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時延(Delay)

概述

在計算機網絡中進行分組交換，分組從一台主機（源），通過一系列路由器傳輸，在另一台主機（目的地）結束它的進程。當分組從一個節點（主機或路由器）沿着這條路逕到後繼結點（主機或路由器）時，該分組在沿途的每個及誒單都經受了幾種不同類型的時延（Delay）。

時延種類

節點處理時延（Nodal Processing Delay）、排隊時延(Queuing Delay)、傳輸時延(Transmission Delay)、傳播時延(Propagation)。而這些時延綜藝累加起來是節點總時延(Total Nodal Delay)。為了深入了解分組交換和計算機網絡，我們比如理解這些時延的性質和重要性。

節點處理時延

檢查分組首部和決定將該分組導向何處所需要的時間是節點處理時延的一部分。處理時延也包括其他因素，如檢查比特級差錯所需要的時間，該差錯出現在這些分組比特從上游節點向路由器A傳輸的過程中。高速路由器的處理時延通常是微秒或更低的數量級。在這種節點處理之後，路由器將該分組引向通往路由器B鏈路之前的隊列。

排隊時延

在隊列中，當分組在鏈路上等待傳輸時，它經受排隊時延。一個特定分組的排隊時延將取決於先期到達的、正在排隊等待向鏈路傳輸的分組的數量。如果該隊列是空的，並且當前沒有其他分組在傳輸，則該分組的排隊時延為0。另一方面，如果流量很大，並且許多其他分組也在等待傳輸，該排隊時延將很大。到達組的分組數量是到達該隊列的流量強度和性質的函數。實際的排隊時延通常在毫秒到微秒級。

傳輸時延

假定分組以先到先服務的方式傳輸——這在分組交換網絡中是常見的方式，僅當所有已經到達的分組被傳輸後，才能傳輸我們的分組。用L比特表示分組的長度，用R bps表示從路由器A到路由器B的鏈路傳輸速率。傳輸時延是L/R。這是將所有分組比特推向鏈路所需要的時間。實際的傳輸時延通常在毫秒到微秒級。

傳播時延

一旦一個比特被推向鏈路，該比特需要向路由器B傳播，從該鏈路的起點到路由器B的傳播所需要的時間是傳播時延。該比特以該鏈路的傳播速率傳播，該傳播速率取決於該鏈路的物理媒介，其速率範圍是2×$10^{8}$-3×$10^{8}$ m/s，這等於或略小於光速。傳播時延等於兩台路由器之間的距離除以傳播速率，即傳播時延是d/s，期中d是兩台路由器之間的距離，s是該鏈路的傳播速率。傳播時延在毫秒級。

傳播時延和傳輸時延的比較

計算機網絡領域的新手有時難以理解傳輸時延和傳播時延之間的差異，該差異雖說細小但是很重要。傳輸時延是路由器將分組推出所需要的時間，它是分組長度和鏈路傳輸速率的函數，而與兩台路由器之間的距離無關。傳播時延是一個比特從一台路由器向另一台路由器傳播所需要的時間，它是兩台路由器之間距離的函數，但與分組的長度或鏈路的傳輸速率無關。

節點總時延

令$d_{proc}$，$d_{queue}$，$d_{trans}$和$d_{prop}$分別表示處理時延、排隊時延、傳輸時延和傳播時延，那麼節點的總時延由下式給定：

$d_{nodal}$ = $d_{proc}$ + $d_{queue}$ + $d_{trans}$ + $d_{prop}$

這些時延成分所起的作用可能變化很大。一般而言，處理時延$d_{proc}$通常是微不足道的。然而，$d_{prop}$，$d_{trans}$可能是$d_{nodal}$的主要成分。

排隊時延

節點時延的最為複雜和令人感興趣的成分是排隊時延。事實上，排隊時延在計算機網絡中的重要程度和人們感興趣的程度，從發表的數以千計的論文和大量的專著可見一斑。 與其他三項時延（即$d_{proc}$，$d_{prop}$和$d_{trans}$）不用的是，排隊時延對不同的分組是不同的。

流量強度

判斷排隊延時的大小時，結果很大程度取決於流量到達該隊列的速率、鏈路的傳輸速率和到達流量的性質（即流量是周期性到達還是以突發形式到達）。

令a表示分組到達隊列的平均速率（a的單位是每秒分組，即pkt/s），假定所有的分組都是L比特組成的，則比特到達隊列的平局速率是La bps。而La/R被稱為流量強度，它在估計排隊時延的影響程度方面經常起着重要的作用。

流量強度與排隊時延

如果La/R > 1，則比特到達隊列的平均速率超過從該隊列傳輸出去的速率。在這種不幸的情況下，隊列的增加將趨近於無界，並且排隊時延將趨向無窮大。因此，流量工程中的一條金科玉律是：設計系統時流量強度不能大於1。

現在考慮La/R ≤ 1的情況。這時，到達流量的性質影響排隊時延。例如，如果分組周期性到達，即L/R s到達一個分組，則每個分組將到達一個空隊列中，因此不會有排隊時延。另一方面，如果分組以突發形式到達而不是周期性到達，則可能有很大的平均排隊時延。例如，假定每L/R s同時到達N個分組，則傳輸的第一個分組沒有排隊時延；傳輸的第二個分組就有L/R s的排隊時延；更為一般地，第n個傳輸的分組具有(n-1) L/R s的排隊時延。

端到端時延

假設源主機和目的主機之間有N-1台路由器，並且該網絡是無擁塞的。那麼端到端時延為：

$d_{end-end}$ = N ($d_{proc}$ + $d_{trans}$ + $d_{prop}$)

參見

• 計算機網絡
• 分組交換

參考文獻

• James F.Kurose, Keith W.Ross， 《計算機網絡:自頂向下方法》（原書第四版）,(Computer Networking: A Top-Down Approach Forth Edition, ISBN 978-7-111-16505-7)
• William Stallings, 《數據與計算機通信》(DATA & COMPUTER COMMUNICATIONS, 6th Edt., ISBN 7-04-010043-6)

外部連結

• 中國協議分析網
• 谷歌