# 1.3 计算机网络性能指标

## 一、速率（数据率、比特率）

### 1.1 定义

**速率**：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。

### 1.2 单位

**基本单位**：比特每秒（bit/s 或 bps）

**常用单位**：
- Kbit/s（千比特每秒）= 10³ bit/s
- Mbit/s（兆比特每秒）= 10⁶ bit/s
- Gbit/s（吉比特每秒）= 10⁹ bit/s
- Tbit/s（太比特每秒）= 10¹² bit/s

**注意**：
- 计算机中的存储单位用二进制（K=2¹⁰, M=2²⁰）
- 网络速率通常用十进制

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## 二、带宽

### 2.1 两种含义

**带宽原义**：
- 信号具有的频带宽度
- 单位：赫兹（Hz）
- 表示信号频率范围

**带宽现义（计算机网络）**：
- 数字信道所能传送的"最高数据率"
- 单位：bit/s
- 表示信道的最大传输能力

### 2.2 带宽与速率的关系

- **带宽是上限**：信道能达到的最大速率
- **实际速率 ≤ 带宽**
- 实际速率受多种因素影响

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## 三、吞吐量

### 3.1 定义

**吞吐量**：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。

### 3.2 单位

- bit/s
- Byte/s（字节每秒）

### 3.3 与带宽的区别

| 特性 | 带宽 | 吞吐量 |
|-----|------|--------|
| 含义 | 最大传输能力 | 实际传输量 |
| 性质 | 理论值 | 实际值 |
| 关系 | 上限 | ≤ 带宽 |

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## 四、时延（延迟）

### 4.1 时延的组成

**总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延**

#### 发送时延（传输时延）

**定义**：发送数据帧所需的时间。

**公式**：
$$发送时延 = \frac{数据帧长度(bit)}{发送速率(bit/s)}$$

**影响因素**：
- 数据帧长度
- 发送速率

#### 传播时延

**定义**：电磁波在信道中传播一定距离所需的时间。

**公式**：
$$传播时延 = \frac{信道长度(m)}{电磁波在信道上的传播速率(m/s)}$$

**传播速率**：
- 自由空间：3 × 10⁸ m/s（光速）
- 铜线：约 2.3 × 10⁸ m/s
- 光纤：约 2 × 10⁸ m/s

**影响因素**：
- 信道长度
- 传播介质

#### 处理时延

**定义**：主机或路由器处理分组所需的时间。

**包括**：
- 分析分组首部
- 提取数据部分
- 差错检验
- 查找路由

**影响因素**：
- 处理器的处理速度
- 分组长度

#### 排队时延

**定义**：分组在路由器输入队列或输出队列中等待处理的时间。

**影响因素**：
- 网络拥塞程度
- 分组到达速率
- 路由器处理能力

**特点**：
- 变化最大，难以预测
- 网络拥塞时可能很大

### 4.2 时延的比较

| 时延类型 | 发生位置 | 影响因素 |
|---------|---------|---------|
| 发送时延 | 发送端 | 数据长度、发送速率 |
| 传播时延 | 信道 | 信道长度、传播速率 |
| 处理时延 | 路由器/主机 | 处理能力、分组长度 |
| 排队时延 | 路由器 | 网络拥塞程度 |

### 4.3 高速网络中的时延

**提高发送速率**：
- 减少发送时延
- 但传播时延不变

**结论**：
- 高速网络（高带宽）主要减少发送时延
- 不能减少传播时延
- 传播时延由距离决定

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## 五、时延带宽积

### 5.1 定义

**时延带宽积**：传播时延与带宽的乘积。

**公式**：
$$时延带宽积 = 传播时延 × 带宽$$

### 5.2 物理意义

**含义**：
- 表示从发送端发出第一个比特到发送端发出最后一个比特这段时间内，信道中存在的比特数。
- 也称为"以比特为单位的链路长度"。

**例子**：
- 传播时延 = 10 ms
- 带宽 = 10 Mbit/s
- 时延带宽积 = 10 × 10⁻³ × 10 × 10⁶ = 100,000 bit

### 5.3 意义

- 表示链路的容量
- 对于可靠传输协议很重要

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## 六、往返时间（RTT）

### 6.1 定义

**往返时间（Round-Trip Time）**：
- 从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认）总共经历的时间。

### 6.2 组成

**RTT包括**：
- 发送方发送数据的传播时延
- 接收方处理时延
- 接收方发送确认的传播时延
- 中间节点的处理时延和排队时延

### 6.3 应用

**TCP协议**：
- RTT用于超时重传时间的设置
- 用于拥塞控制

**ping命令**：
- 测量RTT

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## 七、利用率

### 7.1 信道利用率

**定义**：某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。

**公式**：
$$信道利用率 = \frac{有数据通过的时间}{总时间}$$

### 7.2 网络利用率

**定义**：全网络的信道利用率的加权平均值。

### 7.3 利用率与时延的关系

**关系**：
- 利用率越高，时延越大
- 利用率接近100%时，时延急剧增大

**公式（D = D₀/(1-U)）**：
- D：当前时延
- D₀：网络空闲时的时延
- U：利用率

**结论**：
- 信道利用率不是越高越好
- 通常控制在50%以下
- 超过80%时，网络性能急剧下降

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## 八、丢包率

### 8.1 定义

**丢包率**：在一定时间内，传输过程中丢失的分组数与总分组数的比率。

### 8.2 原因

- **队列溢出**：路由器缓冲区满，丢弃分组
- **差错**：分组出错被丢弃
- **超时**：分组在网络中滞留时间过长

### 8.3 影响

- 丢包率高表示网络拥塞
- 需要重传，降低有效吞吐量
- 影响应用性能

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## 九、考研重点

1. **速率**：定义、单位
2. **带宽**：两种含义、与速率的关系
3. **吞吐量**：定义、与带宽的区别
4. **时延**：
   - 四种时延的定义和计算
   - 时延的组成
   - 各种时延的影响因素
5. **时延带宽积**：定义、物理意义
6. **往返时间（RTT）**：定义、组成、应用
7. **利用率**：信道利用率、网络利用率、与时延的关系
8. **丢包率**：定义、原因

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*第一章完，进入第二章：物理层*