网络的性能表现

网络的性能指的是用户所感知到的网络服务质量。根据网络的性质和设计方式，有各种不同的方法来衡量网络的性能。要评估网络的性能，需要考虑网络的质量和数量两个方面。

衡量网络性能的参数

• 带宽
• 延迟/滞后时间
• 带宽×延迟
• 吞吐量
• 抖动/不稳定

带宽

一个网站性能至关重要的因素之一，就是分配给网络的带宽大小。带宽决定了Web服务器能够多快地上传请求的信息。虽然影响网站性能的因素有很多，但带宽始终是一个重要的制约因素。

带宽指的是在固定时间内可以传输的数据或信息的量。这个术语可以在两种不同的情境下使用，且对应的数值也有所不同。对于数字设备来说，带宽通常以每秒比特数或每秒字节数来表示。而对于模拟设备来说，带宽则通常以每秒周期数或赫兹来表示。

带宽只是人们衡量网络速度时的一个因素而已。由于互联网服务提供商在广告中常常声称自己拥有“40Mbps的高速连接”，因此人们往往会将带宽与互联网速度混淆。实际上，真正的互联网速度指的是每秒能够传输的数据量，而这一数值还与延迟因素有关。“带宽”指的是“容量”，而“速度”则指的是“传输速率”。

更多的带宽并不意味着更快的速度。 假设我们使用的龙头管子的宽度是原来的两倍，但水的流量仍然与原来一半宽度的龙头管时的流量相同。 因此，速度方面不会有所改善。 当我们谈论WAN连接时，我们通常指的是带宽；而当我们谈论LAN连接时，我们通常指的是传输速度。 这是因为，我们通常受到的是WAN上的昂贵电缆带宽的限制，而不是LAN上的硬件和接口数据传输速率或速度的限制。

• 以赫兹为单位的带宽：所谓“带宽”，指的是复合信号中所包含的频率范围，或者是指一个信道能够传输的频率范围。例如，假设某用户电话线的带宽为4 kHz。
• 每秒比特数：它指的是信道、链路或网络每秒能够传输的位数。例如，我们可以说，快速以太网网络的带宽最高为100 Mbps，这意味着该网络可以传输100 Mbps的数据量。

注意：赫兹作为带宽单位，与每秒比特数作为带宽单位之间存在着明确的对应关系。也就是说，如果带宽以赫兹为单位增加，那么每秒比特数也会相应增加。这种关系取决于我们是采用基带传输方式，还是采用调制传输方式。

延迟/滞后时间

在网络中，数据通信过程中，延迟指的是消息从发送端开始，到最终到达接收端所经历的总时间。这个时间包括：消息的第一个比特被发送出去的时刻，以及消息的最后一个比特被传递到接收端的时刻。 那些出现轻微延迟的网络连接被称为“低延迟网络”；而那些出现长时间延迟的网络连接则被称为“高延迟网络”。

高延迟会导致任何网络通信中出现瓶颈现象。它会阻碍数据充分利用网络通道，从而显著降低网络的带宽利用率。延迟对网络带宽的影响可能是暂时的，也可能一直持续下去，这取决于导致延迟的原因。延迟也被称为“ping率”，其单位是以毫秒来表示的。

• 简单来说，延迟指的是数据包在网络中成功传输所花费的时间。
• 它的测量方式有很多种，比如往返时间、单程时间等等。
• 它可能会受到用于传输数据的各个环节中的任何组件的影响，比如工作站、广域网连接、路由器、局域网以及服务器等。对于大型网络来说，由于光速的限制，其性能可能会受到限制。

延迟 = 传播时间 + 传输时间 + 排队时间 + 处理延迟

传播时间

所谓传播时间，指的是信号从发送端传输到接收端所需的时间。传播时间的计算方式可以是：链路长度（即距离）与信号在传输介质中的传播速度之比。例如，对于电信号来说，传播时间就是信号通过导线传输所需要的时间。

传播时间 = 距离 / 传播速度

例如：  

输入： What will be the propagation time when the distance between two points is 12, 000 km?        Assuming the propagation speed to be 2.4 * 10^8 m/s in cable.输出结果： We can calculate the propagation time as-        Propagation time = (12000 * 10000) / (2.4 * 10^8) = 50 ms 

传输时间

传输时间是指信号在传输线路上传播所需的时间。它包括了信号从一端传播到另一端所花费的时间，以及发送方在数据包前面添加的训练信号所带来的成本。这些训练信号有助于接收方同步时钟。消息的传输时间取决于消息的大小以及通道的带宽。

Transmission time = Message size / Bandwidth

例如：  

输入：What will be the propagation time and the transmission time for a 2.5-kbyte        message when the bandwidth of the network is 1 Gbps? Assuming the distance between       sender and receiver is 12, 000 km and speed of light is 2.4 * 10^8 m/s.输出结果： We can calculate the propagation and transmission time as-        Propagation time = (12000 * 10000) / (2.4 * 10^8) = 50 ms        Transmission time = (2560 * 8) / 10^9 = 0.020 ms注意： Since the message is short and the bandwidth is high, the dominant factor is the      propagation time and not the transmission time(which can be ignored).

排队时间

排队时间是指数据包在路由器中等待的时间长度。 通常情况下，网络线路处于繁忙状态，因此我们无法立即传输数据包。 排队时间通常并不是一个固定的因素，因此它会随着网络中负载的变化而发生变化。 在这种情况下，数据包会处于等待状态，随时准备被处理。它们被存储在队列中，等待被处理。 这些延迟主要受到系统中流量状况的影响。 交通流量越大，数据包就越有可能被阻塞在队列中，只能停留在内存里，等待处理。

处理延迟

处理延迟指的是路由器需要多长时间才能确定将数据包发送到何处这一过程所带来的延迟。 一旦路由器发现这一点，它就会将该数据包放入传输队列中，准备进行传输。 这些成本主要取决于协议的复杂性。 路由器必须能够解析足够的包信息，从而确定该数据包应该被放入哪个队列中。 通常，堆栈中较低层所使用的协议更为简单。 如果路由器不知道应该将数据包发送到哪个物理端口，那么它就会把数据包发送到所有的端口上，从而让数据包同时出现在多个队列中。 另一方面，在更高层次上，比如在IP协议中，处理过程可能包括发送ARP请求，以获取目标设备的物理地址，然后再将数据包排队进行传输。 这种情况也可以被视为一种处理延迟。

带宽与延迟的乘积

带宽和延迟是衡量链路性能的两个指标。不过，在数据通信中，真正重要的其实是这两个指标的乘积——即带宽与延迟的乘积。让我们以两个假设的情况作为例子来说明这一点。

案例1：假设该链路的带宽為1比特每秒，而链路中的延迟为5秒。那么，我们可以计算一下在这种情况下，带宽与延迟的乘积是多少。从图中可以看出，1比特每秒乘以5秒，得到的结果就是能够填充该链路的最大比特数。也就是说，在任何时刻，链路上的比特数最多只能达到5比特左右。

案例2：假设该连接线的带宽為3比特每秒。从图中可以看出，该线路上最多可以有3×5=15比特的数据传输。其原因是：每秒有3比特的数据通过这条线路传输，而每个比特的传输时间约为0.33秒。

在这两个例子中，带宽与延迟的乘积，就代表了能够填充该连接所需的比特数。 这种估算方式在我们需要分批发送数据的情况下非常重要。因为在这种情况下，我们必须等待每批数据的传输完成并得到确认之后，才能继续发送下一批数据。 为了充分发挥该链接的最大性能，我们必须确保我们的突发数据量等于带宽与延迟的乘积的两倍。 此外，我们还需要完成全双工通道的填充工作。 发送方应该发送一段大小为 (2*带宽*延迟) 比特的数据。 此时，发送方需要等待接收方对部分数据段的确认后，才会继续发送下一个数据段。 数值为：2×带宽×延迟。这表示，在任何时刻，可以处于过渡状态的比特数。

通过

吞吐量指的是在单位时间内成功传输的消息数量。 它的运行受到可用带宽、可用的信噪比以及硬件限制的影响。 因此，网络的最大吞吐量可能会高于日常使用中所达到的实际吞吐量。 “吞吐量”和“带宽”这两个概念，经常被误认为是相同的东西。但实际上，它们是有区别的。 带宽是指链接的潜在传输能力，而吞吐量则代表了我们实际能够传输数据的速度。

吞吐量是通过统计在特定时间段内多个位置之间传输的数据量来测量的。通常以每秒比特数来表示，后来这种单位被改为每秒字节数、每秒千字节数、每秒兆字节数和每秒吉字节数。 吞吐量可能会受到多种因素的影响，比如底层模拟物理介质的干扰、系统各组件的可用处理能力，以及最终用户的行为方式。 当考虑到各种协议相关的开销后，传输数据的使用率可能会显著低于最大可实现的吞吐量。

让我们来考虑一下：这条高速公路的运输能力为：每次可以运送200辆车。但是，在某个随机的时间点，由于道路上的交通拥堵，实际上只有150辆车能够通过这条高速公路。因此，该高速公路的单位时间内的运输能力实际上为200辆车辆，而实际的通量则仅为150辆车辆。
例如：

输入：A network with bandwidth of 10 Mbps can pass only an average of 12, 000 frames        per minute where each frame carries an average of 10, 000 bits. What will be the        throughput for this network?输出结果： We can calculate the throughput as-        Throughput = (12, 000 x 10, 000) / 60 = 2 Mbps        The throughput is nearly equal to one-fifth of the bandwidth in this case.

如需了解更多内容，请参考“带宽与吞吐量的区别”相关内容。

Jitter

抖动是另一个与延迟相关的性能问题。 从技术上讲，抖动指的是“数据包的延迟变化”。 这简单来说就是，当网络中不同数据包的延迟各不相同时，抖动就被视为一个问题。而数据在接收端应用程序中的处理过程需要高度注重时间上的准确性，也就是说，数据的传输必须准确无误地完成。 音频或视频数据。 抖动以毫秒为单位进行测量。 它指的是在发送数据包的正常过程中出现的干扰现象。 例如：如果第一个数据包的延迟为10毫秒，第二个数据包的延迟为35毫秒，第三个数据包的延迟为50毫秒，那么使用这些数据包的实时目标应用程序就会感受到抖动现象。
简单来说，抖动指的是高频数字信号中，信号脉冲所发生的任何偏差或位移。 这种偏差可能与信号的幅度、信号脉冲的宽度，或者相位时序有关。 造成抖动的主要原因，就是电磁干扰以及信号之间的串扰现象。 抖动会导致显示屏出现闪烁现象，从而影响台式机或服务器中处理器的正常运作。此外，抖动还可能导致音频信号中出现点击声或其他不希望出现的干扰现象，同时还会造成网络设备之间传输数据的丢失。
抖动是有害的，会导致网络拥塞和数据包丢失。

• 拥塞就像高速公路上的交通堵塞一样。在交通堵塞的情况下，汽车无法以合理的速度前进。同样地，在拥塞状态下，所有的数据包也会同时到达某个“节点”。这样一来，就无法再加载任何新的数据了。
• 第二个负面效应就是数据包丢失的问题。 当数据包以不规律的间隔到达时，接收系统就无法处理这些信息，这就导致了所谓的“数据包丢失”现象。 这对视频观看体验产生了负面影响。 如果视频出现像素化现象，或者出现跳帧的情况，那么说明网络出现了抖动问题。 抖动的结果就是数据包的丢失。 在在线游戏中，数据包丢失现象会导致玩家在屏幕上随机移动。 更糟糕的是，游戏在从一个场景切换到另一个场景时，会跳过部分游戏流程。

在上面的图片中，可以注意到，数据包被发送所需的时间与它们到达接收端所需的时间并不相同。其中有一个数据包在传输过程中出现了意外的延迟，因此它比预期的时间要晚一些才被接收。这种现象就被称为“抖动”。
抖动缓冲区可以减轻抖动带来的影响，这种影响可能出现在网络、路由器或交换机上，也可能出现在计算机上。 在目标系统上，接收网络数据包的过程通常是从缓冲区中获取这些数据包，而不是直接从源系统获取。 每个数据包都以固定的速率从缓冲区中输出。 另一种减少多路径传输中抖动的方法，就是选择性地将流量引导到最稳定的路径上，或者始终选择能够最接近目标数据包传输速率的路径来传输数据。

影响网络性能的因素

以下是影响网络性能的各种因素。

• 网络基础设施
• 在网络中使用的应用程序
• 网络问题
• 网络安全

网络基础设施

网络基础设施是影响网络性能的重要因素之一。网络基础设施包括路由器、交换机等网络设备，以及诸如IP地址分配、无线协议等相关的服务。这些因素直接决定了网络的性能。

网络中使用的应用程序

在网络中使用的应用程序也会对网络的性能产生影响。因为一些性能不佳的应用程序会占用大量的带宽资源。对于那些复杂的应用程序来说，它们的维护工作同样重要，而这也会影响网络的性能。

网络问题

网络问题是影响网络性能的一个重要因素。因为这些问题的存在或漏洞，可能会导致许多系统性的问题。硬件方面的问题同样也会对网络的性能产生影响。

网络安全

网络安全性能够确保用户的隐私和数据完整性。不过，网络性能可能会受到网络带宽的影响，因为网络带宽决定了设备扫描、数据加密等操作的效率。但这些因素都会对网络性能产生负面影响。