計算機網(wǎng)絡延時機理解析

孫頂戰(zhàn)

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信息從信源到信宿的傳遞是需要一些時間的，信號延時是任何通信網(wǎng)絡固有的一種現(xiàn)象，也是一項非常重要的通訊網(wǎng)絡技術(shù)指標。本文對計算機網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包延時的產(chǎn)生機理進行一些分析，以便在具體工作中更準確地了解網(wǎng)絡狀況。

延時是計算機網(wǎng)絡一個非常重要的參數(shù)，直接影響用戶上網(wǎng)體驗。有時感覺打開網(wǎng)頁慢，不是因為帶寬不足，而是延時過大造成的。一個小延時低帶寬的網(wǎng)絡可能會比大延時高帶寬的網(wǎng)絡讓用戶體驗更好。所以在計算機網(wǎng)絡規(guī)劃建設(shè)和維護中要特別重視延時指標。

目前，隨著10Gbps、100Gbps 光纖高速以太網(wǎng)、Epon 等技術(shù)的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡用戶終端的帶寬大大增加，1000M 入戶帶寬已進入商用，帶寬已經(jīng)不是制約用戶體驗的主要因素。盡量減小延時成為提高計算機網(wǎng)絡質(zhì)量、提升用戶體驗的非常重要的一項工作。

減小延時要從減小突發(fā)延時和常態(tài)延時兩方面來考慮。計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的延時基本上可以分為兩大類，一種是網(wǎng)絡在正常狀態(tài)下的延時，可以叫做常態(tài)延時；一種是網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞、接入網(wǎng)指標劣化、設(shè)備故障等造成的延時，可以叫做突發(fā)延時。

1 常態(tài)延時

常態(tài)延時由傳播延時、發(fā)送延時、處理延時和排隊延時組成。

（1）傳播延時是數(shù)據(jù)包在傳輸媒介中傳播所用的時間。計算機網(wǎng)絡的傳輸媒介有空氣、銅線電纜、光纖等。各種媒介傳播速度如表1所示。

一個數(shù)據(jù)包通過100 公里的光纖線路的傳播延時是0.5ms?？梢哉f在城域網(wǎng)和局域網(wǎng)范圍內(nèi)的傳播延時是可以忽略不計的。傳播延時主要產(chǎn)生在廣域網(wǎng)中。1000 公里光纖線路的延時為5ms，可以接受。若光纖線路達到2000 公里以上，傳播延時將達到10ms 以上，如果再加上跨運營商的防火墻、路由器等各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的發(fā)送延時、處理延時和排隊延時，用戶會有網(wǎng)速稍慢的感覺。從傳播延時的角度也可以看出建設(shè)網(wǎng)站鏡像和CDN的重要性。如果城域網(wǎng)內(nèi)有網(wǎng)站鏡像和CDN，傳播延時可忽略，問題是投資將很大。

（2）發(fā)送延時是主機、交換機、路由器等設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包所用的時間。發(fā)送延時等于數(shù)據(jù)包長度與帶寬的比值。圖1為在同一臺PC上分別用150字節(jié)和15000字節(jié)ping DNS服務器的RTT情況比較。

表1

圖1

可以看出用 15000 字節(jié) ping 的 RTT 比用 150 字節(jié)ping 多了3ms。多出的延時主要是由于15000 字節(jié)數(shù)據(jù)包較長，使得發(fā)送延時變長而引起的。

（3）處理延時是路由器對數(shù)據(jù)包進行尋址等處理所用的時間。路由器接收數(shù)據(jù)包后，先對鏈路層進行檢查處理，然后檢查網(wǎng)絡層分組頭，確定轉(zhuǎn)發(fā)地址，將數(shù)據(jù)包送至相應的輸出端口。

（4）排隊延時是數(shù)據(jù)包在路由器輸入輸出隊列中等待處理或轉(zhuǎn)發(fā)所需要的時間。在網(wǎng)絡繁忙時，排隊延時相應增大。

數(shù)據(jù)包分組每通過一臺路由器都會產(chǎn)生發(fā)送延時、處理延時和排隊延時。路由協(xié)議會盡量給分組選擇路由環(huán)節(jié)少的路徑。

減小常態(tài)延時的一個重要措施是縮短目標服務器與用戶端的距離和減少目標服務器與用戶端的路由環(huán)節(jié)，這樣就減少了傳播延時、發(fā)送延時、處理延時和排隊延時。目前，減小常態(tài)延時的最好方法是靠近用戶端建立鏡像服務器和CDN內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡，雖然成本較高，但提升用戶體驗的效果非常好。

因為發(fā)送延時等于數(shù)據(jù)包長度與帶寬的比值，所以提升路由各環(huán)節(jié)的帶寬，也可減小發(fā)送延時。

2 突發(fā)延時

突發(fā)延時是網(wǎng)絡中出現(xiàn)擁塞、接入網(wǎng)物理鏈路指標劣化等情況時，數(shù)據(jù)包傳輸延時的額外增加。

當網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)量大于網(wǎng)絡可承載的容量時就會發(fā)生擁塞，路由器輸入輸出隊列中會有大量數(shù)據(jù)包等待處理或轉(zhuǎn)發(fā)，隊列存儲空間占滿后，許多數(shù)據(jù)包會被丟棄。這時，TCP 發(fā)送端收不到確認包，將啟動超時重傳機制，加劇擁塞。

TCP 協(xié)議本身有擁塞控制機制，但只能起到緩解作用。減少擁塞造成的網(wǎng)絡延時需要從管理和規(guī)劃上想辦法。

擁塞是由于數(shù)據(jù)量過大所致。避免擁塞的根本途徑是合理規(guī)劃網(wǎng)絡帶寬、預留故障冗余和嚴控廣播風暴。

網(wǎng)絡中的流量是變化的，這由用戶的使用習慣決定，通常晚上和節(jié)假日流量大。一般情況下，網(wǎng)絡的帶寬利用率控制在50%以下為宜，利用率歷史最大峰值不能超過80%。流量過大的線路要及時增加帶寬，降低利用率。

另外，要嚴格控制廣播風暴的產(chǎn)生。廣播風暴產(chǎn)生巨量無用數(shù)據(jù)，必然會導致?lián)砣?。控制廣播風暴要做好隔離配置，還要做好操作規(guī)程管理，避免誤操作造成環(huán)路。

接入網(wǎng)物理鏈路指標不良也會產(chǎn)生突發(fā)延時。比如，HFC 網(wǎng)上下行信噪比過低會產(chǎn)生較大延時；無線路由器故障或移動終端距路由器過遠也會產(chǎn)生較大延時。

圖2分別為一臺筆記本電腦與故障無線路由器和正常無線路由器之間ping 測試情況。

圖2

可以看到故障路由器ping 測試RTT 變化很大。RTT 最小為1ms，最大為超時。

接入網(wǎng)物理鏈路指標不良是目前影響用戶體驗的一個主要因素，優(yōu)化接入網(wǎng)技術(shù)指標是網(wǎng)絡工程師的一項重要工作。