分组交换与网络性能

为什么把数据切成分组

网络中的业务大多是突发的：加载网页时短时间发送许多数据，阅读页面时连接可能几乎空闲。如果为每个用户永久保留一条专线，大量容量会在空闲期浪费。

分组交换把消息切成较小分组，让多个用户按需交替使用链路，这叫统计复用。路由器只需短暂保存分组并逐跳转发，不必为每个应用预留完整端到端电路。

与电路交换相比：

方式	优点	代价	适合直觉
电路交换	资源和时延更可预测	空闲时仍占资源，建立电路有成本	持续稳定流量
分组交换	利用率高、对突发业务灵活	会排队、丢包，时延有抖动	数据通信与大量共享用户

互联网主要采用分组交换，但实时业务可以通过预留、优先级、冗余和自适应编码改善体验。

存储转发

在典型存储转发中，路由器收到完整分组后才向下一条链路发送。长度为 \(L\) 比特的分组经过速率为 \(R\) bit/s 的链路，发送时延为：

\[ d_{trans}=\frac{L}{R}. \]

一个 1500 字节帧在 100 Mb/s 链路上的发送时延约为：

\[ \frac{1500\times 8}{100\times 10^6}=120\ \mu s. \]

注意这是“把所有比特推上链路”的时间，不是信号走到远端的时间。

四类节点时延

一个分组在节点处的总时延常分为：

\[ d_{node}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}. \]

• 处理时延 \(d_{proc}\)：检查首部、校验并查询转发表。
• 排队时延 \(d_{queue}\)：等待前面的分组发送，变化最大。
• 发送时延 \(d_{trans}\)：由分组长度和链路速率决定。
• 传播时延 \(d_{prop}\)：信号在介质中传播，近似为距离除以传播速度。

若光纤路径长 1000 km，传播速度粗略取 \(2\times 10^8\) m/s，单程传播时延约 5 ms。即使把带宽无限提高，传播距离仍存在，所以高带宽不等于低时延。

最小完整例子：为什么下载忽快忽慢

假设家中电脑经 1 Gb/s 局域网、100 Mb/s 接入链路和 10 Gb/s 骨干访问服务器。忽略协议开销，长流的端到端吞吐上限受最窄瓶颈限制：

\[ T\leq \min(1\ \mathrm{Gb/s},100\ \mathrm{Mb/s},10\ \mathrm{Gb/s})=100\ \mathrm{Mb/s}. \]

如果同一接入链路上有多个活跃大流，每个流获得的份额还会下降。若服务器本身只能以 20 Mb/s 读取文件，那么服务器也会成为瓶颈。端到端性能由整条路径共同决定，不能只看本机网卡标称速率。

排队、丢包与抖动

当分组到达速率短时间高于输出链路速率，分组进入缓冲区。缓冲区吸收突发，却不能创造带宽：

到达速率 < 服务速率：队列通常较短
到达速率接近服务速率：排队时延快速上升
持续到达速率 > 服务速率：队列最终溢出并丢包

因此丢包常是拥塞结果，而不是线缆损坏。过大的缓冲区也并非总是更好，它可能让分组长期排队，形成“缓冲膨胀”：吞吐看似正常，交互延迟却很高。

时延随时间变化称为抖动。语音和视频播放通常设置播放缓冲，用增加一点固定等待换取连续播放；缓冲过小容易卡顿，过大则增加端到端延迟。

分组大小的权衡

大分组减少首部占比并提高处理效率，但一旦出错或丢失，需要重传更多数据，而且会让后到的小分组等待更久。小分组响应更灵活，却有更高首部比例和每包处理开销。路径最大传输单元 MTU 给分组大小设置现实边界；端系统通常尽量避免在路径中发生 IPv4 分片，IPv6 路由器则不执行途中分片。

性能指标不能混为一谈

• 带宽是链路理论发送能力。
• 吞吐是实际成功交付速率。
• 好吞吐只计算应用有效负载，不含重传和首部。
• 时延描述一次数据到达要等多久。
• 丢包率描述未成功交付的比例。

批量备份更看重好吞吐，在线游戏更看重时延和抖动，控制系统还可能要求可预测的尾部时延。不存在对所有应用都唯一最优的网络配置。

自测

带宽升级后测速很快，但视频会议仍卡顿，至少应继续检查什么？

检查往返时延、抖动、丢包、上行带宽、无线干扰、队列是否膨胀以及会议服务器路径。测速得到的单个吞吐数字不能概括交互业务质量。