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  • 网络传输吞吐量的计算
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    2018-02-10 09:49:54

    原文地址:http://blog.csdn.net/xiao_Mrs_li/article/details/70195790

    1.传输速率:


    定义:在数据传输中,两个设备之间数据流动的物理速度成为传输速率,单位为bps。

    计算:比特是数据量最小单位,秒是时间的最小单位, 所以速率单位为bps。类似的,有kb/s,Mb/s(M=10^6),Gb/s(G=10^9),Tb/s(t=10^12)

    1Byte=8bit一字节=8bit, 所以1Bps=8bps

    我们平常说的速率是额定速率

    2.带宽:

     定义:计算机网络中的主机在数字信道上,单位时间内从一段传送到另一端的最大数据量,即最大速率。

    类比:一个供水管,假设管子中有流动的水,这里的水为数据。单位时间内,从管子的某个横截面就是速率,即单位时间内传送的数据量。当管子充满水的时候,管子的某个横截面就是最大速率,即带宽

    计算:单位同速率一样,为bps


    3.吞吐量:

    主机之间实际的传输速率,被称为吞吐量,不仅仅衡量带宽,还衡量CPU的处理能力,网络拥堵程度及报文中数据字段的占有份额。说的通俗一点,就是单位时间内某个(信道。端口)实际的数据量,可以理解为实际的带宽。



    举个例子说明我们平常生活中用到这三个概念的地方:


    好奇宝宝们在看到家里的上网速度时一定会好奇,为什么我们一般看到的下载速度为125KB/S等,但是ISP声称的都是1M宽带,10M宽带等,难道是ISP欺骗了我们?NONONO,ISP说我们真冤枉。

    其实是软件中显示的数据单位,一般用字节来衡量。但是其实我们听到运营商ISP给我们的衡量数据的单位是bit。

    所以拿1M宽带举个例子:


    1Mb/s=1000Kb/s=1000/8KB/S=125KB/S


    所以通常我们看到的ISP声称2M宽带的,实际上理论能达到250KB/S的下载速率,但是因为受到计算机性能,网络设备质量,资源使用情况,网站能力,信号衰减等影响,那么实际的传输速率为80-20KB/S,4M的理论下载速度为500KB/S,实际速率只能达到200-440KB/S。

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    🛑Q
    用户A与用户B通过卫星链路通信时,传播延迟为270ms,假设数据速率为64kb/s,帧长为4000bit,若采用停止等待ARQ协议通信,则最大链路利用率为(1);若采用退后N帧ARQ协议通信,发送窗口为8,则最大链路利用率可以达到(2)。
    (1) A、0.104 B、0.116 C、0.188 D、0.231
    (2) A、0.416 B、0.464 C、0.752 D、0.832

    🟢A

    最大链路利用率,即一个周期中(发送时延+传输时延),按最大窗口发送帧的时间(发送时延)/ 往返的传输时延
    发送时延 = 4000bit / (64kb/s) = 62.5ms
    (这里4000bit = 4000/8byte = 500byte = 0.5kb,0.5kb/ (64kb/s) = 7.8125ms,但是算出来和答案不一样,答案估计是把4000bit算作了4000byte)
    传输时延 = 270ms * 2 = 540ms
    利用率 = 62.5ms / (62.5ms + 540ms) = 0.104

    8帧的发送时延 = 8 * 4000bit / (64kb/s) = 500ms
    由于500ms < 540ms(往返的传输时延),一个周期内可以全部发送
    一个周期仍按1帧的发送时延+传输时延算
    利用率 = 500ms / (62.5ms + 540ms) = 0.832 (即0.104 * 8)

    https://wenku.baidu.com/view/2381148a14791711cd79172a.html


    🔴Q
    若TCP使用的最大窗口为64KB,而传输信道的带宽可认为是不受限制的。若报文段的平均往返时延为20ms,则能得到的最大吞吐量是____Mbps
    A、24.6 B、26.2 C、25.8 D、26.8

    🟢A
    吞吐量最大,仍是一个周期中,按最大窗口发送的数据量
    传输信道的带宽不受限制,即不考虑发送时延
    最大吞吐量 = 64kb / 20ms = 64 * 1024 * 8bit / 20ms = 26.2Mbps

    吐槽:
    kb是乘1000还是乘1024,似乎根据题目随缘
    靠谱点的一般计算机中的(如数据量)按1024算,计算机外的(如传输速率)按1000算
    这里如果按1000算是25.6,没有匹配的选项


    🔴Q
    假设主机A要向主机B传输一个长度为512KB的报文,数据传输速率为500Mbps,途中需要经过8个路由器。每条链路长度为1000km,信号在链路中的传播速度为200000km/s,并且链路是可靠的。假定对于报文与分组,每个路由器的排队延迟时间为1ms,数据传输速率也为500Mbps。那么,在下列情况下,该报文需要多长时间才能到达主机B?
    (1)采用报文交换方式,报文头部长为32B;
    (2)采用分组交换方式,每个分组携带的数据为2KB,头部长为32B。

    🟢A

    报文总长度 = 头部长度 + 数据长度 = 32B + 512KB = ( 32 + 512 * 1024 )Byte = 524320Byte = 4194560bit
    一次转发,
    发送时延 = 4194560bit / (500Mbps) = 83.8912ms ≈ 84ms
    传输时延 = 1000km / (200000km/s) = 5ms
    排队时延 = 1ms
    总共要经过8个路由器,第一次发送时无排队时延
    总时间 = 发送时延 * 9 + 传输时延 * 9 + 排队时延 * 8 = 84ms * 9 + 5ms * 9 + 1ms * 8 = 809ms

    分组个数 = 512KB / 2KB = 256
    每个报文长度 = 32B + 2KB = 2080KB ≈ 16640bit
    一次转发,
    发送时延 = 16640bit / (500Mbps) = 0.33ms
    传输时延仍为5ms
    排队时延仍为1ms
    总时间为前n-1个分组的发送时延,加上最后一个分组的所有时延(发送 * 9 + 传输 * 9 + 排队 * 8)
    总时间 = ( 256 - 1 ) * 0.33ms + 0.33ms * 9 + 5ms * 9 + 1ms * 8 ≈ 140ms

    https://wenku.baidu.com/view/0a5a67440c22590102029de7.html


    🔴Q
    有两台主机A和B接在800m长的电缆线的两端,并在t=0时各自想对方发送一个帧,长度为1500bit(包括首部和前同步码)。假定在A和B之间有4个转发器,在转发帧时会产生20bit的时延。设传输速率为100Mbit/s,而CSMA/CD的退避时间是随机数r倍的争用期,争用期为512bit,在发生第一次碰撞后,在退避时A选择r=0而B选择r=1。忽略发生碰撞后的人为干扰信号和帧间最小间隔。
    (1) 设信号的传播速率是2x10^8m/s,试计算从A到B(包括4个转发器)的传播时延
    (2) 在什么时间(以秒为单位)B完全收到了A发送的帧?
    (3) 现在假定只有A发送帧,帧长仍为1500bit,但4个转发器都用交换机来代替。交换机在进行存储转发时还要产生额外的20bit的处理时延。在什么时间(以秒为单位)B完全收到了A发送的帧?

    🟢A

    电缆上的传播时延 = 800m / (2x10^8m/s) = 4μs
    转发帧的时延 = 20bit / (100Mbit/s) = 0.2μs
    传输时延 = 4μs + 0.2μs * 4 = 4.8μs

    1帧的发送时延 = 1500bit / (100Mbit/s) = 15μs,大于上面计算的传输时延,所以在1帧发送完成之前可以监测到碰撞💥
    A的退避时间 = 0 * 512bit / (100Mbit/s) = 0μs
    B的退避时间 = 1 * 512bit / (100Mbit/s) = 5.12μs
    发送帧后的事件如下:

    • t=0时,A和B同时发送帧
    • t=4.8时,A和B同时检测到碰撞(在中间碰撞,再传回来,仍为传输时延),立刻停止发送数据
    • t=9.6时,B发送的不完整的帧的最后一个bit到达A。A的退避时间为0,立刻重传
    • t=9.6时,A发送的不完整的帧的最后一个bit到达B。B的退避时间为5.12μs,在9.6+5.12=14.72之前,B都不会发送数据
    • t=14.4时(9.6+4.8),A重传帧的第一个bit到达B。此刻B仍在退避,收到A的帧,在14.72时不会发送数据,直至A的帧传完都不会发生冲突
    • t=29.4时(14.4+15),A重传帧的最后一个bit到达B

    总的传输时延仍为4μs
    主机A和4个交换机的发送时延 = 5 * 15μs = 75μs
    4台交换机处理时延 = 20bit / (100Mbit/s) * 4 = 0.8μs
    B收完A发送的帧的总时延 = 4μs + 75μs + 0.8μs = 79.8μs

    《计算机网络第七版(谢希仁)》3-34



    版权声明:本文为CSDN博主「_CoCoNutNut_」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。 原文链接:https://blog.csdn.net/weixin_42319408/article/details/103673330
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  • TCP吞吐量的理论计算公式

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      本篇文章本来是收录AIMD拥塞控制吞吐量的计算公式。Valve游戏公司开源GameNetworkingSockets[1],既支持可靠的数据传输,也支持不可靠的数据传输。数据的传输速率,是直接计算出来的。

    const int64 k_nMillion = 1000000;
    int TFRCCalcX( int s, int64 rtt, float p )
    {
    	// TFRC throughput equation
    	// 
    	//                                s
    	//   X_Bps = ----------------------------------------------------------
    	//           R*sqrt(2*b*p/3) + (t_RTO * (3*sqrt(3*b*p/8)*p*(1+32*p^2)))
    	//
    	// b is TCP acknowlege packet rate, assumed to be 1 for this implementation
    
    	float R = (double)rtt / k_nMillion;
    	float t_RTO = MAX( 4 * R, 1.0f );
    
    	return static_cast< int >( static_cast<float>( s ) /
    		( R * sqrt( 2 * p / 3 ) + ( t_RTO * ( 3 * sqrt( 3 * p / 8 ) * p * ( 1 + 32 * ( p * p ) ) ) ) ) );
    }
    

     这个公式速率控制公式就是基于一篇大名鼎鼎的论文[2]。[3]的论文论文早一年, 对Jocobson提出拥塞控制算法进行数学建模,称之为TCP的宏观模型。但是直接基于一个公式计算出数据的发送速率,是不靠谱的。一条数据流不向网络中注入多余的数据,是不可能探测更多的可用带宽的。而要探测带宽,必然导致网络拥塞。另外一个不靠谱的领域就是带宽测量。通过一次测量的带宽值,就能当做一个会话持续过程的传输速率吗?还好,这个领域过气很多年了。
     互联网的互联靠的数据传输,数据传输依赖TCP,TCP需要拥塞控制。因为1986的网络拥塞崩溃,Jocobson提议基于AIMD机制TCP作为拥塞控制算法[4]。 TCP的拥塞控制将互联网从拥塞奔溃中拯救了出来。这里用了提议,没有用提出。Jain [5] 在1988年就讨论了几种可能的拥塞控制算法: AIAD,AIMD, MIMD, MIAD。最终的建议是AIMD,因为这个算法能够保证带宽资源的公平性。但是,在拥塞控制领域,好像大家更认可Jocobson的工作。Jain只能在自己的维基百科上写道:He is also the co-inventor of the Additive Increase Multiplicative Decrease (AIMD) principle used for traffic management in computer networks。
     学术其实是一件功利的事情。谁不想做出一件事情,能够让后世铭记呢。棺材一抬,人生白来。死亡的恐惧太过强大。普通人只能靠宗教,上天堂。牛逼的人,靠贡献,进入各种历史记录中。牛逼的人知道,天堂太虚幻。Benjamin Franklin: “If you would not be forgotten, as soon as you are dead and rotten, either write things worth reading, or do things worth writing.” 中文版:太上有立德,其次有立功,其次有立言,虽久不废,此之谓不朽。AIMD的算法机制很简单,但是总结计算机网络的发展历史,Jocobson这个名字是绕不开的。He is one of the primary contributors to the TCP/IP protocol stack—the technological foundation of today’s Internet.
     TCP的宏观模型其实就是总结Reno算法吞吐量的理论公式: T = M S S ∗ C r t t ∗ p T=\frac{MSS*C}{rtt*\sqrt{p}} T=rttp MSSC. The TCP Macroscopic Model estimates that Reno TCP performance is proportional to one over the square root of the loss probability.
     在2020的sigcomm会议,Mathis要宣布TCP Macroscopic Model过时了。

    The TCP Macroscopic Model will be completely obsolete soon. It was a closed form performance model for Van Jacobson’s landmark congestion control algorithms presented at Sigcomm’88. Jacobson88 requires relatively large buffers to function as intended, while Moore’s law is making them uneconomical.

     它的过时,是因为BBR的出现。BBR算法开启拥塞控制的新时代。

    Reference:
    [1]GameNetworkingSockets
    [2]Padhye J, Firoiu V, Towsley D, et al. Modeling TCP throughput: A simple model and its empirical validation[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 1998, 28(4): 303-314
    [3] Mathis M, Semke J, Mahdavi J, et al. The macroscopic behavior of the TCP congestion avoidance algorithm[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 1997, 27(3): 67-82.
    [4] Jacobson V. Congestion avoidance and control[J]. ACM SIGCOMM computer communication review, 1988, 18(4): 314-329.
    [5] Congestion avoidance in computer networks with a connectionless network layer: concepts, goals and methodology
    [6] Mathis M, Mahdavi J. Deprecating the TCP macroscopic model[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2019, 49(5): 63-68.

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    传输速率:

    单位时间内传输(发送到链路或从链路接收)的数据量
    在这里插入图片描述

    带宽:

    单位时间内最大的传输(发送到链路或从链路接收)的数据量,不会影响数据在链路上的传播(数据的移动)速度
    通常是一种理想状态
    在这里插入图片描述

    吞吐量:

    主机之间实际的传输速率
    例如:主机要接收信息,两台服务器传输速率分别为20bps和10bps,那么此时主机的吞吐量就是30bps。
    在这里插入图片描述
    1兆宽带:
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