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：
理论最大吞吐量 = bandwidth 实际吞吐量 ≤ bandwidth
3. 时延（Delay）
由四部分组成：
-
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 和 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 和 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。