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1.4 数据通信的关键技术指标

评价数据通信的性能与体验有多种维度、多种指标,依据不同的目的,评价指标也有所不同。本节介绍数据通信的几种关键技术指标。

1.4.1 带宽

带宽是指某个信号具有的频带宽度,包含各种不同频率成分所占据的频率范围。例如,在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz(从300Hz到3.4kHz,即话音的主要成分的频率范围)。这种情境下,带宽的单位是赫兹。

在数据通信网络中,带宽更多被用来表示网络中某通道传输数据的能力,因此,网络带宽表示在单位时间内网络中的某个通道所能达到的最高数据率。本书中的带宽主要是这个概念。这种情境下,带宽的单位就是数据率的单位,即bit/s。

在带宽的两种表述中,前者为频域称谓,而后者为时域称谓,本质是相同的,也就是说,一条通信链路的带宽越宽,其最高数据率也就越高。

1.4.2 时延

所谓时延,简单地说就是指数据报文(一个报文或报文分组,甚至比特)从网络或链路的一端传输到另一端所需要的时间,如图1-13所示。就好比某件物品从南京运送到北京需要1天的时间,那么时延就等于1天。

图1-13 网络时延

需要注意的是,网络中的时延由以下几个不同的部分组成。

1.发送时延

发送时延是主机或网络设备(例如交换机、路由器等)发送数据报文所需要的时间,也就是从发送数据报文的第一个比特算起,到该数据报文的最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延的计算公式如式(1.1)所示。

(1.1)

由此可见,对于特定的网络,发送时延并非固定不变,而是与发送数据报文的帧长度(单位是bit)成正比,与发送速率(单位是bit/s)成反比。

2.传播时延

传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。传播时延的计算公式如式(1.2)所示。

(1.2)

电磁波在自由空间的传播速率等于光速,即3.0×10 5 km/s。电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些。电磁波在铜线中的传播速率约为2.3×10 5 km/s,在光纤中的传播速率约为2.0×10 5 km/s,例如长度为1000 km的光纤线路产生的传播时延大约为5 ms,一般按照5 μ s/km来计算。

值得注意的是,人们往往容易产生一种误解,即光纤的传播时延比铜线小,而实际上电磁波在光纤中的传播时延是大于在铜线中的传播时延的。这是因为在光纤介质中,电磁波利用光的全反射原理进行传播,即从光纤的一端射入,经过在内壁上多次反射后,从另一端射出,全反射走的距离要大于光纤的实际长度,因此光纤的传播时延反而大于铜线的传播时延。

传播时延和发送时延有本质的不同。传播时延发生在网络设备外部的传输介质上(例如双绞线、光纤等),与信号的发送速率无关,但与传输介质及传输距离有直接的关系,传输距离越远,传播时延就越大。我们在打跨国电话的时候,有时候会感觉说一句话以后要等一会儿才能听到对方的回话,这就是因为话音来回的距离非常远。

3.处理时延

主机或网络设备(例如交换机、路由器等)在收到数据报文后要花费一定的时间进行处理,例如分析数据报文的报文头、从数据报文中提取数据部分、进行差错检验或查找转发表等,这就产生了处理时延。

4.排队时延

数据报文在网络中传输时,要经过许多路由器。数据报文在进入网络设备(例如交换机、路由器等)后,要先在输入队列中排队等待处理;在网络设备(例如交换机、路由器等)确定了转发接口后,还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出,使数据报文丢失,这会导致排队时延无穷大。

数据报文在网络中经历的总时延就是以上4种时延之和,有时候也笼统地把总时延称为传输时延。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延 (1.3)

一般说来,低时延的网络要优于高时延的网络。在某些情况下,一个低速率、低时延的网络很可能要优于一个高速率但高时延的网络。

上述这4种时延在网络中产生的地方如图1-14所示,希望读者能够分清楚这几种时延的区别。

图1-14 4种时延产生的地方

在总时延中究竟哪一种时延占主导地位,必须根据实际情况具体分析和确定,这样才能更好地指导研究人员和工程人员抓住主要矛盾降低网络的总时延。有时候,发送时延、处理时延和排队时延会被笼统地称为转发时延,这3种时延跟技术标准、组网架构及网络设备的处理性能有直接的关系。对于用户来说,理解这4种时延也能更好地指导网络解决方案的选择或者网络设备的选型。

如果没有弄清楚这4种时延,就很容易产生错误的概念:“在高速链路(或高带宽链路)上,比特会传送得更快。”但这是不对的。我们知道,电磁波在通信线路上的传播速率取决于通信线路的材料,而与数据的发送速率没有关系。提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延,并不能明显减少传播时延。还有一点也应当注意:数据的发送速率是指每秒发送多少个比特,这是特指在某个点或某个接口上的发送速率。而传播速率是指每秒传播多少千米,特指在某一段传输线路上比特的传播速率。因此,通常所说的“光纤信道的传输速率高”是指可以用很高的速率向光纤信道发送数据,而光纤信道的传播速率实际上比铜线的传播速率略低一点。

1.4.3 抖动

所谓抖动,是指偏离了预期的时延,即不稳定的时延。网络抖动可表示为最高时延与最低时延的差,比如访问一个网站的最高时延是10 ms,最低时延为5 ms,那么网络抖动就是5 ms。

简单来说,网络抖动会导致发送端的数据报文到达接收端时快时慢,就像一个车队中的车同时出发,由于道路上不确定的堵塞情况,有的车到得很早,有的车到得很晚。如果把一辆车想象为一个字的声音,由于到达目的地的时间不一致,最终听到的就是断断续续、时快时慢的一句话,这可能改变原话的意思,影响用户体验,如图1-15所示。抖动对音视频(例如视频会议、网络电话等)业务、强周期性工业数据采集等业务有比较直接的影响。

图1-15 抖动对用户体验的影响

1.4.4 丢包率

所谓丢包,是指数据报文从一端发送到另一端的过程中,部分数据报文未能到达目的地,在途中丢失了。丢包率是指丢失的数据报文数量占所发送数据报文的比例,比如发送100个数据报文,丢失1个数据报文,那么丢包率就是1%。丢包对用户体验的影响如图1-16所示,用户发送了“给你发信息”5个字,但在传输过程中丢失了两个字,接收端只收到了“给你发”3个字。丢包通常会影响信息传输的正确性或完整性,在业务上表现为通话中断、视频卡顿、连接超时等用户体验问题。

图1-16 丢包对用户体验的影响

造成丢包的原因有很多,比如设备在短时间内处理不了过多的数据,导致网络拥塞,这时就会发生丢包现象。 nUnWjMQSTnYCpfUFmt2z3J/o1oKihJHurntsbWB6GhfuqgiyoZ82HCix7rhPH5cr

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