【计算机网络】第1章：概述—分组延时、丢失和吞吐量

目录

一、分组延时、丢失

1. 节点处理延时：

2. 排队延时：

3. 传输延时:

4. 传播延时:

5. 节点延时

6. 排队延时

7. 分组丢失

二、吞吐量

三、总结

（一）分组延时

1. 处理延时（Processing Delay）

2. 排队延时（Queuing Delay）

3. 传输延时（Transmission Delay）

4. 传播延时（Propagation Delay）

📌 总延时：

（二）分组丢失

1. 主要原因

2. 影响与应对

3. 丢包率（Loss Rate）

（三）吞吐量（Throughput）

1. 两种定义

2. 瓶颈带宽（Bottleneck Bandwidth）

3. 实际吞吐量影响因素

4. 吞吐量计算示例

（四）关键知识关联

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一、分组延时、丢失

分组丢失和延时是怎样发生的？

在路由器缓冲区的分组队列
☐ 分组到达链路的速率超过了链路输出的能力
☐ 分组等待排到队头、被传输

 

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四种分组延时

1. 节点处理延时：

• 检查 bit 级差错
• 检查分组首部和决定将分组导向何处

2. 排队延时：

• 在输出链路上等待传输的时间
• 依赖于路由器的拥塞程度

3. 传输延时:

• R = 链路带宽 (bps)
• L = 分组长度 (bits)
• 将分组发送到链路上的时间 = L/R
• 存储转发延时

4. 传播延时:

• d = 物理链路的长度
• s = 在媒体上的传播速度 (~2×10⁸ m/sec)
• 传播延时 = d/s

车队类比

• 汽车以 100 km/hr 的速度传播
• 收费站服务每辆车需 12s (传输时间)
• 汽车～bit; 车队～分组
• Q: 在车队在第二个收费站排列好之前需要多长时间？
  • 即：从车队的第一辆车到达第一个收费站开始计时，到这个车队的最后一辆车离开第二个收费站，共需要多少时间
• 将车队从收费站输送到公路上的时间 = 12*10 = 120s
• 最后一辆车从第一个收费站到第二个收费站的传播时间：100km/(100km/hr)= 1 hr
• A: 62 minutes

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• 汽车以 1000 km/hr 的速度传播汽车
• 收费站服务每辆车需 1 分钟
• Q: 在所有的汽车被第一个收费站服务之前，汽车会到达第二个收费站吗？
  • Yes！7 分钟后，第一辆汽车到达了第二个收费站，而第一个收费站仍有 3 辆汽车
• 在整个分组被第一个路由器传输之前，第一个比特已经到达了第二个路由器！

5. 节点延时

• d-proc = 处理延时
  • 通常是微秒数量级或更少
• d-queue = 排队延时
  • 取决于拥塞程度
• d-trans = 传输延时
  • = L/R，对低速率的链路而言很大（如拨号），通常为微秒级到毫秒级
• d-prop = 传播延时
  • 几微秒到几百毫秒

6. 排队延时

• R = 链路带宽 (bps)
• L = 分组长度 (bits)
• a = 分组到达队列的平均速率

流量强度 = La/R

• La/R ~ 0: 平均排队延时很小
• La/R -> 1: 延时变得很大
• La/R > 1: 比特到达队列的速率超过了从该队列输出的速率，平均排队延时将趋向无穷大！

设计系统时流量强度不能大于 1！

7. 分组丢失

• 链路的队列缓冲区容量有限
• 当分组到达一个满的队列时，该分组将会丢失
• 丢失的分组可能会被前一个节点或源端系统重传，或根本不重传

二、吞吐量

• 吞吐量：在源端和目标端之间传输的速率（数据量 / 单位时间）
  • 瞬间吞吐量：在一个时间点的速率
  • 平均吞吐量：在一个长时间内平均值

Rs < Rc 端到端平均吞吐是多少?---------------------Rs

Rs > Rc 端到端平均吞吐是多少?---------------------Rc

瓶颈链路：

端到端路径上，限制端到端吞吐的链路。

其他节点都不传输，吞吐量min{Rs,Rc}。

端到端平均吞吐=min{R1，R2 ,…,Rn }

吞吐量：互联网场景

• 链路上的每一段实际可用带宽 Ri ’ = ?
• 端到端吞吐量：min{ Ri ’ }
• 每个连接上的端到端吞吐：min(Rc ,Rs ,R/10)
• 实际上：Rc 或者 Rs 经常是瓶颈

三、总结

（一）分组延时

指数据分组从源主机发送到目的主机所经历的总时间。由四部分构成：

1. 处理延时（Processing Delay）

• 定义：路由器/交换机检查分组头部、决定转发路径、检查比特错误等处理时间。
• 影响因素：硬件性能、路由算法复杂度、安全检查（如防火墙）。
• 典型值：微秒级（μs）。

2. 排队延时（Queuing Delay）

• 定义：分组在输出队列中等待链路空闲的时间。
• 关键公式：
  • 平均排队延时 ≈ (流量强度) / (1 - 流量强度)
流量强度 = 分组到达速率 / 链路输出速率
  • 当流量强度 → 1 时，延时趋近无穷大。
• 影响因素：流量突发性、队列调度策略（FIFO、优先级队列）。

3. 传输延时（Transmission Delay）

• 定义：将分组所有比特推送到链路上的时间。
• 公式：
  传输延时 = 分组长度 (L) / 链路带宽 (R)
  • 例：1KB 分组，1Gbps 链路 → 延时 = 8μs。

4. 传播延时（Propagation Delay）

• 定义：比特在物理介质中传播的时间。
• 公式：
  传播延时 = 距离 (d) / 传播速度 (s)
  • 传播速度 s：光纤中 ≈ 2×10⁸ m/s（真空中光速的2/3）。

📌 总延时：

总延时 = 处理延时 + 排队延时 + 传输延时 + 传播延时

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（二）分组丢失

分组在传输过程中未能到达目的地的现象。

1. 主要原因

• 路由器队列溢出：当流量强度 > 1 时，队列满导致后续分组被丢弃。
• 链路错误：物理介质干扰（如无线网络）、比特错误（CRC校验失败）。
• 路由问题：路由表错误导致分组进入“黑洞”。

2. 影响与应对

• TCP 的应对机制：
  • 超时重传（RTO）
  • 快速重传（收到3个重复ACK）
  • 拥塞控制（如 Tahoe、Reno 算法）
• UDP 无恢复机制：需应用层处理（如实时音视频的冗余编码）。

3. 丢包率（Loss Rate）

• 公式：丢包率 = 丢失分组数 / 发送分组总数
• 典型要求：语音通话 <1%，视频流 <5%。

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（三）吞吐量（Throughput）

单位时间内通过网络的有效数据量。

1. 两种定义

• 瞬时吞吐量：某一时刻的速率（bps）。
• 平均吞吐量：一段时间内的平均速率（bps）。

2. 瓶颈带宽（Bottleneck Bandwidth）

• 定义：端到端路径中带宽最小的链路速率。
• 公式（N条链路串联）：
  端到端吞吐量 = min{R1, R2, ..., RN}
• 示例：
  • 服务器 → 路由器1：100Mbps
  • 路由器1 → 路由器2：10Mbps
  • 路由器2 → 客户端：1Gbps
  • 实际吞吐量 = 10Mbps

3. 实际吞吐量影响因素

• 网络拥塞程度
• 协议开销（TCP头部、ACK确认）
• 接收端窗口大小（TCP流量控制）

4. 吞吐量计算示例

• 文件大小 F，传输时间 T → 吞吐量 = F / T
• 若多用户共享链路：公平共享时每个用户获得 R/N（R为总带宽，N为用户数）。

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（四）关键知识关联

概念	核心影响因素	典型优化方法
延时	传播距离、链路带宽、队列长度	CDN、协议优化（QUIC）、优先级调度
丢失	队列溢出、信道错误	增大缓冲区、前向纠错（FEC）
吞吐量	瓶颈带宽、并发连接数	多路径传输（MPTCP）、负载均衡

延时 vs 吞吐量权衡：

• 低延时：需小队列（但易丢包）
• 高吞吐量：需大窗口（但增加排队延时）
• TCP拥塞控制（如BBR算法）旨在平衡二者。

完结撒花🎉