计算机网络笔记(六)——1.6计算机网络的性能

计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能指标。但除了这些重要的性能指标,还有一些非性能特征(nonperformance characteristics)也对计算机网络的性能有很大影响。

1.6.1计算机网络的性能指标

以下是计算机网络性能指标的详细讲解,包含图示和关键要点:

1. 速率(比特率)

  • 定义:单位时间内传输的比特数,单位为 bit/s(bps)
  • 示例:100Mbps = 100×10⁶ bit/s
  • 特点:网络接口的标称速率,实际传输速率可能更低

2. 带宽(Bandwidth)

  • 定义:信道能传输的最高数据率

  • 单位:bit/s(bps)

  • 公式

    复制代码
    理论最大吞吐量 = bandwidth
    实际吞吐量 ≤ bandwidth

3. 时延(Delay)

由四部分组成:
40% 30% 20% 10% 时延组成 发送时延 传播时延 排队时延 处理时延

  • 发送时延 = 数据长度/信道带宽

    Tₜ = L/B(L:比特数,B:bps)

  • 传播时延 = 传输距离/传播速度

    Tₚ = D/V(D:距离,V:光速的2/3≈2×10⁸ m/s)

  • 排队时延:路由器缓存队列等待时间

  • 处理时延:路由器检错和路由选择的时间

4. 时延带宽积

  • 定义:信道中可容纳的比特数
  • 公式 :时延带宽积 = 传播时延 × 带宽
    DWB = Tₚ × B
  • 作用:反映信道利用率(如管道容积)

5. 吞吐量(Throughput)

  • 定义:单位时间实际通过的数据量
  • 公式
    吞吐量 = min(带宽₁, 带宽₂, ..., 带宽ₙ)

6. 往返时间(RTT)

  • 定义:从发送数据到收到确认的时间
  • 影响:TCP窗口大小的重要参数
  • 公式
    有效吞吐量 = 窗口大小/RTT

7. 丢包率(Packet Loss Rate)

  • 计算
    丢包率 = (发送包数 - 接收包数)/发送包数 × 100%
  • 影响阈值:超1%会出现显著性能下降

8. PPS(Packets Per Second)

  • 定义:网络设备每秒处理的分组数
  • 典型值
    • 普通路由器:500K~5M PPS
    • 高性能交换机:1亿PPS以上

9. 利用率

  • 信道利用率:U = 吞吐量/带宽
  • 网络综合利用率 :根据Little定律
    D = D₀/(1-U)
    (U→1时延迟趋向无限大)

性能指标关系图

1.6.2计算机网络的非性能指标

非性能指标是指不直接反映网络传输效率,但对网络设计、管理和长期运行至关重要的因素。它们决定了网络的 适用性可持续性

1. 费用

  • 定义:网络建设和维护的经济成本。
  • 内容
    • 硬件成本(路由器、交换机、线缆等)。
    • 软件许可费用(操作系统、安全工具等)。
    • 运营成本(电力、维护团队等)。
  • 影响:平衡性能与成本;高端设备性能优但费用高,需根据预算选择。

2. 质量

  • 定义:网络设备和服务的稳定性和可用性。
  • 内容
    • 硬件可靠性(平均无故障时间, MTBF)。
    • 服务质量(QoS)配置的支持。
    • 故障恢复能力(负载均衡、备份链路)。
  • 案例:工业控制网络需高可靠性,避免停机导致生产损失。

3. 标准化

  • 定义:遵循国际或行业统一规范。
  • 内容
    • 协议(TCP/IP、HTTP等)。
    • 接口标准(如USB、Wi-Fi认证)。
  • 意义:确保设备互操作性,避免厂商锁定(如不同品牌的交换机互通)。

4. 可扩展性

  • 定义:网络适应未来增长的能力。
  • 方法
    • 模块化设计(按需添加交换机/服务器)。
    • 支持新技术(IPv6、5G)。
  • 场景:从小型办公室升级为分公司联动的企业网。

5. 易管理性

  • 定义:监控、配置和维护网络的便捷性。
  • 工具支持
    • 网络管理系统(如SNMP、Zabbix)。
    • 自动化工具(Ansible、脚本批量配置)。
  • 对比
    • 复杂网络:需详细日志和告警系统。
    • 简单网络:人工排查可能更经济。

6. 安全性

  • 定义:抵御攻击和数据保护能力。
  • 措施
    • 防火墙、入侵检测系统(IDS)。
    • 加密技术(SSL、VPN)。
  • 非功能影响:安全机制可能导致额外延迟(性能与安全的权衡)。

性能指标 vs. 非性能指标

性能指标 非性能指标
带宽(Mbps) 费用(建设成本)
延迟(ms) 可靠性(MTBF)
吞吐量(Gbps) 标准化(协议兼容性)
PPS(Packet/s) 可扩展性(扩容能力)

非性能指标设计的流程图

网络设计时需综合考虑非性能因素,以下为典型流程:

总结

  • 非性能指标 决定了网络的 可用性成本效益长期维护能力
  • 设计网络时需在性能与非性能指标间权衡(如高安全可能增加延迟)。
  • 实际案例:企业网络升级时选择支持SDN的路由器(高扩展性),但需承担更高的初期费用。

通过对这些指标的综合考量,可以构建既高效又可持续的计算机网络系统。

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