戏玩家也非常关心丢包率指标。